机械可靠性设计
机械设计中的产品可靠性分析与评估
机械设计中的产品可靠性分析与评估在当今竞争激烈的市场环境中，机械产品的可靠性已成为企业赢得市场份额和用户信任的关键因素。
可靠性不仅关系到产品的质量和性能，更直接影响着用户的满意度和企业的声誉。
因此，在机械设计过程中，对产品可靠性进行深入的分析与评估具有重要的意义。
一、产品可靠性的概念与重要性产品可靠性，简单来说，是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。
这包括了产品在使用过程中的稳定性、耐久性、无故障工作时间等多个方面。
一个可靠的机械产品，能够在各种复杂的工作环境和使用条件下，持续稳定地运行，减少故障和维修的次数，从而为用户提供更好的服务，同时也降低了企业的售后成本。
对于企业而言，产品可靠性的重要性不言而喻。
首先，高可靠性的产品能够提升企业的市场竞争力。
在消费者选择产品时，往往更倾向于那些质量可靠、故障少的品牌。
其次，可靠的产品有助于降低生产成本。
虽然在提高可靠性的过程中可能需要增加前期的研发投入，但由于减少了后期的维修和更换成本，总体成本反而会降低。
再者，良好的可靠性能够增强企业的声誉和品牌形象，促进企业的长期发展。
二、影响产品可靠性的因素在机械设计中，有众多因素会影响产品的可靠性。
设计方面，不合理的结构设计、选用了不合适的材料、零部件之间的匹配度不足等，都可能导致产品在使用过程中出现故障。
制造工艺的优劣也直接关系到产品的质量和可靠性。
例如，加工精度不够、装配不当等都会影响产品的性能和寿命。
此外，使用环境也是一个重要的影响因素。
机械产品在高温、高湿、高压、强腐蚀等恶劣环境下工作，其可靠性会受到极大的挑战。
而用户的操作和维护方式同样不可忽视。
不正确的操作方法、不及时的维护保养，都可能加速产品的损坏。
三、产品可靠性分析方法为了准确评估机械产品的可靠性，需要采用一系列的分析方法。
故障模式与影响分析（FMEA）是一种常用的方法。
它通过对产品可能出现的故障模式进行分析，评估每种故障模式的影响程度和发生概率，从而找出潜在的薄弱环节，并采取相应的改进措施。
机械可靠性设计课程设计
机械可靠性设计课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生理解并掌握机械可靠性设计的基本概念、原理和方法；2. 使学生了解机械系统失效的类型及其影响因素，能够运用可靠性理论分析机械故障；3. 引导学生掌握可靠性数学模型，并能运用相关软件进行机械可靠性分析与设计。
技能目标：1. 培养学生运用可靠性理论解决实际工程问题的能力；2. 提高学生运用计算机软件进行机械可靠性分析与设计的能力；3. 培养学生团队协作、沟通表达的能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生热爱机械工程，关注机械可靠性设计领域的发展；2. 增强学生的工程意识，培养其严谨的科学态度和良好的职业道德；3. 引导学生认识到机械可靠性设计在工程领域的重要性和价值，提高其社会责任感。
本课程针对高年级本科或研究生阶段的学生，充分考虑学生的知识背景、认知能力和实践需求。
通过本课程的学习，使学生能够将理论知识与实际工程相结合，提高解决实际问题的能力，为今后从事机械设计与制造领域的工作打下坚实基础。
同时，注重培养学生的团队协作、沟通表达等综合素质，使其成为具有创新精神和实践能力的高素质工程技术人才。
二、教学内容本章节教学内容主要包括以下几部分：1. 机械可靠性设计基本概念：介绍可靠性、失效、故障等基本概念，分析可靠性指标及其计算方法。
2. 机械系统失效类型及影响因素：阐述机械系统失效的类型，探讨应力、应变、温度、湿度等影响因素。
3. 可靠性数学模型：讲解可靠性数学模型的基本原理，包括概率论、数理统计、随机过程等。
4. 可靠性分析与设计方法：介绍常见的可靠性分析方法，如故障树分析、事件树分析、蒙特卡洛模拟等，以及可靠性设计方法。
5. 计算机软件应用：教授常用可靠性分析与设计软件的操作方法，如MATLAB、ANSYS等。
6. 实践案例：分析典型机械可靠性设计案例，使学生了解实际工程中的应用。
教学内容依据以下教材章节组织：1. 《机械可靠性设计》第一章：基本概念与方法；2. 《机械可靠性设计》第二章：失效类型及影响因素；3. 《机械可靠性设计》第三章：可靠性数学模型；4. 《机械可靠性设计》第四章：可靠性分析与设计方法；5. 《机械可靠性设计》第五章：计算机软件应用；6. 《机械可靠性设计》附录：实践案例。
机械可靠性设计技术
在可靠性技术迅速发展的今天，从指标试验评价发展到从指标论证、设计、原材料选择到工艺控制及售后服务的全过程的综合管理和评价，许多产品打出“零失效”的王牌。
产品的可靠性在很大程度上取决于设计的正确性。
机械可靠性设计是近期发展起来并得到推广应用的一门现代设计理论和方法，以提高产品可靠性为目的、以概率论与数理统计理论为基础，综合运用数学、物理、工程力学、机械工程学、人/机工程学、系统工程学、运筹学等多方面的知识来研究机械工程的最佳设计问题。
为了提高广大企业从业人员机械可靠性设计水平，中国电子标准协会应会员单位要求，决定组织召开“机械可靠性设计技术高级研修班”。
现将相关事宜通知如下：课程特点：本课程针对机械动力学系统的设计，涵盖了材料的选择、力学的计算、表面处理和热处理工艺的选择、失效的分析、振动噪声的消除与预防、动力学测试与分析等方面内容。
提纲：课程大纲以根据学员要求，上课时会有所调整，具体以报到时的讲义为准。
第一章机械可靠性设计基本依据1.1干涉模型 1.2大数定律与中心极限定理 1.3基本载荷形式1.4综合作用类型 1.5主要失效模式 1.6系统功能关系第二章基于载荷环境的材料工艺准则2.1广义载荷 2.2环境类形 2.3材料类型2.4毛坯工艺 2.5加工准则第三章结构可靠性技术准则3.1优化设计 3.2余度设计 3.3防错设计3.4环境适应性设计 3.5维修性设计第四章机械可靠性设计数学模型4.1应力强度干涉模型 4.2静载荷作用的可靠性设计 4.3交变载荷作用的疲劳可靠性设计4.4压力容器的可靠性设计 4.5交变温度作用的热负荷可靠性 4.6腐蚀与磨损条件下构件可靠性第五章机械可靠性设计准则5.1基于材力三大假设的静载设计 5.2基于交变载荷或谱载荷作用的抗疲劳设计5.3基于当量初始缺陷分布的概率断裂控制 5.4基于压力容器快速断裂控制的损伤容限5.5基于交变温度作用的热疲劳特性 5.6构件防腐蚀和耐磨损设计第六章机械可靠性应用6.1冲击载荷与霍普金圣效应 6.2 各态遍历的随机振动 6.3随机振动试验准则6.4冲击载荷作用的设计准则 6.5结构柔性与变形协调设计 6.6压力容器与动载作用设计6.7振动环境作用的可靠性准则 6.8复合载荷环境材料匹配 6.9载荷环境毛坯匹配准则6.10减振器与结构阻尼准则 6.11润滑与降噪准则 6.12表面技术与润滑匹配6.13 箱座、支架类零部件材料阻尼准则 6.14铸件减震设计准则6.15锻件、焊接件抗冲击设计准则第七章受热结构影响因素7.1总体热惯性与最高温度 7.2比热容与高温持续时间 7.3表面辐射系数7.4热阻与热循环特性 7.5隔热设计准则 7.6耐热限制 7.7主动冷却技术第八章机械可靠性工程实施8.1可靠性预计和分配 8.2可靠性设计 8.3可靠性试验- 8.4可靠性管理第九章典型结构可靠性分析与设计9.1弹簧疲劳与老化机理 9.2弹簧抗疲劳设计 9.3橡胶耐磨性分析9.4小子样产品可靠性评价 9.5名义应力-应变与局部应力-应变 9.6结构变形与失稳分析9.7产品安全系数与可靠性参数 9.8机械结构典型寿命分布 9.9旋转件动平衡问题分析9.10 齿轮耐磨性影响分析 9.11受力构件零件的应力松弛分析师资介绍：申博士：机械可靠性技术专家，研究员，专业研究方向为机械装备可靠性与失效控制，长期从事机械可靠性与环境工程研究，曾任国防军工单位高级技术职务，在疲劳、断裂、残骸分析、失效物理和动力学测试技术方面有深厚的功底，提出了变形疲劳、气动激励载荷与振动环境精确预示方法、复杂部件可靠性设计技术、紧固件环境适应性设计、高速运动件动态参数测试技术等新技术，并有光弹、电测、扫描电镜分析和模态的丰富试验经验机械可靠性设计技术培训【时间地点】 2012年12月21-22日深圳【参加对象】从事动力学机构设计的机械工程师、系统工程师、测试工程师、可靠性工程师、技术经理、总工等【费用】 3200元/人（包括资料费、午餐及上下午茶点等）【课程热线】4OO-O33-4O33（森涛培训，提前报名可享受更多优惠）【内训服务】本课程可根据客户需求提供内训服务，欢迎来电咨询。
机械可靠性设计系统可靠性设计
• 1 表决系统（工作储备系统）
55
1）2/3表决系统
56
57
58
例4-4
有一架装有3台发动机的飞机，它至少需要 2台发动机正常才能飞行，设飞机发动机的平 均无故障工作时间MTBF=2000h，试估计工作 时间为10h和100h的飞机可靠度。 解：n=3,k=2
RS (t) 3R 2 2R 3 3e 2t 2e 3t
73
1）冷储备系统 （1）两个单元（一个单元备用）的系统
74
75
（2）n个单元（n-1个单元备用）的系统
76
77
（3）多个单元工作的系统
Ri e t
RS(t )
e
Lt
1
Lt
(Lt )2 2!
(Lt )3 3!
(Lt )n n!
78
（4）考虑检测器和开关可靠性的系统
Rs(t ) e 1t
84
85
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88
89
2 全概率公式法（分解法）
90
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3 检出支路法（路径枚举法）
93
94
95
4.3 系统可靠性预计
1 可靠性预计的目的
可靠性预计是指产品的设计与研制阶段，根据产品的功能 结构、工作环境以及组成产品单元的相互关系和可靠性数据， 推测产品可能达到的可靠性指标。可靠性预计是一个由局部 到整体、由小到大、由下到上的过程，是一个综合的过程。
52
• Rs1=R1R2R3 Rs2=R4R5 Rs3=1-(1-Rs1)(1Rs2) Rs4=1-(1-R6)(1R7) Rs=Rs3Rs4R8
53
• 储备模型 当采用串联模型的设计不能满足设计指标要求时，
机械产品的可靠性设计与分析
机械产品的可靠性设计与分析在当今高度工业化的社会中，机械产品在各个领域都发挥着至关重要的作用。
从日常生活中的家用电器到工业生产线上的大型设备，从交通运输工具到航空航天领域的精密仪器，机械产品的可靠性直接影响着人们的生活质量、生产效率以及生命财产安全。
因此，机械产品的可靠性设计与分析成为了机械工程领域中一个极其重要的研究课题。
可靠性设计是指在产品设计阶段，通过采用各种技术和方法，确保产品在规定的条件下和规定的时间内，能够完成规定的功能，并且具有较低的故障率和较长的使用寿命。
可靠性分析则是对产品的可靠性进行评估和预测，找出可能存在的薄弱环节，为改进设计提供依据。
在机械产品的可靠性设计中，首先要进行的是需求分析。
这就需要充分了解产品的使用环境、工作条件、用户要求以及相关的标准和规范。
例如，对于一台用于户外作业的工程机械，需要考虑到恶劣的天气条件、复杂的地形地貌以及高强度的工作负荷等因素；而对于一台家用洗衣机，需要重点关注其洗涤效果、噪声水平和使用寿命等方面的要求。
只有明确了这些需求，才能为后续的设计工作提供正确的方向。
材料的选择是影响机械产品可靠性的重要因素之一。
不同的材料具有不同的物理、化学和机械性能，因此需要根据产品的工作要求和使用环境，选择合适的材料。
例如，在高温、高压和腐蚀环境下工作的零件，需要选用耐高温、耐高压和耐腐蚀的材料；对于承受重载和冲击载荷的零件，则需要选用高强度和高韧性的材料。
同时，还要考虑材料的成本和可加工性等因素，以确保产品在满足可靠性要求的前提下，具有良好的经济性。
结构设计也是可靠性设计的关键环节。
合理的结构设计可以有效地减少应力集中、提高零件的承载能力和抗疲劳性能。
例如，采用圆角过渡可以避免尖锐的棱角引起的应力集中；采用对称结构可以使载荷分布更加均匀；采用加强筋和肋板可以提高结构的刚度和强度。
此外，还需要考虑结构的装配和维修便利性，以便在产品出现故障时能够快速进行维修和更换零件。
第六章-机械可靠性设计原理
S
同样分析方法：
按应力始终小于强度这一条件计算。干涉区内任取
一点δ1，则：
P[(1
d
2
)
(1
d
2
)]
g(1)d
P(S 1)
1 f (S )dS
R P(S ) g( )[ f (S)dS]d
■理论要点:
可靠性设计
• 应力:导致失效的任何因素; 强度:阻止失效发生的任何因素。
• 应力f(s),强度g(δ), 量纲相同，可放在同一坐标系中。
解： 当零件强度标准差为81MPa时
z S 850 380 470 5.1512
2
2 S
422 812 91.2414
R 1(z) 1(5.1512) (5.1512) 0.9999999
当零件强度标准差为120MPa时
可靠性设计
z S 850 380 470 3.6968
2
1
z2
e 2 dz
2
例6－1 已知某零件的工作应力及材料强度均为正态分
布，且应力的均值μS=380MPa,标准差σS=42MPa,材料 强度的均值为850MPa，标准差为81MPa。
可靠性设计
试确定零件的可靠度。另一批零件由于热处理不佳及 环境温度的较大变化，使零件强度的标准差增大至 120MPa。问其可靠度如何？
R
exp
1 2
2s
2 s 2
5
指数
es
正态
N , 2
R 1 exp
1 2
2 s
s2 2
6
指数
es
,
R
1
s
可靠性设计
第三节 机械静强度的可靠性设计
机械系统可靠性分析与优化设计
机械系统可靠性分析与优化设计引言：在现代工业中，机械系统扮演着至关重要的角色。
而机械系统的可靠性则直接决定着产品的性能、生产的稳定性以及企业的竞争力。
因此，机械系统的可靠性分析与优化设计成为了现代工程师不可忽视的重要任务。
本文将探讨机械系统可靠性的分析方法和优化设计策略，为工程师提供一些有益的指导意见。
一、可靠性分析方法1. 故障树分析（FTA）故障树分析是一种常用的可靠性分析方法，通过分析系统的组成部分以及它们之间的关系，来推断导致系统失效的故障事件。
利用故障树分析，工程师可以识别出系统中最重要的故障因素，并针对这些因素进行改进和优化。
通过FTA，工程师可以定量评估系统的可靠性指标，如失效概率和失效率，并进一步识别出系统的薄弱环节。
2. 可靠性块图分析（RBD）可靠性块图分析是另一种常用的可靠性分析方法，通过将系统分解为不可靠性块和可靠性块，并利用布尔代数和概率论的方法，来计算系统的可靠性指标。
通过RBD分析，工程师可以探索系统中各个组件之间的相互作用，找出系统中可能存在的故障模式，并进行适当的改进和调整。
RBD分析可以帮助工程师在优化设计阶段发现并消除系统结构中的潜在问题，提高系统的可靠性水平。
二、可靠性优化设计策略1. 冗余设计冗余设计是提高系统可靠性的常用策略之一。
通过增加系统中的备用部件或系统组件，工程师可以在某些关键节点构建双重或者多重冗余结构，从而提高系统的可用性和可靠性。
冗余设计可以在一个组件失效时提供备用访问路径，并通过及时切换或修复来减少系统故障时间和停机时间。
然而，冗余设计也会增加系统的成本和复杂性，因此需要权衡利弊。
2. 故障预测和预防在系统设计的早期阶段，通过对潜在故障进行预测和预防，可以显著提高系统的可靠性。
工程师可以利用故障数据、历史记录和可靠性模型等方法，来进行故障预测和分析，识别出可能的故障模式和影响因素。
在设计过程中，针对这些故障模式和影响因素进行风险评估和控制，采取相应的措施来消除或减小故障的发生概率和影响程度。
机械可靠性设计6
3.修正名义强度 修正名义强度 考虑尺寸系数、 表面质量系数、 考虑尺寸系数 、 表面质量系数 、 应力集中 系数等对强度的影响。 系数等对强度的影响。 4.确定强度公式中每一修正系数的分布； 确定强度公式中每一修正系数的分布； 确定强度公式中每一修正系数的分布 5.确定强度分布 确定强度分布 如代数法、矩法、蒙特卡罗法。 如代数法、矩法、蒙特卡罗法。
选定可靠度R=0.999 解：⑴ 选定可靠度 ⑵ 计算零件发生强度破坏的概率 F=1-R=1-0.999=0.001 查正态函数表， ⑶ 由F查正态函数表，Z=-3.09，则ZR=3.09 查正态函数表 ， ⑷ 强度分布参数
r − N ( 667 , 25 . 3
2
)
⑸ 列出应力表达式
P s= A uA = ,
ZR = ur − us
σ r2 + σ s2
求截面尺寸。 求截面尺寸。
§6.3.2受拉零件的静强度可靠性 6.3.2受拉零件的静强度可靠性 设计
例：要设计一园柱拉杆，所承受的拉力: 要设计一园柱拉杆，所承受的拉力: P ~ N (u p ,σ 2 ) = N (4000012002 )N , p 强度为： 拉杆材料 45 # 钢，强度为： r ~ N (u r , σ r2 ) = N (667,25.32 )mpa 园直径的公差 ± ∆ d = ± 0 .03 u d ，求拉杆的直 径 。
§6.2.2 强度分布参数的近似计算
1.材料的静强度指标 材料的静强度指标 金属材料的抗拉强度和屈服极限能近似或 较好地符合正态分布。 较好地符合正态分布。 2.材料的变异系数 材料的变异系数 金属材料拉伸强度极限：变异系数 金属材料拉伸强度极限：变异系数0.05～0.1 ～ 常用0.05 常用 金属材料屈服极限：变异系数 金属材料屈服极限：变异系数0.05～0.1 ～ 用0.07 常
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2) 提高产品的可靠性,能使产品总的费用降低.提高产
品的可靠性,首先要增加费用,如选用好的元器件,研制部分
冗余功能的电路及进行可靠性设计、分析、实验，这些都
需要经费。
然而，产品可靠性的提高使得维修费及停机检查损失费大 大减小，使总费用降低。
3）提高产品的可靠性，可以减少停机时间，提高产品可 用率，一台设备可顶几台用，可以发挥几倍的效益。美国 GE公司经过分析认为，对于发电、冶金、矿山、运输等 连续作业的设备，即使可靠性提高1%，成本提高10%也 是合算的。
《机械可靠性设计》刘惟信 清华大学出版 社
考核方式
考试*80%+平时*20%
第一章 可靠性概论
§1-1 可靠性概述 §1-2 可靠性尺度 §1-3 可靠性设计与传统设计的异同
§1-1 可靠性概述
一、可靠性的研究意义 二、可靠性定义
一、可靠性研究意义
1、意义：
1)提高产品可靠性,可以防止故障和事故的发生,尤其 是避免灾难性的事故发生.86年1月28日,美航天飞机”挑 战者号”由于1个密封圈失效,起飞76S后爆炸,其中7名宇 航员丧生,造成12亿美元的经济损失;92年我国发射”澳星 号”时由于一个小小零件的故障,发射失败,造成了巨大的 经济损失和政治影响.
(t )
n(t
t)
n(t)
n(t)
[N n(t)]• t [N n(t)]• t
(t) lim (t) lim
n(t)
N
N [N n(t)]• t
t 0
t 0
2、失效率曲线
如果对这批零件测得多年的失效数据，则可以绘出观测值 随时间的变化曲线，成为该零件的失效率曲线。
3、失效率与可靠度之间的关系
可以找出提高整个设备的可靠度的有效途径。
2）系统可靠性分配：将系统规定的容许失效概率合理的 分配给该系统的零、部件。
3、机械可靠性设计的特点
1）将载荷、材料性能和强度及零、部件的尺寸都视为属 于某种概率分布的统计量。
2）采用了可靠度或其他可靠性指标，来确保结构的可靠 性，而传统机械设计是用安全系数来保证结构的可靠性。
数为F(t) R(t)+F(t)=1
对F (t)求导，则得失效密度函数f (t)
f (t) dF (t) dR(t)
dt
dt
t
F (t) f (t)dt 0
t
R(t) 1 F (t) 1 f (t)dt f (t)dt
0
t
二、失效率
1、定义：工作到某时刻t时尚未失效的产品，在
可靠性设计
机械工程系 杨化动
本课程主要的教学内容
第一章 可靠性概论 第二章 可靠性理论中常用的几种概率分布 第三章 分布参数的估计与分布函数的假设
检验 第四章 机械可靠性设计原理与可靠度计算 第五章 机械静强度与可靠性设计 第六章 系统可靠性设计 第七章 机械零部件的可靠性设计
使用教材
i 1
2)对于可以修复的产品，其寿命是指相邻两次故障间的工 作时间。平均寿命即为平均无故障工作时间或称为平均故 障间隔，记为MTBF
MTBF
1
N
N ni
tij
ni i1 j1
i 1
§1-3 可靠性设计与传统设计之间的异同
机械可靠性设计与传统机械设计方法不同，它具 有以下的基本特点：
1、以应力和强度为随机变量作为出发点 2、应用概率和统计方法进行分析、求解 3、能定量的回答产品的失效概率和可靠度 4、有多种可靠性指标供选择 5、强调设计对产品可靠性的主导作用 6、必须考虑环境的影响 7、必须考虑维修性 8、从整体的、系统的观点出发 9、承认在设计期间及其以后都需要可靠性的增长
4）规定功能 正常工作而不失效 5）概率
§1-2 可靠性尺度
一、可靠度与不可靠度 二、失效率 三、平均寿命
一、可靠度与不可靠度
1、定义：产品在规定的条件下和规定的时 间内，完成规定功能的概率，通常以R表示。
1）0≤R(t) ≤1 2）R(t)=P(E)=P(T≥t) 3）不可靠度记为F,对应的失效概率密度函
该时刻t以后下一个单位时间内发生失效的概率。
设有N个产品，从t=0开始工作，到时刻t时产品的 失效率为n(t)，而到时刻(t+△t)时产品的失效数为 n(t+△t)，即在[t, t+△t)时间区间有△n(t)=n(t+ △t)-n(t)个产品失效，则定义该产品在时间区间[t, t+△t)内的平均失效率为：
3）对结构的安全系数进行了统计分析，得出的安全系数 比传统的安全系数更符合实际。
二、 可靠性的定义
1、定义
产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能 力
2、注意的问题
1）对象 可以是零件，也可以是系统 2）使用条件 包括运输条件、环境条件、使用方法等 3）规定时间
可靠度是一个有时间性的定义。可以是区间（0，t），也 可以是行使里程、规定周期、次数等等
联系到可靠度函数看 失效率的定义：表示 系统、机器、设备等 产品一直到某一时刻t 为止尚未发生故障的 可靠度R(t)在下一个 单位时间内可能发生 故障的条件概率。
(t) dF (t) / dt dR(t) / dt f (t)
R(t)
R(t) R(t)
或
(t) d ln R(t)
dt
t
R(t) exp[ (t)dt] 0
三、平均寿命
1、定义：是产品寿命的平均值，而产品的寿命则是
它的无故障的工作时间。
1）命就是指该产品从开始使用到失效前的 工作时间的平均值，或称为失效前平均时间，记为 MTTF
1 N
MTTF
N
ti
4）对于公司来讲，提高产品的可靠性，可以改善公司 信誉，增强竞争力，扩大市场份额，从而提高经济效益。
2、几个基本概念
1）可靠性预测：是一种预报方法，在设计阶段即从所得 的失效率数据预报零部件和系统实际可能达到的可靠度， 预报这些零件、部件和系统在规定的条件下和规定的时间 内完成规定功能的概率。
机械可靠性设计的主要内容
1、研究产品的故障物理和故障模型 2、确定产品的可靠性指标及其等级 3、合理分配产品的可靠性指标值 4、以规定的可靠性指标值为依据对零件进行可靠