现代设计方法6 机械可靠性设计
机械设计中的机械结构可靠性分析
机械设计中的机械结构可靠性分析机械结构的可靠性是指在一定的使用条件下，机械结构能够保持正常运行的程度。
机械设计中的可靠性分析是为了评估机械结构的可靠性，并通过分析得出相应结论和建议。
本文将从可靠性的定义、分析方法、计算指标及应用等方面进行探讨。
一、可靠性的定义在机械设计中，可靠性是指机械结构在一定使用条件下能够正常运行的概率。
可靠性分析的目的是通过对机械结构的设计、制造、使用等环节进行分析和评估，以提高机械结构的可靠性，并避免或减少故障和损坏的发生。
二、可靠性分析方法1.故障模式分析（FMEA）故障模式分析是一种通过分析和识别机械结构可能发生的故障模式和潜在故障原因的方法。
该方法通过对机械结构进行系统化的分解和分析，识别潜在的风险和故障点，并制定相应的改进措施以提高可靠性。
2.可靠性预测可靠性预测是一种基于统计和仿真分析的方法，通过模拟机械结构在使用过程中的故障和损坏情况，来预测机械结构在给定使用条件下的可靠性水平。
该方法可以通过引入故障率、平均寿命、失效模型等指标，来评估机械结构的可靠性。
3.可靠性试验可靠性试验是一种通过对机械结构进行实际测试和观测，来评估机械结构可靠性的方法。
通过在实际使用条件下对机械结构进行试验，可以直接获得机械结构的可靠性数据，并根据试验结果来评估和改进机械结构的可靠性。
三、可靠性的计算指标1.失效率（Failure Rate）失效率是指单位时间内机械结构发生故障的概率。
失效率可以通过可靠性试验或可靠性预测来计算，是评估机械结构可靠性的重要指标。
2.平均寿命（Mean Time Between Failures，MTBF）平均寿命是指机械结构连续正常运行的平均时间。
它可以通过对机械结构的使用状态和维修记录进行统计和计算得出。
3.可用性（Availability）可用性是指机械结构在给定时间段内是可靠的，且进行维修和维护的时间较短的概率。
可用性可以通过计算机械结构的失效率和维修时间来评估。
机械零件的可靠性设计
3
加强维护
定期维护和保养机械零件，延长其寿命并提高可靠性。
可靠性测试和验证
测试方法
使用可靠性测试方法来验证零件的寿命和性能。
验证过程
验证设计的可靠性，确保其在实际使用中能够达到 预期要求。
案例研究和实践经验
1
汽车发动机设计
通过可靠性改进措施和测试验证，成功提高了发动机的可靠性和性能。
2
航空航天器零件
可靠性评估方法
故障模式与影响分析 (FMEA)
通过识别故障模式和评估其影响，确定潜在故障并采取措施预防。
可靠性指标计算
计算关键零件的故障率、平均寿命等指标，用于评估系统的可靠性水平。
可靠性改进措施
1
优化设计
通过改善设计来减少潜在的故障点，提高分析、可靠性预测等工具来预防和诊断故障。
在航空航天工程中，可靠性设计是确保安全和可靠运行的核心要素。
3
电力设备
在电力行业，可靠性设计是保障稳定供电和电网安全的关键。
机械零件的可靠性设计
在机械工程中，可靠性设计至关重要。本演示将介绍可靠性设计的基本原则， 影响因素和评估方法，以及可靠性改进和测试验证的案例研究和实践经验。
机械零件的可靠性设计的意义
1 保证性能
可靠性设计确保机械零件在使用期间保持良好性能，降低故障率，以满足用户需求。
2 成本节约
通过提前识别和解决潜在问题，可靠性设计可以减少维修和更换零件的成本。
可靠性设计的基本原则
设计简化
简化设计可以减少故障点，提 高系统的可靠性。
材料选择
选择适当的材料可以提高零件 的耐用性和抗腐蚀性。
质量控制
严格控制零件生产过程中的质 量，可以降低缺陷率。
机械工程中的可靠性优化设计
机械工程中的可靠性优化设计引言：机械工程是一个广泛应用于各行各业的领域，而在机械工程中，可靠性优化设计是一个至关重要的方面。
可靠性优化设计旨在提高机械系统的可靠性，延长设备的使用寿命，减轻后续的维修成本，提高工业生产效率。
本文将探讨机械工程中的可靠性优化设计的原理和方法，并介绍一些实际应用案例。
一、可靠性的基本概念在机械工程中，可靠性是一个关键的指标，它表示一个系统在给定的时间内正常工作的能力。
可靠性可以通过计算系统的故障率、失效率、平均寿命等指标来评估。
在可靠性优化设计中，目标是降低系统的故障率，提高系统的可靠性。
二、可靠性优化设计的原则1. 考虑系统的可靠性要素可靠性优化设计要考虑系统设计的各个方面，包括材料的选择、结构的设计、工艺的控制等。
系统的可靠性是由多个因素共同作用决定的，因此必须综合考虑各个方面的因素。
2. 运用可靠性工具在可靠性优化设计中，有许多工具和方法可供选择，如故障模式与影响分析（FMEA）、故障树分析（FTA）、可靠性块图（RBD）等。
这些工具能够帮助工程师深入分析系统的故障模式和风险，从而指导设计的改进和优化。
3. 进行系统辨识和优化在可靠性优化设计中，系统辨识是一个重要的步骤。
通过系统辨识，可以找出系统中的关键部件和环节，以及它们之间的相互作用关系。
然后，可以针对这些关键部件和环节进行优化设计，提高系统的可靠性。
三、可靠性优化设计的方法1. 材料的选择材料是机械系统中一个重要的方面，对系统的可靠性起着至关重要的作用。
在选择材料时，需要考虑其物理性质、化学性质、热学性质等因素，并根据系统的工作环境和使用条件选择合适的材料。
2. 结构的设计在机械工程中，结构的设计对系统的可靠性有着重要的影响。
良好的结构设计应该考虑到力学强度、刚度、防振动、冲击和疲劳等因素。
通过优化结构设计，可以提高机械系统的可靠性。
3. 工艺的控制机械系统的制造过程对其可靠性也有重要的影响。
控制好工艺流程、提高工艺的精度和稳定性，可以降低系统的故障率。
现代设计方法
现代设计方法现代设计方法是随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用而在设计领域发展起来的一门新兴的多元交叉学科。
以满足市场产品的质量、性能、时间、成本、价格综合效益最优为目的,以计算机辅助设计技术为主体,以知识为依托,以多种科学方法及技术为手段,研究、改进、创造产品和工艺等活动过程所用到的技术和知识群体的总称。
1.并行设计2.虚拟设计3.绿色设计4.可靠性设计5.智能优化设计6.计算机辅助设计7.动态设计8.模块化设计9.计算机仿真设计10.人机学设计11.摩擦学设计12.疲劳设计13.反求设计14.无障碍设计15.共用性设计一、并行设计并行设计是一种对产品及其相关过程(包括设计制造过程和相关的支持过程)进行并行和集成设计的系统化工作模式。
强调产品开发人员一开始就考虑产品从概念设计到消亡的整个生命周期里的所有相关因素的影响，把一切可能产生的错误、矛盾和冲突尽可能及早地发现和解决，以缩短产品开发周期、降低产品成本、提高产品质量。
并行设计作为现代设计理论及方法的范畴，目前已形成的并行设计方法基本上可以分为两大类:基于人员协同和集成的并行化。
基于信息、知识协同和集成的并行化。
并行工程应用于整车项目开发案例研究一般地，汽车整车产品开发共有4个大的阶段，即策划阶段、设计阶段、样品试制阶段和小批试制阶段。
以模、夹具的开发为例，运用并行工程，其与车身工程设计几乎同时进行，从整个计划第4个月开始介入，在整个开发周期的第22个月完成。
而运用串行工程，其在车身工程设计完成后进行，从整个计划第15个月才介入，在整个开发周期的第34个月才完成。
运用并行工程开发时间上节约近36%，整个产品开发周期可以缩短40%～50%。
设计部门不断预发布、评审、输出，相关部门评审、验证意见和建议不断反馈，然后设计不断更改，通过预发布和设计评审、修改若干个循环，这样可以把不必要的失误和不足消灭在设计阶段，同时优化设计。
在各系统设计输出评审的时候，相关部门的意见至关重要。
机械可靠性设计-基础
6 可靠性设计6.1概述可靠性是衡量产品质量的一个重要指标。
可靠性设计是一种很重要的现代设计方法。
目前，这一设计方法已在现代机、电产品设计中得到愈来愈广泛的应用，它对提高产品的设计水平和质量，降低成本，保证产品的可信性、安全性起着极其重要的作用。
长期以来，一切讲究产品信誉的厂家，为了争取顾客都在追求其产品具有好的可靠性。
因为只有那些可靠性好的产品，才能长期发挥其使用性能而受到用户的欢迎。
不仅如此，有些产品如汽车、轮船iiE机，如果其关键零部件不可靠，不仅会给用户带来不便，耽误时间、推迟日程，造成经济损失，甚至还可能直接危及使用者的生命安全。
美国“挑战者”号航天飞机、前苏联切尔诺贝利核电站等发生的大的可靠性事故所引起的严重后果，都足以说明产品的可靠性差会引起一系列严重问题，甚至会危及国家的荣誉和安全。
1957年苏联第一颗人造卫星升天，1969年美国阿波罗Ⅱ号宇宙飞船载人登月等可靠性技术成功的典范，不仅为其国家带来荣耀，而且说明了高科技的发展要以可靠性技术为基础，科学技术的发展又要求高的可靠性。
早期，人们对“可靠性”这一概念的理解仅仅从定性方面，而没有数值量度。
但为了更好地表达可靠性的准确台义，不能只从定性方面来评价它，而应有定量的尺度来衡量它。
6.1.1可靠性科学的发展可靠性设计是可靠性学科的一个重要分支，而对可靠性学科的系统研究则始于1952年。
二战期间雷达系统已发展很快，而通讯设备、航空设备、水声设备中的电子元件却屡出故障，因此美国开始研究电子元件和系统的可靠性问题。
为此，美国国防部研究与发展局于1952年成立了“电子设备可靠性顾问团咨询组”( Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment，AGREE)，其下设9个任务小组，对电子产品的设计、试制、生产、试验、储存、运输、使用等各个方面的可靠性问题，作了全面的调查研究，并于1957年提出了“电子设备可靠性报告”，即AGREE报告。
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
86
87
88
89
2 全概率公式法（分解法）
90
91
92
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，
机械设计中的可靠性设计与分析方法
机械设计中的可靠性设计与分析方法在机械设计中，可靠性是一个非常重要的考虑因素。
随着科技的进步和社会的发展，人们对机械产品的要求越来越高，不仅要求其性能卓越，还要求其具有较长的使用寿命和高度的可靠性。
因此，在进行机械设计时，可靠性设计与分析方法成为了必不可少的一环。
一、可靠性设计方法可靠性设计方法是指在产品设计过程中，通过采用合理的设计原则和方法，保证产品具有较高的可靠性。
其核心是通过分析各种失效模式，找出导致失效的主要原因，并采取相应的设计措施来提高产品的可靠性。
1.1 分析失效模式为了提高产品的可靠性，首先要对可能的失效模式进行分析。
失效模式是指机械产品在工作过程中可能发生的各种故障形式。
通过对失效模式进行深入了解，并归纳总结各种典型的失效特征和失效原因，可以为设计人员提供有效的依据。
1.2 寿命试验为了评估产品的可靠性，设计人员通常会进行寿命试验。
有了寿命试验的数据支撑，设计人员可以对产品的可靠性进行定量分析。
通过寿命试验可以了解产品在实际工作环境下的寿命表现，并找出可能存在的问题，为产品的改进提供依据。
1.3 故障模式和影响分析为了进一步提高产品的可靠性，可进行故障模式和影响分析（Failure Mode and Effect Analysis，简称FMEA）。
FMEA是一种以故障模式为基础的系统性分析方法，通过对系统的各种故障模式进行分析，评估其对系统性能的影响，从而找出导致失效的主要原因，并采取相应的设计措施进行改进。
二、可靠性分析方法在机械设计中，可靠性分析方法主要是为了评估设计方案的可靠性，并选择出最佳的设计方案。
2.1 可靠性数学模型可靠性数学模型是一种通过数学方法对产品可靠性进行量化评估的工具。
通过建立合适的可靠性数学模型，可以对产品的失效概率、失效密度、可靠度等进行定量分析，为设计人员提供科学的依据。
2.2 误差拟合法误差拟合法是一种常用的可靠性分析方法。
它通过将实测数据与某一分布函数进行比较，从而找出最佳的分布函数，并利用该分布函数进行概率推断。
简析机械的可靠性设计
故障树 中各基 本事件 对顶上 事件 影响程度 不 同。 从故 障树结 构上分 析 ， 各 基 本事件的重 要度（ 不考 虑各基本 事件的发 生概率减 假定 各基本事件 发生概 率 相等， 分析 各基 本事件 的 发生对 顶上事 件 发生的 影响程 度 ， 叫结 构重 要度 Ｃ Ａ Ｄ／ Ｃ Ａ Ｅ 软件 协 同技术 长期 以来结构可靠 性仿真只 能应用于 能推导显示 功能函数 的简单结 构， 如 杆、 板、 梁等 ， 稍微 复杂 的结构就 很难 推导 出显示功 能 函数 ， 只能采 用隐式 的功 能函数 ， 这 就需要借 助于 Ｃ Ａ Ｄ／ Ｃ Ａ ￣ 件的分 析程序 。 同时 ， 复杂结构 的可靠 性 仿真分 柝必 须 以独 立的可 靠性软 件作 为支撑 ， 配 合使 用结构分 析程 序 （ 主要是 有 限元分析程 序 ） 和高 效准确 的可靠 度算 法 ， 才可 以得 到精 确的 可靠性分 析结 果。 上 述需求 的直接要 求就是要在 基于概率 虚拟样机 的机械产 品可靠 性设 计分
样等。
在确定功能函数的基础上 ， 多次调整不同的变量分布类型、 变量的统计特
性， 选择 不 同的可靠度 计算方法 ， 可 以使零件 的可靠度得 到提高 ， 从而提 高整个 组件级 、 系统级 的可靠 度。 对 于同一系 统进行 不同情况 的可靠度分 析 ， 可以得 到 系统 可靠性 的提 升 ， 满 足设计 的要 求 。
前言
械零部 件寿 命的变 异系 数均 是小于 ｌ 白 勺 数值， 使用 指数分 布 描述机 械零 部件 的 寿命会 带来较大 的误差 ， 对于产 品整机寿命 ， 在第 一次大修 前的变 异系数较 小 ， 而经 过大修 后的整 机 ， 其寿命 的变 异系数 加大 ； 原材料 的机 械强度 是机 械设计 的基础 ， 一般 原材料 机械 强度 的变异 系数 取值都 比较 小 。 故 障树 分析 法 （ Ｆ Ｔ Ａ） 能形象 的显示 出产生 系统故 障的外 在与 内在原 因 以 及他 们之 间的逻 辑关系 。 这样 ， 为 设计 、 管理 、 维 护人员 提供 了一个 形象 的基础 资料 。 这 对提 高产 品的 可靠度 与改进 产 品设计 都是 很有 帮助 的。 故障树 中各基本 事件对 顶上事 件影 响程度 不同 。 从故 障树结 构上分 析 ， 各 基本事件的重要度（ 不考虑各基本事件的发生概率） 或假定各基本事件发生概率 相等 ， 分析各 基本事件 的发生对 顶上事件 发生 的影响程度 ， 叫结 构重要度 。 结 构 重要 度分析是 分析基本 事件对顶上 事件 的影响程度 ， 为改进 系统安全 性提供 信
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
[N ? n(t)]? t [N ? n(t)]? t
6.2.2 三种失效率—失效模式
? (t)
指数分布
韦布尔分布
正态分布
早期
正常工作
? 早期失效区域：试车跑合期
功能失效
t
? 正常工作区域出现的失效具有随机性，故障变化率不大
? 功能失效区域的故障率迅速上升。零件：耗损、疲劳、 老化
应力统计和 概率分布
? -d
强度统计和
概率分布
机械可靠性设计
d
a
度
全 安
量
的裕
初全
最安
计际
设实
规
常
t0
强度分布
g(d )
衰减曲线
强度变化
应力分布
b 不安全
g(d )
h
f (? )
f (? )
tx
t
零件可能出现失效的区域干涉区
?(1)安全系数＞1存在不可靠度 ?(2)材料强度和工作应力离散程度达，干涉部分
可靠性的数值标准(指标)：
? 可靠度(Reliability ) ? 失效率或故障率 (Failure Rate ) ? 平均寿命 (Mean Life ) ? 有效寿命 (Useful Life ) ? 维修度(Maintainability ) ? 有效度(Availability ) ? 重要度(Importance )
Q(t) ? NQ (t) N
R(t) ? 1- Q(t)
?故在开始使用 t = 0 产品为NQ(0)= 0; R(0)=1; Q(0)=0
?NQ(∞)=N; R(∞)=0; Q(∞)=1
100%
Q(t)
?故在[0, +∞]区间R(t)? ； Q(t)?
? 对Q(t)求导得失效密度函数
f (t) ?
?机械可靠性设计是将概率统计理论、失效物理 和机械学等相结合起来的综合性工程技术。
?机械可靠性设计特点：设计变量看成随机变量 采用概率统计设计结构参数
? 一般机械产品的可靠性设计程序： 1)方案论证阶段 2)审批阶段 3)设计研制阶段 4)生产及实验阶段 5)使用阶段
? 可靠性设计的重要内容：
?可靠性预测 ?可靠性分配
?应力超过强度，将发生失效，应力大于强度的 全部概率则为失效概率—不可靠度，表达为
F =P(? >d )=P[(d ? ? )<0]
?f(? )为应力分布的概率密度函数，g(d )为强度
机械可靠性设计
参考书目： 1) 李舜酩. 机械疲劳与可靠性设计. 科学出版社,
2006. 2) 李混举. 机械可靠性设计. 国防工业出版社,2009. 3) 杨瑞刚. 机械可靠性设计与应用. 冶金工业出版
社,2008.
6.1 概述
?可靠性是指“机械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”。是衡量机械 产品质量的一个重要指标。
d Q(t) ?
1
d NQ (t)
dt N dt
f(t)是故障概率密度函数 ，由
上式知
f (t)
t
? Q (t ) ? f (t )dt 故障分布函数 0 累计故障概率密度函数
t
?
R(t) ? 1? Q(t) ? 1? ?0 f (t)dt ? ?t f (t)dt
f (t) Q(t)
t
R(t) t/h
加大，不可靠度增大 ?(3)当材质性能好、工作应力稳定时，使两分布
离散度小，干涉部分相应的减小，可靠度增大。 ?所以为保持产品可靠性，只进行安全系数计算
是不够的，还需要进行可靠度计算。
6.3.2 求可靠度
?当应力小于强度时不发生失效，应力小于强度 的全部概率即为可靠度，表达为
R =P(? <d )=P[(d ? ? )>0]
2?
(2)指数分布时的 MTBF
? ? MTBF ?
?
R(t)dt ?
0
? e ? ?t dt
0
?
? 1 e??t
?
? t ? ?
t?0
1
?
(3)韦布尔分布时的 MTBF
? ? MTBF ?
?
R(t)dt ?
? tf (t)dt ? ? ? (1 ? 1)
0
0
b
6.3 机械强度可靠性设计
?机械可靠性设计原理—应力强度分布干涉
理论
?1、应力—强度干涉模型
机械可靠性设计就是要搞清楚载荷应力及零 件强度的分布规律，合理的建立应力与强度之 间的数学模型，严格控制失效概率，以满足设 计要求。
强度可靠性设计过程：
载荷统计和 概率分布
几何尺寸分布和 其他随机因素
应力计算
f (? )
干涉模型
材料机械性能统 计和概率分布
强度计算
g (d )
? f (t) R(t)
t/h
例：设有100个某种器件，工作5年失效4件，工
作6年失效7件。求t = 5的失效率。
解：取? t = 1年时，有
? (5) ? 7 ? 4 ? 0.0312 / 年 ? 3.12% / 年
(100? 4) ? 1
或：
f (t) ? 1 dNQ (t) ? 1 7 ? 4 ? 3% N dt 100 6 ? 5
?平均寿命(平均失效时间 , Mean Time Between FailuresMTBF):失效的平均间隔时间，即平均无故障工作时间。
?
? MTBF ? ? t ? 0 R(t)dt
(1)正态分布的 MTBF
? ? MTB?
1
? 1 ( t ? ? )2
e 2 ? dtdt
R(t) ? 1? NQ (t) ? 1 ? 4 ? 96%
N
100
? ? f (t) ? 3% ? 3.12%
R(t) 96%
说明：N个产品t = 0时开始工作，到时刻 t 失 效数为n(t)，t时刻的残存产品数为N? n(t), 在(t, t +? t)时间区间内有? n(t)个产品失效， 则时刻t的失效率为
R(t)
t
6.2.1失效率(Failure Rate)
?也称故障率 ?定义：产品工作到t时刻后，在下一单位时
间内失效的概率。
?
(t )
?
t
时刻附近单位时间失效的产品数 t 时刻附近仍正常工作的 产品数
? (t)
? 1 dNQ (t) N R (t) dt
[ ? 1 1 dNQ (t) ] R(t) N dt
6.2 可靠度(Reliability)
?可靠度表示产品在规定的工作条件下和规定 的时间内完成规定功能的概率。
?固有可靠度 &使用可靠度
?假设有N个零件，经过时间 t后有NQ(t)个零件失效， NR(t)个零件仍能正常工作，则该零件 可靠度R(t)与 故障 (失效 )概率 Q(t)定义为：
R(t) ? N R (t) N