《工程机械可靠性》课件-第四章-可靠性设计
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第四章_可靠性设计
4.2
可靠性
第4章 可靠性设计
1、可靠性：产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力
“规定条件”包括使用时的环境条件和工作条件。产品 的可靠性和它所处的条件关系极为密切，同一产品在不同 条件下工作表现出不同的可靠性水平。（例如:汽车不同路 行驶） “规定的时间”这个时间是广义的，除时间外，还可以 是里程、次数等。产品的可靠性和时间的关系呈递减函数 关系。 “规定的功能”指的是产品规格书中给出的正常工作的 性能指标。
第4章 可靠性设计
4.1为什么研究可靠性 一、可靠性的提出
农业、工业、交通运输等行业的发展，对产品提出了质量
可靠要求。因此，逐渐在很多场合下，提出了耐久性、寿 命、稳定性、安全性、维修性等概念来进一步描述产品的 质量问题。 很显然，对于技术性能合格的产品来说，还有一个保持产 品技术性能而不至于失效的问题，这就是产品的可靠性问 题。可见，可靠性也是评价产品质量的一个重要指标。 可靠性问题的严重性是在第二次世界大战反映出来的，从 而引起有关国家的军事工业生产和科研部门的重视，并作 为重大科研问题研究。
第4章 可靠性设计
根据联结方程（机械零件的可靠度方程）：
Z
F S F2 S2
250 210 162 202
1.56
2、查表可得该零件的失效概率Q：Q＝0.06＝6％，R＝1-Q＝ 94％，由此可以看出，虽然零件强度大于其受到的应力，但是， 在实际情况下，仍然有6％的失效概率。这也是传统单值设计 方法不足之处。
第4章 可靠性设计
传统的安全系数设计法的局限性：
若应力和强度分布的标准差σS和σF保持不变，而以相同的
比例K改变两个分布的平均值μS和μF ，当K>1时， μS和μF 右移，此时安全系数n＝ μS/μF虽然没变，但是可靠性却提高
《机械可靠性工程》绪论 ppt课件
例1-3
1.4.3 可靠性的特征量（2）
2. 累积失效概率（不可靠度）
–产品在规定的条件下和规定的时间内不能完成 规定功能的概率，记为F或F(t)，又称不可靠度 函数或失效概率函数。
F t 1 Rt PT t f t dt
t
ˆ (t ) 1 R ˆ (t ) F
– 可靠性工程包括了对零、部件和系统等产品 的可靠性数据的收集与分析、可靠性设计、 预测、试验、管理、控制和评价。
12 ppt课件
1.4 可靠性定义及其特征量
1.4.1 可靠性的定义
1.4.2 失效（故障）及其分类 1.4.3 可靠性的特征量
13
ppt课件
1.4.1 可靠性的定义
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
– 对于不可 修产品（如电子元器件），也可 以称为失效。 –故障的表现形式，称为故障模式。 –引起故障的物理、化学变化等内在原因，称 为故障机理。
16 ppt课件
1.4.2 失效（故障）及其分类
2. 故障的分类
–按其故障的规律分：
偶然故障是由于偶然因素引起的故障，只能通过 概率统计方法来预测。
渐变故障是通过事前的检测或监测可以预测到的 故障。
7 ppt课件
可靠性发展的三个阶段
可靠性工程技术发展形成阶段
– 50～60年代，大体上确定了可靠性研究的理论基
础及研究方向。 – 可靠性研究工作从电子产品扩展到机械产品，从 军工产品扩展到民用产品。
8
1952 年，美国军事工业部门和有关部门成立 AGREE （ Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment ，国防部电子设备可靠性顾问团），研究 电子产品的设计、制造、试验、储备、运输及使用。 至60年代后期，美国约 40%的大学设置了可靠性工程 课程。 日本， 1958 年成立可靠性研究委员会。 1971 年起每年 召开一次可靠性与维修性学术会议。 ppt课件 前苏联，1950年起，开始研究机器可靠性问题。
机械可靠性设计分析
要确定应力和强度的随机特性，首先应了解影响应 力和强度随机性的因素。
影响应力的因素
影响应力的主要因素有所承受的外载荷、结构的几 何形状和尺寸，材料的物理特性等
影响强度的因素
影响强度的主要因素有材料的机械性能、工艺方法 和使用环境等
2020/3/29
4
基本随机变量
载荷
机械产品所承受的载荷大都是一种不规则的、不能 重复的随机性载荷 ，例如 自行车因人的体重和道路的情况差别等原因，其 载荷就是随机变量。 飞机的载荷不仅与载重量有关，而且飞机重量、 飞行速度、飞行状态、气象及驾驶员操作有关。
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28
强度分布的确定
建立与失效应力判据相对应的强度判据，常用的强度判 据有最大正应力强度判据、最大剪应力强度判据、最大 变形能强度判据等。
确定名义强度。名义强度指在标准试验条件下确定的试 件强度，常用名义强度有强度极限、屈服极限、疲劳极 限、变形、变形能和磨损（腐蚀）量等。
用适当的修正系数修正名义强度，通常考虑的修正系数 有尺寸系数、表面质量系数、应力集中系数等。
最主大应切力应（力（）） 2
弯曲载荷——垂直于零件轴线的载荷（有时还有力偶）， 它使零件产生弯曲变形。 在弯曲载荷作用下，零件横截面上的主应力分布的规 律是：从表面应力最大改变到中性轴线处应力为零。 并且，中性轴线一侧为拉伸应力，另一侧为压缩应力。
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6
载荷
载荷类型
扭转载荷——作用在垂直于零件轴线平面内的力偶， 它使零件发生扭转变形。
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8
表1 载荷基本类型
序
应力分布情况
载荷类型
(a)
拉伸
压缩
悬臂
(b) 简单弯曲
影响应力的因素
影响应力的主要因素有所承受的外载荷、结构的几 何形状和尺寸，材料的物理特性等
影响强度的因素
影响强度的主要因素有材料的机械性能、工艺方法 和使用环境等
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4
基本随机变量
载荷
机械产品所承受的载荷大都是一种不规则的、不能 重复的随机性载荷 ，例如 自行车因人的体重和道路的情况差别等原因，其 载荷就是随机变量。 飞机的载荷不仅与载重量有关，而且飞机重量、 飞行速度、飞行状态、气象及驾驶员操作有关。
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强度分布的确定
建立与失效应力判据相对应的强度判据，常用的强度判 据有最大正应力强度判据、最大剪应力强度判据、最大 变形能强度判据等。
确定名义强度。名义强度指在标准试验条件下确定的试 件强度，常用名义强度有强度极限、屈服极限、疲劳极 限、变形、变形能和磨损（腐蚀）量等。
用适当的修正系数修正名义强度，通常考虑的修正系数 有尺寸系数、表面质量系数、应力集中系数等。
最主大应切力应（力（）） 2
弯曲载荷——垂直于零件轴线的载荷（有时还有力偶）， 它使零件产生弯曲变形。 在弯曲载荷作用下，零件横截面上的主应力分布的规 律是：从表面应力最大改变到中性轴线处应力为零。 并且，中性轴线一侧为拉伸应力，另一侧为压缩应力。
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载荷
载荷类型
扭转载荷——作用在垂直于零件轴线平面内的力偶， 它使零件发生扭转变形。
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表1 载荷基本类型
序
应力分布情况
载荷类型
(a)
拉伸
压缩
悬臂
(b) 简单弯曲
机械可靠性设计系统可靠性设计
54
• 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，
• 1 表决系统（工作储备系统）
55
1）2/3表决系统
56
57
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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
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1）冷储备系统 （1）两个单元（一个单元备用）的系统
74
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（2）n个单元（n-1个单元备用）的系统
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（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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2 全概率公式法（分解法）
90
91
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3 检出支路法（路径枚举法）
93
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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，
机械零件的可靠性设计.ppt
n 则在强度和应力的可靠度分别为Rδ和Rs时的安全系数 R，
称为可靠度意义下的安全系数，用下式表示：
nR
min (R )
smax (Rs )
例，当 smax s 3 s min 3 时
R P( min) 1 0.0013 0.9987 Rs P(s sm )a2x7
例1 在结构件的设计中，已知强度与应力均服从正态分布，
f ( )
f (s)
1 2
y
0 exp[
(y
y
2
2 y
)2
]dy
y S
y＝－S
0
-10
0
10
20
y ＝－S
y0 y0
30
40
S
50
y＝
2
2 S
不可靠度为： F P ( y 0)
1
2 y
0
exp[
(
y
y
2
2 y
)2
]dy
11
可靠度为 R P( y 0)
1
2 y
0
exp[
则他们之间具有下列关系：
2 ln
s＝ln
2 s
s2
1
ln
s＝ln
s－12
2 ln
s
2 ln
＝ln
2
2
1
ln
＝ln
－12
2 ln
15
当应力和强度均为对数状态分布时，有：
y ln ln S ln( )
服从正态分布
s
知道了 ln 和ln S 的均值标准差为的lns、ln 和 lns、 ln
当强度均值大于应力的均值时，方差越大，可靠度越小。
机械可靠性设计-su
机械可靠性设计
机械可靠性设计
机械可靠性设计
第一章 机械可靠性设计概述 第二章 机械可靠性设计基础 第三章 可靠性设计基本方法 第四章 机械系统的可靠性分析 第五章 机械系统的故障分析 第六章 机械零件的疲劳强度可靠度分析 第七章 其他可靠性设计方法
参考书目
第一章 可靠性设计概述
一. 可靠性发展简史 二. 常规设计与可靠性设计 三. 可靠性工作的意义 四. 可靠性学科的内容 五. 可靠性工作的特点 六. 机械可靠性设计发展
机械可靠性设计概述
概述4
许多工业部门将可靠性工作列在了重要的地位。如原航空工业部明确 规定，凡是新设计的产品或改型的产品，必须提供可靠性评估与分析报告 才能进行验收和鉴定。
但国内的可靠性工作曾在90年代初落入低谷，在这方面开展工作的人很 少，学术成果也平平。主要的原因是可靠性工作很难做，出成果较慢。
可靠性工程：可靠性分析、设计、试验、使用与维护等；
可靠性管理：可靠性规划、评审、标准、指标及可靠性增长；
固有可靠性：由设计制造所决定的产品固有的可靠性；
使用可靠性：在特定的使用条件下产品体现出的可靠性；
五、可靠性工作的特点
机械可靠性设计概述
概述8
可靠性是涉及多种科学技术的新兴交叉学科，涉及数学、失效物理学、 设计方法与方法学、实验技术、人机工程、环境工程、维修技术、生产管 理、计算机技术等；
机械可靠性设计概述
机械可靠性发展历程
机械可靠性设计概述
二、常规设，如基于安全系数的设计。
常规设计可通过下式体现：
f (F,l, E,...) [] lim S
计算中，F、l、E、μ、slim等各物理量均视为确定性变量，安全系数
可靠性设计概述
机械可靠性设计
机械可靠性设计
第一章 机械可靠性设计概述 第二章 机械可靠性设计基础 第三章 可靠性设计基本方法 第四章 机械系统的可靠性分析 第五章 机械系统的故障分析 第六章 机械零件的疲劳强度可靠度分析 第七章 其他可靠性设计方法
参考书目
第一章 可靠性设计概述
一. 可靠性发展简史 二. 常规设计与可靠性设计 三. 可靠性工作的意义 四. 可靠性学科的内容 五. 可靠性工作的特点 六. 机械可靠性设计发展
机械可靠性设计概述
概述4
许多工业部门将可靠性工作列在了重要的地位。如原航空工业部明确 规定，凡是新设计的产品或改型的产品，必须提供可靠性评估与分析报告 才能进行验收和鉴定。
但国内的可靠性工作曾在90年代初落入低谷，在这方面开展工作的人很 少，学术成果也平平。主要的原因是可靠性工作很难做，出成果较慢。
可靠性工程：可靠性分析、设计、试验、使用与维护等；
可靠性管理：可靠性规划、评审、标准、指标及可靠性增长；
固有可靠性：由设计制造所决定的产品固有的可靠性；
使用可靠性：在特定的使用条件下产品体现出的可靠性；
五、可靠性工作的特点
机械可靠性设计概述
概述8
可靠性是涉及多种科学技术的新兴交叉学科，涉及数学、失效物理学、 设计方法与方法学、实验技术、人机工程、环境工程、维修技术、生产管 理、计算机技术等；
机械可靠性设计概述
机械可靠性发展历程
机械可靠性设计概述
二、常规设，如基于安全系数的设计。
常规设计可通过下式体现：
f (F,l, E,...) [] lim S
计算中，F、l、E、μ、slim等各物理量均视为确定性变量，安全系数
可靠性设计概述
机械可靠性设计
8、确定强度计算公式 9、确定每种失效模式下的强度分布 10、确定每种致命失效模式下与应力分布和强度分布
相关的可靠度 11、确定零件的可靠度 12、确定零件可靠度的置信度 13、按上述步骤求出系统中所有关键零、部件的可靠
度 14、计算子系统和整个系统的可靠度 15、必要时可对某些设计内容进行优化
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
性设计
机械可靠性设计的方法
概率设计法 失效树分析法及失效模式、影响及致命度分析法
机械可靠性设计的步骤
1、提出设计任务、规定详细指标 2、确定有关的设计变量及参数 3、失效模式、影响及致命度分析 4、确定零件的失效模式是否是互相独立的 5、确定失效模式的判据 6、得出应力公式 7、确定每种失效模式下的应力分布
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 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
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。
机械可靠性设计原理与可靠计算PPT学习教案
零件在多 大程度 上是安 全的？ 零件在使 用中究 竟发生 故障的 概率是 多大？
第3页/共80页
从可靠性的角度出发，影响机械产品故 障的各 种因素 可概括 为“应 力”和 “强度 ”两类 。 “应力”不仅仅指外力在微元面积上产 生内力 与微元 面积比 值的极 限，而 且包括 各种环 境因素 ，如温 度、湿 度、腐 蚀、粒 子辐射 等。 “强度”是指机械结构承受能力的极限 ，因此 凡是能 阻止结 构或零 部件故 障的因 素，统 称为强 度，如 材料的 力学性 能、加 工精度 、表面 粗糙度 等。
❖ 更广的含义：凡是引起零件（系统）失效的一切因素， 一概可以称之为“应力”。
❖ 引起失效的因素：各种环境因素，如温度、湿度等对 零件的影响。
第13页/共80页
强度
❖ 从机械零件的角度：“强度”的是指材料单位面积 所能承受的作用力。如：屈服强度、强度极限等。
❖ 更广的含义：凡是阻止零件（系统）失效的一切因 素，均可称之为强度因素。
➢ 反之，“应力”作用结果小于“强度”，则零件 （系统）就是可靠的。
第15页/共80页
基本出发点：
一般而言，施加于产品上的物理量，如应力、压 力、强度、温度、湿度、冲击等导致失效的任何 因素统称为产品所受的应力，用σ表示；
产品能够承受这种应力的程度，即阻止失效发生 的任何因素统称为产品的强度，用δ表示。
功能函数
第32页/共80页
4.蒙特卡洛(Monte Carlo)模拟法 蒙特卡洛技术是一种随机抽样技术， 或称随 机模拟 技术。 基本思想： 设：
第33页/共80页
应用蒙特卡洛技术进行可靠度计算：
设：
分别是影响应力和强度的基本随机变量 。
蒙特卡洛法是一种纯概率分析法，基 本上对 分析问 题进行 假设。 该方法 回避了 求函数 分布的 问题。 运用蒙特卡洛法须知： ➢基本随机变量的分布； ➢产生随机性好的随机变量； ➢会合理的估计抽样容量。
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传统设计与可靠性设计的异同点：
8
《工程机械可靠性》精品培训-第四章-可靠性设计
第一节 可靠性设计方法与程序
9 9
《工程机械可靠性》精品培训-第四章-可靠性设计
第一节 可靠性设计方法与程序
10 10
《工程机械可靠性》精品培训-第四章-可靠性设计
第一节 可靠性设计方法与程序
第一节 可靠性设计方法与程序
化、可视化优化+对某种产品有特殊要求的设计方法。
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《工程机械可靠性》精品培训-第四章-可靠性设计
第一节 可靠性设计方法与程序
第一节 可靠性设计方法与程序
常规设计与可靠性设计
常规设计可通过下式体现： σ = f (F , l, E, µ...) ≤ [σ] = σlim S
计算中，F、l、E、μ、σlim等各物理量均视为确定性变量，安全系数S
设计阶段的划分 17世纪前的“知觉设计阶段”； 17世纪后的“经验设计阶段”及其后形成的“传统设计阶段” 20世纪末至今的“现代设计阶段”。
传统设计方法的特点：静态的、经验的、手工式的方法； 现代设计方法的特点：动态的、科学的（客观的）、计算机化 的方法。
3
《工程机械可靠性》精品培训-第四章-可靠性设计
安全系数没有反映零部件的结构特征对失效概率的影响。 5
《工程机械可靠性》精品培训-第四章-可靠性设计
第一节 可靠性设计方法与程序
第一节 可靠性设计方法与程序
fx
f
g(
显然有必要在设计之中引入概率的观点，这就是概率设计，是可 靠性设计的重要内容。
概率设计就是要在原常规设计的计算中引入随机变量和概率运算， 并给出满足强度条件（安全）的概率─可靠度。
高可靠性
两方面提高可靠性
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《工程机械可靠性》精品培训-第四章-可靠性设计
第一节 可靠性设计方法与程序
第一节 可靠性设计方法与程序
产品可靠性是设计出来、生产出来和管理出来的。
设计是保证产品可靠性的首要环节，是保证产品可靠性的关键。 产品开发者的可靠性设计水平对产品可靠性影响重大。
可靠性设计的主要方法
安全指标不同－可靠性设计用可靠度作安全指标。可靠性指标不仅与 相关参量的均值有关，还与其分散性有关。
安全理念不同－可靠性设计是在概率的框架下考虑问题。在概率的意 义上，系统中各零件（或结构上的各部位）的强弱是相对的，系统的 可靠度是由所有零件共同决定的。而在确定性框架下，系统的强度 （安全系数）是由强度最小的零件（串联系统）或强度最大的零件 （并联系统）决定的。
第四章 可靠性设计
一、可靠性设计方法与程序 二、系统可靠性设计 三、系统可靠性分配 四、零件可靠性设计 五、典型构件及零件的可靠性计算 六、可靠性设计中的安全系数
2
《工程机械可靠性》精品培训-第四章-可靠性设计
第四章 可靠性设计
传统设计与现代设计
设计：是人们为满足一定的需求而进行的一种创造性活动的 实践过程。它是从给定的合理的目标参数出发，通过各种方 法和手段创造出一个所需的优化系统或结构的过程。 设计总是反映着当前的生产力和技术水平，因而不同时期设 计的内容是不同的，人们对设计的理解也是不同的。
则是一个经验性很强的系数。
上式给出的结论是：若σ≤[σ]则安全；反之则不安全。
应该说，上述观点不够严谨。首先，设计中的许多物理量是随机变量；
其次安全系数的确定具有较大的盲目性和经验性，当σ≤ [σ]时，未必一定
安全，可能仍有不安全的可能性。
只有当零件的强度和工作应力的不确定性非常小时，这样 定义的安全系数才有意义。
适用于可靠性要求较高的结构设计和重要的零件设计。
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《工程机械可靠性》精品培训-第四章-可靠性设计
第一节 可靠性设计方法与程序
第一节 可靠性设计方法与程序
耐环境设计：
以产品在整个寿命周期内可能遇到的各种环境影响因素分析为基础 ，通过方案优化、材料选择、表面处理等措施，保证机械零部件具有 适应各种不利工作环境能力的设计方法。
(a) 明确可靠性要求，确定可靠性指标。
可靠性指标的确定主要决定于用户的要求或市场要求、制造水平 和经济性等因素。
19
《工程机械可靠性》精品培训-第四章-可靠性设计
第一节 可靠性设计方法与程序
第一节 可靠性设计方法与程序
(b) 可靠性分配。
分配原则 提高系统可靠性的基本方法有两种，一是采用贮备系统，如轮 式工程机械的制动系统一般为双管路贮备系统；二是提高零部件的 可靠性，如选择适当的材料和结构等。
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《工程机械可靠性》精品培训-第四章-可靠性设计
第一节 可靠性设计方法与程序
第一节 可靠性设计方法与程序
降额设计：
使零部件的实际使用应力低于额定应力的一种设计方法。 措施：降低零件承受的应力或提高零件强度，采用极限设计方法。 目的：降低故障率，提高可靠性。
概率设计：
以应力——强度干涉理论为基础，并考虑载荷、环境条件的随机 变化特性以及材料、工艺变化等因素，以满足零件可靠性要求为目 标的定量设计方法。
第四章 可靠性设计
现代设计方法的范畴
现代设计方法冠以“现代”，就是强调其科学性、前沿性、客观性
以引起重视。经分析，可以归纳为下列具有普遍意义的方法。
系统论的设计方法：系统设计法、人机工程设计、面向产品全生命 周期的设计；
优化论方法：优化设计是现代设计法的目标；
控制论方法：动态分析法等；
智能论方法：如CAD、CAE、并行工程、虚拟设计、低噪声设计、
1. CARMES可靠性维修性保障工程软件
可靠性、维修性与可用性应用程序 RAMP 故障模式、影响及危害性分析程序 FMECA
故障报告、分析和纠正措施系统 FRACAS 故障树分析程序 FTA
可靠性评估工具 RAT
功能危险分析程序 FHA
区域安全性分析程序 ZSA
事件树分析程序 ETA
寿命周期费用分析工具 LCC
概率为依据，预测产品可能达到的可靠度。分析方法是根据载荷分布、强度分布等基本
措施：认识环境，控制环境，适应环境。
健壮设计：
在设计过程中充分考虑影响可靠性的内外干扰而进行的一种优化 设计。
措施：系统设计，参数设计，容差设计。
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《工程机械可靠性》精品培训-第四章-可靠性设计
第一节 可靠性设计方法与程序
第一节 可靠性设计方法与程序
模拟设计：
以可靠性数学为基础，以计算机技术为手段，进行产品参数优化、 性能仿真以及模拟试验等过程的现代设计方法。
第一节 可靠性设计方法与程序
第一节 可靠性设计方法与程序
人机工程设计：
人的可靠度。 措施：合理设计人—机接口、人—环境接口和人—人接口，并采用 某些可靠性设计技术（例如容错设计、冗余设计），使系统能适应人 的生理、心理特点，减少人的失误。
热设计：
温度对可靠性的影响。 采用适当可靠的方法控制产品内部所有元器件的温度，使其在所 处的工作环境条件下不超过稳定运行要求的最高温度，以保证产品 正常运行的安全性，长期运行的可靠性。 措施：加热系统，冷却系统，温控系统。
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《工程机械可靠性》精品培训-第四章-可靠性设计
第一节 可靠性设计方法与程序
第一节 可靠性设计方法与程序
故障模式影响及危害性分析：
故障模式影响及危害性分析是分析系统中每一产品所有可能产生的 故障模式及其对系统造成的所有可能影响，并按每一个故障模式的严 重程度、检测难易程度以及发生频度予以分类的一种归纳分析方法。
维修次数 4 维修时间 5
7 16 24 10 4 1 6 7 8 9 10 11
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第机械系统是为了实现特定功能而由协 同作用的零部件按一定的结构形式构 成的。
在可靠性工程中，根据是否对出现故 障的系统进行维修，将系统分为
人工智能（专家系统），是现代设计方法的核心；
寿命论方法：如可靠性设计、稳健设计、耐磨损设计等；
离散论方法：有限元、边界元、无限元方法等；
模糊论方法：模糊设计、模糊评价、模糊聚类分析；
艺术论方法：艺术造型—工业设计；
突变论方法：创造性（创新）设计。
综合设计法：（1+3+X）设计法，即功能优化+动态优化、智能优
提高安全程度的措施不同－可靠性设计可以通过减少材料/结构性能的
分散性来降低发生失效的概率。而传统设计一般都是要通过增大承力
面积来降低工作应力，保证安全系数。对于结构系统来说，可靠性设
计多采用冗余结构保证系统安全。
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第一节 可靠性设计方法与程序
第一节 可靠性设计方法与程序
不修复系统 可修复系统
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第二节 系统可靠性设计
第二节 系统可靠性设计
系统是由其零部件构成的一个有机整体。系统中的各零部件不仅要各 司其职，而且不可避免地存在相互作用。
系统的可靠性不仅与组成系统的各单元的可靠性有关，还取决于单元 的组合方式，以及单元失效之间的相互联系。根据系统中各零件的失效是相
软件可靠性估计程序 SRE
测试性分析程序 TAM
以可靠性为中心的维修分析 RCMA
网络系统可靠性计算与仿真 NRCS
马尔可夫过程模块 MarkovPro
2.ReliaSoft公司的Weibull++寿命数据分析软件、ALTA加速度寿命试验
分析软件、QTMS质量追踪管理系统。
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1、简化设计
2、冗余设计
3、降额设计
4、概率设计
5、耐环境设计
6、健壮设计
7、模拟设计
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第一节 可靠性设计方法与程序
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第一节 可靠性设计方法与程序
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第一节 可靠性设计方法与程序
第一节 可靠性设计方法与程序
化、可视化优化+对某种产品有特殊要求的设计方法。
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第一节 可靠性设计方法与程序
第一节 可靠性设计方法与程序
常规设计与可靠性设计
常规设计可通过下式体现： σ = f (F , l, E, µ...) ≤ [σ] = σlim S
计算中，F、l、E、μ、σlim等各物理量均视为确定性变量，安全系数S
设计阶段的划分 17世纪前的“知觉设计阶段”； 17世纪后的“经验设计阶段”及其后形成的“传统设计阶段” 20世纪末至今的“现代设计阶段”。
传统设计方法的特点：静态的、经验的、手工式的方法； 现代设计方法的特点：动态的、科学的（客观的）、计算机化 的方法。
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安全系数没有反映零部件的结构特征对失效概率的影响。 5
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第一节 可靠性设计方法与程序
第一节 可靠性设计方法与程序
fx
f
g(
显然有必要在设计之中引入概率的观点，这就是概率设计，是可 靠性设计的重要内容。
概率设计就是要在原常规设计的计算中引入随机变量和概率运算， 并给出满足强度条件（安全）的概率─可靠度。
高可靠性
两方面提高可靠性
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第一节 可靠性设计方法与程序
第一节 可靠性设计方法与程序
产品可靠性是设计出来、生产出来和管理出来的。
设计是保证产品可靠性的首要环节，是保证产品可靠性的关键。 产品开发者的可靠性设计水平对产品可靠性影响重大。
可靠性设计的主要方法
安全指标不同－可靠性设计用可靠度作安全指标。可靠性指标不仅与 相关参量的均值有关，还与其分散性有关。
安全理念不同－可靠性设计是在概率的框架下考虑问题。在概率的意 义上，系统中各零件（或结构上的各部位）的强弱是相对的，系统的 可靠度是由所有零件共同决定的。而在确定性框架下，系统的强度 （安全系数）是由强度最小的零件（串联系统）或强度最大的零件 （并联系统）决定的。
第四章 可靠性设计
一、可靠性设计方法与程序 二、系统可靠性设计 三、系统可靠性分配 四、零件可靠性设计 五、典型构件及零件的可靠性计算 六、可靠性设计中的安全系数
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《工程机械可靠性》精品培训-第四章-可靠性设计
第四章 可靠性设计
传统设计与现代设计
设计：是人们为满足一定的需求而进行的一种创造性活动的 实践过程。它是从给定的合理的目标参数出发，通过各种方 法和手段创造出一个所需的优化系统或结构的过程。 设计总是反映着当前的生产力和技术水平，因而不同时期设 计的内容是不同的，人们对设计的理解也是不同的。
则是一个经验性很强的系数。
上式给出的结论是：若σ≤[σ]则安全；反之则不安全。
应该说，上述观点不够严谨。首先，设计中的许多物理量是随机变量；
其次安全系数的确定具有较大的盲目性和经验性，当σ≤ [σ]时，未必一定
安全，可能仍有不安全的可能性。
只有当零件的强度和工作应力的不确定性非常小时，这样 定义的安全系数才有意义。
适用于可靠性要求较高的结构设计和重要的零件设计。
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第一节 可靠性设计方法与程序
第一节 可靠性设计方法与程序
耐环境设计：
以产品在整个寿命周期内可能遇到的各种环境影响因素分析为基础 ，通过方案优化、材料选择、表面处理等措施，保证机械零部件具有 适应各种不利工作环境能力的设计方法。
(a) 明确可靠性要求，确定可靠性指标。
可靠性指标的确定主要决定于用户的要求或市场要求、制造水平 和经济性等因素。
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第一节 可靠性设计方法与程序
第一节 可靠性设计方法与程序
(b) 可靠性分配。
分配原则 提高系统可靠性的基本方法有两种，一是采用贮备系统，如轮 式工程机械的制动系统一般为双管路贮备系统；二是提高零部件的 可靠性，如选择适当的材料和结构等。
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第一节 可靠性设计方法与程序
第一节 可靠性设计方法与程序
降额设计：
使零部件的实际使用应力低于额定应力的一种设计方法。 措施：降低零件承受的应力或提高零件强度，采用极限设计方法。 目的：降低故障率，提高可靠性。
概率设计：
以应力——强度干涉理论为基础，并考虑载荷、环境条件的随机 变化特性以及材料、工艺变化等因素，以满足零件可靠性要求为目 标的定量设计方法。
第四章 可靠性设计
现代设计方法的范畴
现代设计方法冠以“现代”，就是强调其科学性、前沿性、客观性
以引起重视。经分析，可以归纳为下列具有普遍意义的方法。
系统论的设计方法：系统设计法、人机工程设计、面向产品全生命 周期的设计；
优化论方法：优化设计是现代设计法的目标；
控制论方法：动态分析法等；
智能论方法：如CAD、CAE、并行工程、虚拟设计、低噪声设计、
1. CARMES可靠性维修性保障工程软件
可靠性、维修性与可用性应用程序 RAMP 故障模式、影响及危害性分析程序 FMECA
故障报告、分析和纠正措施系统 FRACAS 故障树分析程序 FTA
可靠性评估工具 RAT
功能危险分析程序 FHA
区域安全性分析程序 ZSA
事件树分析程序 ETA
寿命周期费用分析工具 LCC
概率为依据，预测产品可能达到的可靠度。分析方法是根据载荷分布、强度分布等基本
措施：认识环境，控制环境，适应环境。
健壮设计：
在设计过程中充分考虑影响可靠性的内外干扰而进行的一种优化 设计。
措施：系统设计，参数设计，容差设计。
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第一节 可靠性设计方法与程序
第一节 可靠性设计方法与程序
模拟设计：
以可靠性数学为基础，以计算机技术为手段，进行产品参数优化、 性能仿真以及模拟试验等过程的现代设计方法。
第一节 可靠性设计方法与程序
第一节 可靠性设计方法与程序
人机工程设计：
人的可靠度。 措施：合理设计人—机接口、人—环境接口和人—人接口，并采用 某些可靠性设计技术（例如容错设计、冗余设计），使系统能适应人 的生理、心理特点，减少人的失误。
热设计：
温度对可靠性的影响。 采用适当可靠的方法控制产品内部所有元器件的温度，使其在所 处的工作环境条件下不超过稳定运行要求的最高温度，以保证产品 正常运行的安全性，长期运行的可靠性。 措施：加热系统，冷却系统，温控系统。
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第一节 可靠性设计方法与程序
第一节 可靠性设计方法与程序
故障模式影响及危害性分析：
故障模式影响及危害性分析是分析系统中每一产品所有可能产生的 故障模式及其对系统造成的所有可能影响，并按每一个故障模式的严 重程度、检测难易程度以及发生频度予以分类的一种归纳分析方法。
维修次数 4 维修时间 5
7 16 24 10 4 1 6 7 8 9 10 11
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第机械系统是为了实现特定功能而由协 同作用的零部件按一定的结构形式构 成的。
在可靠性工程中，根据是否对出现故 障的系统进行维修，将系统分为
人工智能（专家系统），是现代设计方法的核心；
寿命论方法：如可靠性设计、稳健设计、耐磨损设计等；
离散论方法：有限元、边界元、无限元方法等；
模糊论方法：模糊设计、模糊评价、模糊聚类分析；
艺术论方法：艺术造型—工业设计；
突变论方法：创造性（创新）设计。
综合设计法：（1+3+X）设计法，即功能优化+动态优化、智能优
提高安全程度的措施不同－可靠性设计可以通过减少材料/结构性能的
分散性来降低发生失效的概率。而传统设计一般都是要通过增大承力
面积来降低工作应力，保证安全系数。对于结构系统来说，可靠性设
计多采用冗余结构保证系统安全。
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《工程机械可靠性》精品培训-第四章-可靠性设计
第一节 可靠性设计方法与程序
第一节 可靠性设计方法与程序
不修复系统 可修复系统
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第二节 系统可靠性设计
第二节 系统可靠性设计
系统是由其零部件构成的一个有机整体。系统中的各零部件不仅要各 司其职，而且不可避免地存在相互作用。
系统的可靠性不仅与组成系统的各单元的可靠性有关，还取决于单元 的组合方式，以及单元失效之间的相互联系。根据系统中各零件的失效是相
软件可靠性估计程序 SRE
测试性分析程序 TAM
以可靠性为中心的维修分析 RCMA
网络系统可靠性计算与仿真 NRCS
马尔可夫过程模块 MarkovPro
2.ReliaSoft公司的Weibull++寿命数据分析软件、ALTA加速度寿命试验
分析软件、QTMS质量追踪管理系统。
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1、简化设计
2、冗余设计
3、降额设计
4、概率设计
5、耐环境设计
6、健壮设计
7、模拟设计