可靠性设计

可靠性设计

可靠性设计的概述：

可靠性设计(reliability design):为了满足产品的可靠性要求而进行的设计;对系统和结构进行可靠性分析和预测，采用简化系统和结构、余度设计和可维修设计等措施以提高系统和结构可靠度的设计。

可靠性问题是一种综合性的系统工程。机电产品（零件、部件、设备或系统）的可靠性也和其他产品的可靠性一样，是与其设计、制造、运输、储存、使用、维修等各个环节紧密相关的。设计只是其中的一个环节，但却是保证产品可靠性最重要的环节，它为产品的可靠性水平奠定了先天性的基础。因为机械产品的可靠性取决于其零部件的结构形式与尺寸、选用的材料及热处理制造工艺、检验标准、润滑条件、维修方便性以及各种安全保护措施等，而这些都是在设计阶段决定的。

可靠性问题的研究是因处理电子产品不可靠问题于第二次世界大战期间发展起来的。可靠性设计用在机械方面的研究始于20世纪60年代，首先应用于军事和航天等工业部门，随后逐渐扩展到民用工业。随着现代科学技术的发展和对产品质量要求的日益提高，可靠性逐步成为科学和工程中一个非常重要的概念。机械结构的可靠性及其设计直接决定了机械结构的可靠度，因此，对机械可靠性设计的研究具有十分重要的意义。

所谓可靠性，则是指产品在规定的时间内和给定的条件下，完成规定功能的能力。它不但直接反映产品各组成部件的质量，而且还影响到整个产品质量性能的优劣。可靠性分为固有可靠性、使用可靠性和环境适应性。可靠性的度量指标一般有可靠度、无故障率、失效率3种。

对于一个复杂的产品来说，为了提高整体系统的性能，都是采用提高组成产品的每个零部件的制造精度来达到；这样就使得产品的造价昂贵，有时甚至难以实现（例如对于由几万甚至几十万个零部件组成的很复杂的产品）。事实上可靠性设计所要解决的问题就是如何从设计中入手来解决产品的可靠性，以改善对各个零部件可靠度（表示可靠性的概率）的要求。可靠度的分配是可靠性设计的核心。其分配原则为①按重要程度分配可靠度。②按复杂程度分配可靠度。③按技术水平、任务情况等的综合指标分配可靠度。④按相对故障率分配可靠度。

可靠性设计的现状与发展

国内外的实践经验表明，机械结构的可靠性是由设计决定的，而由制造、安装和管理来保证的。因此将概率设计理论和可靠性分析与设计方法应用于机械结构设计中，才能得到既有足够安全可靠性，又有适当经济性的优化结构。这样，以估计结构系统可靠度为目标的、以概率统计和随机过程理论为基础的、以各种结构分析技术为工具的多种结构可靠性分析与设计方法迅速发展。Raizer综述了一次二阶矩法和以一次二阶矩法为基础的现代可靠性分析理论。赵国藩等建立了广义随机空间内考虑随机变量相

关性的结构可靠度实用分析方法，扩大了现有可靠度计算方法的适用范围。并且贡金鑫和赵国藩还研究了原始空间内的可靠性分析方法，这种方法不需要将非正态随机变量映射或当量正态化为正态随机变量，因而特别适合于当随机变量的概率分布函数不存在显式时可靠度的计算。李云贵和赵国藩提出了计算可靠度的4次高阶矩法，提高了可靠度的计算精度。胡云昌等在分析现有可靠性计算方法的基础上，给出了较全面的评价结构系统可靠性的标准，从而为结构系统的最优可靠性设计提供了可靠的设计依据。

建立极限状态函数是进行可靠性分析的前提条件，对于复杂的机械结构，大部分情况下状态变量与基本变量之间的显式函数关系是不存在的，这为进一步的可靠性分析带来困难。文Raashekhar等以及Zheng等为解决此类复杂机械结构的可靠性问题而提出了可靠性分析的响应面法，该方法便于与通用的有限元软件连接，以便对大型复杂机械结构进行可靠性分析与设计计算。但如果问题的规模很大且随机变量很多时，响应面法的计算量是难以接受的。wu等提出的修改均值法是在隐式极限状态函数下进行可靠性分析的有效方法。与响应曲面法相比，它有其计算量小、精度高的优点。

当前，在确定性有限元基础上发展起来的随机有限元法已成为对随机参数结构进行不确定分析的十分有效的数值方法。张义民等应用随机有限元法和一阶可靠性技术对随机结构可靠性问题进行了研究，开辟了以一次二阶矩法、摄动技术、有限元理论和实用概率统计学为基础的现代结构可靠性分析与设计理论的新途径。

可靠性设计的特点

机电产品可靠性设计与以往的传统机械设计方法不同，其基本特点如下：

1、以应力和强度为随机变量作为出发点，认识到零部件所受的应力和材料的强度均非定值，而是随机变量，具有离散性质，数学上必须用分布函数来描述，这是由于载荷、强度、结构尺寸、工况等都具有变动性和统计本质。

2、应用概率统计方法进行分析、求解，这是基于应力和强度都是随机变量这一客观事实。

3、能定量的回答产品的失效概率和可靠度，首先承认所设计的产品存在一定的失效概率，但不能超过技术文件所规定的允许值，并能定量的给出所设计产品的失效率和可靠度。

4、传统的机械设计方法仅有一种可靠性评价指标，即安全系数；而机械可靠性设计则要求根据不同产品的具体情况选择不同的、最适宜的可靠性指标，如失效率、可靠度、平均无故障工作时间（MTBF）、首次故障里程（用于车辆）、维修度、有效度等。

5、强调设计对产品可靠性的主导作用，产品的可靠性从根本上来说，设计决定了产品的固有可靠性；如果设计不当则不论制造工艺有多好、管理水平多高，产品都是不可靠的。在设计中赋予零件取足够的固有可靠性，该零件就会本质上可靠。后者意味着零件的应力分布和强度分布的尾部不发生干涉，不产生随机失效。

6、必须考虑环境的影响，高温、低温、冲击、振动，潮湿、烟雾、腐蚀、沙尘、磨损等环境条件对应力的影响，应力分布的尾部比强度分布的

尾部对可靠度的影响要大得多。

7、必须考虑维修性，以有效度为可靠性指标的产品，例如，对于工程机械等，不论产品设计的固有可靠性有多好，都必须考虑维修性，否则不可能使产品维持高的有效度。因此，从设计开始，就必须将固有可靠性和使用可靠性联系起来作为整体考虑，分析为了使设备或系统达到规定有效度，究竟是提高维修度好，还是提高可靠度更为合理。

8、从整体的、系统的、人机工程的观点出发考虑设计问题，并更重视产品在寿命期间的总费用而不只是购置费用。

9、承认在设计期间及其以后都需要可靠性增长。在产品的最初设计、研制、试验期间，产品的可靠性会经常得到改善，这种改善是由于一些因素的变化，例如，在发生故障后，分析其原因就提供了改善可靠性的信息，并且在设计、研制过程中，随着经验的积累也会改进设计。制造工艺的提高也可以提高产品的可靠性。因此，如果在产品设计、研制、试验、制造的初始阶段，定期的对产品的可靠性进行评估，将会发现可靠性特征量会逐步提高，可靠性得到了改善，这种现象称为“可靠性增长”。

可靠性设计的原理及设计方法

从可靠性的角度，可将产品归纳为3类：1：本质上可靠的零件－强度与应力之间有很大的裕度，且在使用寿命期内不耗损的零件。－－正确地使用的电子器件、不运动的机械零部件和正确的软件。2本质上不可靠的零件－设计裕度低或者不断耗损的零件。－－恶劣环境下工作的零件（例如涡轮机叶片），与其它零件有动接触的零件（像齿轮、轴承和动力传输带），等等。3由很多零件和界面组成的系统－－汽车、飞机、工程机械等，存在很多失效的可能性，特别是界面失效(包括不适当的电过载保护，薄弱的振动节点，电磁冲突，存在错误的软件)。

在常规的机械产品设计中，使用安全系数－强度均值与应力均值之比－来考虑这种不确定性的影响。这是一个经验的安全系数。尽管综合了计算误差、材料分散性、应用场合的重要性等因素，取值仍有相当大的主观性。为了保证安全，安全系数往往取值较大，设计多偏于保守。可靠性设计根据应力和强度的不确定性，应用概率论方法，保证所设计的产品在使用期内满足规定的可靠性要求。

设计参数的统计处理与计算：零件在载荷作用下产生应力。载荷通常是随机变化的，因此零件危险点的应力是随机变量。

零件的强度取决于材料、加工等诸多因素，即使同一批零件的强度也有明显的分散性，也是随机变量。

在机械可靠性设计中，影响应力分布和强度分布的物理参数、几何参数等大都作为随机变量对待。静载荷一般可用正态分布描述，动载荷一般可用正态分布或对数正态分布描述。通常，材料的强度都可以用正态分布描述。几何尺寸一般服从正态分布，且可根据3σ法则确定其分布参数。

失效模式分析通过对失效模式、失效机理的研究，采取改进措施，可以保证设计的产品达到预定的可靠性要求。失效机理分析涉及到很多学科领域，如系统分析，结构分析，材料物理、化学分析，测试，以及有关疲劳、断裂、腐蚀、磨损等各学科知识。

失效概率评价/可靠性预测根据经验数据或FMECA确定产品的可靠性关