现代设计方法课程03可靠性设计.ppt
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第三章第三章可靠性设计可靠性设计1主要内容q可靠性设计的概念与特点可靠性设计的概念与特点q可靠性设计常用的分布函数可靠性设计常用的分布函数q可靠性设计的原理可靠性设计的原理q零部件的可靠性设计零部件的可靠性设计q系统的可靠性设计系统的可靠性设计2第一节第一节可靠性设计的概念与特点可靠性设计的概念与特点3一、概述一、概述引例引例n日常生活中的现象观察：
骑自行车，如将链条改换为皮日常生活中的现象观察：
骑自行车，如将链条改换为皮带传动，结果如何？
经常说某人是否可靠，衡量的标准带传动，结果如何？
经常说某人是否可靠，衡量的标准是什么？
是什么？
n工程应用中，如军事上的导弹发射，三峡大坝工程等。
工程应用中，如军事上的导弹发射，三峡大坝工程等。
4n常规设计某一轴的强度时，用安全系数法来校核，主要建常规设计某一轴的强度时，用安全系数法来校核，主要建立在以往的经验基础上（经验数据），由于带有一定的主立在以往的经验基础上（经验数据），由于带有一定的主观色彩，实践中发现设计时非常安全的零部件并不安全，观色彩，实践中发现设计时非常安全的零部件并不安全，造成了巨大的经济损失，由此从科学的客观的角度出发产造成了巨大的经济损失，由此从科学的客观的角度出发产生了可靠性设计。
生了可靠性设计。
n可靠性设计是把工程中的设计变量处理成多值的随机变量，可靠性设计是把工程中的设计变量处理成多值的随机变量，运用随机方法对产品的故障（失效）、完好（正常）、可运用随机方法对产品的故障（失效）、完好（正常）、可靠（不可靠）等状态的随机性进行精确的概率描述。
靠（不可靠）等状态的随机性进行精确的概率描述。
5n工程实际中存在工程实际中存在随机现象随机现象，也存在大量的，也存在大量的模糊现象模糊现象。
n如经抽象简化的基本支座模型有三类：
如经抽象简化的基本支座模型有三类：
自由端自由端、简支简支端端和和固定端固定端，对自由端有明确的定义，也极易识别，对自由端有明确的定义，也极易识别，但对于简支端和固定端就没有明显的界限，如果梁插但对于简支端和固定端就没有明显的界限，如果梁插入较深即假设为固定端，而插入较浅则假设为简支端；入较深即假设为固定端，而插入较浅则假设为简支端；又如对滑动轴承而言，分为又如对滑动轴承而言，分为窄、中、宽窄、中、宽系列，若轴承系列，若轴承较宽则假定为固定端，较窄假设为简支端，这里的较较宽则假定为固定端，较窄假设为简支端，这里的较深和较浅，较宽和较窄都是模糊概念；再如经抽象简深和较浅，较宽和较窄都是模糊概念；再如经抽象简化的光滑铰链，这个模型本身在概念上就是不清晰的，化的光滑铰链，这个模型本身在概念上就是不清晰的，因光滑和粗糙两者之间没有绝对的界限。
因光滑和粗糙两者之间没有绝对的界限。
6产品产品/工程的设计发生的演变过程工程的设计发生的演变过程传传统统/常常规规设设计计可可靠靠性性设设计计模模糊糊可可靠靠性性设设计计延伸拓展延伸拓展7各演变过程的区别各演变过程的区别传统（常规）设计可靠性设计模糊可靠性设计理论基础安全系数（机械设计）可靠度模糊理论与可靠度数学基础基本的数学运算概率论和数理统计模糊数学、概率论与数理统计设计变量固定变量随机变量随机变量8二、可靠性设计的发展二、可靠性设计的发展起步：
起步：
19571957年美国发表了年美国发表了“军用电子设备可靠性军用电子设备可靠性”的报告，的报告，这份报告被公认为是可靠性设计的奠基性文献；二次世这份报告被公认为是可靠性设计的奠基性文献；二次世界大战期间，美国通信设备、航空设备、水声设备都有界大战期间，美国通信设备、航空设备、水声设备都有相当数量的部件或系统因失效而不能使用，带来了大量相当数量的部件或系统因失效而不能使用，带来了大量的人员伤亡和经济损失，起初主要是电子元件和系统的的人员伤亡和经济损失，起初主要是电子元件和系统的可靠性。
德国在二次大战中，由于研制可靠性。
德国在二次大战中，由于研制v-v-型火箭的需型火箭的需要也着手与可靠性工程的研究。
要也着手与可靠性工程的研究。
9展开：
展开：
60-7060-70年代，航空、航天事业有利可图，各国纷纷年代，航空、航天事业有利可图，各国纷纷开展了航天、航空技术与设备的研究与产品开发，其可开展了航天、航空技术与设备的研究与产品开发，其可靠性引起全社会的普遍关注，因而也得到了长足的进步。
靠性引起全社会的普遍关注，因而也得到了长足的进步。
许多国家成立了可靠性研究机构，如我国的航空航天大许多国家成立了可靠性研究机构，如我国的航空航天大学。
学。
发展：
发展：
8080年代以后，可靠性设计成为不可或缺的环节，广年代以后，可靠性设计成为不可或缺的环节，广泛应用于各行各业。
泛应用于各行各业。
109090年代，我国机械电子工业部印发的年代，我国机械电子工业部印发的“加强机电产加强机电产品设计工作的规定品设计工作的规定”中明确指出中明确指出“可靠性、经济性、适可靠性、经济性、适应性应性”三性统筹作为机电产品设计和坚定的依据。
在新三性统筹作为机电产品设计和坚定的依据。
在新产品鉴定时，必须提供可靠性设计资料和试验报告。
否产品鉴定时，必须提供可靠性设计资料和试验报告。
否则不能通过鉴定。
则不能通过鉴定。
现今可靠性的观点和方法已经成为现今可靠性的观点和方法已经成为质量保证质量保证、安全安全性保证性保证、产品责任预防产品责任预防等不可缺少的依据和手段，也是等不可缺少的依据和手段，也是我国工程技术人员掌握现代设计方法必须掌握的重要内我国工程技术人员掌握现代设计方法必须掌握的重要内容之一。
容之一。
11三、可靠性的概念三、可靠性的概念这是概念上质的飞跃这是概念上质的飞跃可靠性又称可靠度可靠性又称可靠度（Reliability）（Reliability），指零件或系统，指零件或系统在规定的运行条件下，规定的工作时间内，能正常工在规定的运行条件下，规定的工作时间内，能正常工作作（或满意运行）的或满意运行）的概率概率。
该定义将以往人们对产品可靠性只是出于模糊、该定义将以往人们对产品可靠性只是出于模糊、定性的概念发展转变为一个明确的定性的概念发展转变为一个明确的“数数”的概念。
的概念。
12它包含了五个要素：
它包含了五个要素：
A.A.对象：
对象：
零件零件指某个不可拆卸的独立体（如弹簧、齿轮），指某个不可拆卸的独立体（如弹簧、齿轮），也可指某一部件或机器（如发动机或减速器），也可指某一部件或机器（如发动机或减速器），还可指某个系统（如某条生产线、某个车间等），还可指某个系统（如某条生产线、某个车间等），甚至包括人的判断与人的操作因素在内。
甚至包括人的判断与人的操作因素在内。
零件零件机器机器系统系统13B.B.规定的工作条件：
规定的工作条件：
为了比较某系统或零件的可靠程度，必须将为了比较某系统或零件的可靠程度，必须将它的工作环境固定下来。
它的工作环境固定下来。
同一种设备在不同的工作环境下运行寿命是同一种设备在不同的工作环境下运行寿命是不同的，如汽车，因此，同一产品在不同的工作不同的，如汽车，因此，同一产品在不同的工作条件下运行应有不同的设计要求。
条件下运行应有不同的设计要求。
14C.C.规定的工作时间：
规定的工作时间：
产品之间可靠性比较的标准。
产品之间可靠性比较的标准。
D.D.正常工作（满意运行）：
正常工作（满意运行）：
指系统或零件是否能达到人们所要求的运行效指系统或零件是否能达到人们所要求的运行效能，达到了就说它是处于正常的工作状态，反之说能，达到了就说它是处于正常的工作状态，反之说它是实效的。
它是实效的。
15EE概率：
概率：
基本事件发生的可能性。
基本事件发生的可能性。
对于可靠性来讲，就是失效或正常运行事件对于可靠性来讲，就是失效或正常运行事件发生的可能性。
在大量统计的基础上，这种可能发生的可能性。
在大量统计的基础上，这种可能性可用该事件的概率来表示，因此概率可用性可用该事件的概率来表示，因此概率可用00，11区间的某个数表示。
区间的某个数表示。
16四、可靠性设计的必要性四、可靠性设计的必要性1.1.从定性的角度考虑其必要性从定性的角度考虑其必要性1）1）机械设备的大型化、复杂化、精密化要求设备本身的机械设备的大型化、复杂化、精密化要求设备本身的安全性提高；安全性提高；2）2）产品责任的要求，使企业必须考虑产品故障所造成的产品责任的要求，使企业必须考虑产品故障所造成的损失以及由此而引起的法律责任；损失以及由此而引起的法律责任；3）3）市场竞争的压力；市场竞争的压力；4）4）人工费用日益提高；人工费用日益提高；5）5）国际市场迫使人们必须重视机电产品可靠性的工作国际市场迫使人们必须重视机电产品可靠性的工作。
172.2.从定量的角度考虑可靠性设计的必要性从定量的角度考虑可靠性设计的必要性1）1）安全系数安全系数：
用：
用表示。
表示。
=/即零件强度与作用在其上的应力的比值，是零件本身强度所即零件强度与作用在其上的应力的比值，是零件本身强度所能承受外载荷作用的强度的重要的尺度。
能承受外载荷作用的强度的重要的尺度。
零件安全运行的条件是：
零件安全运行的条件是：
强度最小值必须大于外载荷引起强度最小值必须大于外载荷引起的应力最大值才安全。
即满足的应力最大值才安全。
即满足-。
18设应力设应力（）和强度和强度（）（）的的概率密度函数分别为概率密度函数分别为（）和和（）（），因机械设计中应力，因机械设计中应力和强度具有相同的量纲和强度具有相同的量纲（MpaMpa），因此可以把因此可以把（）和和（）（）表表示在同一坐标系中。
示在同一坐标系中。
2）2）安全系数设计中存在的问题安全系数设计中存在的问题机械零件失效的可能性（概率）用安全系数的大小是机械零件失效的可能性（概率）用安全系数的大小是不能完全表征的，它取决于强度与应力的不能完全表征的，它取决于强度与应力的“干涉干涉”面积大面积大小。
如图所示。
小。
如图所示。
图图1应力应力强度分布的平面干涉模型强度分布的平面干涉模型19常规传统设计的安全系数法是不明确的：
常规传统设计的安全系数法是不明确的：
A.A.强度和应力分散程度不变，即标准差不变时，强度和应力分散程度不变，即标准差不变时，在同样的安全系数下零部件的失效可能会变大或变在同样的安全系数下零部件的失效可能会变大或变小；小；B.B.强度与应力的均值不变，而强度与应力分散强度与应力的均值不变，而强度与应力分散程度即标准差改变，其安全系数不变时失效的可能程度即标准差改变，其安全系数不变时失效的可能也会加大或减小。
也会加大或减小。
20结论：
结论：
.以相同的安全系数所设计出的零部件其安全程度不以相同的安全系数所设计出的零部件其安全程度不一定是相同的；一定是相同的；.把安全系数本身看作是一个常量是不符合实际的；把安全系数本身看作是一个常量是不符合实际的；.大的安全系数不一定有大的安全效果，小的安全系大的安全系数不一定有大的安全效果，小的安全系数就不一定不安全。
数就不一定不安全。
注意：
注意：
用安全系数法撰写的论文是难以发表的。
用安全系数法撰写的论文是难以发表的。
21五、可靠性的基本内容五、可靠性的基本内容可靠性工程：
可靠性工程：
指导工程实际的可靠性活动的一门科学指导工程实际的可靠性活动的一门科学。
可靠性物理：
可靠性物理：
从机理的角度研究产品不可靠的原因。
从机理的角度研究产品不可靠的原因。
可靠性数学：
可靠性数学：
在可靠性活动的发展过程中所形成的数在可靠性活动的发展过程中所形成的数学分支。
学分支。
可靠性教育与管理：
可靠性教育与管理：
研究如何推行可靠性活动的一门研究如何推行可靠性活动的一门学科，是一门保证学科。
学科，是一门保证学科。
221.1.可靠性的理论基础可靠性的理论基础概率论与数理统计概率论与数理统计1）1）可靠性设计研究事件发生的情况：
必然与偶然可靠性设计研究事件发生的情况：
必然与偶然事件；事件；2）2）可靠性问题是一个概率问题，即可靠性问题是一个概率问题，即与区间；与区间；3）3）产品的寿命是随机的。
产品的寿命是随机的。
232.2.可靠性设计的特点可靠性设计的特点1）1）可靠性设计认为作用在零部件上
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