modern design 004

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1、现代设计方法宁夏大学机械工程学院朱学军ModernDesignMethodology第四章可靠性设计4.1概述Background1.起源二战中,美国远东基地飞机的真空电子管发生故障(标准符合)德国V-Ⅰ火箭的可靠性工程研究(精度、稳定性差，杀伤力强)1957，美国，“军用电子设备可靠性”报告(奠基文献)2.发展1950s至1970s，航空航天技术发展的需要(定性、定量分析)1990，中国，加强机电产品设计工作的规定(可靠性、适应性、经济性)是应用概率论、数理统计和计算机技术解决工程设计可靠性问题的现代设计方法3.综

2、合可靠性设计（ReliabilityDesign）将概率论、数理统计引入机械设计中而形成的一种设计技术。将物理量都视为按某种规律分布的随机变量，用概率统计的方法确定零、部件的主要参数和尺寸，使机械满足所提出的可靠性指标。二次世界大战期间，美国由于飞行故障而损失的飞机比被击落的飞机多1.5倍。应航天计划的需要，兴起在上世纪60年代的美国。可靠性设计已应用于从宇宙飞船到家用电器的广阔领域。4.1概述一、相关基础概念1.可靠性：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。环境约束温度、介质、负载时变随机事件技术指

3、标精度、稳定性2.可靠度：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。是产品可靠性的概率度量：Reliability一、相关基础概念3.可靠性工程为达到产品可靠性要求而进行的有关设计、试验和生产等一系列工作的总和。一、相关基础概念4.可靠性设计的特点由设计决定产品固有的可靠度（R的分配、预测）将设计变量视为随机变量并用分布函数进行描述、计算以强度大于应力法则来度量可靠性指标用安全度或失效率定量描述产品的可靠性4.1概述二、常用特征量（统计指标）4.1概述1.可靠度：R(t)若用T表示在规定条件下的寿命（产品

4、首次发生失效的时间），则“产品在时间t内完成规定功能”等价于“产品寿命T大于t”。所以可靠度函数R(t)可以看作事件“T>t”概率，即其中f(t)为瞬时失效概率密度函数二、常用特征量（统计指标）2.累积失效概率：F(t)显然：——可靠度R(t)可以用统计方法来估计。设有N个产品在规定的条件下开始使用。令开始工作的时刻t取为0，到指定时刻t时已发生失效数n(t),亦即在此时刻尚能继续工作的产品数为N-n(t)，则可靠度的估计值（又称经验可靠度）为二、常用特征量（统计指标）3.失效率：λ(t)一般定义：失效率是工作到某时

5、刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率。一般记为λ,它也是时间t的函数,故也记为λ(t),称为失效率函数,有时也称为故障率函数或风险函数。设在t=0时有N个产品投试，到时刻t已有n(t)个产品失效，尚有N-n(t)个产品在工作。再过Δt时间，即到t+Δt时刻，有Δn(t)=n(t+Δt)-n(t)个产品失效。产品在时刻t前未失效而在时间（t,t＋Δt）内失效率为，单位时间失效频率二、常用特征量（统计指标）3.失效率：λ(t)失效率是在时刻t尚未失效产品在t+△t的单位时间内发生失效的条件概率，即由条件概

6、率公式的性质和时间的包含关系，可知二、常用特征量（统计指标）3.失效率：λ(t)失效率曲线与失效类型（1）早期失效期为递减型。主要由于设计、制造、贮存、运输等形成的缺陷，以及调试、起动不当等人为因素造成。使产品失效率达到偶然失效期的时间t0称为交付使用点。（2）偶然失效期为恒定型。主要由非预期的过载、误操作、偶然因素所造成。偶然失效期是能有效工作的时期，称为有效寿命。（3）耗损失效期，失效率是递增型。是由产品已经老化、疲劳、磨损、蠕变、腐蚀等所谓有耗损的原因所引起的，故称为耗损失效期。二、常用特征量（统计指标）3.失

7、效率：λ(t)失效率曲线机械零件的内部和表面产生应力和变形磨损曲轴折断潘存云教授研制齿轮损坏机械要传递力和力矩有可能导致零件的失效机械零件失效的实例机械零件失效的实例轮齿塑性变形齿轮轮齿折断轴承内圈破裂轴承外圈塑性变形潘存云教授研制齿面接触疲劳潘存云教授研制轴瓦磨损机械零件失效的实例失效原因:强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度统计结果显示：断裂仅占4.79%;腐蚀、磨损、疲劳破坏占73.88%。--主要失效原因。避免在预定寿命期内失效的要求▲采用高强度的材料；▲合理设计零件的截面形状，增大惯性矩；▲采用热处理和化学

8、处理方法提高材料的强度性能；▲提高零件的制造精度，以减少工作时的动载荷；▲合理配置零件的相对位置，以降低零件的载荷。强度要求刚度要求零件在工作时的弹性变形不能超过允许的范围称为零件的刚度要求。▲增大零件的截面尺寸或增大惯性矩；▲缩短支承的跨距或采用多点支承。避免在预定寿命期内失效的要求寿命要求影响零件寿命的主要因素有：大部分零件工作在变应力下，