《现代设计方法基础 教学课件 ppt 作者 孟宪颐 现代设计方法基础(第4章）》由会员分享，可在线阅读，更多相关《现代设计方法基础 教学课件 ppt 作者 孟宪颐 现代设计方法基础(第4章）（81页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第四章 可靠性工程基础,一般的机械和电子产品的可靠性设计过程如下： 1.方案论证阶段 2.调查和批准阶段 3.设计和研究阶段 4.制造和测试阶段 5.使用阶段,现代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰,4.1 概述,1. 可靠度的定义 当时间超过时，有个产品失效和有个产品正常工作,则产品的 可靠度可被定义如下：,第四章 可靠性工程基础,4.2可靠性工程的基础理论,现代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰,2. 故障率的定义,第四章 可靠性工程基础,4.2可靠性工程的基础理论,现代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰,第四章 可靠性工程基础,4.2可靠性工程的基础理论,3. 产品失效概率密度函数
2、,现代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰,第四章 可靠性工程基础,4. 产品的失效率，即,现代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰,4.2 可靠性工程的基础理论,例4-1 假设有100个产品，在5年内有4个产品失效，在6年中有7个产品失效，求5年后产品的失效概率是多少？,第四章 可靠性工程基础,4.2可靠性工程的基础理论,若单位时间定义为一年，,若单位时间定义为1000h，则有,现代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰,第四章 可靠性工程基础,5.产品失效模型,现代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰,图4-3 机电产品典型失效模型曲线,4.2可靠性工程的基础理论,4.2 可靠性工程的基础理
3、论,(1).指数分布 如果产品的失效率是常数,如图4-3的中间部分，即,现代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰,可求得在t时刻产品的可靠度为:,第四章 可靠性工程基础,4.2可靠性工程的基础理论,(2).正态分布 其概率密度函数是：,现代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰,其中:,第四章 可靠性工程基础,4.2可靠性工程的基础理论,第四章 可靠性工程基础,图4-4 和对正态分布曲线形状的作用,(2).正态分布,4.2可靠性工程的基础理论,第四章可靠性工程基础,(2). 正态分布,图4-5 标准正态分布曲线,4.2 可靠性工程的基础理论,(3).威布尔（Weibull）分布 对威布尔分布失效
4、概率密度函数是：,现代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰,第四章 可靠性工程基础,其中b、分别是曲线的形状参数、尺度参数和位置参数，而上面的方程也称三参数的产品故障概率密度函数。,(3).威布尔（Weibull）分布,图4-6 参数 b和 对失效概率曲线的影响,4.2可靠性工程的基础理论,第四章 可靠性工程基础,现代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰,4.2 可靠性工程的基础理论,6.产品的平均寿命 产品的平均寿命即故障间隔时间MTBF，是另一个评判产品可靠性的非常有用的定量指标。换句话说，产品的平均寿命即产品无故障的工作时间在概率学中，随即变量t的平均值定义为：,现代设计方法基础，孟宪颐
5、，高振莉，刘永峰,第四章 可靠性工程基础,4.2可靠性工程的基础理论,(1) 正态分布：,现代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰,第四章 可靠性工程基础,4.2 可靠性工程的基础理论,(2).指数分布：,现代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰,第四章 可靠性工程基础,4.2 可靠性工程的基础理论,(3).威布尔分布：,现代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰,第四章 可靠性工程基础,4.3 零件机械强度的可靠性设计,1.应力和强度的干涉模型,现代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰,图4-8 应力和强度的动态变化,第四章 可靠性工程基础,4.3 零件机械强度的可靠性设计,2. 用分析法进行
6、可靠性预计,现代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰,图4-9 应力和强度的相互干扰,第四章 可靠性工程基础,3 用分析法进行可靠性预计,第四章 可靠性工程基础,4.3 零件机械强度的可靠性设计,例4-2 零件的强度和应力服从正态分布，均值和标准差分别是：， ， ， ，试预计零件的可靠度。若强度的标准差减少到14MPa，则可靠度将变为多少？,查附表1得到正态分布的可靠度指标：,若强度的标准差减少为14MPa，则有,现代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰,4.3 零件机械强度的可靠性设计,4.可靠性工程中搜集数据的方法 目前用来收集数据的方法主要有： (1).产品实物的测量和检测 (2).仿真
7、测试 (3).标准样本的特殊检测 (4).从相关的手册中查取,现代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰,第四章 可靠性工程基础,4.3 零件机械强度的可靠性设计,5 受拉零件的静强度可靠性设计 静强度可靠性设计步骤如下： 1)选定可靠度； 2)计算零件发生强度破坏的概率; 3)由F值查附表1取Z值; 4)确定零件强度的分布参数， 5)列入应力的表达式; 6)计算工作应力; 7)将应力、强度、均代入联结方程,求得截面积参数的均值。,现代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰,第四章 可靠性工程基础,4.3 零件机械强度的可靠性设计,第四章 可靠性工程基础,表41 独立随机变量的代数运算公式,现代设
8、计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰,4.3 零件机械强度的可靠性设计,6 梁的静强度可靠性设计 梁的静强度可靠性设计步骤与上面介绍的拉杆的类似 ： 1）选定可靠度; 2）计算F=1-R; 3）按F值查附表1，取值后得Z值; 4）确定强度分布参数; 5）列出应力S的表达式。,现代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰,第四章 可靠性工程基础,4.4 机械系统的可靠性工程,1.系统的可靠性设计 对于系统的可靠性设计，有两种含义：系统的可靠性预计和系 统地可靠性指标分配。前者是根据事先已知的每个单元或子系 统的可靠度预计系统的可靠性，然后合理的分配到每个单元或子系统，这可称为配置法。 应该注意，一个系
9、统的可靠度不仅仅依靠于每个单元的可靠度，也依靠于所有单元组成的形式。因而，为了指导产品的可靠性设计，零件组成形式应该首先知道，通常使用可靠性模型描述。,第四章 可靠性工程基础,4.4 机械系统的可靠性工程,2 机械和电子系统的可靠性模型 (1).串联系统模型,现代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰,图4-12 串联系统模型,第四章 可靠性工程基础,如果一个产品和系统有很多单元组成，每个单元的可靠性彼此间是相互独立的，当一个单元失效时，这个产品或系统就会失效，这样的系统就叫串联系统，它的可靠性模型如图4-12所示。,(2).并联系统模型,第四章 可靠性工程基础,4.4 机械系统的可靠性工程,若
10、一个系统由若干单元组成，其中只要有一个单元正常工作，产品和系统就能继续发挥它的作用。换句话说，只有所有的单元都失效了，产品才会失效，这样的系统称为并联系统，如图4-14所示。,现代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰,图4-14 并联系统模型,4.4 机械系统的可靠性工程,(3).混合系统,现代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰,图4-15 混合系统模型 a) 串并联系统 b）并串联系统,第四章 可靠性工程基础,混合系统是由一系列子系统串联和并联组成，可以分为两类：一是串-并联系统，另一种是并-串联系统。前者是串联子系统并联在一起；后者并联子系统串联在一起。混合系统模型如图4-15所示。,4
11、.4 机械系统的可靠性工程,(4).复杂系统模型,现代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰,图4-16 复杂系统模型,第四章 可靠性工程基础,4.4 机械系统的可靠性工程,3.机械和电子系统的可靠性预计 (1).串联系统的可靠度,现代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰,第四章 可靠性工程基础,串联系统的特征是仅当所有单元都正常工作，系统才能完成它的功能，而根据概率乘法规则，串联系统的可靠度：,4.4 机械系统的可靠性工程,(1).串联系统的可靠度,现代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰,第四章 可靠性工程基础,例4-5 一个由5个单元串联组成的产品，每个单元的可靠度分别如下： ， ， ，
12、， 试预测系统的可靠度。,4.4 机械系统的可靠性工程,现代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰,(2).并联系统的可靠度,第四章 可靠性工程基础,并联系统只有在所有的零件失效时才失效，根据概率的乘法规则，系统的失效概率是：,4.4 机械系统的可靠性工程,现代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰,(2).并联系统的可靠度,第四章 可靠性工程基础,例48 一架由三台发动机驱动的飞机。只要有一台发动机运行，飞机就不会坠落。三台发动机失效率分别是：0.0001/h，0.0002/h和0.0003/h，若一次飞行10小时，试预测飞机的可靠度。,4.4 机械系统的可靠性工程,(3).混合系统的可靠度,现
13、代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰,对于图4-15a,对于图4-15b,第四章 可靠性工程基础,混合系统是由串联和并联子系统组成，其可靠度可根据相应的串联和并联的相关方程进行预测。,4.4 机械系统的可靠性工程,4.系统的可靠性分配,现代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰,(1).平均分配法 这种方法是所有的零件都给分相同的可靠度指标.,对于串联系统 :,对于并联系统 :,第四章 可靠性工程基础,4.4 机械系统的可靠性工程,现代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰,(2).根据零件失效率的比例分配,现在为分配给每个零件的失效率来定义加权系数为:,第四章 可靠性工程基础,4.5 机械系统
14、的可靠性工程,1. FTA的基本概念,现代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰,第四章 可靠性工程基础,故障树分析或失效树分析是一种系统可靠性和安全性的分析工具。 故障树分析可以分为定性分析和定量分析。定性分析的目的是找出导致发生不可预测事件的原因，而定量分析可以得到顶事件或所有中间事件的失效概率。在系统可靠性设计中，故障树有助于查明潜在的故障从而改善产品的设计。,4.5 机械系统的可靠性工程,1.FTA的基本概念 从顶事件到底事件建立故障树的步骤如下： 1)定义顶事件。顶事件是系统中最不希望发生的事情。 2)把顶事件作为输出事件，把所有的直接原因作为输入事件，然后根据他们的逻辑关系连接所有的
15、事件。 3)分析上述的输入事件，若他们是由别的原因所致，就将其作为下级别的输出事件，而那些原因则作为相应的输入事件； 4)重复上面的步骤，直到所有的底事件都被找出。,现代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰,第四章 可靠性工程基础,4.5 机械系统的可靠性工程,2.故障树定性分析,现代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰,图4-17 故障树定性分析实例,定性分析是找出引起故障树顶事件发生的所有底事件的最小割 集，可根据如下规则定义最小割集：若所有的底事件同时发生，顶事件才发生，如有一个底事件不发生，则顶事件就不会发生。,第四章 可靠性工程基础,4.5 机械系统的可靠性工程,3 故障树的定量分析 定量分析是在已知底事件发生概率的条件下，求顶事件的 发生概率，这种方法多用于定量分析，也是直接的概率方法。,现代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰,第四章 可靠性工程基础,4.5 机械系统的可靠性工程,3 故障树的定量分析,现代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰,图4-18 逻辑“或”“与”及其对应可靠性模型 a) 逻辑“或” 关系图 b) 逻辑“与”关系图,a),b),第四章 可靠性工程基础,4.6 疲劳强度可靠性分析,1 疲劳曲线（S-
