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1、学校代码：11517 学 号： 20121110*可靠性工程技术课程论文机械产品可靠性设计分析学生姓名专业班级工业工程1242学 号201211104231系（部）管理工程学院指导教师（职称）* （教授）摘要 IAbstract II1可靠性设计的基本概念 11.1可靠性设计的定义 12可靠性设计的基本原理 13可靠性设计的基本方法 23.1产品可靠性设计采取的措施 24应用实例：基于虚拟样机的机械产品可靠性设计分析 34.1机械产品可靠性设计分析方法 34.2 基于概率虚拟样机的可靠性设计分析流程 54.3基于可靠性的机械产品参数设计 95结论 10参考文献 11机械产品可靠性设计分析摘要机
2、械产品可靠性设计是解决机械可靠性设计的重大课题。 本文研究的目的是 在总 结归纳工程经验的基础上，研究目前机械可靠性设计中突出的技术问题， 为 日后工作 中遇到的机械产品可靠性设计进行分析， 指导研究型号可靠性工作，提 供实用方法和 技术支持。本文研究的主要内容有对可靠性设计的基本概述，可靠 性设计的基本原理和 基本方法，可靠性分析的应用实例等几个方面。采用实例对 机械可靠性问题进行研究， 并将研究结果运用到可靠性工程中解决实际问题。关键词：机械设计；可靠性；可靠性设计AbstractThe reliability design of mechanical products is to sol
3、ve the major issue of mecha ni cal reliability desig n. The purpose of this paper is summed up based on the engineering experienee of the technical problems in mechanical reliability design highlights the, encountered for the future work of reliability design of mechanical products, guiding the work
4、 of the research model reliability, providing practical methods and tech ni cal support. The mai n contents of this paper are the basic overview of reliability design, basic principles and methods of the reliability design, the reliability analysis of application examples. The case study on the mech
5、anical reliability problems, and the results applied to reliability engin eeri ng to solve practical problems.KEY WORDS : mechanical design;reliability;reliability design1 可靠性设计的基本概念1.1 可靠性设计的定义定义：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。或是为了满足产品的可 靠性要求而 进行的设计。第一可靠性设计即根据可靠性理论与方法确定产品零
6、部件以及整机的结构 方案和 有关参数的过程。设计水平是保证产品可靠性的基础。第二可靠性设计是产品的一个重要的性能特征，产品质量的主要指标之一， 是随 产品所使用时间的延续而在不断变化的。 可靠性设计的任务就是确定产品质 量指标的 变化规律，并在其基础上确定如何以最少的费用以保证产品应有的工作 寿命和可靠度， 建立最优的设计方案，实现所要求的产品可靠性水平。第三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。第四可靠性设计的一个重要内容是可靠性预测，即
7、利用所得的资料预报一个 零 件、部件或系统实际可能达到的可性，预报这些零部件或系统在规定的条件下 和在规定 时间内完成规定功能的概率。 在产品设计的初期阶段，及时完成可靠性 预测工作，可 以了解产品各零部件之间可靠性的相互关系， 找出提高产品可靠性 的有效途径。2 可靠性设计的基本原理第一选择设计方案时尽量不采用还不成熟的新系统和零件， 尽量采用已有经 验并已标准化的零部件和成熟的技术。第二结构简化，零件数削减。如日本横河记录仪表 10 年中无件数削减 30% 大大提 高了可靠性。第三考虑功能零件的可接近性，采用模块结构等以利于可维修性。第四设置故障监测和诊断装置，保证零件部设计裕度（安全系数
8、/降额）。第五必要时采用功能并联、冗余技术。如日本的液压挖掘机等，采用双泵、 双发 动机的冗余设计。第六失效安全设计（Failure Safe），系统某一部分即使发生故障，但使其限制在一 定范围内，不致影响整个系统的功能。第七安全寿命设计（Safe Life），保证使用中不发生破坏而充分安全的设计。例如 对一些重要的安全性零件如汽车刹车，转向机构等要保证在极限条件下不能 发生变形、 破坏。第八加强连接部分的设计分析，例如选定合理的连接、止推方式。考虑防振， 防 冲击，对连接条件的确认。第九可靠性确认试验，在没有现成数据和可用的经验时，这是唯一的手段。 尤其 机械零部件的可靠性预测精度还很低。主
9、要通过试验确认。3 可靠性设计的基本方法3.1 产品可靠性设计采取的措施为了使设计时能充分地预测和预防故障，把更多的失效经验设计到产品中， 因而 必须邦助设计人员掌握充分的故障情报资料和设计依据。采取以下措施：第一可靠性检查表，从可靠性观点出发，列出设计中应考虑的重点。设计时 逐项 检查。考虑预防的对策。第二推行FMEA，FTA方法。FMEA （失效模式影响分析）和FTA （故障树 分析）是 可靠性分析中的重要手段。FMEA是从零部故障模式入手分析，评定它对整机或系统发 生故障的影响程度，以此确定关键的零件和故障模式。 FTA 则是 从整机或系统故障开 始，逐步分析到基本零件的失效原因。 这两
10、种方法在国外被 看作是设计图纸一样重 要，作为设计的技术标准资料，它收集总结了该种产品所 有可能预料到的故障模式和原 因。第三故障事例集。把过去技术上的失败和改进的事例作成手册，供设计者随 进参 考。通常用简图表示，将故障和改进作对比。对故障的原因、情况附有简单 说明。这手 册是各公司积累的技术财富，视同设计规范同等重要。第四数据库。广泛有效地收集设计、制造中的失败和改进经验，试验和实际 用的 数据形成检索系统和数据库，使设计者能超越本单位充分利用别人实践过的 经验。如电 子产品已形成世界性可靠性信息交换网。第五设计、试验规范的不断充实、改善。从使用实际得来的故障教训要反馈 到设 计、试验方法
11、的改进中，要将这些改进效果作为产品设计规范 （包括材料选 定，结构 形式，许用应力，安全系数值）和试验标准的改进依据，使它们成为设 计技术的一部 分。4 应用实例：基于虚拟样机的机械产品可靠性设计分析机械产品可靠性设计分析是指为满足机械产品的可靠性而进行的功能性设 计。目 前世界上已广泛使用故障模式及影响分析、故障树分析、可靠性预测、概 率设计等先进 设计方法，因此，利用数字化设计方法及手段，大力推进基于概率 虚拟样机的机械产品 可靠性设计分析方法，提高设计可靠性与质量就成为一项十 分重要的工作。通过对产品进行功能、结构分析，建立产品故障模型，并依据故障模型划分 故障 类型及进行故障机理分析，
12、从而利用虚拟样机技术对故障模式进行仿真， 验 证机械零部件故障模式，在此基础上确定可靠性设计重点，改进零部件设计参数， 完善 可靠性设计，提高产品使用寿命。4.1 机械产品可靠性设计分析方法分析系统研制阶段的主要任务，并结合工程实际中开展可靠性设计分析工作 的经 验可知，各种可靠性设计分析工作主要集中在技术指标论证阶段、 方案论证 阶段和工程研制阶段，包括可靠性要求制定，可靠性建模、预计分配，故障模式 影响及 危害性分析和故障树分析和可靠性仿真分析等。 可靠性设计分析工作从宏 观上可以分 为定性设计分析和定量设计分析，可靠性定性分析方法相对应用广 泛，并且得到了工程 验证，而定量设计分析的方法
13、则是机械可靠性设计分析中的 难点和薄弱环节，特别是在 数字化环境中如何利用 CAD/CAE 工具进行定量的机 械可靠性参数设计也是今后重要 的发展方向。4.1.1可靠性定性设计分析方法复杂系统可靠性分析首先要将系统按照功能或结构进行层次划分， 然后根据任务剖面建立功能框图及零部件的功能框图， 总结搜集故障或零件失效模式，然 后再 利用故障模式影响及危害性分析、故障树分析等分析工具和可靠性设计准则 符合性查询 工具进行可靠性定性分析。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及其发生概率予以分类的一种归纳分
14、析方法； 故障树分析可 以知道哪些事件的组合可以导致危及系统安全的故障，并计算他们的发生概率， 然后通 过设计改进和有效的故障监测、维修等措施，设法减小他们的发生概率。故障树分析方法还可以让设计分析者对系统有更深入的认识，有关系统结 构、功 能、故障及维修保障的知识系统化，因此在设计、制造和操作过程中的可 靠性改进更富 有成效。4.1.2 可靠性定量设计分析方法机械产品可靠性定量设计分析可以分为两部分： 其一是失效模式的确定；其 二是 计算机械产品发生失效的概率， 失效概率的计算是可靠性分析的目的， 而失 效模式的 确定以及每个失效模式极限状态方程的建立则是可靠性定量分析的基 础。只有首先给出
15、 状态变量与各个随机变量之间的函数关系才能应用解析的或者 数值方法计算失效概率， 此处，所有可靠性分析都是以荷载、材料常数、几何参 数等基本变量的随机型为基础 的，也可称之为随机可靠性分析。4.1.3 基于概率虚拟样机的机械产品可靠性定量设计分析机械产品可靠性设计分析必然是要在需求推动下向数字化设计分析方向发 展，数 字化设计技术就是将计算机技术应用于产品的设计开发领域， 建立基于计 算机的数字化产品模型，并在产品开发的全程使用，达到减少或者避免建立实物 模型的 一种产品开发技术。随着技术的不断进步，仿真在产品设计过程中的应用 变得越来越广 泛而深刻，由原先的单领域、局部应用逐步扩展到多领域、
16、全寿命 周期的系统应用。虚拟样机技术正是这一发展趋势的典型代表， 它以并行工程为指导思想，建 模和 仿真为核心，强调设计与分析的紧密结合，是一种基于仿真模型的数字化产 品设计方 法。对于复杂的工程对象，仅靠一两种软件是不能胜任的，需要构建由 多种软件组合而 成的复合型仿真环境， 以便对研究对象进行多目标、多层面的性 能仿真，虚拟样机最 终目标就是利用仿真工具的数据接口及二次开发技术， 依据 几 何特征创建数值仿真模型，实现分析数据的共享及动态交换，尽可能做到一次 建模多次 调用。随着虚拟样机技术在工程实践中的应用， 已逐渐成为失效模拟仿 真技术中的主 要工具，但是其在可靠性分析仿真中的应用仍然处在较低的水平， 只有综合 CA
