可靠性设计理论与方法

绿色设计理论与方法
大连交通大学
机械工程学院
班级:机械08－1班
学号：0804010124
姓名：孟贝贝
可靠性设计理论与方法
孟贝贝
大连交通大学.机械工程学院辽宁116028
摘要：
关键词:
Abstrac:
Keywords:
0.前言
随着新经济时代的到来，市场竞争越来越激烈，越来越全球化，设计在竞争中的作用也将越来越重要。

正如美国哈弗商学院的罗伯特·海斯曼在20世纪90年代所说：“50年前，企业的竞争是价格上的，如今是质量上的竞争，而未来是设计上的。

”
随着工业技术的迅猛发展，机械设备的质量和参数日益提高，一旦故障停机，造成的经济损失和危害也随之增加，市场和用户对机械产品的质量需求意不满足于一般的功能与性能的保证，而是希望其能长时间保持良好的性能并且具备最低的寿命周期费用，也就是要求产品具有较高的可靠性。

因此，为了适应产品的需求，保持机械产品的竞争优势，机械制造企业必须加强产品的可靠性改进和提高工作。

1.可靠性设计发展概况
1.1国外可靠性设计的研究进展
对可靠性设计概念最早来源于航空领域。

1939年在英国航空委员会出版的《适行统计学注释》一书中首次把飞机安全性及可靠性作为概率的概念的提出。

第二次世界大战期间，德国在VI火箭的研制中，提出了系统可靠性的基本理论。

在此期间雷达等各种复杂的电子设备相继问世，“电子管理委员会”专门研究电子管的可靠性问题。

50年代初在朝鲜战争中，为了解决面临的军用电子设备的可靠性问题，于1952年8月21日美国成立了一个军方、工业部门、及学术界组成的“电子设备可靠性咨询组”（AGREE）。

经济年研究，发飙了《军用电子可靠性》的研究报告，从9个方面阐述了可靠性设计、试验的方法和程序。

确定了美国的可靠性工程的发展方向，成为可靠性工程发展的奠基文件。

60年代随F-111、DC-9等飞机及“阿波罗计划”的实施，开展了故障物理（即可靠性物理）的研究建立了各种元器件及材料故障的数学及物理模型。

在此期间前苏联从技术上组织上采取措施来促进可靠性的发展，有不少成果被世界锁公认，如K-S统计检验法及马尔科夫过程等。

日本把美国在航空、航天等军事工业的可靠性研究成果应用到民用工业，并注意把可靠性、经济性及生产性结合起来。

其后为推动可靠性工作的开展，各国相继成立数据交换中心。

如美国的政府工业部门数据交换网（GIDEP）它包括数据库、可靠性及维修性数据库、失效经验数据库、计量数据库及警告系统和紧急请求系统。

应用这些数据库，使许多工业部门获得了巨大的经济效益【1】。

2.可靠性设计的理论与方法
2.1可靠性的目的
可靠性设计理论的基本任务，是在可靠性物理学研究的基础上结合可靠性试验及可靠性数据统计及分析，提出可供实际设计计算的物理数学模型和方法，以便在产品
设计阶段就能规定其可靠性指标，或估计、预测机器及其主要零、部件在规定条件下的工作能力状态或寿命，保证所设计的产品具有所需要的可靠度。

2.2应力——强度分布理论及干涉模型
对于机械产品，零件（部件）是否正常或失效决定于强度和应力的关系。

当零件（部件）的强度大于应力时，能够正常工作；当零件（部件）的强度小于应力时，则发生失效。

因此，要求零部件在规定的条件下和规定的时间内能够承载，必须满足以下条件： δ
>S 或
0>-δS 。

S ——工作应力；δ——强度。

图6－1 应力、强度分布曲线的相互关系模型
从图中可以得出：如图中所示的相交的区域，即干涉区域，就是产品可能发生故障的区域。

即使在安全系数大于1的情况下仍然会存在一定的不可靠度。

所以，按照传统的机械设计方法只进行安全系数的计算是不够的，还需要进行可靠度的计算。

这个是可靠性设计有别于传统常规设计的最重要的特点。

应力、强度分布发生干涉时的失效概率和可靠度的一般表达式计算方法有： 2.2.1概率密度函数联合积分法
)(])()[(δδδδ
<==⎰⎰+∞∞-∞-S P d dS S f g R δδδd g F F s )()](1[⎰+∞
∞--=
S ——工作应力； δ——强度。

2.2.2强度与应力之差的概率密度函数积分法 令S y -=δ
，
⎰⎰
+∞
+∞
+=0
0)()(dSdy S f S y g R
⎰⎰∞-+∞
-+=0
)()(s dSdy S f S y g F
常规设计最初安全度
2.3已知应力与强度分布的可靠度计算
2.3.1当应力S 和强度δ均为正态分布时，令S y -=δ，y μ为其均值，y σ为其标准差，
并且令y
y
y z σμ-=
则
2
2S S z σσμμδδ+--
=…………………………………………………..联合方程或耦合方程
dz z R y
y ]2
exp[212
⎰∞
+-
-=
σμ
π
2.3.2当应力S 和强度δ均为对数正态分布时，
2ln 2ln ln ln S
S
z σσμμδδ+--
=
⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎣⎡+-Φ=Φ-=2
ln 2ln ln ln )(1S S z R σσμδμδ 2.3.3当应力S 和强度δ均为指数分布时，
⎥⎦⎤⎢⎣⎡--⎥⎦⎤⎢⎣
⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--Φ-=)2(21exp 1222S s S S s R σλλμσσλμδδδ 2.4机械静强度的可靠性设计
主要是把应力、强度分布和可靠度在概率的意义下联合起来，构成一种设计计算的依据。

主要是根据联结方程或耦合方程，进行计算。

基本步骤：（1）确定结构零部件的可靠性指标；根据零部件的功能、复杂程度、重要程度、使用条件、生产难以程度、相似产品失效的历史数据以及当时的研制水平等确定可靠性指标。

（2）确定失效模式；明确零部件失效模式，如屈服、失稳、断裂、过量变形等。

（3）确定载荷均值和标准差；载荷的均值可以由名义值确定，标准差由载荷变异系数给定。

（4）确定材料强度的均值和标准差；目前材料的统计特性数据还缺少公开的资料，可根据经验确定。

（5）应用联结方程确定零部件的设计参数。

2.5结构系统可靠性分析
2.5.1将结构看成一个系统，从系统的观点来分析结构可靠性问题，即结构系统可靠性分析。

结构系统可靠性分析根据系统组成可以分为串联系统可靠性分析、并联系统可靠性分析、混联结构系统。

2.5.2结构系统可靠性的界值计算
一般来说，精确计算复杂系统的可靠性失困难的，其数值的计算常常非常复杂费时。

通过估算结构系统的破坏概率的上下限，对于系统可靠性计算非常有帮助。

2.6结构系统可靠性设计
通常结构系统的可靠性设计不能采用电子系统的可靠度指标分配法，主要因为：（1）结构系统通常不能把它看成由串联、并联逐级组合而成的。

（2）结构系统在有若干元件达到临
界时，必须考虑这些元件达到临界后对结构系统个元件内力的影响，即有内力重分配问题。

（3）在计算结构系统的可靠性时，必须考虑结构元件间的相关性以及各破坏模式之间的相关性。

（4）结构系统的破坏是由出现任何一种破坏模式引起的，形成一个破坏模式通常需有一系列元件达到临界；尽管各破坏模式之间是串联的，但需要考虑模式相关性；一个破坏模式所涉及的若干个临界元件不存在简单的并联关系，需要考虑内力重分配。

因此，结构系统可靠性设计是以结构整体来考虑的，有关的整个结构的可靠性设计准则为。

*
s
s R R
其中s R 和*
s R 分别为结构系统的可靠性与结构系统的可靠性要求（或称可靠性指标）。