《工程机械可靠性》课件-第四章-可靠性设计

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第二节 系统可靠性设计
第二节 系统可靠性设计
机械系统是为了实现特定功能而由协 同作用的零部件按一定的结构形式构 成的。
在可靠性工程中，根据是否对出现故 障的系统进行维修，将系统分为
设计阶段的划分 17世纪前的“知觉设计阶段”； 17世纪后的“经验设计阶段”及其后形成的“传统设计阶段” 20世纪末至今的“现代设计阶段”。
传统设计方法的特点：静态的、经验的、手工式的方法； 现代设计方法的特点：动态的、科学的（客观的）、计算机化 的方法。
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第一节 可靠性设计方法与程序
第一节 可靠性设计方法与程序
故障模式影响及危害性分析：
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、检测难易程度以及发生频度予以分类的一种归纳分析方法。
不修复系统 可修复系统
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第二节 系统可靠性设计
第二节 系统可靠性设计
系统是由其零部件构成的一个有机整体。系统中的各零部件不仅要各 司其职，而且不可避免地存在相互作用。
系统的可靠性不仅与组成系统的各单元的可靠性有关，还取决于单元 的组合方式，以及单元失效之间的相互联系。根据系统中各零件的失效是相
安全系数没有反映零部件的结构特征对失效概率的影响。 5
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第一节 可靠性设计方法与程序
第一节 可靠性设计方法与程序
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显然有必要在设计之中引入概率的观点，这就是概率设计，是可 靠性设计的重要内容。
概率设计就是要在原常规设计的计算中引入随机变量和概率运算， 并给出满足强度条件（安全）的概率─可靠度。
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第一节 可靠性设计方法与程序
第一节 可靠性设计方法与程序
降额设计：
使零部件的实际使用应力低于额定应力的一种设计方法。 措施：降低零件承受的应力或提高零件强度，采用极限设计方法。 目的：降低故障率，提高可靠性。
概率设计：
以应力——强度干涉理论为基础，并考虑载荷、环境条件的随机 变化特性以及材料、工艺变化等因素，以满足零件可靠性要求为目 标的定量设计方法。
提高安全程度的措施不同－可靠性设计可以通过减少材料/结构性能的
分散性来降低发生失效的概率。而传统设计一般都是要通过增大承力
面积来降低工作应力，保证安全系数。对于结构系统来说，可靠性设
计多采用冗余结构保证系统安全。
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第一节 可靠性设计方法与程序
第一节 可靠性设计方法与程序
高可靠性
两方面提高可靠性
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第一节 可靠性设计方法与程序
第一节 可靠性设计方法与程序
产品可靠性是设计出来、生产出来和管理出来的。
设计是保证产品可靠性的首要环节，是保证产品可靠性的关键。 产品开发者的可靠性设计水平对产品可靠性影响重大。
可靠性设计的主要方法
软件可靠性估计程序 SRE
测试性分析程序 TAM
以可靠性为中心的维修分析 RCMA
网络系统可靠性计算与仿真 NRCS
马尔可夫过程模块 MarkovPro
2.ReliaSoft公司的Weibull++寿命数据分析软件、ALTA加速度寿命试验
分析软件、QTMS质量追踪管理系统。
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人工智能（专家系统），是现代设计方法的核心；
寿命论方法：如可靠性设计、稳健设计、耐磨损设计等；
离散论方法：有限元、边界元、无限元方法等；
模糊论方法：模糊设计、模糊评价、模糊聚类分析；
艺术论方法：艺术造型—工业设计；
突变论方法：创造性（创新）设计。
综合设计法：（1+3+X）设计法，即功能优化+动态优化、智能优
1、简化设计
2、冗余设计
3、降额设计
4、概率设计
5、耐环境设计
6、健壮设计
7、模拟设计
8、人机工程设计
9、热设计
10、故障模式影响及危害性分析
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第一节 可靠性设计方法与程序
第一节 可靠性设计方法与程序
简化设计：
可靠性模型分析
机械产品大部分属于串联系统
传统设计与可靠性设计的异同点：
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第一节 可靠性设计方法与程序
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第一节 可靠性设计方法与程序
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第一节 可靠性设计方法与程序
第一节 可靠性设计方法与程序
措施：认识环境，控制环境，适应环境。
健壮设计：
在设计过程中充分考虑影响可靠性的内外干扰而进行的一种优化 设计。
措施：系统设计，参数设计，容差设计。
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第一节 可靠性设计方法与程序
第一节 可靠性设计方法与程序
模拟设计：
以可靠性数学为基础，以计算机技术为手段，进行产品参数优化、 性能仿真以及模拟试验等过程的现代设计方法。
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第一节 可靠性设计方法与程序
随堂练习：
1. 某振动压路机激振器的失效率 λ = 4×10−3(h−1) ，试求 可靠度为80%时的寿命和工作到200h时的可靠度。
2. 某机械设备的维修数据如表所示。求平均修复时间 、 维修率 、规定维修时间为5h，8h和10h的维修度 。
第四章 可靠性设计
一、可靠性设计方法与程序 二、系统可靠性设计 三、系统可靠性分配 四、零件可靠性设计 五、典型构件及零件的可靠性计算 六、可靠性设计中的安全系数
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第四章 可靠性设计
传统设计与现代设计
设计：是人们为满足一定的需求而进行的一种创造性活动的 实践过程。它是从给定的合理的目标参数出发，通过各种方 法和手段创造出一个所需的优化系统或结构的过程。 设计总是反映着当前的生产力和技术水平，因而不同时期设 计的内容是不同的，人们对设计的理解也是不同的。
互独立的事件还是彼此相关（包括统计相关）的事件，可以把系统划分为独立失效系统 和相关失效系统。
系统可靠性问题包括可靠性预测和可靠性分配两大部分内容。可靠性预 测是定量估计产品（系统或零件）可靠性。可靠性预测有统计方法与分析方法 两大类。统计方法需要应用以往的经验与故障数据，通常是以元器件、零部件的失效
1. CARMES可靠性维修性保障工程软件
可靠性、维修性与可用性应用程序 RAMP 故障模式、影响及危害性分析程序 FMECA
故障报告、分析和纠正措施系统 FRACAS 故障树分析程序 FTA
可靠性评估工具 RAT
功能危险分析程序 FHA
区域安全性分析程序 ZSA
事件树分析程序 ETA
寿命周期费用分析工具 LCC
化、可视化优化+对某种产品有特殊要求的设计方法。
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第一节 可靠性设计方法与程序
第一节 可靠性设计方法与程序
常规设计与可靠性设计
常规设计可通过下式体现： σ = f (F , l, E, µ...) ≤ [σ] = σlim S
计算中，F、l、E、μ、σlim等各物理量均视为确定性变量，安全系数S
则是一个经验性很强的系数。
上式给出的结论是：若σ≤[σ]则安全；反之则不安全。
应该说，上述观点不够严谨。首先，设计中的许多物理量是随机变量；
其次安全系数的确定具有较大的盲目性和经验性，当σ≤ [σ]时，未必一定
安全，可能仍有不安全的可能性。
只有当零件的强度和工作应力的不确定性非常小时，这样 定义的安全系数才有意义。
适用于可靠性要求较高的结构设计和重要的零件设计。
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第一节 可靠性设计方法与程序
第一节 可靠性设计方法与程序
耐环境设计：
以产品在整个寿命周期内可能遇到的各种环境影响因素分析为基础 ，通过方案优化、材料选择、表面处理等措施，保证机械零部件具有 适应各种不利工作环境能力的设计方法。
机械可靠性设计是常规设计方法的进一步发展和深化，它更为科 学地考虑了各设计变量之间的关系，是高等机械设计重要的内容之一。 6
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第一节 可靠性设计方法与程序
第一节 可靠性设计方法与程序
可靠性设计与传统设计的差别表现：
设计变量的属性及其运算方法不同－可靠性设计中涉及的变量大多是 随机变量，涉及大量的概率统计运算。
故障模式影响及危害性分析是一种系统化的故障预想技术，它是运 用归纳的方法系统地分析产品设计可能存在的每一种故障模式及其产 生的后果和危害的程度。通过全面分析找出设计薄弱环节，实施重点 改进和控制。
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第一节 可靠性设计方法与程序
第一节 可靠性设计方法与程序 可靠性设计基本程序及内容：
安全指标不同－可靠性设计用可靠度作安全指标。可靠性指标不仅与 相关参量的均值有关，还与其分散性有关。
安全理念不同－可靠性设计是在概率的框架下考虑问题。在概率的意 义上，系统中各零件（或结构上的各部位）的强弱是相对的，系统的 可靠度是由所有零件共同决定的。而在确定性框架下，系统的强度 （安全系数）是由强度最小的零件（串联系统）或强度最大的零件 （并联系统）决定的。
第一节 可靠性设计方法与程序
第一节 可靠性设计方法与程序
人机工程设计：
人的可靠度。 措施：合理设计人—机接口、人—环境接口和人—人接口，并采用 某些可靠性设计技术（例如容错设计、冗余设计），使系统能适应人 的生理、心理特点，减少人的失误。
热设计：
温度对可靠性的影响。 采用适当可靠的方法控制产品内部所有元器件的温度，使其在所 处的工作环境条件下不超过稳定运行要求的最高温度，以保证产品 正常运行的安全性，长期运行的可靠性。 措施：加热系统，冷却系统，温控系统。
(c) 详细设计。
详细设计的主要任务是选择合理的贮备系统、正确的失效模式 和相应的计算方法。
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第一节 可靠性设计方法与程序
第一节 可靠性设计方法与程序
(d) 技术评审。
通过可靠性试验、研究和初步评价，考核设计方案的合 理性，将存在的问题和改进建议及时反馈给设计部门，以便 完善原设计方案。这一阶段可能需要一定的反复，以使原设 计更加合理。
第四章 可靠性设计
现代设计方法的范畴
现代设计方法冠以“现代”，就是强调其科学性、前沿性、客观性
以引起重视。经分析，可以归纳为下列具有普遍意义的方法。
系统论的设计方法：系统设计法、人机工程设计、面向产品全生命 周期的设计；
优化论方法：优化设计是现代设计法的目标；
控制论方法：动态分析法等；
智能论方法：如CAD、CAE、并行工程、虚拟设计、低噪声设计、
概率为依据，预测产品可能达到的可靠度。分析方法是根据载荷分布、强度分布等基本
(a) 明确可靠性要求，确定可靠性指标。
可靠性指标的确定主要决定于用户的要求或市场要求、制造水平 和经济性等因素。
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第一节 可靠性设计方法与程序
第一节 可靠性设计方法与程序
(b) 可靠性分配。
分配原则 提高系统可靠性的基本方法有两种，一是采用贮备系统，如轮 式工程机械的制动系统一般为双管路贮备系统；二是提高零部件的 可靠性，如选择适当的材料和结构等。
常规设计
概率设计
应力和强度为常量，乘以各种 应力和强度为随机变量 系数
以安全系数进行设计校核
多种指标设计校核，可预测失 效概率或可靠度
取过大的安全系数往往导致保 能得到较小的零件尺寸、体积
守的设计
和重量，在节省原材料和降低
设计或加工工艺要求等方面带
来效益
从控制参数的均值方面入手提 从控制参数均值和参数标准差
措施：尽量采用结构简单、具有成熟使用经验或标准化的零件技 术，尽量减少不必要的和可有可无的零件。
目的：减少零部件故障的可能性，保证整机系统可靠性目标的实 现。
冗余设计：
通过增加多余的零部件数目，以保证系统安全运行的可靠性设计 方法
措施：把可靠性水平不高的零部件设计成具有较高可靠性的整机 系统。
目的：提高零部件的可靠性。