08机械可靠性设计分析PPT课件
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机械可靠性设计分析共44页
15.11.2019
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强度分布的确定
建立与失效应力判据相对应的强度判据，常用的强度判 据有最大正应力强度判据、最大剪应力强度判据、最大 变形能强度判据等。
确定名义强度。名义强度指在标准试验条件下确定的试 件强度，常用名义强度有强度极限、屈服极限、疲劳极 限、变形、变形能和磨损（腐蚀）量等。
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表1 载荷基本类型
序
应力分布情况
载荷类型
(a)
拉伸
压缩
悬臂
(b) 简单弯曲
压缩
轴向载荷
+ 中性轴
_
_
弯曲载荷
中性轴
+
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表1 载荷基本类型
序
应力分布情况
中性轴
(c)
(d)
(e)
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载荷类型 扭转载荷 剪切载荷
接触载荷
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载荷
载荷性质 载荷的性质可以分为以下几种：
应力 s 0 处于 ds 区间内的概率为
Ps0d2sss0d2sfsds
fs s —— 应力分布密度函数；
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23
图4 概率密度函数联合积分求可靠度
f s
f S
f s
f S
O
s0
ds
s，S
概率密度函数联合积分求可靠度
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15.11.2019
14
工作环境
环境介质与零件失效
环境介质包括气体、液体、液体金属、射线辐照、 固体磨料和润滑剂等。他们可能引起的零件失效情 况列于表2中。
对于某一零件失效原因的准确判断，必须充分考虑 环境介质的影响。
《可靠性分析》课件
挑战
实际应用中可能面临数据保密、隐私保护 等问题。
THANKS
感谢观看
详细描述
可靠性框图是一种图形化的分析方法，通过对系统各组成部分的逻辑关系进行分析，建立可靠性框图，从而合理 地分配系统的可靠性指标，为优化系统设计和提高整体可靠性提供依据。
蒙特卡洛模拟法
要点一
总结词
通过数学统计方法模拟系统性能的变化过程，评估系统可 靠性的方法。
要点二
详细描述
蒙特卡洛模拟法是一种基于概率统计的分析方法，通过对 系统性能的变化过程进行模拟，计算出系统在不同状态下 的可靠性指标，为优化系统设计和提高可靠性提供依据。 该方法适用于复杂系统和不确定性较大的情况。
机械设备
机械设备在运行过程中，由于磨损、疲劳、腐蚀等因素的影响，可能会出现各种故障和事故。通过可 靠性分析，可以预测和评估机械设备的寿命和可靠性，从而优化设备设计、生产和维护，提高设备运 行效率和安全性。
具体而言，可靠性分析在机械设备中的应用包括：对发动机、传动系统、液压系统等进行寿命预测和 故障分析，以及进行可靠性评估和预防性维修等。
化工产品
化工产品在生产和存储过程中，由于化学反应、温度、压力等因素的影响，可能 会出现各种事故和环境污染。通过可靠性分析，可以预测和评估化工产品的安全 性和可靠性，从而优化产品设计、生产和存储，降低事故风险和环境污染。
具体而言，可靠性分析在化工产品中的应用包括：对化学反应过程、压力容器、 管道等进行安全性和可靠性评估，以及进行风险分析和预防性维护等。
03
可靠性分析的应用领域
电子产品
电子产品在生产和使用过程中，由于各种因素（如温度、湿度、压力、振动等）的影响，可能会出现性能下降或故障的情况 。通过可靠性分析，可以预测和评估电子产品的寿命和可靠性，从而优化产品设计、生产和维护，提高产品质量和客户满意 度。
可靠性理论- 机械零件的可靠性设计PPT课件
产品可靠性设计的基本假设： ①强度为一非负的随机变量或随机过程 ②应力为一非负的随机变量或随机过程 ③当应力小于强度时，产品被认为是可靠的，否
则被认为失效或故障。 ④失效仅由于应力的作用。 ⑤计算应力和强度的一切力学公式仍然适用，但
公式中的确定量均视为随机变量或随机过程。
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第17页/共64页
应力－强度可靠性计算模型的三种基 本形式：
(2) 设计应包括:汽车系统设计、可靠性分配、详 细设计以及与其相应的预测、分析、试验和设计审查 等。
(3)设计要在过去的技术积累的基础上，提高效率。 为了做好设计工作，要有计划、有组织地积累必要的 数据资料 (建立数据库)。
(4) 必须综合平衡可靠性、维修性、整车系统协 调性、产品质量要求、成本费用等技术经济要素。这 些因素概括起来有:时限性、功能性、商业性、生产性、 物理性、艺术性、舒适性。
★ 信息显示设计 各种仪表 (里程表、转速表、油量指示 表等)、指示灯、巡航系统等等。
★ 车内环境 空调、灯光、制动、噪音、振动、音响等等。
★ 色彩效果以及心理影响因素的考虑。
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第14页/共64页
5.1.3.3 汽车可靠性设计的基本内容
(5)从汽车产品制造方面考虑 ★ 选用先进的加工设备以及工具、量具、卡具。 ★ 正确的工艺设计以及工艺流程。 ★ 材料的可靠性试验或质量验收试验。 ★ 外协产品的接收试验。 ★ 制造人员的培训和教育。 ★ 制造过程的管理。 ★ 制定正确的操作规程。 ★ 制定正确的维修或安装调试规程。 ★ 具备适用的维修或安装调试设备和工具。 ★ 做好售后服务。 ★ 在生产线上作在线检查。 ★ 定期进行质量分析。
f (s)
Pf ( y 0)
1 2
y
机械零件可靠性设计解析PPT教学课件
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5．3弹簧的可靠性设计
圆柱型螺旋弹簧的可靠性设计 （1）确定失效应力分布 （2）确定强度分布 （3）计算可靠度
2020/10/16
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实例：一螺旋压缩弹簧的参数如下，试确定下列问题： （1）在设计寿命为N=5×104次时的可靠度； （2）在设计寿命为N≥106次时的可靠度；
参 数 均 值 标准差
2020/10/16
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1）齿轮轮齿的故障模式及其特征
故障模式特征
举例
损坏部位示意图
麻点疲劳剥落
在轮齿节圆附近，由表面产生裂纹，造成深 浅不同的点状或豆状凹坑
承受较高的接触应力的软 齿面（正火调质状态）和 部分硬齿面齿轮
表
面 接
浅层疲劳剥落
承受高接触应力的重载硬
触 疲
在轮子齿节圆附近，由内部或表面产生裂纹， 齿面（表面经强化处理） 造成深浅不同、面积大小不同的片状剥落 齿轮
d
2.0mm 0.008mm
D
16.0mm 0.0928m
m
G 79250MP 1585MPa a
n
14
0.0833
Y
20mm 0.4mm
σb 1667MPa 84MPa
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5．4齿轮的可靠性设计
1）齿轮轮齿的故障模式及其特征 2）齿轮可靠性设计的基本方法 3）齿面接触疲劳强度的可靠性设计 42
弹簧常规设计的主要公式：
最大剪切应力τ 曲度系数Ks 弹簧指数C
2020/10/16
k
8FD
d3
ks4C10.615 4C1 C
C D d
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弹簧常规设计的主要公式:
弹簧受载后的轴向变形y
机械产品可靠性设计分析案例资料42页PPT
机械产品可靠性设计分析案例资料
•
46、寓形宇内复几时，曷不委心任去 留。
•
47、采菊东篱下，悠然见南山。
•
48、啸傲东轩下，聊复得此生。
•
49、勤学如春起环堵萧然，不蔽风日；短褐穿结 ，箪瓢 屡空， 晏如也 。
21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
25、学习是劳动，是充满思想的劳动。——乌申斯基
谢谢！
•
46、寓形宇内复几时，曷不委心任去 留。
•
47、采菊东篱下，悠然见南山。
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48、啸傲东轩下，聊复得此生。
•
49、勤学如春起环堵萧然，不蔽风日；短褐穿结 ，箪瓢 屡空， 晏如也 。
21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
25、学习是劳动，是充满思想的劳动。——乌申斯基
谢谢！
《机械可靠性》课件
先进的制造工艺，如精密铸造、高精 度加工和3D打印技术，能够生产出更 高质量的机械部件，减少因制造缺陷 引发的故障。
材料性能
材料性能是决定机械可靠性的关键因 素。优质的材料能够承受更大的应力 、抵抗腐蚀和磨损，从而提高机械的 耐用性和可靠性。
选择经过质量验证的材料，如不锈钢 、钛合金和复合材料，能够增强机械 的稳定性和可靠性。
VS
详细描述
在机械设计阶段，应充分考虑环境因素对 机械可靠性的影响，如温度、湿度、振动 等。应采取有效的防护措施和适应性设计 ，以减小环境因素对机械可靠性的影响。 同时，应加强机械在使用过程中的环境监 控和维护，及时发现和解决环境适应性方 面的问题。
强化使用与维护保养
总结词
正确的使用与维护保养是提高机械可靠性的 重要措施，通过合理的使用与维护保养可以 延长机械的使用寿命和可靠性。
可靠性设计包括预防故障设计、简化设计、余度设计、耐环境设计、健壮性设计和容错设计等。
可靠性设计是提高产品质量和可靠性的关键环节，能够减少产品故障和维护成本，提高产品的市场竞争 力。
可靠性评估
可靠性评估是对产品在实际使用过程中表现出 来的可靠性的度量和评价。
可靠性评估方法包括现场数据统计法、实验室 模拟法和加速寿命试验法等。
PART 04
提高机械可靠性的方法与 措施
REPORTING
优化设计
总结词
优化设计是提高机械可靠性的基础，通过合理的设计可以显著提高机械的可靠性。
详细描述
在机械设计阶段，应充分考虑各种因素，如工作载荷、环境条件、材料特性等，以制定出最佳设计方 案。同时，应采用现代设计方法，如有限元分析、可靠性设计等，以提高设计的精确度和可靠性。
，减少了故障发生率。
材料性能
材料性能是决定机械可靠性的关键因 素。优质的材料能够承受更大的应力 、抵抗腐蚀和磨损，从而提高机械的 耐用性和可靠性。
选择经过质量验证的材料，如不锈钢 、钛合金和复合材料，能够增强机械 的稳定性和可靠性。
VS
详细描述
在机械设计阶段，应充分考虑环境因素对 机械可靠性的影响，如温度、湿度、振动 等。应采取有效的防护措施和适应性设计 ，以减小环境因素对机械可靠性的影响。 同时，应加强机械在使用过程中的环境监 控和维护，及时发现和解决环境适应性方 面的问题。
强化使用与维护保养
总结词
正确的使用与维护保养是提高机械可靠性的 重要措施，通过合理的使用与维护保养可以 延长机械的使用寿命和可靠性。
可靠性设计包括预防故障设计、简化设计、余度设计、耐环境设计、健壮性设计和容错设计等。
可靠性设计是提高产品质量和可靠性的关键环节，能够减少产品故障和维护成本，提高产品的市场竞争 力。
可靠性评估
可靠性评估是对产品在实际使用过程中表现出 来的可靠性的度量和评价。
可靠性评估方法包括现场数据统计法、实验室 模拟法和加速寿命试验法等。
PART 04
提高机械可靠性的方法与 措施
REPORTING
优化设计
总结词
优化设计是提高机械可靠性的基础，通过合理的设计可以显著提高机械的可靠性。
详细描述
在机械设计阶段，应充分考虑各种因素，如工作载荷、环境条件、材料特性等，以制定出最佳设计方 案。同时，应采用现代设计方法，如有限元分析、可靠性设计等，以提高设计的精确度和可靠性。
，减少了故障发生率。
机械可靠性设计应力强度干涉模型ppt课件
解：取∆t=1年时，有
(5 ) 74 0 .31 /年 2 3 .1% 2 /年
(10 4 ) 0 1
或：
f (t) 1 dNQ (t) 1 7 4 3% N dt 100 6 5
R(t) 1 NQ (t) 1 4 96%
N
100
f (t) 3% 3.12%
R(t) 96% .
R P ( . d) g (d) [ f()d ]d d
6.3.2 应力、强度均为正态分布时的可靠度计算
f() 1 exp1([)2] S 2 2 S
g(d) 1 exp1([dd)] S 2 2 Sd
d
▪ 可靠度是强度d 大于应力s 的概率，令d -s =y，则
R=P(y >0)=P[(d -s)>0]。
▪如果要得到一个较好的可靠度估计值，则必须严格控 制强度、应力的平均值和标准差，这是因为可靠度对均
值和标准差是很敏感的原因。.
(3)安全系数的统计分析：
①应力、强度均为正态分布时的安全系数
可靠度指数
ZRSdd2S2
nc1 Cd2ncC2
安全系数 变差系数
表明了可靠度、均值安全系数及变差系数之间的关系
▪ f(s )、g(d )为正态分布，y的概率密度函数h(y)呈正态
分布
h(y) 1 exp1([yy)2]
Sy 2
2 Sy
y d
Sy2 Sd2 S2
R P (y 0 )h (y )d y
1ex 1 ( p y [y)2 ]dy
0
0.S y 2
2S y
▪ 例：某零件强度md =180MPa，Sd =22.5MPa；工作应 力ms =130MPa，Ss =13MPa，且强度和应力均服从正 态分布。试计算零件的失效率与可靠度。若控制标准
机械可靠性设计分析幻灯片
化到最大，r=0，如图1(b)所示。 非对称循环应力——应力值由最小到最大变化，
最小应力既可能是正值〔图1(c)〕，也可能负 值。 随机循环应力——实际运转的机器，由于服役 条件可能发生变化
图1 交变应力的类型
+
+
应
应
Байду номын сангаас
力0
力
辐
辐
_
_0
时间
(a)
+
a
+
应 力 辐
max
a
应
力0 m辐
_0
min
以及载荷在零件中引起的应力状态。
载荷
载荷类型 轴向载荷——力在作用在零件的轴线上，大小相等，
方向相反，包括轴向拉伸和轴向压缩〔表1(a)〕载 荷 在轴向载荷作用下，应力沿横截面的分布式均匀的。 零件上主应力与最大最主 切大应 应切力 力应（ 的） 力 ） 关（2系为
弯曲载荷——垂直于零件轴线的载荷〔有时还有力 偶〕，它使零件产生弯曲变形。
要确定应力和强度的随机特性，首先应了解影 响应力和强度随机性的因素。
影响应力的因素
影响应力的主要因素有所承受的外载荷、构造 的几何形状和尺寸，材料的物理特性等
影响强度的因素
影响强度的主要因素有材料的机械性能、工艺 方法和使用环境等
根本随机变量
载荷 机械产品所承受的载荷大都是一种不规那么的、
剪切载荷——使零件内相邻两截面发生相对错 动的作用力。
表1〔d〕表示螺栓在连接接合面处受剪切，并 与被连接孔壁互压。螺杆还受弯曲，但在各接 合面贴紧的情况下可以不考虑。
载荷
载荷类型 接触载荷——两个零件外表间的接触有点接触、
线接触和面接触。零件受载后在接触部位的正 交压缩载荷称为接触载荷〔表1〔e〕〕 例如，滚动轴承工作时，滚子与滚道之间，齿 轮传动中轮齿与轮齿之间的压力都是接触载荷。 在接触载荷作用下，主应力与最大切应力之比 是不定。
最小应力既可能是正值〔图1(c)〕，也可能负 值。 随机循环应力——实际运转的机器，由于服役 条件可能发生变化
图1 交变应力的类型
+
+
应
应
Байду номын сангаас
力0
力
辐
辐
_
_0
时间
(a)
+
a
+
应 力 辐
max
a
应
力0 m辐
_0
min
以及载荷在零件中引起的应力状态。
载荷
载荷类型 轴向载荷——力在作用在零件的轴线上，大小相等，
方向相反，包括轴向拉伸和轴向压缩〔表1(a)〕载 荷 在轴向载荷作用下，应力沿横截面的分布式均匀的。 零件上主应力与最大最主 切大应 应切力 力应（ 的） 力 ） 关（2系为
弯曲载荷——垂直于零件轴线的载荷〔有时还有力 偶〕，它使零件产生弯曲变形。
要确定应力和强度的随机特性，首先应了解影 响应力和强度随机性的因素。
影响应力的因素
影响应力的主要因素有所承受的外载荷、构造 的几何形状和尺寸，材料的物理特性等
影响强度的因素
影响强度的主要因素有材料的机械性能、工艺 方法和使用环境等
根本随机变量
载荷 机械产品所承受的载荷大都是一种不规那么的、
剪切载荷——使零件内相邻两截面发生相对错 动的作用力。
表1〔d〕表示螺栓在连接接合面处受剪切，并 与被连接孔壁互压。螺杆还受弯曲，但在各接 合面贴紧的情况下可以不考虑。
载荷
载荷类型 接触载荷——两个零件外表间的接触有点接触、
线接触和面接触。零件受载后在接触部位的正 交压缩载荷称为接触载荷〔表1〔e〕〕 例如，滚动轴承工作时，滚子与滚道之间，齿 轮传动中轮齿与轮齿之间的压力都是接触载荷。 在接触载荷作用下，主应力与最大切应力之比 是不定。
机械可靠性设计分析-44页精选文档
影响强度的因素
影响强度的主要因素有材料的机械性能、工艺方法 和使用环境等
21.09.2019
4
基本随机变量
载荷
机械产品所承受的载荷大都是一种不规则的、不能 重复的随机性载荷 ，例如 自行车因人的体重和道路的情况差别等原因，其 载荷就是随机变量。 飞机的载荷不仅与载重量有关，而且飞机重量、 飞行速度、飞行状态、气象及驾驶员操作有关。
21.09.2019
12
图1 交变应力的类型
+
+
应
应
力0
力
辐
辐
_
_0
时间
(a)
+
a
+
应 力 辐
max
a
应
力0 m辐
_0
min
_
时间
(c)
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时间 (b)
时间 (d)
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设计与几何形状及尺寸
由于制造（加工、装配）误差是随机变量，所 以零、构件的尺寸也是随机变量
设计方案的合理性和设计考虑因素不周到是零 件失效的重要原因之一。例如：
用适当的修正系数修正名义强度，通常考虑的修正系数 有尺寸系数、表面质量系数、应力集中系数等。
确定强度方程中所有参数和系数的分布，通过概率运算、 矩法或蒙特卡落法得到相应的强度分布。
21.09.2019
29
用矩法确定应力和强度的分布参数
通过泰勒级数展开，用矩法近似确定随机变量的函数 的均值及标准差。 分两种情况： 一维随机变量与 多维随机变量。
恒温 机械应力
周期波动 热应力
均匀
非均匀
低温
高温
低应力 脆断
影响强度的主要因素有材料的机械性能、工艺方法 和使用环境等
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基本随机变量
载荷
机械产品所承受的载荷大都是一种不规则的、不能 重复的随机性载荷 ，例如 自行车因人的体重和道路的情况差别等原因，其 载荷就是随机变量。 飞机的载荷不仅与载重量有关，而且飞机重量、 飞行速度、飞行状态、气象及驾驶员操作有关。
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图1 交变应力的类型
+
+
应
应
力0
力
辐
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_
_0
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(a)
+
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应 力 辐
max
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应
力0 m辐
_0
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_
时间
(c)
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时间 (b)
时间 (d)
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设计与几何形状及尺寸
由于制造（加工、装配）误差是随机变量，所 以零、构件的尺寸也是随机变量
设计方案的合理性和设计考虑因素不周到是零 件失效的重要原因之一。例如：
用适当的修正系数修正名义强度，通常考虑的修正系数 有尺寸系数、表面质量系数、应力集中系数等。
确定强度方程中所有参数和系数的分布，通过概率运算、 矩法或蒙特卡落法得到相应的强度分布。
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用矩法确定应力和强度的分布参数
通过泰勒级数展开，用矩法近似确定随机变量的函数 的均值及标准差。 分两种情况： 一维随机变量与 多维随机变量。
恒温 机械应力
周期波动 热应力
均匀
非均匀
低温
高温
低应力 脆断
数理统计CH8_机械可靠性设计培训课件
载荷统计和 概率分布
几何尺寸分布和 其它随机因素
材料机械性能 统计和概率分布
应力计算
干涉模型
强度计算
应力统计和 概率分布
强度统计和 概率分布
机械强度 可靠性设计
山西农业大学
18
8.3 机械强度可靠性
(2)零件应力强度状态
干涉模型
工作应力总 是小于材料 强度则产品 可靠度实际 上等于1， 绝对安全
山西农业大学
2 stress
2 s tre n g th
s tre n g th
stress
2 stress
2 s tre n g th
山西农业大学
23
8.3 机械强度可靠性
(4)零件可靠度计算
➢应力和强度均为正态分布时的可靠度：
可靠度指数z
strength
stress
2 stress
19
8.3 机械强度可靠性
(2)零件应力强度状态
干涉模型
工作应力总 是大于材料 强度则产品 可靠度实际 上等于0， 绝对不可靠
山西农业大学
20
8.3 机械强度可靠性
(2)零件应力强度状态
干涉模型
工作应力时 而大于材料 强度则产品 可靠度介于 0和1之间
山西农业大学
21
8.3 机械强度可靠性
(3)零件应力强度的动态变化
产品在规定的任务剖面内完成规定功能的能力 •基本可靠性 GB450-88, MIL-STD-785B
产品在规定条件下无故障的持续时间或概率。
山西农业大学
4
8.1 可靠性概念
(2)可靠度
R(t) P T t
0 R(t) 1
•可靠度（Reliability） 产品在[1]规定条件下和[2]规定时间内完
机械可靠性设计方法ppt课件
➢7
可靠性设计与传统设计的区别
可靠性设计
– 载荷、强度、结构、尺寸、工况等都具有变动性和随机 性。
– 将应力和强度视为随机变量 – 用概率和统计方法求解 – 用可靠度表达设计结果
• 传统设计
– 将应力和强度视为一个确定值 – 用安全系数表达设计结果
➢8
机械可靠性设计的目的和方法
可靠性设计目的
420 350 18 2 50 2
1.317
R ZR 1.317 0.9054
• 结论：由于材料强度标准差增加，数据更为分散， 导致零件可靠度从99.7%下降到90.54%
➢27
常用概率分布的可靠度计算公式
➢28
常用概率分布的可靠度计算公式
➢29
安全系数与平均安全系数
• 安全系数 – 强度与应力之比 n
影响强度的因素
材料的机械性能、尺寸、表面质量、工艺方法 ➢25
例：已知某机械零件的工作应力和材料强度均为正态分布，其
工作应力的均值 350 M，P标a准差 s 1而8M材P料a,强度
的均值
，42标0准M差Pa
靠度。若该零件材料的标准差为
。 试 1确8定MP该a零件的可 则其 可50靠M度Pa又为多
– 常规设计中，安全系数S为常数
– 由于强度和应力具有随机性，因此带有盲目性和经验性 一般偏于保守
平均安全系数
强度均值与应力均值的比值
n0
s
不能确切的反映零部件的可靠性，具有一定盲目性
➢30
可靠安全系数
可靠安全系数
最小强度与最大应力之比
nk
min
Smax
强度与应力服从正态分布时，最小强度和最大应力为
把规定的可靠性指标直接设计到产品中去，从而保证产品达到目 标可靠性
可靠性设计与传统设计的区别
可靠性设计
– 载荷、强度、结构、尺寸、工况等都具有变动性和随机 性。
– 将应力和强度视为随机变量 – 用概率和统计方法求解 – 用可靠度表达设计结果
• 传统设计
– 将应力和强度视为一个确定值 – 用安全系数表达设计结果
➢8
机械可靠性设计的目的和方法
可靠性设计目的
420 350 18 2 50 2
1.317
R ZR 1.317 0.9054
• 结论：由于材料强度标准差增加，数据更为分散， 导致零件可靠度从99.7%下降到90.54%
➢27
常用概率分布的可靠度计算公式
➢28
常用概率分布的可靠度计算公式
➢29
安全系数与平均安全系数
• 安全系数 – 强度与应力之比 n
影响强度的因素
材料的机械性能、尺寸、表面质量、工艺方法 ➢25
例：已知某机械零件的工作应力和材料强度均为正态分布，其
工作应力的均值 350 M，P标a准差 s 1而8M材P料a,强度
的均值
，42标0准M差Pa
靠度。若该零件材料的标准差为
。 试 1确8定MP该a零件的可 则其 可50靠M度Pa又为多
– 常规设计中，安全系数S为常数
– 由于强度和应力具有随机性，因此带有盲目性和经验性 一般偏于保守
平均安全系数
强度均值与应力均值的比值
n0
s
不能确切的反映零部件的可靠性，具有一定盲目性
➢30
可靠安全系数
可靠安全系数
最小强度与最大应力之比
nk
min
Smax
强度与应力服从正态分布时，最小强度和最大应力为
把规定的可靠性指标直接设计到产品中去，从而保证产品达到目 标可靠性
机械产品可靠性设计分析案例讲课文档
绳轮驱动力矩vs偏心轴转角
第三十二页，共39页。
动力学分析仿真
第三十三页，共39页。
锁系锁紧前期的绳轮转角vs时间
第三十三页，共39页。
动力学分析仿真
被动锁碟簧力vs偏心轴转角
第三十四页，共39页。
性能试验数据
低温-50℃
第三十四页，共39页。
动力学分析仿真
滑轮、绳轮与钢丝绳索之间的空间摩擦特性对同 步性影响较大；
B
有时发 生
中等概率
某一故障模式发生概率大于产品总故障概率的10%， 小于20%
C
偶然发 生
不常发生
某一故障模式发生概率大于产品总故障概率的1%， 小于10%
D
很少发 不大可能发 某一故障模式发生概率大于产品总故障概率的
生
生
0.1%，小于1%
E
极少发 生
近乎为零
某一故障模式发生概率小于产品总故障概率的 0.1%
某锁机构顶事件的选择和描述
序号 顶事件定义
说明
1
不同步
是指同一组锁的主动锁钩不能满足同步性要 求
是指在主、被动航天器对接过程中，锁系正 2 锁紧失败 常锁紧失败后，备份锁紧失败。（这里对控
制系统、转换装置的可靠性不进行展开分析）
3
锁紧保持失 是指在主、被动航天器在联合飞行期间，主、 败 被动锁系结构无法保持结构完整性。
承受锁紧拉力，传动 通过拉簧支架对偏心套施加拉力
拉住拉簧21的另一端 连接电机，将电机的动力通过绳索传出
固定拉簧支架55到壳体上 固定簧片
为主动钩定位棒提供压紧力 火工品工作后，定位主动钩
偏心转动，产生锁钩行程 减小摩擦力；支撑偏心轴 承受轴向力，定位轴承73、78；减小摩擦力
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24.09.2020
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内容提要
基本随机变量 应力－强度干涉理论
应力－强度干涉模型 可靠度的一般表达式
应力分布的确定 强度分布的确定 机械静强度的可靠性设计 可靠度的计算方法
应力和强度均为正态分布 其它分布类型
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基本随机变量
载荷
载荷类型 载荷性质
设计与几何形状及尺寸 工作环境
机械可靠性设计分析
Mechanical Reliability Design ＆ Analysis
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概述
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。
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表1 载荷基本类型
序
应力分布情况
载荷类型
(a)
拉伸
压缩
悬臂
(b) 简单弯曲
压缩
轴向载荷
+ 中性轴
_
_
弯曲载荷
中性轴
+
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表1 载荷基本类型
序
应力分布情况
中性轴
(c)
(d)
(e)
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载荷类型 扭转载荷 剪切载荷
接触载荷
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载荷
载荷性质 载荷的性质可以分为以下几种：
在剪切载荷作用下，力大小沿平行于最小切应力 的横截面上均匀的。
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8
载荷
载荷类型
接触载荷——两个零件表面间的接触有点接触、线 接触和面接触。零件受载后在接触部位的正交压缩 载荷称为接触载荷（表1（e）） 例如，滚动轴承工作时，滚子与滚道之间，齿轮 传动中轮齿与轮齿之间的压力都是接触载荷。 在接触载荷作用下，主应力与最大切应力之比是 不定。
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图1 交变应力的类型
+
+
应
应
力0
力
辐
辐
_
_0
时间
(a)
+
a
+
应 力 辐
max
a
应
力0 m辐
_0
min
_
时间
(c)
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时间 (b)
时间 (d)
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设计与几何形状及尺寸
由于制造（加工、装配）误差是随机变量，所 以零、构件的尺寸也是随机变量
设计方案的合理性和设计考虑因素不周到是零 件失效的重要原因之一。例如：件失效
环境介质包括气体、液体、液体金属、射线辐照、 固体磨料和润滑剂等。他们可能引起的零件失效情 况列于表2中。
对于某一零件失效原因的准确判断，必须充分考虑 环境介质的影响。
环境温度与零件失效
环境温度可能引起的零件失效形式及分析思路列于 图2中。
轴的台阶处直角形过度，过小的内圆角半径，尖锐 的棱边等造成应力集中，这些应力集中处，有可能 成为零件破坏的起源地
对零件的工作条件估计错误，如对工作中可能的过 载估计不足，造成设计的零件的承载能力不够
选材不当是导致失效的另一重要原因
设计者仅根据材料的常规性能指标做出决定，而这 些指标根本不能反映材料对所发生的那种类型的失 效的抗力
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表2 环境介质与零件失效
介质
可能引起的失效
气体：大气、盐雾气氛、水蒸气、 气液二相流（CO，CO2）、含H2S 气氛
氧化、腐蚀、氢脆、腐蚀疲劳、气 液流冲蚀
最主大应切力应（） 力）（ 2
弯曲载荷——垂直于零件轴线的载荷（有时还有力偶）， 它使零件产生弯曲变形。 在弯曲载荷作用下，零件横截面上的主应力分布的规 律是：从表面应力最大改变到中性轴线处应力为零。 并且，中性轴线一侧为拉伸应力，另一侧为压缩应力。
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载荷
载荷类型
扭转载荷——作用在垂直于零件轴线平面内的力偶， 它使零件发生扭转变形。
环境介质与零件失效 环境温度与零件失效
材料性能与生产情况 使用维护情况
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基本随机变量
应力、强度定义：
在机械产品中，广义的应力是引起失效的负荷，强 度是抵抗失效的能力。由于影响应力和强度的因素 具有随机性，所以应力和强度具有分散特性。
要确定应力和强度的随机特性，首先应了解影响应 力和强度随机性的因素。
影响应力的因素
影响应力的主要因素有所承受的外载荷、结构的几 何形状和尺寸，材料的物理特性等
影响强度的因素
影响强度的主要因素有材料的机械性能、工艺方法 和使用环境等
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基本随机变量
载荷
机械产品所承受的载荷大都是一种不规则的、不能 重复的随机性载荷 ，例如 自行车因人的体重和道路的情况差别等原因，其 载荷就是随机变量。 飞机的载荷不仅与载重量有关，而且飞机重量、 飞行速度、飞行状态、气象及驾驶员操作有关。
零件的失效通常是由于其所承受的载荷超过了零件 在当时状态下的极限承载能力的结果。
零件的受力状况包括：载荷类型、载荷性质，以及 载荷在零件中引起的应力状态。
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载荷
载荷类型
轴向载荷——力在作用在零件的轴线上，大小相等，方 向相反，包括轴向拉伸和轴向压缩（表1(a)）载荷 在轴向载荷作用下，应力沿横截面的分布式均匀的。 零件上主应力与最大切应力的关系为
在扭转载荷作用下，横截面上切应力的分布规律 是：从表面最大到横截面中心处为零（这里讲的 “中心点”，是指扭转中心轴线与横截面的交点）
剪切载荷——使零件内相邻两截面发生相对错动的 作用力。
表1（d）表示螺栓在连接接合面处受剪切，并与 被连接孔壁互压。螺杆还受弯曲，但在各接合面 贴紧的情况下可以不考虑。
静载荷——缓缓地施加于零件上的载荷，或恒定的 载荷。
冲击载荷——以很大速度作用于零件上的载荷，冲 击载荷往往表现为能量载荷。
交变载荷——载荷的大小、方向随时间变化的载荷， 其变化可以是周期性的，也可以是无规则的。
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载荷
交变应力的形式 对称循环应力——等值交变的拉伸、压缩和剪切 应力（图1(a)）。 脉动循环应力——单向应力，其应力值从零变化 到最大，r=0，如图1(b)所示。 非对称循环应力——应力值由最小到最大变化， 最小应力既可能是正值（图1(c)），也可能负值。 随机循环应力——实际运转的机器，由于服役条 件可能发生变化