机械产品可靠性设计分析-案例PPT资料41页
合集下载
机械零件的可靠性设计41页PPT
6
应力—强度干涉理论
在机械产品中，零件（部件）是正常还是失效决定 于强度和应力的关系。
当零件（部件）的强度大于应力时，其能够正常工作； 当零件（部件）的强度小于应力时，其发生失效。 因此，要求零件（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
机械产品的可靠度可以说成是机械产品的强度大于 施加于该产品的应力的概率。
3）一般机械零件设计的可靠度设计？
11
问题一、知道了应力和强度的分布，求零件的可靠度
特殊情况（公式法）：1.4
1） 应力和强度均为正1.2态分布时的可靠性计算
1
当应力S和强度δ均 0.8 为正态分布时 ，则 0.6
它们的差也是正态分 0.4 F(y) 布，且有
0.2
f ()
P ff(y ( y0 ))2 1 y 0 f e (s)x (y p 2 [ y 2 y)2]dy
yS
y＝ － S
0
-10
0
10
20
y ＝－S
y0 y 0
30
40
S
50
y＝2S2
不可靠度为： F P (y 0 )2 1y 0 ex (y p 2 y 2 [y)2]dy
12
可靠度为 R P (y 0 )2 1y0 ex (y p 2 y 2 [y)2]dy
化成标准正态 分布，令
机械产品的失效模式很多，甚至同一零部件有多种重要的失 效模式。
机械产品的组成零部件多是非标准件，其失效统计值分散， 造成失效数据的统计困难，象电子产品那样预计其失效率很 困难
机械产品的不同失效模式之间往往是相关的，在进行可靠性 分析时需要考虑失效模式相关性。
3
应力—强度干涉理论
在机械产品中，零件（部件）是正常还是失效决定 于强度和应力的关系。
当零件（部件）的强度大于应力时，其能够正常工作； 当零件（部件）的强度小于应力时，其发生失效。 因此，要求零件（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
机械产品的可靠度可以说成是机械产品的强度大于 施加于该产品的应力的概率。
3）一般机械零件设计的可靠度设计？
11
问题一、知道了应力和强度的分布，求零件的可靠度
特殊情况（公式法）：1.4
1） 应力和强度均为正1.2态分布时的可靠性计算
1
当应力S和强度δ均 0.8 为正态分布时 ，则 0.6
它们的差也是正态分 0.4 F(y) 布，且有
0.2
f ()
P ff(y ( y0 ))2 1 y 0 f e (s)x (y p 2 [ y 2 y)2]dy
yS
y＝ － S
0
-10
0
10
20
y ＝－S
y0 y 0
30
40
S
50
y＝2S2
不可靠度为： F P (y 0 )2 1y 0 ex (y p 2 y 2 [y)2]dy
12
可靠度为 R P (y 0 )2 1y0 ex (y p 2 y 2 [y)2]dy
化成标准正态 分布，令
机械产品的失效模式很多，甚至同一零部件有多种重要的失 效模式。
机械产品的组成零部件多是非标准件，其失效统计值分散， 造成失效数据的统计困难，象电子产品那样预计其失效率很 困难
机械产品的不同失效模式之间往往是相关的，在进行可靠性 分析时需要考虑失效模式相关性。
3
机械可靠性设计分析共44页
15.11.2019
28
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。
15.11.2019
8
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
+
15.11.2019
9
表1 载荷基本类型
序
应力分布情况
中性轴
(c)
(d)
(e)
15.11.2019
载荷类型 扭转载荷 剪切载荷
接触载荷
10
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；
15.11.2019
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
15.11.2019
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。
17
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。
14
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
机械产品可靠性设计分析案例共38页
39、没有不老的誓言，没有不变的承 诺，踏 上旅途 ，义无 反顾。 40、对时间的价值没有没有深切认识 的人， 决不会 坚韧勤 勉。
46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎特
机械产品可靠性设计分析案例
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出
46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎特
机械产品可靠性设计分析案例
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出
机械可靠性设计原理与可靠计算PPT学习教案
零件在多 大程度 上是安 全的？ 零件在使 用中究 竟发生 故障的 概率是 多大？
第3页/共80页
从可靠性的角度出发，影响机械产品故 障的各 种因素 可概括 为“应 力”和 “强度 ”两类 。 “应力”不仅仅指外力在微元面积上产 生内力 与微元 面积比 值的极 限，而 且包括 各种环 境因素 ，如温 度、湿 度、腐 蚀、粒 子辐射 等。 “强度”是指机械结构承受能力的极限 ，因此 凡是能 阻止结 构或零 部件故 障的因 素，统 称为强 度，如 材料的 力学性 能、加 工精度 、表面 粗糙度 等。
❖ 更广的含义：凡是引起零件（系统）失效的一切因素， 一概可以称之为“应力”。
❖ 引起失效的因素：各种环境因素，如温度、湿度等对 零件的影响。
第13页/共80页
强度
❖ 从机械零件的角度：“强度”的是指材料单位面积 所能承受的作用力。如：屈服强度、强度极限等。
❖ 更广的含义：凡是阻止零件（系统）失效的一切因 素，均可称之为强度因素。
➢ 反之，“应力”作用结果小于“强度”，则零件 （系统）就是可靠的。
第15页/共80页
基本出发点：
一般而言，施加于产品上的物理量，如应力、压 力、强度、温度、湿度、冲击等导致失效的任何 因素统称为产品所受的应力，用σ表示；
产品能够承受这种应力的程度，即阻止失效发生 的任何因素统称为产品的强度，用δ表示。
功能函数
第32页/共80页
4.蒙特卡洛(Monte Carlo)模拟法 蒙特卡洛技术是一种随机抽样技术， 或称随 机模拟 技术。 基本思想： 设：
第33页/共80页
应用蒙特卡洛技术进行可靠度计算：
设：
分别是影响应力和强度的基本随机变量 。
蒙特卡洛法是一种纯概率分析法，基 本上对 分析问 题进行 假设。 该方法 回避了 求函数 分布的 问题。 运用蒙特卡洛法须知： ➢基本随机变量的分布； ➢产生随机性好的随机变量； ➢会合理的估计抽样容量。
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。
•
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。
机械产品可靠性设计分析
机械产品可靠性设计分析1 应力—强度干涉模型1.1 理论基础应力—强度干涉理论认为可靠性就是产品在给定的运行条件下对抗失效的能力，在机械产品中就是承受应力的能力，即应力与强度相互作用的结果。
施加在零件上的应力大于它的强度时就会发生失效。
应力施加在零件上时，强度就是阻止失效的能力。
应力或负载可以定义为机械载荷、空间变化、环境、温度等一切可能引起失效的因素。
由于强度和应力都是随机变量，所以可以用概率分布来表示。
记应力为L、强度为S，则产品的可靠性为强度大于应力的概率：22()RxtR P S L dx∞-=>=⎰不可靠性为应力大于强度的概率，即1()R P S L-=≤，如图1中阴影部分为应力和强度干涉的结果。
图1 应力-强度干涉图机械产品可分为结构和机构。
对于结构类产品，可根据应力和强度分布，按照结构静强度理论，利用应力强度干涉模型进行可靠性预计；对于机构类产品，如机构运动学和动力学问题，需要通过试验手段进行参数临界值的摸底，通过临界值和设计值的分布关系确定设计裕度，进而预计产品可靠度。
除此之外，对于机械产品还存在疲劳等可靠性问题，都可以利用概率设计方法，利用机械可靠性设计的思想来进行可靠性计算。
1.2 正态分布可靠度计算方法在不很精确的概率设计法可靠性计算中，通常不考虑随机变量的实际分布而假定服从正态分布或对数正态分布，利用正态分布进行可靠度计算。
在假设应力、强度均为正态分布随机变量2(,)L LN μσ、2(,)s s N μσ且相互独立情况下，可靠性表示为：()R R t =ΦR t =或R t =式中，S μ——强度均值；L μ——应力均值； S σ——强度标准差； L σ——应力标准差；SL f μμ=； SS S C σμ=； LL LC σμ=； 当应力为一确定的量L 时，()S SLR μσ-=Φ 如果应力和强度的母体分布参数均值和方差未知时，用样本均值和样本方差来代替。
产品强度试验结果取得x n 个强度试验值1x ，2x ，…，x n x ；产品应力试验结果取得y n 个应力试验值1y ，2y ，…，y n y 。
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。
机械产品可靠性设计分析-案例共41页
寿命期内某锁系自身引起的故障（不含人为故障） 均计为影响系统基本可靠性的关联故障；
在任务剖面中，凡不能完成某锁系正常功能的故障 计为影响任务的关联故障。
零件级产品故障判据 组件级产品故障判据 部件级产品故障判据
17.06.2020
13
某锁机构FMEA分析
严酷度定义
表 14 对接锁系故障严酷度的定义
3 主动航天器第Ⅰ组 对接锁锁紧失败
被动航天器 第Ⅱ组对接 锁锁紧失败
2
3/6
2
不工作 意外中止 卡死
主动锁2 不能锁紧
5
从动锁4 …… 从动锁12 锁合传
锁合传
不能锁紧
不能锁紧 感器无 …… 感器无
信号
信号
5 5个
5
滑轮摩擦 力过大
滑轮支架 结构破坏
6个
壳体失效
主动钩组件 故障
润滑不 良
Ⅳ类(轻度的) 这种故障对航天器的功能及航天员健康无影响，仅轻度影 响产品有效使用和操作。
17.06.2020
14
某锁机构FMEA分析
危害性定性分析
对接锁系故障模式发生概率等级定义
故障模式
等级
定义
发生概率 的特征
故障模式发生概率（在产品使用时间内）
A
经常发 生
高概率
某一故障模式发生概率大于产品总故障概率的 20%
某锁机构可靠性设计分析
某锁机构产品说明 某锁机构FMEA分析 某锁机构FTA分析 了解强度分析仿真 了解动力学分析仿真 了解可靠性分析仿真
17.06.2020
1
概述
锥杆式
17.06.2020
2
概述
锥杆式
17.06.2020
在任务剖面中，凡不能完成某锁系正常功能的故障 计为影响任务的关联故障。
零件级产品故障判据 组件级产品故障判据 部件级产品故障判据
17.06.2020
13
某锁机构FMEA分析
严酷度定义
表 14 对接锁系故障严酷度的定义
3 主动航天器第Ⅰ组 对接锁锁紧失败
被动航天器 第Ⅱ组对接 锁锁紧失败
2
3/6
2
不工作 意外中止 卡死
主动锁2 不能锁紧
5
从动锁4 …… 从动锁12 锁合传
锁合传
不能锁紧
不能锁紧 感器无 …… 感器无
信号
信号
5 5个
5
滑轮摩擦 力过大
滑轮支架 结构破坏
6个
壳体失效
主动钩组件 故障
润滑不 良
Ⅳ类(轻度的) 这种故障对航天器的功能及航天员健康无影响，仅轻度影 响产品有效使用和操作。
17.06.2020
14
某锁机构FMEA分析
危害性定性分析
对接锁系故障模式发生概率等级定义
故障模式
等级
定义
发生概率 的特征
故障模式发生概率（在产品使用时间内）
A
经常发 生
高概率
某一故障模式发生概率大于产品总故障概率的 20%
某锁机构可靠性设计分析
某锁机构产品说明 某锁机构FMEA分析 某锁机构FTA分析 了解强度分析仿真 了解动力学分析仿真 了解可靠性分析仿真
17.06.2020
1
概述
锥杆式
17.06.2020
2
概述
锥杆式
17.06.2020
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
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
案例教学
机械产品可靠性 设计分析
北京航空航天大学工程系统工程系
14.04.2021
1
某锁机构可靠性设计分析
某锁机构产品说明 某锁机构FMEA分析 某锁机构FTA分析 了解强度分析仿真 了解动力学分析仿真 了解可靠性分析仿真
14.04.2021
2
概述
锥杆式
14.04.2021
3
概述
锥杆式
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
防止螺钉松动 紧固轴承座67到壳体上;紧固轴承端盖69到偏心套上
故障树的建造
正常锁紧失 败
第Ⅱ组对接锁锁 紧失败
锁紧失败
第Ⅰ组对接 锁锁紧失败
备份失效
备份第Ⅱ组对接 锁锁紧失败
备份第Ⅰ组对接 锁锁紧失败
驱动组合故障 B
主动航天器第Ⅱ组 对接锁锁紧失败
2
对接锁故障不能 锁紧
3
锁紧不到位 钢丝绳 断裂
被动航天器第Ⅱ组对 接锁被动钩锁紧失败
被动航天器第 Ⅰ组对接锁被 动钩锁紧失败
14.04.2021
16
某锁机构FMEA分析
FMEA输出
I、II类故障模式(零件)清单
14.04.2021
17
某锁机构FTA分析
顶事件的选择和描述 故障树的建造 故障树的定性分析 故障树分析的结果和建议
14.04.2021
18
某锁机构FTA分析
某锁机构顶事件的选择和描述
序号 顶事件定义
寿命期内某锁系自身引起的故障（不含人为故障） 均计为影响系统基本可靠性的关联故障；
在任务剖面中，凡不能完成某锁系正常功能的故障 计为影响任务的关联故障。
零件级产品故障判据 组件级产品故障判据 部件级产品故障判据
14.04.2021
14
某锁机构FMEA分析
严酷度定义
表 14 对接锁系故障严酷度的定义
3 主动航天器第Ⅰ组 对接锁锁紧失败
被动航天器 第Ⅱ组对接 锁锁紧失败
2
3/6
2
不工作 意外中止 卡死
主动锁2 不能锁紧
5
从动锁4 …… 从动锁12 锁合传
锁合传
不能锁紧
不能锁紧 感器无 …… 感器无
信号
锁合传 感器
钢丝 绳11
……钢丝 绳9源自……从动锁力矩 偏 心
绳轮5
轴
偏 心 套
主动 锁钩
锁合传 感器
被动航天 器主动锁
力 被 动 航
力天 器 从 动 锁
力
从动锁(5个)
某锁机构（正常）对接阶段功能流程图
14.04.2021
13
某锁机构FMEA分析
故障判据
在正常的设计、使用、维护和环境条件下，凡是满 足不了对接锁系设计指标及要求的故障，都定为系 统故障。
14.04.2021
4
概述
锥杆式
14.04.2021
5
概述
周边外翻式
14.04.2021
6
概述
周边内翻式
14.04.2021
7
产品说明
某锁结构示意图
14.04.2021
8
单锁运动仿真
14.04.2021
9
锁系运动仿真
14.04.2021
10
某锁机构FMEA分析
某锁机构FMEA实施
对接锁系功能分析 故障判据 对接锁系故障模式分析 严酷度定义 危害性定性分析
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 某一故障模式发生概率大于产品总故障概率的
生
发生
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%
FMECA输出
I、II类故障模式(零件)清单 危害性矩阵
14.04.2021
11
某锁机构FMEA分析
主动锁钩43
主动锁销68,66
限位板65
螺钉组合16,17,22
偏心套41
拉簧21
拉簧支架55
主动绳轮72
螺钉49
螺钉组合7,8,9
主
簧片96
动 钩
主动钩定位棒104
组
偏心轴33
件
滚针轴承73,78
Ⅳ类(轻度的) 这种故障对航天器的功能及航天员健康无影响，仅轻度影 响产品有效使用和操作。
14.04.2021
15
某锁机构FMEA分析
危害性定性分析
对接锁系故障模式发生概率等级定义
故障模式
等级
定义
发生概率 的特征
故障模式发生概率（在产品使用时间内）
A
经常发 生
高概率
某一故障模式发生概率大于产品总故障概率的 20%
航天器给出对 接锁工作信号
控制系统
4/6(G)
触点信号
角度位移传感器
故障时向地面传送 遥感信号
电 源
主动锁钩
锁合传感器
力
开/
关
偏心套
信
号
偏心轴
驱动组合 力矩
主动锁 绳轮
钢丝 绳1
从动锁 力矩 偏
绳轮1
心 轴
偏 主动 心 锁钩 套
锁合传 感器
主动锁
钢丝 绳3
从动锁 绳轮2
力矩 偏 心 轴
偏 心 套
主动 锁钩
轴承70,83
垫圈79
螺钉63,76
端盖74,77
轴承端盖69
挡圈71
端盖62,82
轴承座67
对接锁火工品
螺钉80
和目标航天器被动锁钩相互作用，实现锁合,解锁等 火工品工作后使锁钩绕其旋转,和限位板65一起限定锁钩轨迹
限制主动锁销68的运动轨迹 固定限位板65到壳体上;固定拉簧21的另一端到偏心套上
严酷度类别
严重程度定
Ⅰ类(灾难的) 这是一种会导致主动（被动）航天器毁坏或引起航天员伤 亡的故障。
Ⅱ类(致命的) 这种故障会导致航天器部分系统严重损坏，不能完成基本 功能或影响航天员健康的故障。
Ⅲ类(临界的) 这种故障会引起航天器的部分功能无法完成，为了完成这 些功能，需要采取应急措施，对航天员的健康有些影响。
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
2
锁紧失败
正常锁紧失败后，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， 败 主、被动锁系结构无法保持结构完整性。
14.04.2021
19
某锁机构FTA分析
固定和定位滚针轴承78 定位轴承70外圈 定位轴承70内圈
定位滚针轴承83内外圈
图1主动钩组安装件定位结轴承 构78功、8能3 图
异常情况下强制解锁脱开 紧固绳轮与偏心轴33之间的花键配合
完成 主动 运动 ，和 被动 钩实 现对 接， 锁紧 ，保 持和 解锁 等动
作
14.04.2021
12
某锁机构FMEA分析
机械产品可靠性 设计分析
北京航空航天大学工程系统工程系
14.04.2021
1
某锁机构可靠性设计分析
某锁机构产品说明 某锁机构FMEA分析 某锁机构FTA分析 了解强度分析仿真 了解动力学分析仿真 了解可靠性分析仿真
14.04.2021
2
概述
锥杆式
14.04.2021
3
概述
锥杆式
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
防止螺钉松动 紧固轴承座67到壳体上;紧固轴承端盖69到偏心套上
故障树的建造
正常锁紧失 败
第Ⅱ组对接锁锁 紧失败
锁紧失败
第Ⅰ组对接 锁锁紧失败
备份失效
备份第Ⅱ组对接 锁锁紧失败
备份第Ⅰ组对接 锁锁紧失败
驱动组合故障 B
主动航天器第Ⅱ组 对接锁锁紧失败
2
对接锁故障不能 锁紧
3
锁紧不到位 钢丝绳 断裂
被动航天器第Ⅱ组对 接锁被动钩锁紧失败
被动航天器第 Ⅰ组对接锁被 动钩锁紧失败
14.04.2021
16
某锁机构FMEA分析
FMEA输出
I、II类故障模式(零件)清单
14.04.2021
17
某锁机构FTA分析
顶事件的选择和描述 故障树的建造 故障树的定性分析 故障树分析的结果和建议
14.04.2021
18
某锁机构FTA分析
某锁机构顶事件的选择和描述
序号 顶事件定义
寿命期内某锁系自身引起的故障（不含人为故障） 均计为影响系统基本可靠性的关联故障；
在任务剖面中，凡不能完成某锁系正常功能的故障 计为影响任务的关联故障。
零件级产品故障判据 组件级产品故障判据 部件级产品故障判据
14.04.2021
14
某锁机构FMEA分析
严酷度定义
表 14 对接锁系故障严酷度的定义
3 主动航天器第Ⅰ组 对接锁锁紧失败
被动航天器 第Ⅱ组对接 锁锁紧失败
2
3/6
2
不工作 意外中止 卡死
主动锁2 不能锁紧
5
从动锁4 …… 从动锁12 锁合传
锁合传
不能锁紧
不能锁紧 感器无 …… 感器无
信号
锁合传 感器
钢丝 绳11
……钢丝 绳9源自……从动锁力矩 偏 心
绳轮5
轴
偏 心 套
主动 锁钩
锁合传 感器
被动航天 器主动锁
力 被 动 航
力天 器 从 动 锁
力
从动锁(5个)
某锁机构（正常）对接阶段功能流程图
14.04.2021
13
某锁机构FMEA分析
故障判据
在正常的设计、使用、维护和环境条件下，凡是满 足不了对接锁系设计指标及要求的故障，都定为系 统故障。
14.04.2021
4
概述
锥杆式
14.04.2021
5
概述
周边外翻式
14.04.2021
6
概述
周边内翻式
14.04.2021
7
产品说明
某锁结构示意图
14.04.2021
8
单锁运动仿真
14.04.2021
9
锁系运动仿真
14.04.2021
10
某锁机构FMEA分析
某锁机构FMEA实施
对接锁系功能分析 故障判据 对接锁系故障模式分析 严酷度定义 危害性定性分析
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 某一故障模式发生概率大于产品总故障概率的
生
发生
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%
FMECA输出
I、II类故障模式(零件)清单 危害性矩阵
14.04.2021
11
某锁机构FMEA分析
主动锁钩43
主动锁销68,66
限位板65
螺钉组合16,17,22
偏心套41
拉簧21
拉簧支架55
主动绳轮72
螺钉49
螺钉组合7,8,9
主
簧片96
动 钩
主动钩定位棒104
组
偏心轴33
件
滚针轴承73,78
Ⅳ类(轻度的) 这种故障对航天器的功能及航天员健康无影响，仅轻度影 响产品有效使用和操作。
14.04.2021
15
某锁机构FMEA分析
危害性定性分析
对接锁系故障模式发生概率等级定义
故障模式
等级
定义
发生概率 的特征
故障模式发生概率（在产品使用时间内）
A
经常发 生
高概率
某一故障模式发生概率大于产品总故障概率的 20%
航天器给出对 接锁工作信号
控制系统
4/6(G)
触点信号
角度位移传感器
故障时向地面传送 遥感信号
电 源
主动锁钩
锁合传感器
力
开/
关
偏心套
信
号
偏心轴
驱动组合 力矩
主动锁 绳轮
钢丝 绳1
从动锁 力矩 偏
绳轮1
心 轴
偏 主动 心 锁钩 套
锁合传 感器
主动锁
钢丝 绳3
从动锁 绳轮2
力矩 偏 心 轴
偏 心 套
主动 锁钩
轴承70,83
垫圈79
螺钉63,76
端盖74,77
轴承端盖69
挡圈71
端盖62,82
轴承座67
对接锁火工品
螺钉80
和目标航天器被动锁钩相互作用，实现锁合,解锁等 火工品工作后使锁钩绕其旋转,和限位板65一起限定锁钩轨迹
限制主动锁销68的运动轨迹 固定限位板65到壳体上;固定拉簧21的另一端到偏心套上
严酷度类别
严重程度定
Ⅰ类(灾难的) 这是一种会导致主动（被动）航天器毁坏或引起航天员伤 亡的故障。
Ⅱ类(致命的) 这种故障会导致航天器部分系统严重损坏，不能完成基本 功能或影响航天员健康的故障。
Ⅲ类(临界的) 这种故障会引起航天器的部分功能无法完成，为了完成这 些功能，需要采取应急措施，对航天员的健康有些影响。
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
2
锁紧失败
正常锁紧失败后，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， 败 主、被动锁系结构无法保持结构完整性。
14.04.2021
19
某锁机构FTA分析
固定和定位滚针轴承78 定位轴承70外圈 定位轴承70内圈
定位滚针轴承83内外圈
图1主动钩组安装件定位结轴承 构78功、8能3 图
异常情况下强制解锁脱开 紧固绳轮与偏心轴33之间的花键配合
完成 主动 运动 ，和 被动 钩实 现对 接， 锁紧 ，保 持和 解锁 等动
作
14.04.2021
12
某锁机构FMEA分析