现代设计方法课程03可靠性设计
第5章—可靠性设计2
第三节
可靠性设计的原理
应力—强度分布的平面干涉模型
这个观点在常规设计的安全系数法中是不明确的。
因为根据安全系数进行的设计不存在失效的可能性。
因此，可靠性设计比常规设计要客观的多，因而应用也要广泛的多。
干涉区放大图
可靠度的确定方法
从平面干涉模型可以看出，要确定可靠度或失效概率必须研究一个随机变量超过另一个随机变量的概率。
假设失效控制应力为σ1(任意的)，那么当强度δ大于时σ1就不会发生破坏，可靠度就是强度大于失效控制应力的概率，即
]
0)[()(11>−=>=σδσδp p R
现代设计方法毛志伟
系统的可靠性设计
串联系统的可靠度计算
要有一个元件失效该系统就失效，那么这个系统就
是由齿轮、轴、键、轴承和箱体等组成，从功能关系上看，他们中任何一部分失效
并联系统逻
辑图
从而维持系统的正常运行。
储备系统逻辑图
在机械系统中，通常只用三中取二
个，因此有四种成功的工作情况：
2/3表决系统逻辑图根据概率乘法定理和加法定理，2/3系统的可靠度为。
现代设计方法(第四章 可靠性设计)
简述可靠性设计传统设计方法的区别。
答：传统设计是将设计变量视为确定性单值变量，并通过确定性函数进行运算。
而可靠性设计则将设计变量视为随机变量，并运用随机方法对设计变量进行描述和运算。
1.可靠性：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。
可靠度：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。
是对产品可靠性的概率度量。
可靠度是对产品可靠性的概率度量。
2）可靠性工程领域主要包括以下三方面的内容：1.可靠性设计。
它包括了设计方案的分析、对比与评价，必要时也包括可靠性试验、生产制造中的质量控制设计及使用维修规程的设计等。
2.可靠性分析。
它主要是指失效分析，也包括必要的可靠性试验和故障分析。
这方面的工作为可靠性设计提供依据，也为重大事故提供科学的责任分析报告。
3.可靠性数学。
这是数理统计方法在开展可靠性工作中发展起来的一个数学分支。
可靠性设计具有以下特点：1.传统设计方法是将安全系数作为衡量安全与否的指标，但安全系数的大小并没有同可靠度直接挂钩，这就有很大盲目性。
可靠性设计与之不同，它强调在设计阶段就把可靠度直接引进到零件中去，即由设计直接决定固有的可靠度。
2.传统设计是把设计变量视为确定性的单值变量并通过确定性的函数进行运算，而可靠性设计则把设计变量视为随机变量并运用随机方法对设计变量进行描述和运算。
3.在可靠性设计中，由于应力S和强度R都是随机变量，所以判断一个零件是否安全可靠，就以强度R大于应力S的概率大小来表示，这就是可靠度指标。
4.传统设计与可靠性设计都是以零件的安全或失效作为研究内容，因此，两者间又有着密切的联系。
可靠性设计是传统设计的延伸与发展。
在某种意义上，也可以认为可靠性设计只是在传统设计的方法上把设计变量视为随机变量，并通过随机变量运算法则进行运算而已。
平均寿命（无故障工作时间）：指一批产品从投入运行到发生失效（或故障）的平均工作时间。
对不可修复的产品而言，T是指从开始使用到发生失效的平均时间，用MTTF表示；对可修复的产品而言，是指产品相邻两次故障间工作时间的平均值，用MTBF表示；平均寿命的几何意义是：可靠度曲线与时间轴所夹的面积。
可靠性课程设计
可靠性课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解可靠性的基本概念，掌握评估和提升系统或产品可靠性的方法。
2. 学生能够运用所学知识，分析实际案例中存在的可靠性问题，并提出相应的解决策略。
3. 学生了解我国在可靠性领域的发展现状和趋势，认识到可靠性在工程技术领域的重要性。
技能目标：1. 学生能够运用可靠性理论和方法，对简单系统进行可靠性分析和评估。
2. 学生通过小组合作，完成对某一产品或系统的可靠性研究，提高团队协作和问题解决能力。
3. 学生能够运用信息技术手段，收集和整理可靠性相关资料，提高信息处理能力。
情感态度价值观目标：1. 学生通过学习可靠性课程，培养科学、严谨的学习态度，树立正确的价值观。
2. 学生在小组合作中，学会尊重他人，培养团队精神和沟通能力。
3. 学生通过了解可靠性在工程技术领域的作用，激发对相关学科的兴趣，增强社会责任感。
课程性质：本课程为专业基础课，旨在帮助学生建立可靠性基本概念，培养实际应用能力。
学生特点：学生具备一定的物理和数学基础，具有较强的逻辑思维能力和动手能力。
教学要求：结合实际案例，注重理论与实践相结合，提高学生的实际应用能力和创新能力。
通过小组合作、讨论等方式，培养学生的团队协作和沟通能力。
在教学过程中，关注学生的情感态度，引导他们形成正确的价值观。
将课程目标分解为具体的学习成果，以便进行教学设计和评估。
二、教学内容1. 可靠性基本概念：介绍可靠性的定义、评价指标和分类，使学生了解可靠性的基础理论。
- 教材章节：第一章 可靠性基本概念- 内容列举：可靠性定义、可靠性函数、故障率、平均故障间隔时间等。
2. 可靠性分析方法：讲解常用的可靠性分析方法，如故障树分析、事件树分析、蒙特卡洛模拟等。
- 教材章节：第二章 可靠性分析方法- 内容列举：故障树分析、事件树分析、蒙特卡洛模拟、可靠性预测等。
3. 可靠性设计原则：介绍提高产品或系统可靠性的设计原则，包括冗余设计、容错设计等。
机电一体化系统的现代设计方法
机电一体化系统的现代设计方法摘要：机电一体化系统的现代设计方法主要有可靠性设计、优化设计、反求设计、绿色设计、虚拟设计等。
本论文主要介绍了可靠性设计方法和优化设计方法。
可靠性设计包括了很广的内容，可以说在满足产品功能，成本等要求的前提下一切使产品可靠运行的设计都称之为可靠性设计。
优化设计是指将优化技术应用于设计过程，最终获得比较合理的设计参数，优化设计的方法目前已比较成熟，各种计算机程序能解决不同特点的工程问题。
关键词：机电一体化；现代设计方法；可靠性设计；优化设计。
一、引言随着社会的发展和科学技术的进步，使人们对设计的要求发展到了一个新的阶段，具体表现为设计对象由单机走向系统、设计要求由单目标走向多目标、设计所涉及的领域由单一领域走向多个领域、承担设计的工作人员从单人走向小组甚至大的群体、产品设计由自由发展走向有计划的开展。
与人们对设计的要求相比现阶段的设计确实是落后的，主要表现为：对客观设计的研究不够，尚未很好的掌握设计中的客观规律；当前设计的优劣主要取决于设计者的经验；设计生产率较低；设计进度与质量不能很好控制；实际手段与设计方法有待改进；尚未形成能被大家接受，能有效指导设计实践的系统设计理论。
面对这种形势，唯一的解决方法就是设计必须科学化。
这就意味着要科学的阐述客观设计过程及本质，分析与设计有关的领域及其地位，在此基础上科学的安排设计进程，使用科学的方法和手段进行设计工作，同时也要求设计人员不仅有丰富的专业知识，而且要掌握先进的设计理论、设计方法及设计手段，科学地进行设计工作，这样才能及时得到符合要求的产品。
二、机电一体化系统的现代设计方法概述机电一体化系统的现代设计方法是以设计产品为目标的一个总的知识群体的总称。
它运用了系统工程，实行人、机、环境系统一体化设计，使设计思想、设计进程、设计组织更合理化、现代化，大力采用许多动态分析方法，使问题分析动态化，实际进程、设计方案和数据的选择更为优化，计算、绘图等计算机化。
现代设计方法总结（精选）
现代设计方法是随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用而在设计领域发展起来的一门新兴的多元交叉学科。
以满足市场产品的质量、性能、时间、成本、价格综合效益最优为目的,以计算机辅助设计技术为主体,以知识为依托,以多种科学方法及技术为手段,研究、改进、创造产品和工艺等活动过程所用到的技术和知识群体的总称。
现代设计方法有:并行设计、虚拟设计、绿色设计、可靠性设计、智能优化设计、计算机辅助设计、动态设计、模块化设计、计算机仿真设计、人机学设计、摩擦学设计、反求设计、疲劳设计一、并行设计并行设计是一种对产品及其相关过程(包括设计制造过程和相关的支持过程)进行并行和集成设计的系统化工作模式。
强调产品开发人员一开始就考虑产品从概念设计到消亡的整个生命周期里的所有相关因素的影响，把一切可能产生的错误、矛盾和冲突尽可能及早地发现和解决，以缩短产品开发周期、降低产品成本、提高产品质量。
并行设计作为现代设计理论及方法的范畴，目前已形成的并行设计方法基本上可以分为两大类:(l)基于人员协同和集成的并行化。
就是把组成与产品方面有关的，针对给定设计任务的专门的、综合性的设计团体(企业)协同起来。
丰田的产品开发过程有四个主要内容：●一个产生主要设计的概念论文的规划阶段●同步设计的系统设计阶段●一个具有设计标准的详细设计阶段●一个精益生产的样机模具阶段。
●广泛地协调，不仅仅在设计而且还有生产以及销售●协调从概念到市场完整的项目●概念创造以及概念支持者●规格、成本目标、设计以及主要部件选择，确信产品概念精确地被转换为车型的技术细节●直接地、经常地与设计师以及工程师交流●建立与顾客直接接触（产品经理办公室实施它自己的市场调查，除了通过市场营销进行的定期市场调查）。
前端设计设计环节与供应商实现设计的集成多部门协调研发以客户为中心降低批量规模(2)基于信息、知识协同和集成的并行化。
该方法基于计算机网络来实现，各零部件的设计人员通过计算机网络对机电产品进行设计，并进行可制造性、经济性、可靠性、可装配性等内容的分析及时的反馈信息，并按要求修改各零部件的设计模型，直至整个机电产品完成为止。
现代设计方法课程03可靠性设计ppt课件
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10
90年代，我国机械电子工业部印发的“加强机电产 品设计工作的规定”中明确指出“可靠性、经济性、适 应性”三性统筹作为机电产品设计和坚定的依据。在新 产品鉴定时，必须提供可靠性设计资料和试验报告。否 则不能通过鉴定。
现今可靠性的观点和方法已经成为质量保证、安全 性保证、产品责任预防等不可缺少的依据和手段，也是 我国工程技术人员掌握现代设计方法必须掌握的重要内 容之一。
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E．概率：
基本事件发生的可能性。
对于可靠性来讲，就是失效或正常运行事件 发生的可能性。在大量统计的基础上，这种可能 性可用该事件的概率来表示，因此概率可用[0，1] 区间的某个数表示。
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四、可靠性设计的必要性
1.从定性的角度考虑其必要性
1)机械设备的大型化、复杂化、精密化要求设备本身的 安全性提高；
同一种设备在不同的工作环境下运行寿命是 不同的，如汽车，因此，同一产品在不同的工作 条件下运行应有不同的设计要求。
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C.规定的工作时间：
产品之间可靠性比较的标准。
D.正常工作（满意运行）：
指系统或零件是否能达到人们所要求的运行效 能，达到了就说它是处于正常的工作状态，反之说 它是实效的。
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产品/工程的设计发生的演变过程
传
模
统/ 常
延伸
可
靠
延伸
糊 可
规
拓展
性
拓展
靠
设
设
性
计
计
设
计
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各演变过程的区别
理论基础
现代设计方法
绿色设计
在产品整个生命周期内，着重考虑产品环境属性（可 拆卸性，可回收性、可维护性、可重复利用性等）并将其 作为设计目标，在满足环境目标要求的同时，保证产品应 有的功能、使用寿命、质量等要求。
并行设计
并行设计是一种对产品及其相关过程(包括设计制造过 程和相关的支持过程)进行并行和集成设计的系统化工作模 式。 Nhomakorabea 虚拟设计
虚拟设计技术是由多学科先进知识形成的综合系统技 术，其本质是以计算机支持的仿真技术为前提，在产品设 计阶段，实时地并行地模拟出产品开发全过程及其对产品 设计的影响，预测产品性能、产品制造成本、产品的可制 造性、产品的可维护性和可拆卸性等，从而提高产品设计 的一次成功率。
相似性设计
人们在长期探索自然规律的过程中，逐渐形成了研究 自然界和工程中各种相似现象的“相似方法”、“模化设 计方法”和相应的相似理论、模拟理论。相似方法就是把 个别现象的研究结果推广到所有相似现象上去的方法。
模块化设计
模块化设计（Block-based design）就是将产品的某些 要素组合在一起，构成一个具有特定功能的子系统，将这 个子系统作为通用性的模块与其他产品要素进行多种组合， 构成新的系统，产生多种不同功能或相同功能、不同性能 的系列产品。
三次设计
三次设计即三阶段设计，所谓三阶段设计，是建立在 试验设计技术基础之上的一种在新产品开发设计过程中进 行三阶段设计的设计方法。
优化设计
优化设计（Optimal Design）是把最优化数学原理应 用于工程设计问题，在所有可行方案中寻求最佳设计方案 的一种现代设计方法。
可靠性设计
可靠性设计（Reliability Design）是以概率论和数理统 计为理论基础，是以失效分析、失效预测及各种可靠性试 验为依据，以保证产品的可靠性为目标的现代设计方法。
现代设计理论之可靠性分配方法简介
可靠性分配方法(一)等分配法（无约束分配法）等分配法（Equal Apportionment Technique ）是对全部的单元分配以相同的可靠度的方法。
按照系统结构和复杂程度，可分为串联系统可靠度分配、并联系统可靠度分配、串并联系统可靠度分配等。
（1）串联系统可靠度分配当系统中n 个单元具有近似的复杂程度、重要性以及制造成本时，则可用等分配法分配系统各单元的可靠度。
这种分配法的另一出发点考虑到串联系统的可靠性往往取决于系统中最弱的单元。
当系统的可靠度为s R ，而各分配单元的可靠度为i R 时因此单元的可靠度i R 为（2）并联系统可靠度分配当系统的可靠度指标要求很高（例如Rs>0.99）而选用已有的单元又不能满足要求时，则可选用n 个相同单元的并联系统，这时单元的可靠度远远大于系统的可靠度。
当系统的可靠度为s R ，而各分配单元的可靠度为i R因此单元的可靠度i R 为（3）串并联系统可靠度分配先将串并联系统化简为“等效串联系统”和“等效单元”，再给同级等效单元分配以相同的可靠度。
优缺点：等分配法适用于方案论证与方案设计阶段，主要优点是计算简单，应用方便。
主要缺点是未考虑各分系统的实际差别。
（二）按相对失效率和相对失效概率分配（无约束分配法）相对失效率法和相对失效概率法统称为“比例分配法”。
相对失效率法是使系统中各单元容许失效率正比于该单元的预计失效率值，并根据这一原则来分配系统中各单元的可靠度。
此法适用于失效率为常数的串联系统。
对于冗余系统，可将他们化简为串联系统候再按此法进行。
相对失效概率法是根据使系统中各单nini i s R R R ==∏=11/ 1,2,,ni s R R i n==（）11ns i R R =--（）1/11,1,2,,ni s R R i n=--=（）元的容许失效概率正比于该单元的预计失效概率的原则来分配系统中各单元的可靠度。
重要度是指用一个定量的指标来表示各设备的故障对系统故障的影响，按重要度考虑的分配方法的实质即是：某个设备的平均故障间隔时间（可靠性指标）应该与该设备的重要度成正比。
第3章可靠性-1
R(t) N n(t) N
（3-1）
式中，R ( t ) 也称存活率。当 N 时，limR(t) R(t) ，即为该产品的可
R(t) dt
（3-9） （3-10）
将上式从0到 t 进行积分，则得
R(t) e0t(t)dt
（3-11）
上式称为可靠度函数 R(t) 的一般方程，当 (t) 为常数时，就是 常用到的指数分布可靠度函数表达式。
例3-2 有100个零件已工作了6年，工作满5年时共有3个零件失效， 工作满6年时共有6个零件失效。试计算这批零件工作满5年时的失效率。
靠度。
N
由于可靠度表示的是一个概率，所以 R ( t ) 的取值范围为：
0R(t)1
（3-2）
可靠度是评价产品可靠性的最重要的定量指标之一。
例3-1 某批电子器件有1000个，开始工作至500h内有100个失效， 工作至1000h 共有500个失效，试求该批电子器件工作到500h 和
1000h 的可靠度。
（１）研究对象 产品即为可靠性的研究对象，它可以是系统、整机、部件，也可 以是组件、元件或零件等。 （２）规定的条件 它包括使用时的： 环境条件（如温度、湿度、气压等）；
工作条件（如振动、冲击、噪音等）； 动力、负荷条件（如载荷、供电电压等）； 贮存条件、使用和维护条件等。 “规定的条件”不同，产品的可靠性也不同。
（3）耗损失效期
耗损失效期出现在产品使用的后期。 其特点是失效率随工作时间的增加而上升。
耗损失效主要是产品经长期使用后，由于某些零件的疲劳、老 化、过度磨损等原因，已渐近衰竭，从而处于频发失效状态，使失 效率随时间推移而上升，最终回导致产品的功能终止。
智慧树答案现代设计方法知到课后答案章节测试2022年
第一章1.现代设计方法只包含优化设计、有限元法和可靠性设计三种（）。
答案:错2.下列为有限元分析软件的是（）。
答案:Ansys3.绿色设计是现代设计方法的一种（）。
答案:对第二章1.求解弹性力学问题的方法有哪些（）。
答案:应力法;位移法;混合法2.下列不属于空间问题基本单元的是（）答案:三角形3.有限元法首先求出的解是（），单元应变和应力都是由它求得。
答案:节点位移4.平面应变单元也好，平面应力单元也好，如果以单位厚来作模型化处理的话会得到一样的答案（）答案:错5.同一载荷作用下的结构，所给材料的弹性模量越大则变形值越小（）答案:对6.设定边界条件是为了消除总刚度矩阵的奇异性（）答案:对第三章1.组成优化设计数学模型的三要素是（）。
答案:目标函数;约束条件;设计变量2.一优化设计问题，其设计变量为，，则下述正确的是（）答案:设计空间是维欧式空间3.设计体积为的圆柱形包装盒，按用料最省的原则要确定其高度和直径，其设计变量是（）答案:直径4.优化设计数学模型为，那么和的关系为（）答案:5.通过数值迭代算式计算出的两个迭代点对应的函数值与的大小关系为（）答案:<6.一立柱的优化设计目标函数为，则其在处的梯度为（）答案:7.梯度方向是目标函数值在某点范围内变化最快的方向。
（）答案:对8.多维优化问题可以转为一维优化问题，一维搜索方法是多维优化问题的基础。
（）答案:对9.对于函数，给定，，用黄金分割法求其极小值，第二次迭代的两个插入点为（）答案:10.在单峰搜索区间内，取一点，用二次插值法计算得，若，并且函数，则新区间为（）答案:第四章1.（）分布现象在实际生活中是非常普通的。
答案:正态分布2.对100个零件的失效情况进行统计分析，其失效时已工作的时间及失效数如下表所示，运行时间/h1030100200失效数/个54133则，零件工作到100h时的可靠度为（）答案:0.783.对100个零件的失效情况进行统计分析，其失效时已工作的时间及失效数如下表所示，运行时间/h1030100200失效数/个54133则，则零件工作到100h后的失效率为（）答案:0.038/h4.串联系统中，串联的单元数增多时，系统的可靠度（）。
现代机械设计方法(答案)
一、绪论1.设计活动的特征有哪些？时空性、物质性、需求性、创造性、过程性2.试比较传统设计和现代设计的区别？传统设计师静态的、经验的、手工的方法，在设计过程中被动地分析产品的性能；而传统设计师动态的、科学的、计算机化的方法，在设计过程中可以做到主动地设计产品参数。
3.简述现代设计方法的主要内容和基本特点。
主要内容：设计理论是对产品设计原理和机理的科学总结。
设计方法是使产品满足设计要求以及判断产品是否满足设计原则的依据。
现代设计方法主要内容：设计方法学、计算机设计、有限元法、优化设计、可靠性设计基本特点：程式性、创造性、系统性、最优性、综合性、数字性二、设计方法学1.设计过程包括哪几个阶段？计划阶段、设计阶段、样机试制阶段、批量生产阶段、销售阶段2.常用的创造性技法有哪些？智力激励法、提问追溯法、联想类推法、组合创新法、反向探求法及系统搜索法6类三、相似理论及相似设计方法1.相似三定理的内容和用途各是什么？相似定理是用来判断两个现象相似的充分必要条件及其所应遵循的法则内容：第一定律：对于彼此相似的现象，其相似指标为1，相似判据为一个不变量；第二定律：某个现象的物理量总数为n，量纲独立的物理量总数为k，则该现象相似准则的个数为n-k，且描述该现象各个物理量之间的关系可表示为相似准则π1，π2，，，，，，πn-k之间的关系，即f(π1，π2，，，，，，πn−k)=0第三定律：凡同一完整的方程组所描述的同类现象，当单值条件相似，且由单值条件的物理量所组成的相似准则在数值上相等，则这些现象就相识。
用途：第一定理：介绍相似现象的属性；第二定理：确定相似准则的个数以及相似结果的推广，也称π；第三定理：也称模型化法则，也是相似现象的充要条件。
2.相似准则的导出方法及基本依据是什么？导出方法：方程分析法、量纲分析法基本依据：表示各物理量之间关系的方程式，其各项量纲必须是相同的3.相似准则有哪些特点和性质？如果两个现象相似，则这两者的无量纲形式的方程组和单值条件应该相同，具有相同的无量纲形式解。
现代设计方法复习题资料
的 X* 、f (X*) 。
12
第二章 优化设计的数学基础
§ 2-1 目标函数的基本性质 一 函数的等值面（线）
函数的等值面（线）是用来描述、研究函数的整体性质的。
二 函数的最速下降方向
f
梯度
x1
f
X
ห้องสมุดไป่ตู้
f
x2 f
f X
现代设计方法总复习
1
可靠性设计的主要内容
第一章: 1、可靠性的概念 2、可靠性的尺度及其含义 3、可靠度和失效率之间的关系 4、浴盆曲线 5、可靠性设计与传统设计之间的区别 第二章、 了解常用的各种分布 第三章： 了解分布参数的估计和分布函数的假设检验
2020/6/27
2
第四章： 1、应力强度干涉模型 2、干涉理论及其相应的推论 3、一般可靠度的表达式 4、应力和强度分布的确定方法 5、已知应力和强度分布情况下可靠度的表达式 （联结方程） 6、数值积分法、图解法和蒙特卡罗模拟方法求
性能约束 由结构的某种性能或设计要求，推导出来 的约束条件。
8
（2）根据约束条件的形式分
不等式约束
gu X 0
等式约束
u=1,2, ···，m
hv X 0 v = 1，2， ···，p < n
一个 n 维的优化设计问题中，等式约束的个数必须 少于 n 。
显式约束 隐式约束
9
五 可行域 可行域 : 在设计空间中，满足所有约束条件的所构成的
空间 。
10
六 优化设计的数学模型 （一）优化设计的数学模型
min f X
X Rn
s.t. gu X 0 ,u 1, 2,L ,m hv X 0 ,v 1, 2,L , p n
可靠性设计
可靠性设计（Reliability Design）设计是人类改造自然的一种基本活动，也是一种复杂的创造思维过程。
所谓的设计技术，也就是在设计过程中解决具体设计问题的各种方法和手段。
它的核心内容包括三个方面：1.计划，构思的形成；2.视觉传达方式；3.计划通过传达后的具体应用。
而因为影响计划和构思因数的不同，因此有传统设计和现代设计的区分。
两者最根本的区别在与现代设计与工业化大生产和现代文明密切联系，这是传统设计所不具有的。
因此现代设计是工业化大批量生产技术条件下的必然之物。
因此，可以说现代技术技术是在传统设计方法基础上继承和发展起来的，是一门多专业和多学科交叉，其综合性很强的基础技术科学。
一、可靠性设计概述可靠性设计的定义：定义1：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。
定义2：为了满足产品的可靠性要求而进行的设计。
可靠性设计即根据可靠性理论与方法确定产品零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。
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。
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。
可靠性设计的一个重要内容是可靠性预测，即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。
现代设计方法部分习题与答案
现代设计⽅法部分习题与答案第1章1.何谓产品⽣命周期，简述其各个阶段。
产品⽣命周期（Product Life Cycle），简称PLC，是指产品的市场寿命，即⼀种新产品从开始进⼊市场到被市场淘汰的整个过程。
PLC分为介绍期（Introduc- tion）、增长期（Growth）、成熟期（Mature）、衰退期（Decline）四个阶段.2.简述现代设计所指的理论与⽅法有哪些。
3.简述产品开发的⼀般流程。
产品基本开发流程的6个阶段：阶段0，计划：规划经常被作为“零阶段”是因为它先于项⽬的达成和实际产品开发过程的启动。
阶段1，概念开发：概念开发阶段的主要任务是识别⽬标市场的需要，产⽣并评估可替代的产品概念，为进⼀步开发选择⼀个概念。
阶段2，系统⽔平设计：系统⽔平设计阶段包括产品结构的定义、产品⼦系统和部件的划分阶段3，细节设计：细节设计阶段包括产品的所有⾮标准部件及从供应商处购买的标准部件的尺⼨、材料和公差的完整明细表，建⽴流程计划并为每⼀个即将在⽣产系统中制造的部件设计⼯具。
阶段4，测试和改进：测试和改进阶段包括产品的多个⽣产前版本的构建和评估。
阶段5，产品推出：在产品推出阶段，使⽤规划⽣产系统制造第2章1.简述功能分析法的设计步骤。
总功能分析、功能分析、功能元求解、求系统原理、解求最佳系统原理⽅案。
2. 什么是技术系统？举例说明技术系统应具有的分功能单元。
技术系统所具有的功能，是完成技术过程的根本特性。
从功能的⾓度分析，技术系统应具有下列能完成不同分功能的单元：①作业单元，完成转换⼯作；②动⼒单元，完成能量的转换、传递与分配；③控制单元，接受、处理和输出控制信息；④检测单元，检测技术系统各种功能的完成情况，反馈给控制单元；⑤结构单元，实现系统各部分的连接与⽀承切削加⼯中⼼的功能构成第3章1. 产品创新的概念是什么？产品创新在哪些诱导机制下完成的，举例说明。
产品创新：新产品在经济领域⾥的成功运⽤，包括对现有⽣产要素进⾏组合⽽形成新的产品的活动。
可靠性设计ppt课件
因为０≤Ｎf (t)≤Ｎ，故０≤Ｒ(t)≤１
现代设计方法
2）不可靠度(Faulty)
不可靠度或失效概率；指在规定的条件下和规 定的时间内，产品功能失效的概率。 产品的失效概率也是时间的函数，用F(t)表示 ，称为失效概率函数。
显然
现代设计方法
R(t)P(t) F (t) ( t) 1 R (t)
f(t)
f(t)dF (t)dR (t)
dt
dt
f(t)
失效概率
F(t)
t
f (t)dt
0
F(ta)
R(ta)
0
ta
t
可靠度 R(t)1F(t) f(t)dt t
图1-3 f(t)与F(t)
现代设计方法
4）失效率（故障率）
• 工作到时刻 t尚未失效的产品，在这t 时刻后，在单
现代设计方法
可 靠 性 设 计（1）
Reliability Design ——可靠性概述
大学CAD中心
现代设计方法
本讲主要内容
可靠性基本概念和特点 可靠性设计的常用指标 可靠性设计常用分布函数
现代设计方法
1.可靠性设计的概念与特点
• 什么是可靠性？
• 可靠性的由来
1952年，美国国防部成立了“电子设备可靠性咨询小组（AGREE）” ，1957年发表了著名的“军用电子设备的可靠性”报告，提出了在生 产、试制过程中产品可靠性指标进行试验、验证和鉴定的方法，以及包 装、储存、运输过程中的可靠性问题及要求。这份报告被公认是电子产 品可靠性工作的奠基性文件。至此，可靠性理论的研究开始起步，并逐 渐在世界范围内展开，可靠性工程开始形成一门独立的工程学科。
第4章 可靠性设计
武汉理工大学机电工程学院
现代设计技术
第四章 可靠性设计
• 可靠性定义包括下列四要素： 四要素： 四要素 (1) 规定的条件
一般指的是使用条件，环境条件。
(2) 规定的时间
是可靠性区别于产品其他质量属性的重要特征，一般 也可认为可靠性是产品功能在时间上的稳定程度。
现代设计技术
第四章 可靠性设计
例：设有5个不可修复产品进行寿命 试验，它们发生失效的时间分 别是1000h、1500h、2000h、 2200h、2300h，求它们MTTF 的观测值 参考答案
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1800h
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现代设计技术 (5) 平均故障间隔时间
因为一个系统发生故障和无故障是互斥事件，必须满足 R(t)+F(t)=1。故可靠度还可以写成：
R (t ) = 1 − F (t ) =
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N 0 − N f (t ) N0
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现代设计技术
第四章 可靠性设计
例如：某种系统(或部件或元件)1000个， 工作1000h，有10个发生故障。我们可以计算 出这种系统(或部件或元件)千小时的可靠度 为？
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现代设计技术
第四章 可靠性设计
故障率曲线分析
(c)损耗时期：零件磨损、陈旧，引起设备故障 率升高。如能预知耗损开始的时间，通过加强维 修，在此时间开始之前就及时将陈旧损坏的零件 更换下来，可使故障率下降，也就是说可延长可 维修的设备与系统的有效寿命。 故障率的单位一般采用10-5小时或10-9小时(称 10-9小时为1fit)。 故障率也可用工作次数、转速、距离等。
可靠性设计
有限元法
10．有限元分析中，对称结构是指几何形状、尺寸 、 和 对称于某一直线 或平面的结构。 答案：载荷、约束条件 11．如果过弹性体内的任一点的某一斜面上的切应力等于零，则该斜面上的正应力 称为该点的 。 答案：主应力 12. 有限元网格划分中，网格质量是指网格 的合理性。 答案：几何形状
有限元法
虚位移原理：若对于任何从协调的变形状态开始的虚位移，外力所做的虚功 等于弹性体所接受的总虚应变能，则弹性体在给定的外力载荷和温度分布下 处于平衡状态。 最小势能原理：在所有可能满足位移边界条件和变形协调条件的位移中，只 有那些同时满足平衡条件和力的边界条件的那一组位移，使系统的总势能取最小 值。也就是说，在几何可能的一切容许位移和形变中，真正的位移和形变使总 势能取最小值；反之，使总势能取最小值者也必是真正的位移和形变。
有限元法
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有限元法
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有限元法
5.有限元法最早以解决结构力学、弹性力学问题发展起来的，它的理论基础是 变分原理 。 6.
7．试列举有限元分析中常用单元类型（至少5种）
•杆单元（梁单元）；平面单元；薄板（弯曲）单元 •多面体单元；等参数单元；轴对称单元
有限元法
8．有限元求解中，力学模型的简化需要注意哪些问题？ •判别实际结构是属于哪一种问题 •注意实际结构的对称性 •对实际结构建模时可以去除一些不必要的细节 •简化后的力学模型必须是静定或超静定结构 9．有限元工程分析中，为减小解题规模而采取的“周期性条件”是何含义？ 机械上有许多旋转件，其结构形状和所受载荷呈现周期性变化的特点，利用 这些结构上的特点，只切出其中一个周期来分析，计算工作量将减为原来的 1/n(n为周期数)。当然，在切开处必须使它满足周期性约束条件。
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2)安全系数设计中存在的问题
机械零件失效的可能性（概率）用安全系数的大小是 不能完全表征的，它取决于强度与应力的“干涉”面积大 小。如图所示。
设应力(σ)和强度( )的 概率密度函数分别为ｆ(σ)和
ｇ( ) ，因机械设计中应力
该定义将以往人们对产品可靠性只是出于模糊、 定性的概念发展转变为一个明确的“数”的概念。
这是概念上质的飞跃
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它包含了五个要素：
A.对象：零件
指某个不可拆卸的独立体（如弹簧、齿轮）， 也可指某一部件或机器（如发动机或减速器）， 还可指某个系统（如某条生产线、某个车间等）， 甚至包括人的判断与人的操作因素在内。
和强度具有相同的量纲（Mpa），
因此可以把ｆ(σ)和ｇ( )表
示在同一坐标系中。
图1 应力—强度分布的平面干涉模型
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常规传统设计的安全系数法是不明确的： A.强度和应力分散程度不变，即标准差不变时，
在同样的安全系数下零部件的失效可能会变大或变 小；
B.强度与应力的均值不变，而强度与应力分散 程度即标准差改变，其安全系数不变时失效的可能 也会加大或减小。
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E．概率：
基本事件发生的可能性。 对于可靠性来讲，就是失效或正常运行事件 发生的可能性。在大量统计的基础上，这种可能 性可用该事件的概率来表示，因此概率可用[0，1] 区间的某个数表示。
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四、可靠性设计的必要性
1.从定性的角度考虑其必要性
1)机械设备的大型化、复杂化、精密化要求设备本身的 安全性提高；
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工程实际中存在随机现象，也存在大量的模糊现象。
如经抽象简化的基本支座模型有三类：自由端、简支 端和固定端，对自由端有明确的定义，也极易识别， 但对于简支端和固定端就没有明显的界限，如果梁插 入较深即假设为固定端，而插入较浅则假设为简支端； 又如对滑动轴承而言，分为窄、中、宽系列，若轴承 较宽则假定为固定端，较窄假设为简支端，这里的较 深和较浅，较宽和较窄都是模糊概念；再如经抽象简 化的光滑铰链，这个模型本身在概念上就是不清晰的， 因光滑和粗糙两者之间没有绝对的界限。
2)产品责任的要求，使企业必须考虑产品故障所造成的 损失以及由此而引起的法律责任；
3)市场竞争的压力； 4)人工费用日益提高； 5)国际市场迫使人们必须重视机电产品可靠性的工作。
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2.从定量的角度考虑可靠性设计的必要性 1)安全系数：用η表示。 η =δ/σ
即零件强度与作用在其上的应力的比值，是零件本身强度所 能承受外载荷作用的强度的重要的尺度。
随机变量
随机变量
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二、可靠性设计的发展
起步：
1957年美国发表了“军用电子设备可靠性”的报告， 这份报告被公认为是可靠性设计的奠基性文献；二次世 界大战期间，美国通信设备、航空设备、水声设备都有 相当数量的部件或系统因失效而不能使用，带来了大量 的人员伤亡和经济损失，起初主要是电子元件和系统的 可靠性。德国在二次大战中，由于研制v-Ⅰ型火箭的需 要也着手与可靠性工程的研究。
工程应用中，如军事上的导弹发射，三峡大坝工程等。
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常规设计某一轴的强度时，用安全系数法来校核，主要 建立在以往的经验基础上（经验数据），由于带有一定 的主观色彩，实践中发现设计时非常安全的零部件并不 安全，造成了巨大的经济损失，由此从科学的客观的角 度出发产生了可靠性设计。
可靠性设计是把工程中的设计变量处理成多值的随机变 量，运用随机方法对产品的故障（失效）、完好（正 常）、可靠（不可靠）等状态的随机性进行精确的概率 描述。
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产品/工程的设计发生的演变过程
传
模
统/ 常
延伸
可
靠
延伸
糊 可
规
拓展
性
拓展
靠
设 计设 计ຫໍສະໝຸດ 性 设计7
各演变过程的区别
理论基础
传统（常规） 设计
安全系数 （机械设计）
数学基础 基本的数学运算
设计变量
固定变量
可靠性 设计
模糊可靠性 设计
可靠度 模糊理论与可靠度
概率论和
模糊数学、
数理统计 概率论与数理统计
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结论：
Ａ.以相同的安全系数所设计出的零部件其安全程度 不一定是相同的；
Ｂ.把安全系数本身看作是一个常量是不符合实际的； Ｃ.大的安全系数不一定有大的安全效果，小的安全 系数就不一定不安全。 注意：用安全系数法撰写的论文是难以发表的。
第三章 可靠性设计
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主要内容
可靠性设计的概念与特点 可靠性设计常用的分布函数 可靠性设计的原理 零部件的可靠性设计 系统的可靠性设计
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第一节 可靠性设计的概念与特点
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一、概述
引例
日常生活中的现象观察：骑自行车，如将链条改换为皮 带传动，结果如何？经常说某人是否可靠，衡量的标准 是什么？
现今可靠性的观点和方法已经成为质量保证、安全 性保证、产品责任预防等不可缺少的依据和手段，也是 我国工程技术人员掌握现代设计方法必须掌握的重要内 容之一。
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三、可靠性的概念
可靠性又称可靠度(Reliability)，指零件或系统 在规定的运行条件下，规定的工作时间内，能正常工 作(或满意运行）的概率。
零件 机器 系统
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B.规定的工作条件：
为了比较某系统或零件的可靠程度，必须将 它的工作环境固定下来。
同一种设备在不同的工作环境下运行寿命是 不同的，如汽车，因此，同一产品在不同的工作 条件下运行应有不同的设计要求。
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C.规定的工作时间：
产品之间可靠性比较的标准。
D.正常工作（满意运行）：
指系统或零件是否能达到人们所要求的运行效 能，达到了就说它是处于正常的工作状态，反之说 它是实效的。
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展开：
60-70年代，航空、航天事业有利可图，各国纷纷 开展了航天、航空技术与设备的研究与产品开发，其可 靠性引起全社会的普遍关注，因而也得到了长足的进步。 许多国家成立了可靠性研究机构，如我国的航空航天大 学。
发展：
80年代以后，可靠性设计成为不可或缺的环节，广 泛应用于各行各业。
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90年代，我国机械电子工业部印发的“加强机电产 品设计工作的规定”中明确指出“可靠性、经济性、适 应性”三性统筹作为机电产品设计和坚定的依据。在新 产品鉴定时，必须提供可靠性设计资料和试验报告。否 则不能通过鉴定。