可靠性设计.ppt
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1、1现在学习的是第1页,共69页主要内容q 可靠性设计的概念与特点可靠性设计的概念与特点q 可靠性设计常用的分布函数可靠性设计常用的分布函数q 可靠性设计的原理可靠性设计的原理q 零部件的可靠性设计零部件的可靠性设计q 系统的可靠性设计系统的可靠性设计现在学习的是第2页,共69页第一节第一节可靠性设计的概念与特点可靠性设计的概念与特点3现在学习的是第3页,共69页一、概述一、概述引例引例n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?果如何?经常说某人是否可靠,衡量的标准是什么?n
2、工程应用中,如军事上的导弹发射,三峡大坝工程等。工程应用中,如军事上的导弹发射,三峡大坝工程等。现在学习的是第4页,共69页n常规设计某一轴的强度时,用安全系数法来校核,主要建立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。性设计。n可靠性设计是把工程中的设计变量处理成多值
3、的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随机变量,运用,运用随机方法对产品的随机方法对产品的故障(失效)、完好(正常)、可靠(不可靠)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等状态的随机性进行精确的概率概率描述。描述。现在学习的是第5页,共69页n对于可靠性设计存在对于可靠性设计存在随机现象随机现象的同时,还存在大量的的同时,还存在大量的模糊现象。模糊现象。n如经抽象简化的如经抽象简化的基本支座基本支座模型有三类:模型有三类:自由端、简支端和固定端自由端、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对自由端有明确的定义,也极易识别
4、,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;又如对较浅则假设为简支端;又如对滑动轴承滑动轴承而言,分为窄、中、宽而言,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,较宽和较窄都是的较深和较浅,较宽和较窄都是模糊模糊概念;再如经抽象简化的概念;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。糙两者之间没
5、有绝对的界限。现在学习的是第6页,共69页产品产品/工程的设计发生的演变过程工程的设计发生的演变过程 传传统统/常常规规设设计计 可可靠靠性性设设计计 模模糊糊可可靠靠性性设设计计 延伸拓展延伸拓展现在学习的是第7页,共69页各演变过程的区别各演变过程的区别 传统(常规)设计可靠性设计模糊可靠性设计理论基础安全系数(机械设计)可靠度模糊理论与可靠度数学基础基本的数学运算概率论和数理统计模糊数学、概率论与数理统计设计变量固定变量随机变量随机变量现在学习的是第8页,共69页二、可靠性设计的发展二、可靠性设计的发展起步:起步:1957 1957年美国发表了年美国发表了“军用电子设备可靠性军用电子设备
6、可靠性”的报告的报告公公认为是可靠性的奠基性文献;二次世界大战期间,认为是可靠性的奠基性文献;二次世界大战期间,美国美国通通信设备、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。子元件和系统的可靠性。德国德国在二次大战中,由于研制在二次大战中,由于研制v-v-型火箭的需要也着手与可靠性工程的研究。型火箭的需要也着手与可靠性工程的研究。现在学习的是第9页,共69页展开:展开:60-70 60-70年代,航空
7、、航天事业年代,航空、航天事业有利可图有利可图,各国纷纷开展,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。家成立了可靠性研究机构,如我国的航空航天大学。发展:发展:80 80年代以后,可靠性设计成为不可或缺的环节,广泛应用于年代以后,可靠性设计成为不可或缺的环节,广泛应用于各行各业。各行各业。现在学习的是第10页,共69页 90 90年代,我国机械电子工业部印发的年代,我国机械电子工
8、业部印发的“加强机电产品设加强机电产品设计工作的规定计工作的规定”中明确指出中明确指出“可靠性、经济性、适应性可靠性、经济性、适应性”三三性统筹性统筹作为机电产品设计和鉴定的依据。在新产品鉴定时,必须作为机电产品设计和鉴定的依据。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。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。技术人
9、员掌握现代设计方法必须掌握的重要内容之一。现在学习的是第11页,共69页三、可靠性的概念三、可靠性的概念 可靠性又称可靠度可靠性又称可靠度(Reliability)(Reliability),指零件或,指零件或系统在规定的运行条件下,规定的工作时间内,能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)的正常工作(或满意运行)的概率概率。该定义将以往人们对产品可靠性只是出于该定义将以往人们对产品可靠性只是出于模糊、模糊、定性的定性的概念发展转变为一个概念发展转变为一个明确的明确的“数数”的的概念。概念。现在学习的是第12页,共69页它包含了五个要素:它包含了五个要素:A.A.对
10、象:对象:零件零件 指指某个不可拆卸的独立体某个不可拆卸的独立体(如弹簧、齿轮),(如弹簧、齿轮),也也可指某一部件或机器可指某一部件或机器(如发动机或减速器),(如发动机或减速器),还可指还可指某个系统某个系统(如某条生产线、某个车间等),(如某条生产线、某个车间等),甚至包括甚至包括人人的判断与人的操作因素在内。的判断与人的操作因素在内。现在学习的是第13页,共69页B.B.规定的工作条件: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,
11、如汽车。因此,同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一产品在不同的工作条件下运行应有不同的设计要求。要求。现在学习的是第14页,共69页C.C.规定的工作时间:规定的工作时间:产品之间可靠性比较的标准。产品之间可靠性比较的标准。D.D.正常工作(满意运行):正常工作(满意运行):指系统或零件是否能达到指系统或零件是否能达到人们所要求的运行效能人们所要求的运行效能,达,达到了就说它是处于正常的工作状态,反之说它是失效的。到了就说它是处于正常的工作状态,反之说它是失效的。现在学习的是第15页,共69页E E概率:概率:基本事件发生的可能性。对于可靠性
12、来讲,就是失效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或正常运行事件发生的可能性可能性。在大量统计的基础上,。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,因此概率可这种可能性可用该事件的概率来表示,因此概率可用用0 0,1 1区间的某个数表示。区间的某个数表示。现在学习的是第16页,共69页四、可靠性设计的必要性四、可靠性设计的必要性1.1.从定性的角度考虑其必要性从定性的角度考虑其必要性 1)1)机械设备的机械设备的大型化、复杂化、精密化大型化、复杂化、精密化要求设备本身的安全性要求设备本身的安全性提高;提高;2)2)产品责任的要求,使企业必须考虑产品故障
13、所造成的损失以产品责任的要求,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;及由此而引起的法律责任;3)3)市场竞争的压力;市场竞争的压力;4)4)人工费用日益提高;人工费用日益提高;5)5)国际市场迫使人们必须重视机电产品可靠性的工作国际市场迫使人们必须重视机电产品可靠性的工作。现在学习的是第17页,共69页2.2.从定量的角度考虑可靠性设计的必要性从定量的角度考虑可靠性设计的必要性 1)1)安全系数安全系数:用:用 表示。表示。=/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
14、。载荷作用的强度的重要的尺度。零件安全运行的条件是:零件安全运行的条件是:强度最小值强度最小值必须大于外载荷引起的必须大于外载荷引起的应力应力最大值最大值才安全。即满足才安全。即满足 minmin-maxmax。现在学习的是第18页,共69页2)2)安全系数设计中存在的问题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征的,它取决于强度与应力的“干涉干涉”面积大小。如图所示。面积大小。如图所示。设应力设应力()()和强度和强度()()的概的概率密度函数分别为和,因机械设率密度函
15、数分别为和,因机械设计中应力和强度具有相同的量纲计中应力和强度具有相同的量纲(MpaMpa),因此可以把),因此可以把()()和和()()表示在同一坐标系中。表示在同一坐标系中。图图1 应力应力强度分布的平面干涉模型强度分布的平面干涉模型现在学习的是第19页,共69页常规传统设计的安全系数法是不明确的:常规传统设计的安全系数法是不明确的:A.A.强度和应力分散程度不变,即标准差不变时,在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;同样的安全系数下零部件的失效可能会变大或变小;B.B.强度与应力的均值不变,而强度与应力分散程度即标强度与应力的均值不变,
16、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。准差改变,其安全系数不变时失效的可能也会加大或减小。现在学习的是第20页,共69页结论:结论:.以相同的安全系数所设计出的零部件其安全程度不一定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;是相同的;.把安全系数本身看作是一个常量是不符合实际的;把安全系数本身看作是一个常量是不符合实际的;.大的安全系数不一定有大的安全效果,小的安全系数就不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。一定不安全。注意:注意:用安全系数法撰写的论文是难以发表的用安全系数法撰写的论文是难以发表的?现在学习的是第
17、21页,共69页五、可靠性的基本内容五、可靠性的基本内容 可靠性工程;可靠性工程;可靠性物理;可靠性物理;可靠性数学;可靠性数学;可靠性教育与管理。可靠性教育与管理。现在学习的是第22页,共69页1.1.可靠性的理论基础可靠性的理论基础概率论与数理统计概率论与数理统计 1)1)可靠性设计研究事件发生的情况:必然与偶然事件;可靠性设计研究事件发生的情况:必然与偶然事件;2)2)可靠性问题是一个概率问题,即与区间;可靠性问题是一个概率问题,即与区间;3)3)产品的寿命是随机的。产品的寿命是随机的。现在学习的是第23页,共69页2.2.可靠性设计的特点可靠性设计的特点 1)1)可靠性设计认为作用在零
18、部件上的载荷(广义的)和材料性可靠性设计认为作用在零部件上的载荷(广义的)和材料性能等都不是定值,而是随机变量,具有能等都不是定值,而是随机变量,具有明显的离散性质明显的离散性质,在数学上,在数学上必须用分布函数来描述;必须用分布函数来描述;2)2)由于载荷和材料性能等都是由于载荷和材料性能等都是随机变量随机变量,所以必须用概率,所以必须用概率论与数理统计的方法求解;论与数理统计的方法求解;3)3)可靠性设计法认为所设计的任何产品都存在一定的失效可靠性设计法认为所设计的任何产品都存在一定的失效可能性,并且可以可能性,并且可以定量地回答定量地回答产品在工作中的可靠程度,从而弥产品在工作中的可靠程
19、度,从而弥补了常规设计的不足。补了常规设计的不足。现在学习的是第24页,共69页第二节第二节可靠性设计的常用指标与分布函数可靠性设计的常用指标与分布函数25现在学习的是第25页,共69页衡量可靠性指标主要有:衡量可靠性指标主要有:概率指标(经济指标)和寿命指标;概率指标(经济指标)和寿命指标;衡量可靠性的指标体系有:衡量可靠性的指标体系有:可靠性可靠性(reliability)维修度(维修度(maintainability)可用度(可用度(availability)现在学习的是第26页,共69页一、概率指标一、概率指标/经济指标经济指标 n 可靠度与可靠度函数可靠度与可靠度函数n 故障率与故障
20、函数故障率与故障函数h(t)h(t)n 维修度与可用度维修度与可用度现在学习的是第27页,共69页 一般情况下,产品的可靠度是时间的函数,用一般情况下,产品的可靠度是时间的函数,用()表示,称为表示,称为可靠度函数可靠度函数。可靠度是一个可靠度是一个累积分布函数累积分布函数,表示在规定的时,表示在规定的时间内圆满工作的产品占全部工作产品累积起来的百间内圆满工作的产品占全部工作产品累积起来的百分比。分比。其表达式有以下几种:其表达式有以下几种:1.1.可靠度与可靠度函数可靠度与可靠度函数现在学习的是第28页,共69页 若设有若设有个相同产品在相同条件下工作,到任一给定的工作个相同产品在相同条件下
21、工作,到任一给定的工作时间时,累积有时间时,累积有()个产品失效,剩下个产品失效,剩下()个产品仍能个产品仍能正常工作,则该产品到时间的可靠度正常工作,则该产品到时间的可靠度()为:为:由于由于(),故故()。可靠度表达式-A现在学习的是第29页,共69页可靠度表达式-B 设设为零件(系统)的失效时间(随机变量),为零件(系统)的失效时间(随机变量),为为要求运行的时间(规定时间)则零件失效的概率为:要求运行的时间(规定时间)则零件失效的概率为:()()()()为为失效累积分布函数失效累积分布函数或称为或称为不可靠度函数不可靠度函数。现在学习的是第30页,共69页可靠度表达式-C 如果定义可靠
22、度是时刻如果定义可靠度是时刻“成功成功”运行的概率,运行的概率,则根据互补定理,可以定义可靠度函数为:则根据互补定理,可以定义可靠度函数为:()()()()()()现在学习的是第31页,共69页可靠度表达式-D 如果设失效时间随机变量可用概率密度函数如果设失效时间随机变量可用概率密度函数()来描述,则可靠度函数为:来描述,则可靠度函数为:现在学习的是第32页,共69页2.2.故障率与故障函数故障率与故障函数()故障率故障率:在某一段时间内,在提供可能失效的产品数下,:在某一段时间内,在提供可能失效的产品数下,单位时间内的失效数。单位时间内的失效数。现在学习的是第33页,共69页n令为投入的样品
23、数,()为在时间的残存数,()为时间的失效数,()()n对于任一时间内的可靠度为现在学习的是第34页,共69页n上式对时间求导得:n而n由此得到:n n 表示单位时间内的失效数,为时间为时提供的样品数,对于一般时刻,故障率函数为:现在学习的是第35页,共69页 由此得到故障率、可靠度与概率密度之间的由此得到故障率、可靠度与概率密度之间的关系为:关系为:现在学习的是第36页,共69页举例:举例:某零件的失效时间随机变量服从指数分布,为了让小时某零件的失效时间随机变量服从指数分布,为了让小时的可靠度在以上,该零件的故障率应低于多少?的可靠度在以上,该零件的故障率应低于多少?解:分析可知,失效时间随
24、机变量服从指数分布,即解:分析可知,失效时间随机变量服从指数分布,即因为因为由于由于所以所以现在学习的是第37页,共69页3.3.维修度与可用度维修度与可用度 维修度维修度是指在是指在可能可能维修的系统中,在维修的系统中,在规定规定的维修条件下,在的维修条件下,在规定规定的维修时间内,将的维修时间内,将系统恢复到原来系统恢复到原来的运行效能的概率,用的运行效能的概率,用()表示,它是可维修系统维修难易的客观指标(小修、中修、大修)。表示,它是可维修系统维修难易的客观指标(小修、中修、大修)。若对某维修系统的停车时间与事后维修时间作如实记录,若对某维修系统的停车时间与事后维修时间作如实记录,可以
25、计算出可以计算出平均的维修时间平均的维修时间:MTTR(MTTR(ean Time To Repair)ean Time To Repair)现在学习的是第38页,共69页 可用度可用度是指在可维修系统中,在规定的工作条件是指在可维修系统中,在规定的工作条件和维修条件下,在某一特定的瞬时,系统正常工作的和维修条件下,在某一特定的瞬时,系统正常工作的概率,用概率,用 表示。表示。现在学习的是第39页,共69页可用度A(t)与可靠度R(t)的区别 对于某一设备(零件或系统)而言,存在出现故障的对于某一设备(零件或系统)而言,存在出现故障的可能,那么描述故障发生的可能情况分为可能,那么描述故障发生的
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