可靠性设计精选课件.ppt
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1、可靠性设计可靠性设计可靠性设计可靠性设计可靠性设计概述可靠性设计基础可靠性设计基本方法机械系统的可靠性分析机械系统的故障分析机械零件的疲劳强度可靠度分析可靠性设计概述可靠性设计概述可靠性是衡量产品质量的一项重要指标。可靠性是衡量产品质量的一项重要指标。可靠性长期以来是人们设计制造产品时的一个追求目标。可靠性长期以来是人们设计制造产品时的一个追求目标。但是将可靠性作为设计制造中的定量指标的历史却还不长,相关技术也但是将可靠性作为设计制造中的定量指标的历史却还不长,相关技术也尚不成熟,工作也不普及。尚不成熟,工作也不普及。一、可靠性发展简史一、可靠性发展简史第二次世界大战:可靠性问题突出的时期;第
2、二次世界大战:可靠性问题突出的时期;上世纪五十年代:开始系统地进行可靠性研究,主要的工作是由美国上世纪五十年代:开始系统地进行可靠性研究,主要的工作是由美国军事部门展开。军事部门展开。1952年,美国军事部门、工业部门和有关学术部门联合成立了年,美国军事部门、工业部门和有关学术部门联合成立了“电子设备电子设备可靠性咨询组可靠性咨询组”AGREE小组。(小组。(Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment)1957年提出了电子设备可靠性报告年提出了电子设备可靠性报告(AGREE报告报告)该报告首次比较完该报告首次比较完整地阐述了可靠性
3、的理论与研究方向。从此,可靠性工程研究的方向才大体整地阐述了可靠性的理论与研究方向。从此,可靠性工程研究的方向才大体确定下来。确定下来。概述概述2可靠性设计概述可靠性设计概述除美国以外,还有前苏联、日本、英国、法国、意大利等一些国家,也除美国以外,还有前苏联、日本、英国、法国、意大利等一些国家,也相继从相继从50年代末或年代末或60年代初开始了有组织地进行可靠性的研究工作。年代初开始了有组织地进行可靠性的研究工作。在上世纪在上世纪60年代后期,美国约年代后期,美国约40的大学设置了可靠性工程课程。目前的大学设置了可靠性工程课程。目前美国等发达国家的可靠性工作比较成熟,其标志性的成果是阿波罗登月
4、计划美国等发达国家的可靠性工作比较成熟,其标志性的成果是阿波罗登月计划的成功。的成功。本阶段工作的特点:本阶段工作的特点:E 研究的问题较多集中于针对电器产品;研究的问题较多集中于针对电器产品;E 确定可靠性工作的规范、大纲和标准;确定可靠性工作的规范、大纲和标准;E 组织学术交流等。组织学术交流等。国内的可靠性工作起步较晚,上世纪国内的可靠性工作起步较晚,上世纪50年代末和年代末和60年代初在原电子工年代初在原电子工业部的内部期刊有介绍国外可靠性工作的报道。业部的内部期刊有介绍国外可靠性工作的报道。发展最快的时期是上世纪发展最快的时期是上世纪80年代初期,出版了大量的可靠性工作专著、年代初期
5、,出版了大量的可靠性工作专著、国家制定了一批可靠性工作的标准、各学校由大量的人投入可靠性的研究。国家制定了一批可靠性工作的标准、各学校由大量的人投入可靠性的研究。概述3但国内的可靠性工作曾在90年代初落入低谷,在这方面开展工作的人很少,学术成果也平平。主要的原因是可靠性工作很难做,出成果较慢。许多工业部门将可靠性工作列在了重要的地位。如原航空工业部明确规定,凡是新设计的产品或改型的产品,必须提供可靠性评估与分析报告才能进行验收和坚定。但在近些年,可靠性工作有些升温,这次升温的动力主要来源于企业对产品质量的重视,比较理智。应该说,目前国内的可靠性工作仍在一个低水平上徘徊,研究的成果多,实用的方法
6、少;研究力量分散,缺乏长期规划;学术界较混乱,低水平的文章随处可见,高水平的成果无人过问可靠性设计概述二、常规设计与可靠性设计二、常规设计与可靠性设计常规设计中,经验性的成分较多,如基于安全系数的设计。常规设计可通过下式体现:SElFflim.),(计算中,F、l、E、lim等各物理量均视为确定性变量,安全系数则是一个经验性很强的系数。上式给出的结论是:若则安全;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明是随机变量;基于前一个观点,当 时,未必一定安全,可能因随机数的存在而仍有不安全的可能性。在常规设计中,代入的变量是随机变量的一个样本值或统计量,如均值。按概率的观点,
7、当=时,的概率为50%,即可靠度为50%,或失效的概率为50%,这是很不安全的。可靠性设计概述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。机械可靠性设计是常规设计方法的进一步发展和深化,它更为科学地计及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。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。可靠性设计概述g(f f x概述6三、可靠性工作的意义三、可靠性工作的意义可靠性是产品质量的一项重要指标。E 重要关键产品的可靠性问题突出,如航空航天产品;E 量大面广的产品,可靠性与经济性密切相关,如洗衣机等;E
8、 高可靠性的产品,市场的竞争力强;四、可靠性学科的内容四、可靠性学科的内容E 可靠性基础理论:数学、失效物理学(疲劳、磨损、蠕变机理)等;E 可靠性工程:可靠性分析、设计、试验、使用与维护等;E 可靠性管理:可靠性规划、评审、标准、指标及可靠性增长;固有可靠性:由设计所决定的产品固有的可靠性;使用可靠性:在特定的使用条件下产品体现出的可靠性;可靠性设计概述概述7五、可靠性工作的特点五、可靠性工作的特点C可靠性是涉及多种科学技术的新兴交叉学科,涉及数学、失效物理学、设计方法与方法学、实验技术、人机工程、环境工程、维修技术、生产管理、计算机技术等;C可靠性工作周期长、耗资大,非几个人、某一个部门可
9、以做好的,需全行业通力协作、长期工作;C目前,可靠性理论不尽成熟,基础差、需发展。与其他产品相比机械产品的可靠性技术有以下特点:C因设计安全系数较大而掩盖了矛盾,机械可靠性技术落后;C机械产品的失效形式多,可靠性问题复杂;C机械产品的实验周期长、耗资大、实验结果的可参考性差;C机械系统的逻辑关系不清晰,串、并联关系容易混淆;可靠性设计概述可靠性: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包含五个要素:产品,规定时间,规定条件,规定功能,能力产品:作为单独研究和分别试验对象的任何元件、器件、设备和系统规定时间:可靠性定义的核心。时间是一个广义的概念规定条件:产品的使用条件、维护条件、环
10、境条件和操作技术规定功能:产品的各种性能指标。不同产品功能不同能力:定性、定量规定说明产品可靠性的程度可靠性设计基础一、可靠性定义与指标一、可靠性定义与指标产品可靠性由固有可靠性和使用可靠性组成。固有可靠性:是产品在设计、制造中赋予的,是 产品的一种固有特性,也是产品的开发者可以控制的 使用可靠性:产品在实际使用过程中表现出的一种性能的保持能力的特性,除考虑固有可靠性的影响因素外,还考虑产品安装、操作使用和维修保障等方面因素的影响固有可靠性高,使用条件好的产品可靠性较高产品可靠性近似为二者乘积 可靠性设计基础一、可靠性定义与指标一、可靠性定义与指标维修性:产品在规定的条件下和规定的时间内,按规
11、定的程序和方法进行维修时,保持或恢复执行规定状态的能力 维修性是产品质量的一种特性,即由产品设计赋予的使其维修简便、迅速和经济的固有特性保障性:系统(装备)的设计特性和计划的保障资源满足平时和战时使用要求的能力 与装备保障有关的设计特性充足和适 用程度 保障资源的充足和适 用程度 可靠性设计基础 可用性:在要求的外部资源得到保证的前提下,产品在规定的条件下和规定的时刻或时间区间内处于可执行规定功能状态的能力。产品可靠性、维修性和维修保障的综合反映 可靠性是从延长其正常工作时间来提高 产品可用性,而维修性则是从缩短因维修的停机时间来提高可用性 可信性:集合性术语,用来表示可用性及其影响因素:可靠
12、性、维修性、维修保障 可信性的定性和定量具体要求是通过可用性、可靠性、维修 性、维修保障的定性和定量要求表达的 可靠性设计基础基础2、可靠性指标 可靠性设计基础 可靠度:(Reliability)产品在规定规定的条件下和规定规定的时间内,完成规定规定功能的概率。记为:R()即:R()=P其中:T为产品的寿命;为规定的时间;事件有下列三个含义:产品在时间内完成规定的功能;产品在时间内无故障;产品的寿命大于。若有N个相同的产品同时投入试验,经历时间后有n(t)件产品失效,则产品的可靠度为:NtnNtnNtR)(1)()(基础2、可靠性指标 可靠性设计基础 可靠度:(Reliability)同时,失
13、效(故障)概率为:NtntRtF)()(1)(又称累积失效概率,不可靠度。是指产品在规定条件下和规定时间内丧失规定功能的概率。为了表征故障概率随寿命变化的规律,描绘出了失效频率直方图。失效概率密度函数和失效概率的关系为基础2、可靠性指标 可靠性设计基础 可靠度:(Reliability)由概率论可得出以下性质:(1)R(0)=1表示产品在开始时处于良好状态;(2)R(t)是时间t的单调递减函数,即t增大,R(t)减小;(3)limR(t)=0,即当时间t充分大时可靠度的值趋于零;(4)0R(t)1,即无论任何时刻,可靠度的值永远介于0和1之间。基础3 可靠性设计基础 失效率:若定义:ttnNt
14、nt)()()(为平均失效率则:dttFtdFtNtnNtntttNtN)(1()()(1)(lim)(lim)(00为失效率例:若有100件产品,实验10小时已有2件失效。此时观测1小时,发现有1件失效,这时11(10)98(100-2)1 若实验到50小时时共有10件失效。再观测1小时,也发现有1件失效,这时11(50)90(100-10)1工作到某个时刻尚未失效的产品在该时刻后单位时间内失效的概率。基础3-2 可靠性设计基础显然有:()(1()()()(1()()()d F tdR tdR ttF t dtR t dtR t dt)(ln)()(1)(t0t0tRtdRtRdttt0)(
15、)(dttetR失效率曲线(也称浴盆曲线)跑合期正常工作期耗损期t(t)适于电产品适于机械产品 可靠性设计基础 早期失效期 产品投入使用初期,产品的故障率较高,且具有迅速下降的特征。故障主要是设计与制造中的缺陷,如设计不当、材料缺陷、加工缺陷、安装调 整不当等,可以通过加强质量管理及采用筛选等办法来减少 甚至消灭早期故障。偶然失效期 产品投入使用一段时间后,产品的故障率可降到一个较低的水平,基本处于平稳状态,可以近似认为故障率为常数。损耗失效期 产品投入使用相当长的时间后,产品的故障率迅速上 升,很快出现产品故障大量增加直至最后报废。故障主要是由老化、疲劳、磨损、腐蚀等耗损性因素引起的基础4
16、可靠性设计基础 平均寿命 对于不可修产品为平均无故障时间MTTF(Mean Time To Failure)niittn11 对于可修产品为平均故障间隔时间MTBF(Mean Time Between Failure)设 N0个不可修复的产品在同样条件下进行试验,测得其全部失效时间为 t1,t2,tN0。其 平均失效前时间(MTTF)为一个可修复产品在使用过程中发生了 N0 次故障,每次故障修复后又重新投入使用,测得其每 次工作持续时间为 t1,t2,tN0,其平均故障间隔时间 MTBF 为n对于完全修复的产品,因修复后的状态与新产品一样,一个产品发生了 N0 次故障相当于 N0 个 新产品工
17、作到首次故障基础4 可靠性设计基础 有效寿命早期失效期正常工作期耗损期t(t)适于电产品适于机械产品基础4)(1rRtrrert1 可靠性设计基础 可靠寿命使可靠度等于给定值 r 时的产品寿命称为可靠寿命,记为tr,其中 r 为可靠水平。R=0.5时的可靠寿命称为中位寿命,产品为中位寿命时,正好有一半失效。R=1/e时的可靠寿命称为特征寿命。/105.0/)/1ln(rtr基础4 可靠性设计基础 维修度MTTRMTBFMTBF)(tA在规定的条件下和规定规定的时间内,按规定规定的程序和方法完成维修的概率。(M(t)有效度平均维修时间:MTTR(Mean Time To Repair)可以维修的
18、产品在某时刻具有或维持规定功能的概率。MTTR=ti/n 基础5二、概率论的基本概念、随机事件与事件间的关系 可靠性设计基础随机事件“不可预言的事件”、事件或事件发生的事件、事件与事件同时发生的事件、频率与概率做次实验,随机事件共发生次,则:随机事件出现的频率为:Nn随机事件出现的概率为:NnlimPN基础6、概率运算 可靠性设计基础CP(AB)=P(B)P(AB)=P(A)P(BA)若P(A B)=P(A),则A与B相互独立,且P(AB)=P(A)P(B)CP(A+B)=P(A)+P(B)P(AB)若P(AB)=,则A与B互不相容,且P(AB)=P(A)P(B)二、概率分布与数字特征 f x
19、x概率密度函数、概率分布0)(xf1)(dxxfxdxxfxF)()(ba)()(dxxfbxaP1)(0 xF基础7 可靠性设计基础、数字特征 均值(期望)反映随机变量取值集中的位置,常用或E(x)表示。定义:dxxxfxE)()(性质:)()(xcEcxE)()()(yExEyxE)()()(yExExyEx、y为任意随机变量x、y为相互独立的随机变量在可靠性设计中,E(x)可表示平均强度、平均应力、平均寿命在常规设计中引入的物理量,多数就是E(x)。基础8 可靠性设计基础 方差衡量随机变量取值的分散程度,用D(x)、2表示。定义:dxxfxExxD)()()(2)(xD标准差、均方差性质
20、:0)(cD)()(2xDccxD)()()(yDxDyxDx、y为相互独立的随机变量基础9 可靠性设计基础 变异系数CC是一个无量纲的量,表示了随机变量的相对分散程度。金属材料的变异系数(参考)拉伸强度极限B0.05拉伸屈服极限S0.07疲劳极限-10.08焊接结构疲劳极限-10.10钢材的弹性模量E0.03铸铁的弹性模量E0.04布氏硬度HBS0.05断裂韧性KIC0.07基础10 可靠性设计基础 偏度(Skewness Sk)3332/3)()()()(1xkxExEdxxfxExxDS3333)(3)()(xxkxExExESSk=0 对称分布Sk 0 正偏分布Sk 0 负偏分布基础1
21、1 可靠性设计基础三、可靠性分析中的常用分布、指数分布xexf)(x0概率密度函数:xexF1)(累积分布函数:若xt(寿命),则t指数分布,反映了偶然因素导致失效的规律。平均寿命=/(MTBF),为失效率。指数分布常用于描述电子产品的失效规律,由于为常数,指数分布不适于描述按耗损规律失效的问题,机械零件的失效常属于这一类型。基础11-例 可靠性设计基础关于指数分布的讨论()()P TttTt 相关公式:上述推导表明,若产品的寿命服从指数分布,则表明该产品是“永远年轻”的(指数分布“无记忆性”)。()1tF Tte tttee()()()()()P Ttt TtP Tt()()P TttP T
22、t()te()P Tt()()tR teP TtP(AB)=P(B)P(AB)=P(A)P(BA)基础12 可靠性设计基础、正态分布(高斯分布)222x21)(exfx概率密度函数:累积分布函数:dxexFx222x21)(记为:),(2Nx),(Nx或,是一种二参数分布)(xE为均值)(2xD为方差f(x)x1 31 21=32 1分布形态为对称分布基础13 可靠性设计基础当,时,为标准正态分布。2221)(xexdxxxxe2221)(-2-3=032N(0,)68.26%95.44%99.73%3 准则:超过距均值3距离的可能性太小,认为几乎不可能(或靠得住)。若:L=300.06mmN
23、(,)则:30mm=0.063=0.02mm自然界和工程中许多物理量服从正态分布,可靠性分析中,强度极限、尺寸公差、硬度等已被证明是服从正态分布。例例有一个钢制结构件,据实验有BN(,),均值B=400MPa,变异系数c=0.08。求:max=300MPa时,结构件的失效概率?要求可靠度R=0.9977时,max=?。解:PF=P(B max)=P(B 300)40008.0400300()(BBmax100009)125.3(PF1R=10.99770.00230023.0)(BBmax83.2BBmaxMPa30983.2BBmax基础14 可靠性设计基础、对数正态分布若:),(lnLLN
24、xy,则称x服从对数正态分布可记为:),(LLLNx222)(lnLL21)(Lxexxf概率密度函数为:f(x)x大量的疲劳失效规律服从对数正态分布,如疲劳寿命的分布。3NNN疲劳极限大致服从正态分布基础15 可靠性设计基础、威布尔分布(Weibull)010)(xxexxxf001)()(xxxxedxxfxF形状参数;尺度参数;x0位置参数;=0.5=3.6=5=1 x0=0 x=1 f(x)=2形状参数不同的影响基础16 可靠性设计基础 f(x)x=2 x0=0=1=2=3尺寸参数不同的影响 f(x)x=2=1x0取不同的值位置参数不同的影响基础17 可靠性设计基础威布尔分布的数字特征
25、)11(0 xx)11()21(222x3331)11(2)21(3)31(xkxS式中:()为Gamma函数,01)(dyeyxyx威布尔分布是一簇分布,适应性很广。因源于对结构疲劳规律的分析,因而是在机械可靠性设计中生命力最强的分布。滚动轴承的寿命L服从二参数的威布尔分布,)(1)(LeLF其失效概率为:)()(LeLR可靠度为:其中:=1.5(ISO/R286)基础18 可靠性设计基础目前国家标准中采用下列方法计及滚动轴承的可靠度101LaLn其中,L10为基本额定寿命(可靠度为90%)Ln为可靠度R=1-n%的轴承寿命a1为轴承的可靠性系数,其值按下表取:1-n%90959697989
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