第二讲4现代设计技术可靠性设计

1 先进制造技术先进制造技术第二讲第二讲现代设计技术现代设计技术可靠性设计可靠性设计青岛科技大学青岛科技大学机电学院机电学院2现代设计方法现代设计方法有限元分析有限元分析反求工程反求工程 1 计算机辅助设计技术计算机辅助设计技术概述概述可靠性设计可靠性设计 0 回顾回顾3n有限元分析有限元分析CAE：基本步骤？基于：基本步骤？基于SW的练习的练习n逆向工程逆向工程RE：主要工具？：主要工具？回顾回顾本节课重点本节课重点n了解可靠性设计的概念了解可靠性设计的概念n掌握可靠性分析中的分布掌握可靠性分析中的分布4机械可靠性设计概述机械可靠性设计概述1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；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。1952年，美国军事部门、工业部门和有关学术部门联合成立了“电子设备可靠性咨询组”AGREE小组。（Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment）1957年提出了电子设备可靠性报告(AGREE报告)该报告首次比较完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。 5概述概述2机械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，也相继从50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。 在上世纪60年代后期，美国约40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计划的成功。 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；E 确定可靠性工作的规范、大纲和标准；E 组织学术交流等。国内的可靠性工作起步较晚，上世纪50年代末和60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。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、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。6概述概述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。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机械可靠性设计概述7概述概述4二、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，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。机械可靠性设计概述8概述概述5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。机械可靠性设计概述g( f f x9概述概述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 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；机械可靠性设计概述10概述概述7四、可靠性工作的特点四、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；机械可靠性设计概述11机械可靠性设计基础机械可靠性设计基础1机械可靠性设计基础一、可靠性定义与指标一、可靠性定义与指标、可靠性定义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能力。?可靠性：(Reliability)?维修性：(Maintainability)可维修的产品在某时刻具有或维持规定功能的能力。?有效性：(Availability)有效性广义可靠性（狭义）可靠性维修性在规定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能力。12基础基础2、可靠性指标机械可靠性设计基础 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)()(失效概率为：NtntRtF)()(1)(13基础基础3机械可靠性设计基础 失效率若定义：ttnNtnt)()()(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） 114基础基础4机械可靠性设计基础 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) 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)可以维修的产品在某时刻具有或维持规定功能的概率。15基础基础5二、概率论的基本概念、 随机事件与事件间的关系机械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：NnlimPN16基础基础6、概率运算机械可靠性设计基础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 xx概率密度函数、概率分布0)(xf1)(dxxfxdxxfxF)()(ba)()(dxxfbxaP1)(0 xF17基础基础11机械可靠性设计基础三、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E(t)=/（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。18基础基础12机械可靠性设计基础、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19基础基础13机械可靠性设计基础当， 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(,)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。20例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. 2BBmax21基础基础14机械可靠性设计基础、对数正态分布若：),(lnLLNxy，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22基础基础15机械可靠性设计基础、威布尔分布（Weibull）010)(xxexxxf001)()(xxxxedxxfxF形状参数；尺度参数；x0位置参数；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)23基础基础18机械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%909596979899a110.620.530.440.330.2124基础基础20机械可靠性设计基础四、可靠性分析分布的确定实际应用中，多为引用理论分布，在引用分布时应考虑：、物理意义电产品多用指数分布、疲劳寿命用对数正态分布，建议机械产品多用威布尔分布。、统计检验易通过威布尔分布最易通过检验。、计算简便正态分布最方便。分布确定的途径：引用理论分布、建立特殊的分布。应特别注意积累可靠性数据！25关于可靠性许用值的讨论关于可靠性许用值的讨论可靠的产品，可靠度应是多大？80% ? 应该将可靠度值与常规设计的安全系数对照！应重视可靠度的相对关系，重视对比分析！90% ? 99% ? 95% ? 99.99999% ? 26系统分析系统分析1机械系统的可靠性 机械系统可靠性分析的基本问题： 机械系统可靠性的预测问题： 机械系统可靠性的分配问题：在已知系统中各零件的可靠度时，如何得到系统的可靠度问题。在已知对系统可靠性要求（即可靠度指标）时，如何安排系统中各零件的可靠度问题。这两类问题是系统可靠性分析相互对应的逆问题。27系统分析系统分析2机械系统的可靠性一、系统可靠性的预测一、系统可靠性的预测、串联系统：系统中只要有一个零件失效，系统便失效。若个组成零件的可靠度为：R1、 R2、 Rn，各零件的可靠事件是相互独立的，则系统的可靠度为： niisRRRRRn121另有观点认为，串联系统应是一种链式系统模型，即系统的可靠性取决于其中最弱环节的可靠性。 、并联系统：系统中只要有一个零件正常，系统便正常。 niisniisRRRFFFFn1121)1 (1)1 (显然有，nRs。并联系统也称冗余系统。28系统分析系统分析3机械系统的可靠性、表决系统：系统共有n个零件，只要m个零件正常，系统正常。这种系统称为：m/n表决系统。、复杂系统：由串、并联和表决系统构成的复杂系统。、系统模型的判别应注重从功能上来识别！例如：一个油滤系统，是什么系统？若失效形式为滤网堵塞，则属于串联系统。若失效形式为滤网破裂，则属于并联系统。 29系统分析系统分析5机械系统的可靠性二、系统可靠性分配二、系统可靠性分配问题：已知系统的可靠性指标（可靠度），如何把这一指标分配到个零件中去。这是可靠性分析的反问题。可能的已知条件：系统可靠度Rs、曾预计的零件可靠度Ri 、可靠性模型。分配问题相当于求下列方程的解：niniRRRRRfRss121).(对于串联系统、事实上，上列方程是无定解的，若要解，需加以约束条件。 按重要度分配原则 按经济性分配原则 按预计可靠度分配原则 按等可靠度分配原则 30For Continue