1、第第7 章章 機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)原理機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)原理電子科技大學(xué)電子科技大學(xué)凌凌 丹丹工程設(shè)計(jì)過程工程設(shè)計(jì)過程 工程設(shè)計(jì)的定義：運(yùn)用數(shù)學(xué)、工程知識(shí)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的決工程設(shè)計(jì)的定義：運(yùn)用數(shù)學(xué)、工程知識(shí)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的決策過程。策過程。不確定性分類不確定性分類不確定性不確定性：目前知識(shí)狀態(tài)與完整知識(shí)狀態(tài)之間的差別。：目前知識(shí)狀態(tài)與完整知識(shí)狀態(tài)之間的差別?？陀^不確定性客觀不確定性(Aleatory Uncertainty)：內(nèi)在的隨機(jī)性內(nèi)在的隨機(jī)性認(rèn)知不確定性認(rèn)知不確定性(Epistemic Uncertainty) ：隨著知識(shí)的增加降低隨著知識(shí)的增加降低 不確定性 認(rèn)知不確定性 客觀不確定性 知識(shí) 沒有可用知識(shí)

2、 目前知識(shí)狀態(tài) 完整知識(shí)狀態(tài) 不確定性的種類不確定性的種類v隨機(jī)性隨機(jī)性v模糊性模糊性v不完全性不完全性v時(shí)變性時(shí)變性v不確定性分類不確定性分類參數(shù)不確定性：缺乏知識(shí)或內(nèi)在隨機(jī)性參數(shù)不確定性：缺乏知識(shí)或內(nèi)在隨機(jī)性模型不確定性：模型簡(jiǎn)化、載荷近似模型不確定性：模型簡(jiǎn)化、載荷近似參數(shù)不確定性參數(shù)不確定性：尺寸參數(shù)（制造精度），設(shè)計(jì)參數(shù)：尺寸參數(shù)（制造精度），設(shè)計(jì)參數(shù)（數(shù)據(jù)不足）。（數(shù)據(jù)不足）。模型不確定性模型不確定性：（1 1）材料各向同性；（）材料各向同性；（2 2）小變形及線彈性；）小變形及線彈性；（3 3）簡(jiǎn)化的簡(jiǎn)支梁；（）簡(jiǎn)化的簡(jiǎn)支梁；（4 4）圓柱體接觸；）圓柱體接觸；（5 5）齒輪都是

3、剛體。）齒輪都是剛體。不確定性分類例子不確定性分類例子6lim1129.55 10,FNAFSFnZPKgY Y YSbd nmd X P齒根彎曲性能函數(shù)齒根彎曲性能函數(shù)疲勞接觸性能函數(shù)疲勞接觸性能函數(shù)62lim212 109.551,cosHNEHAP ugZZ ZKd bnud X P設(shè)計(jì)變量：設(shè)計(jì)變量：1, ,nz m b設(shè)計(jì)參數(shù)：設(shè)計(jì)參數(shù)：limlim, ,EHFP n Z不確定性表示不確定性表示客觀不確定性：客觀不確定性： 概率論概率論認(rèn)知不確定性：認(rèn)知不確定性： D-S證據(jù)理論證據(jù)理論模糊集理論模糊集理論 可能性理論可能性理論區(qū)間理論區(qū)間理論模糊隨機(jī)變量模糊隨機(jī)變量概率法機(jī)械可靠性

4、設(shè)計(jì)：將概率論與傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法結(jié)合。概率法機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)：將概率論與傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法結(jié)合。主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)概述機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)概述應(yīng)力應(yīng)力強(qiáng)度干涉理論強(qiáng)度干涉理論機(jī)械零件靜強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)機(jī)械零件靜強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容機(jī)械零件磨損強(qiáng)度的可靠性設(shè)計(jì)機(jī)械零件磨損強(qiáng)度的可靠性設(shè)計(jì)機(jī)械零件腐蝕可靠性設(shè)計(jì)機(jī)械零件腐蝕可靠性設(shè)計(jì)機(jī)械零件結(jié)構(gòu)穩(wěn)健可靠性設(shè)計(jì)機(jī)械零件結(jié)構(gòu)穩(wěn)健可靠性設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)可靠性分析機(jī)構(gòu)可靠性分析7.1 機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)概述機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)概述v機(jī)械可靠性發(fā)展概述機(jī)械可靠性發(fā)展概述v機(jī)械可靠性問題的分類機(jī)械可靠

5、性問題的分類v機(jī)械可靠性的特點(diǎn)機(jī)械可靠性的特點(diǎn)v傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的區(qū)別傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的區(qū)別v機(jī)械零件可靠性設(shè)計(jì)的特點(diǎn)機(jī)械零件可靠性設(shè)計(jì)的特點(diǎn)v機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的過程機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的過程v機(jī)構(gòu)可靠性簡(jiǎn)介機(jī)構(gòu)可靠性簡(jiǎn)介機(jī)械可靠性發(fā)展概述機(jī)械可靠性發(fā)展概述v 20世紀(jì)世紀(jì)40年代，年代，A. M. Freudenthal提出構(gòu)件強(qiáng)度的應(yīng)力提出構(gòu)件強(qiáng)度的應(yīng)力-強(qiáng)度強(qiáng)度干涉模型。干涉模型。Freudenthal A M. The safety of structures, Transactions of the American Society of Civil Engine

6、ers 1947: 112: 125180. v 20世紀(jì)世紀(jì)60年代，應(yīng)力年代，應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型被用于疲勞強(qiáng)度的強(qiáng)度干涉模型被用于疲勞強(qiáng)度的可靠性設(shè)計(jì)中?？煽啃栽O(shè)計(jì)中。Stulen F B. Preventing fatigue failures. Machine Design, 1961, 33:159-165. Kececioglu D. Designing a specified reliability directly into a component. The 3rd Annual Aerospace Reliability and Maintainability Confere

7、nce, Washington DC, 1964.Freudenthal A M, et al. The analysis of structure safety. Journal of Structure Division, 1966, 92(1):267-325.系統(tǒng)的機(jī)械可靠性研究始于系統(tǒng)的機(jī)械可靠性研究始于2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代美國(guó)的航天計(jì)劃。年代美國(guó)的航天計(jì)劃。機(jī)械和電子故障是機(jī)械和電子故障是NASA主要關(guān)心的問題，其中機(jī)械故障引主要關(guān)心的問題，其中機(jī)械故障引起的事故多，損失大。如：起的事故多，損失大。如： l1964年人造衛(wèi)星年人造衛(wèi)星III號(hào)因機(jī)械故障而損壞號(hào)因機(jī)械故障而損

8、壞l1965年始，年始，NASA開始三項(xiàng)機(jī)械可靠性工作開始三項(xiàng)機(jī)械可靠性工作用過載試驗(yàn)方法進(jìn)行可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證用過載試驗(yàn)方法進(jìn)行可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證用隨機(jī)動(dòng)載荷驗(yàn)證結(jié)構(gòu)和零件的可靠性用隨機(jī)動(dòng)載荷驗(yàn)證結(jié)構(gòu)和零件的可靠性在關(guān)鍵機(jī)械零件中采用概率設(shè)計(jì)方法，將可靠度設(shè)計(jì)到結(jié)構(gòu)在關(guān)鍵機(jī)械零件中采用概率設(shè)計(jì)方法，將可靠度設(shè)計(jì)到結(jié)構(gòu)和機(jī)械零部件中和機(jī)械零部件中l(wèi)1963年同步通訊衛(wèi)星年同步通訊衛(wèi)星SYMCOM，高壓容器斷裂，引起衛(wèi)星空中墜毀；，高壓容器斷裂，引起衛(wèi)星空中墜毀；機(jī)械可靠性發(fā)展概述機(jī)械可靠性發(fā)展概述 在在E.B. Haugen、F.B. Stulen、D. Kececioglu和和A. M. Freud

9、enthal等人的努力下，等人的努力下，20世紀(jì)世紀(jì)70年代前后，建立了一整年代前后，建立了一整套套基于應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型基于應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型的機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)方法。的機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)方法。/dimitri/D. Kececioglu機(jī)械可靠性發(fā)展概述機(jī)械可靠性發(fā)展概述Fellow of The Society of Automotive Engineers and of The American Society for Quality. Professor with 45 years of experience in Quality, Reliabil

10、ity and Maintainability Engineering, Reliability & Life Testing, Operational Readiness and Availability of Equipment, Mechanical Reliability, Burn-In Testing and Environmental Stress Screening. Author of 14 books and more than 164 papers. Recipient of over 95 awards. Consultant to over 210 companies

11、. Put on over 410 Training Seminars. D. Kececioglu各國(guó)機(jī)械可靠性學(xué)科發(fā)展歷史各國(guó)機(jī)械可靠性學(xué)科發(fā)展歷史美國(guó)：美國(guó)：二十世紀(jì)七十年代將可靠性技術(shù)引入汽車、發(fā)電設(shè)備、拖拉機(jī)二十世紀(jì)七十年代將可靠性技術(shù)引入汽車、發(fā)電設(shè)備、拖拉機(jī)和發(fā)電機(jī)等機(jī)械產(chǎn)品中。和發(fā)電機(jī)等機(jī)械產(chǎn)品中。二十世紀(jì)二十世紀(jì)八十年代，美國(guó)羅姆航空研究中心專門作了一次非電八十年代，美國(guó)羅姆航空研究中心專門作了一次非電子設(shè)備可靠性應(yīng)用情況的調(diào)查分析，指出了非電子設(shè)備的可靠子設(shè)備可靠性應(yīng)用情況的調(diào)查分析，指出了非電子設(shè)備的可靠性設(shè)計(jì)非常困難。性設(shè)計(jì)非常困難。美國(guó)國(guó)防部可靠性分析中心（美國(guó)國(guó)防部

12、可靠性分析中心（RAC）收集和出版了非電子零部）收集和出版了非電子零部件的可靠性數(shù)據(jù)手冊(cè)件的可靠性數(shù)據(jù)手冊(cè) 。D.Kececioglu等學(xué)者給出了指定應(yīng)力下疲勞壽命的分布，并做了等學(xué)者給出了指定應(yīng)力下疲勞壽命的分布，并做了大量的材料試驗(yàn)。大量的材料試驗(yàn)。各國(guó)機(jī)械可靠性學(xué)科發(fā)展歷史各國(guó)機(jī)械可靠性學(xué)科發(fā)展歷史日本：日本：以民用產(chǎn)品為主，大力推進(jìn)機(jī)械可靠性的應(yīng)用研究以民用產(chǎn)品為主，大力推進(jìn)機(jī)械可靠性的應(yīng)用研究在日本科技聯(lián)盟中設(shè)有一個(gè)機(jī)械工業(yè)的可靠性分科會(huì)，由企業(yè)的在日本科技聯(lián)盟中設(shè)有一個(gè)機(jī)械工業(yè)的可靠性分科會(huì)，由企業(yè)的可靠性推進(jìn)人員和院校教授組成可靠性推進(jìn)人員和院校教授組成日本可靠性的研究主要強(qiáng)調(diào)實(shí)

13、用，這就大大地促進(jìn)了日本的機(jī)電日本可靠性的研究主要強(qiáng)調(diào)實(shí)用，這就大大地促進(jìn)了日本的機(jī)電產(chǎn)品可靠性水平的提高產(chǎn)品可靠性水平的提高 日本：材料學(xué)會(huì)日本：材料學(xué)會(huì)19841984年出版了可靠性論文集，其中大部分都是報(bào)年出版了可靠性論文集，其中大部分都是報(bào)導(dǎo)關(guān)于金屬材料及粉末冶金等材料的疲勞和斷裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)導(dǎo)關(guān)于金屬材料及粉末冶金等材料的疲勞和斷裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)處理結(jié)果處理結(jié)果 。前蘇聯(lián)：前蘇聯(lián)： 對(duì)機(jī)械可靠性的研究十分重視，在其二十年的科對(duì)機(jī)械可靠性的研究十分重視，在其二十年的科技規(guī)劃中，將提高機(jī)械產(chǎn)品的可靠性和壽命作為重點(diǎn)技規(guī)劃中，將提高機(jī)械產(chǎn)品的可靠性和壽命作為重點(diǎn)任務(wù)之一任務(wù)之一 前蘇聯(lián)制

14、定了很多以機(jī)械產(chǎn)品為主的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，前蘇聯(lián)制定了很多以機(jī)械產(chǎn)品為主的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，用以推進(jìn)可靠性技術(shù)的應(yīng)用用以推進(jìn)可靠性技術(shù)的應(yīng)用 各國(guó)機(jī)械可靠性學(xué)科發(fā)展歷史各國(guó)機(jī)械可靠性學(xué)科發(fā)展歷史中國(guó)中國(guó) 二十世紀(jì)八十年代，我國(guó)開始重視機(jī)械可靠性的研究。從二十世紀(jì)八十年代，我國(guó)開始重視機(jī)械可靠性的研究。從1986年起，原機(jī)電部已經(jīng)發(fā)布了六批限期考核的機(jī)電產(chǎn)品可靠年起，原機(jī)電部已經(jīng)發(fā)布了六批限期考核的機(jī)電產(chǎn)品可靠性指標(biāo)的清單，前后共有性指標(biāo)的清單，前后共有879種產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)行了可靠性指標(biāo)的種產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)行了可靠性指標(biāo)的考核。考核。 我國(guó)投入了大量的人力和經(jīng)費(fèi)，花費(fèi)了幾年的時(shí)間，獲得我國(guó)投入了大量的人力和經(jīng)費(fèi)，花費(fèi)了

15、幾年的時(shí)間，獲得了一批非常珍貴的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并經(jīng)統(tǒng)計(jì)處理后給出了分布了一批非常珍貴的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并經(jīng)統(tǒng)計(jì)處理后給出了分布的統(tǒng)計(jì)參數(shù)供設(shè)計(jì)時(shí)使用。的統(tǒng)計(jì)參數(shù)供設(shè)計(jì)時(shí)使用。各國(guó)機(jī)械可靠性學(xué)科發(fā)展歷史各國(guó)機(jī)械可靠性學(xué)科發(fā)展歷史v 徐灝、王希季利用應(yīng)力徐灝、王希季利用應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型在國(guó)內(nèi)率先提出了機(jī)械強(qiáng)度干涉模型在國(guó)內(nèi)率先提出了機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)方法的概念，給出了強(qiáng)度可靠性的表達(dá)式。強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)方法的概念，給出了強(qiáng)度可靠性的表達(dá)式。v 高鎮(zhèn)同應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法對(duì)疲勞應(yīng)力進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法研究。高鎮(zhèn)同應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法對(duì)疲勞應(yīng)力進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法研究。v 謝里陽、凌靜等學(xué)者研究了機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)中的根

16、據(jù)概率等效謝里陽、凌靜等學(xué)者研究了機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)中的根據(jù)概率等效原則、損傷等效原則的可靠度計(jì)算方法。原則、損傷等效原則的可靠度計(jì)算方法。v 隨著模糊數(shù)學(xué)的發(fā)展，以及有限元計(jì)算手段的更新，模糊可靠隨著模糊數(shù)學(xué)的發(fā)展，以及有限元計(jì)算手段的更新，模糊可靠性設(shè)計(jì)理論以及概率有限元技術(shù)在國(guó)內(nèi)外也展開了相應(yīng)的研究。性設(shè)計(jì)理論以及概率有限元技術(shù)在國(guó)內(nèi)外也展開了相應(yīng)的研究。機(jī)械可靠性發(fā)展概述機(jī)械可靠性發(fā)展概述v 徐灝徐灝. 機(jī)械強(qiáng)度的可靠性設(shè)計(jì)機(jī)械強(qiáng)度的可靠性設(shè)計(jì)M, 北京北京:機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社, 1984. v 王希季，王希其王希季，王希其. 可靠性設(shè)計(jì)可靠性設(shè)計(jì)M, 云南工學(xué)院，云南工學(xué)院，1

17、984 v 高鎮(zhèn)同高鎮(zhèn)同. 疲勞應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)疲勞應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)M, 北京北京:國(guó)防工業(yè)出版社，國(guó)防工業(yè)出版社，1986 .v 徐灝徐灝. 概率疲勞概率疲勞M, 沈陽沈陽:東北大學(xué)出版社東北大學(xué)出版社, 1995. v 凌靜凌靜. 疲勞可靠性分析與設(shè)計(jì)疲勞可靠性分析與設(shè)計(jì)D, 北京航空航天大學(xué)博士論北京航空航天大學(xué)博士論文文, 1989.v 謝里陽謝里陽, 徐灝徐灝, 王德俊王德俊. 復(fù)雜載荷分布參數(shù)的確定及疲勞強(qiáng)復(fù)雜載荷分布參數(shù)的確定及疲勞強(qiáng)度可靠度計(jì)算方法度可靠度計(jì)算方法J, 機(jī)械強(qiáng)度機(jī)械強(qiáng)度, 1992, (2):15-18.v 盧玉明盧玉明. 機(jī)械零件可靠性設(shè)計(jì)機(jī)械零件可靠性設(shè)計(jì)M, 北京：高

18、等教育出版社，北京：高等教育出版社，1989 年年v 黃洪鐘黃洪鐘. 復(fù)雜系統(tǒng)模糊復(fù)雜系統(tǒng)模糊-隨機(jī)可靠性分析的基本理論隨機(jī)可靠性分析的基本理論J, 機(jī)機(jī)械科學(xué)與技術(shù)械科學(xué)與技術(shù), 1992, (2):12-19.v 黃洪鐘黃洪鐘. 同時(shí)考慮模糊性和隨機(jī)性時(shí)的系統(tǒng)可靠性分析方同時(shí)考慮模糊性和隨機(jī)性時(shí)的系統(tǒng)可靠性分析方法法J, 機(jī)械強(qiáng)度機(jī)械強(qiáng)度, 1992, 14(2):11-13.v 杜小平杜小平. 零件失效相關(guān)時(shí)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性計(jì)算零件失效相關(guān)時(shí)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性計(jì)算J, 機(jī)機(jī)械傳動(dòng)械傳動(dòng), 1994, 18(3):1-3.國(guó)外著名學(xué)者國(guó)外著名學(xué)者v 研究熱點(diǎn)問題研究熱點(diǎn)問題小樣本條件

19、下可靠性評(píng)估小樣本條件下可靠性評(píng)估失效模式相關(guān)條件下的可靠性設(shè)計(jì)與分析失效模式相關(guān)條件下的可靠性設(shè)計(jì)與分析基于失效物理的可靠性設(shè)計(jì)與分析基于失效物理的可靠性設(shè)計(jì)與分析全壽命周期產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)全壽命周期產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)多軸應(yīng)力作用下疲勞可靠性壽命預(yù)測(cè)多軸應(yīng)力作用下疲勞可靠性壽命預(yù)測(cè)穩(wěn)健可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)穩(wěn)健可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)機(jī)械可靠性發(fā)展概述機(jī)械可靠性發(fā)展概述國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目指南中擬資助項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目指南中擬資助項(xiàng)目v 重點(diǎn)項(xiàng)目：重點(diǎn)項(xiàng)目： 關(guān)鍵零件關(guān)鍵零件/構(gòu)件全壽命與可靠性設(shè)計(jì)基礎(chǔ)構(gòu)件全壽命與可靠性設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 典型零件典型零件/結(jié)構(gòu)的失效機(jī)理與可靠性設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的失效機(jī)理與可靠性設(shè)計(jì)v E05

20、04 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度學(xué)E050401 機(jī)械結(jié)構(gòu)損傷、疲勞與斷裂機(jī)械結(jié)構(gòu)損傷、疲勞與斷裂E050402 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度理論與可靠性設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度理論與可靠性設(shè)計(jì)E050403 機(jī)械結(jié)構(gòu)安全評(píng)定機(jī)械結(jié)構(gòu)安全評(píng)定v A0203 固體力學(xué)固體力學(xué)A020303 疲勞與可靠性疲勞與可靠性7.1 機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)概述機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)概述v機(jī)械可靠性發(fā)展概述機(jī)械可靠性發(fā)展概述v機(jī)械可靠性問題的分類機(jī)械可靠性問題的分類v機(jī)械可靠性的特點(diǎn)機(jī)械可靠性的特點(diǎn)v傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的區(qū)別傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的區(qū)別v機(jī)械零件可靠性設(shè)計(jì)的特點(diǎn)機(jī)械零件可靠性設(shè)計(jì)的特點(diǎn)v機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的過程機(jī)械可

21、靠性設(shè)計(jì)的過程v機(jī)構(gòu)可靠性簡(jiǎn)介機(jī)構(gòu)可靠性簡(jiǎn)介v結(jié)構(gòu)可靠性結(jié)構(gòu)可靠性 主要考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度以及由于載荷的影響使之疲主要考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度以及由于載荷的影響使之疲勞、磨損、斷裂等引起的失效。勞、磨損、斷裂等引起的失效。v機(jī)構(gòu)可靠性機(jī)構(gòu)可靠性 主要考慮的不是強(qiáng)度問題引起的失效，而是考慮機(jī)構(gòu)主要考慮的不是強(qiáng)度問題引起的失效，而是考慮機(jī)構(gòu)在動(dòng)作過程由于運(yùn)動(dòng)學(xué)問題而引起的故障。在動(dòng)作過程由于運(yùn)動(dòng)學(xué)問題而引起的故障。 機(jī)械可靠性問題的分類機(jī)械可靠性問題的分類機(jī)械可靠性研究?jī)?nèi)容機(jī)械可靠性研究?jī)?nèi)容機(jī)械機(jī)械系統(tǒng)系統(tǒng)可靠可靠性性機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)分析理論與方法機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)分析理論與方法v 機(jī)械產(chǎn)品的失效主要是耗損型

22、失效。機(jī)械產(chǎn)品的失效主要是耗損型失效。v 機(jī)械零部件通用化、標(biāo)準(zhǔn)化程度比電子產(chǎn)品低。機(jī)械零部件通用化、標(biāo)準(zhǔn)化程度比電子產(chǎn)品低。v 機(jī)械加工制造對(duì)產(chǎn)品可靠性影響大。機(jī)械加工制造對(duì)產(chǎn)品可靠性影響大。v 機(jī)械產(chǎn)品的可靠性受維修制度和維修方案的影響大。機(jī)械產(chǎn)品的可靠性受維修制度和維修方案的影響大。v 機(jī)械產(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)困難。機(jī)械產(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)困難。機(jī)械可靠性的特點(diǎn)機(jī)械可靠性的特點(diǎn)傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的區(qū)別傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的區(qū)別設(shè)計(jì)變量的處理方法不同設(shè)計(jì)變量的處理方法不同傳統(tǒng)的確定性設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的確定性設(shè)計(jì) 非確定性的概率設(shè)計(jì)非確定性的概率設(shè)計(jì)安全間距安全間距應(yīng)力應(yīng)力強(qiáng)度強(qiáng)度應(yīng)力

23、應(yīng)力強(qiáng)度強(qiáng)度v安全系數(shù)法安全系數(shù)法v概率設(shè)計(jì)概率設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的區(qū)別傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的區(qū)別設(shè)計(jì)變量運(yùn)算方法不同設(shè)計(jì)變量運(yùn)算方法不同確定性函數(shù)關(guān)系確定性函數(shù)關(guān)系 隨機(jī)變量組合運(yùn)算隨機(jī)變量組合運(yùn)算FA(,)(,)(,)FFssAAFA 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則含義不同設(shè)計(jì)準(zhǔn)則含義不同傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的區(qū)別傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的區(qū)別 ca nn傳統(tǒng)設(shè)計(jì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)( )() R tPSR可靠性設(shè)計(jì)可靠性設(shè)計(jì)強(qiáng)度強(qiáng)度應(yīng)力應(yīng)力機(jī)械零件可靠性設(shè)計(jì)的特點(diǎn)機(jī)械零件可靠性設(shè)計(jì)的特點(diǎn)v 是常規(guī)設(shè)計(jì)方法的發(fā)展和深化。是常規(guī)設(shè)計(jì)方法的發(fā)展和深化。v 認(rèn)為作用在零部件上的應(yīng)力和零部

24、件的強(qiáng)度都不是定認(rèn)為作用在零部件上的應(yīng)力和零部件的強(qiáng)度都不是定值，而是服從一定分布的隨機(jī)變量。值，而是服從一定分布的隨機(jī)變量。v 承認(rèn)所設(shè)計(jì)的零部件存在一定的失效可能性，但不能承認(rèn)所設(shè)計(jì)的零部件存在一定的失效可能性，但不能超過技術(shù)文件所規(guī)定的允許值。超過技術(shù)文件所規(guī)定的允許值。v 可以更科學(xué)合理地獲得較小的零件尺寸、體積和重量，可以更科學(xué)合理地獲得較小的零件尺寸、體積和重量，同時(shí)也可使所設(shè)計(jì)的零件具有可預(yù)測(cè)的壽命和失效率。同時(shí)也可使所設(shè)計(jì)的零件具有可預(yù)測(cè)的壽命和失效率。機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)過程機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)過程主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)概述機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)概述應(yīng)力應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型強(qiáng)度干涉模型

25、機(jī)械零部件靜強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)機(jī)械零部件靜強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)機(jī)械零部件疲勞強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)機(jī)械零部件疲勞強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型v 應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型的基本形式應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型的基本形式v 利用利用SSI模型計(jì)算可靠度模型計(jì)算可靠度概率密度聯(lián)合積分法概率密度聯(lián)合積分法強(qiáng)度與應(yīng)力之差概率密度函數(shù)積分法強(qiáng)度與應(yīng)力之差概率密度函數(shù)積分法幾種常用分布的可靠度計(jì)算幾種常用分布的可靠度計(jì)算v 強(qiáng)度分布參數(shù)的確定強(qiáng)度分布參數(shù)的確定v 應(yīng)力分布參數(shù)的確定應(yīng)力分布參數(shù)的確定應(yīng)力應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型強(qiáng)度干涉模型v廣義的應(yīng)力廣義的應(yīng)力施加于產(chǎn)品或零件上的物理量，如：應(yīng)力、壓力、溫度、施加于產(chǎn)品或零件上的物理量

26、，如：應(yīng)力、壓力、溫度、濕度、沖擊等。濕度、沖擊等。影響因素包括：載荷情況、應(yīng)力集中、工作溫度、潤(rùn)滑影響因素包括：載荷情況、應(yīng)力集中、工作溫度、潤(rùn)滑狀態(tài)等。狀態(tài)等。v廣義的強(qiáng)度廣義的強(qiáng)度產(chǎn)品或零件能夠承受上述應(yīng)力的程度。產(chǎn)品或零件能夠承受上述應(yīng)力的程度。影響因素包括：材料性能、表面質(zhì)量、尺寸效應(yīng)等。影響因素包括：材料性能、表面質(zhì)量、尺寸效應(yīng)等。Stress Strength Intersection (SSI)v 應(yīng)力和強(qiáng)度都是服從一定分布的隨機(jī)變量，把應(yīng)力和強(qiáng)度的應(yīng)力和強(qiáng)度都是服從一定分布的隨機(jī)變量，把應(yīng)力和強(qiáng)度的分布在同一坐標(biāo)系中表示。分布在同一坐標(biāo)系中表示。f (S)零件（部件）的應(yīng)力概

27、率密度函數(shù)；零件（部件）的應(yīng)力概率密度函數(shù)；g ( ) 零件（部件）的強(qiáng)度概率密度函數(shù)零件（部件）的強(qiáng)度概率密度函數(shù) 。應(yīng)力應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型強(qiáng)度干涉模型Stress Strength Intersection (SSI) )基于模型和基于統(tǒng)計(jì)可靠性區(qū)別與聯(lián)系基于模型和基于統(tǒng)計(jì)可靠性區(qū)別與聯(lián)系基于統(tǒng)計(jì)的可靠性定義基于統(tǒng)計(jì)的可靠性定義：在規(guī)定的時(shí)間和規(guī)定的條件下，設(shè)：在規(guī)定的時(shí)間和規(guī)定的條件下，設(shè)備無故障完成規(guī)定功能的能力。備無故障完成規(guī)定功能的能力。基于模型的可靠性定義基于模型的可靠性定義：基于：基于SSI模型得到的概率。模型得到的概率。PrRtTPrRS( )( )f Sg( )f S( )g

28、S,S1R ()01RPSR0R ( )( )f Sg( )f S( )gS,S( )( )f Sg( )f S( )gS,S應(yīng)力應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型強(qiáng)度干涉模型gSv 性能函數(shù)表達(dá)簡(jiǎn)單性能函數(shù)表達(dá)簡(jiǎn)單干涉面積法干涉面積法v 性能函數(shù)多維、高度非線性性能函數(shù)多維、高度非線性12,.,ngf x xx一階可靠性方法一階可靠性方法(FORM)二階可靠性方法二階可靠性方法(SORM)蒙特卡洛仿真蒙特卡洛仿真(MCS)tS常規(guī)設(shè)計(jì)最初的安全裕度實(shí)際安全裕度0t1t2t( )g( )f S應(yīng)力強(qiáng)度分布曲線與時(shí)間的關(guān)系應(yīng)力強(qiáng)度分布曲線與時(shí)間的關(guān)系強(qiáng)度衰退曲線強(qiáng)度衰退曲線干涉概率的計(jì)算方法干涉概率的計(jì)算方法概率

29、密度聯(lián)合積分法概率密度聯(lián)合積分法概率密度聯(lián)合積分法概率密度聯(lián)合積分法事件事件A：給定工作應(yīng)力給定工作應(yīng)力S1落在小區(qū)間落在小區(qū)間dS內(nèi)內(nèi)1111( )()()22dSdSP AP SSSf S dS( )( )f Sg,S( )f S( )g1SdS11()( )SPSgd事件事件B：強(qiáng)度大于應(yīng)力的概率為：強(qiáng)度大于應(yīng)力的概率為：概率密度聯(lián)合積分法概率密度聯(lián)合積分法( )( )f Sg,S( )f S( )g1SdS 假設(shè)假設(shè)事件事件A 與與事件事件B為兩個(gè)獨(dú)立的隨機(jī)事件，因?yàn)閮蓚€(gè)獨(dú)立的隨機(jī)事件，因此兩獨(dú)立事件同時(shí)發(fā)生的概率為此兩獨(dú)立事件同時(shí)發(fā)生的概率為11( )Sf SdSgd因?yàn)樯鲜揭驗(yàn)樯鲜?/p>

30、S1為應(yīng)力區(qū)間內(nèi)的任意值，現(xiàn)考慮整個(gè)應(yīng)力為應(yīng)力區(qū)間內(nèi)的任意值，現(xiàn)考慮整個(gè)應(yīng)力區(qū)間內(nèi)的情況，有強(qiáng)度大于應(yīng)力的概率（可靠度）為區(qū)間內(nèi)的情況，有強(qiáng)度大于應(yīng)力的概率（可靠度）為 SRf SgddS概率密度聯(lián)合積分法概率密度聯(lián)合積分法 1SFf SgddS SRf SgddS 1SSgdgd 1ssgdgd ( )GS強(qiáng)度的累積分布函數(shù)強(qiáng)度的累積分布函數(shù) 1( )Rf SGSdS ( )f S dSf S GS dS 1( )f S GS dS ( )Ff SGS dS( )( )f Sg,S( )f S( )g1d1( ) ( )1( )( )SSFFgdFgd ()RP Sgf S dSd ( )S

31、gFd另一種表達(dá)形式另一種表達(dá)形式應(yīng)力的累積分布函數(shù)應(yīng)力的累積分布函數(shù)小結(jié)小結(jié) 1( )Rf S GS dS ( )Ff S GS dS ( )SRgFd1( ) ( )1( )( )SSFFgdFgd 干涉概率的計(jì)算方法干涉概率的計(jì)算方法強(qiáng)度與應(yīng)力之差概率密度函數(shù)積分法強(qiáng)度與應(yīng)力之差概率密度函數(shù)積分法yS令令(0)P y 零件的不失效概率為零件的不失效概率為設(shè)隨機(jī)變量設(shè)隨機(jī)變量y的概率密度函數(shù)為：的概率密度函數(shù)為：( )h y0(0)( )RP yh y dy強(qiáng)度與應(yīng)力之差概率密度函數(shù)積分法強(qiáng)度與應(yīng)力之差概率密度函數(shù)積分法y( )h y0y 0y (0)P y (0)P y ( )() (

32、)Sh yg yS f S dSyS根據(jù)概率論中的卷積公式，干涉隨機(jī)變量根據(jù)概率論中的卷積公式，干涉隨機(jī)變量y的概率的概率密度函數(shù)為：密度函數(shù)為：00( )() ( )yh yg yS f S dS0( )() ( )Syh yg yS f S dS00( )() ( )SFh y dyg yS f S dS dy00( )() ( )SRh y dyg yS f S dS dy強(qiáng)度與應(yīng)力均服從指數(shù)分布時(shí)強(qiáng)度與應(yīng)力均服從指數(shù)分布時(shí)零件的可靠度計(jì)算零件的可靠度計(jì)算應(yīng)力分布函數(shù)應(yīng)力分布函數(shù)( )10SSF SeS 強(qiáng)度密度函數(shù)強(qiáng)度密度函數(shù)( )0ge ( )SRgFd01Seed SS11,SSS

33、R應(yīng)力的應(yīng)力的均值均值強(qiáng)度的強(qiáng)度的均值均值強(qiáng)度與應(yīng)力均服從正態(tài)分布時(shí)強(qiáng)度與應(yīng)力均服從正態(tài)分布時(shí)強(qiáng)度和應(yīng)力的概率密度函數(shù)為：強(qiáng)度和應(yīng)力的概率密度函數(shù)為：22()1( )exp22g 22()1( )exp22SSSSf SS yS22yS則則y也服從正態(tài)分布。隨機(jī)變量也服從正態(tài)分布。隨機(jī)變量y的均值和方差如下：的均值和方差如下：22222()1( )exp2()2SSSyh y隨機(jī)變量隨機(jī)變量y的概率密度函數(shù)如下：的概率密度函數(shù)如下：y( )h y0y 0y (0)P y (0)P y 2021()(0)exp22zyyyP ydy零件的失效概率為零件的失效概率為yyyz令：令：ydydz則：則

34、：21(0)()exp()22yyyyzP yP zdz 化為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布：化為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布：21(0)()exp()22yyyyzP yP zdz yyz 令：令：(0)( )P yz 查標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布積分表，可求解。查標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布積分表，可求解。(0)1( )()RP yzz 零件的可靠度為：零件的可靠度為：22ySyS可靠性指標(biāo)的概念可靠性指標(biāo)的概念( )R z( )f zzyyyyz 例題例題 1 1 一鋼絲繩受拉伸，已知鋼絲繩的承載能力和所受的載一鋼絲繩受拉伸，已知鋼絲繩的承載能力和所受的載荷均為正態(tài)分布，承載能力荷均為正態(tài)分布，承載能力CN(907200,1360002)N；載荷；載

35、荷FN(544300,1134002)N 。求失效概率。求失效概率。解：解：22229072005443002.05136000113400yCFyCFz ( 2.05)0.02022.02%F 1( 2.05)97.98%R 如果采用另一廠生產(chǎn)的鋼絲繩，由于嚴(yán)格的質(zhì)量管如果采用另一廠生產(chǎn)的鋼絲繩，由于嚴(yán)格的質(zhì)量管理，鋼絲繩的一致性較好，承載能力的標(biāo)準(zhǔn)差從理，鋼絲繩的一致性較好，承載能力的標(biāo)準(zhǔn)差從136000N降為降為90700N，則：，則：22229072005443002.5090700113400yCFyCFz ( 2.50)0.00620.62% 1( 2.50)99.38%R 失效概

36、率失效概率可靠度可靠度例：某零件強(qiáng)度和應(yīng)力均服從正態(tài)分布例：某零件強(qiáng)度和應(yīng)力均服從正態(tài)分布,強(qiáng)度強(qiáng)度=180MPa， =22.5MPa;工作應(yīng)力工作應(yīng)力 S=130MPa， S=13MPa，且計(jì)算零件，且計(jì)算零件的失效 概 率 與 可 靠度。若控制強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，使其降到的失效 概 率 與 可 靠度。若控制強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，使其降到 =14MPa時(shí)，失效概率與可靠度為多少時(shí)，失效概率與可靠度為多少?22221801301.92422.513SS 1.9240.9728R 當(dāng)當(dāng) S=14MPa時(shí)時(shí)2222180 1302.6181413SS 2.6180.995699.56%R 強(qiáng)度與應(yīng)力均服從對(duì)數(shù)正態(tài)分

37、布時(shí)強(qiáng)度與應(yīng)力均服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布時(shí)2lnlnln(,)SSSN2lnlnln(,)N22lnlnlnln,ySySlnlnlnySS令令與強(qiáng)度、應(yīng)力均服從正態(tài)分布形式相同，而與強(qiáng)度、應(yīng)力均服從正態(tài)分布形式相同，而lnlnlnln2222lnlnlnln,SSSSzR 22lnln1如果已知對(duì)數(shù)正態(tài)隨機(jī)變量的均值和標(biāo)準(zhǔn)差如果已知對(duì)數(shù)正態(tài)隨機(jī)變量的均值和標(biāo)準(zhǔn)差,S,S2lnlnln22lnlnln2SSS22lnln1SSS例例 題題已知某機(jī)械零件的應(yīng)力與強(qiáng)度均服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，其均值及已知某機(jī)械零件的應(yīng)力與強(qiáng)度均服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，其均值及標(biāo)準(zhǔn)差分別為標(biāo)準(zhǔn)差分別為60MPa,10MPa,100MP

38、a,10MPaSS計(jì)算該零件的可靠度。計(jì)算該零件的可靠度。22ln10ln10.027460S22ln10ln10.009951002ln0.0274ln604.08062S2ln0.00995ln1004.60022解：解：lnln2222lnln4.60024.08060.009950.02742.68860.9964SSR 應(yīng)力均服從指數(shù)分布，強(qiáng)度服從正態(tài)分布應(yīng)力均服從指數(shù)分布，強(qiáng)度服從正態(tài)分布應(yīng)力密度函數(shù)應(yīng)力密度函數(shù)( )0SSSf SeS強(qiáng)度密度函數(shù)強(qiáng)度密度函數(shù)211,SSSS22()1( )exp22g 00( )1SSRgFdged 00Sgdged 1 0SBged 220()

39、1exp22Sed 0SBged 220()1exp22Sd 222242011exp()222SSSd 22224220111exp()exp2222SSSd 22224220111exp()exp2222SSSd 21S 22122SSe 22212211SSSRe 例：已知零件的剪切強(qiáng)度服從正態(tài)分布，均值例：已知零件的剪切強(qiáng)度服從正態(tài)分布，均值=186MPa， =22MPa 。作用于零件上的剪應(yīng)力為指數(shù)分布，均值。作用于零件上的剪應(yīng)力為指數(shù)分布，均值S=1/S=127MPa。試計(jì)算該零件的可靠度及失效概率。試計(jì)算該零件的可靠度及失效概率。1.4518.45518.280.7654Re 2

40、346. 07654. 011RF1868.45522221112 186221.45212712721186221278.282222212211SSSRe 應(yīng)力均服從正態(tài)分布，強(qiáng)度服從指數(shù)分布應(yīng)力均服從正態(tài)分布，強(qiáng)度服從指數(shù)分布應(yīng)力密度函數(shù)應(yīng)力密度函數(shù)( )0ge 強(qiáng)度密度函數(shù)強(qiáng)度密度函數(shù)211,22()1( )exp22SSSSf SS ()1( )RPSG S f S dS 2212221SSSSSRe 關(guān)于應(yīng)力關(guān)于應(yīng)力- -強(qiáng)度干涉模型的研究強(qiáng)度干涉模型的研究v基于性能退化的應(yīng)力基于性能退化的應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型強(qiáng)度干涉模型提出與時(shí)間相關(guān)的應(yīng)力提出與時(shí)間相關(guān)的應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型強(qiáng)度干涉

41、模型利用加速應(yīng)力與退化實(shí)驗(yàn)獲取強(qiáng)度退化規(guī)律利用加速應(yīng)力與退化實(shí)驗(yàn)獲取強(qiáng)度退化規(guī)律中國(guó)航空學(xué)會(huì)中國(guó)航空學(xué)會(huì)20072007年學(xué)術(shù)會(huì)議論文集年學(xué)術(shù)會(huì)議論文集 李曉陽李曉陽 姜同敏姜同敏關(guān)于應(yīng)力關(guān)于應(yīng)力- -強(qiáng)度干涉模型的研究強(qiáng)度干涉模型的研究v復(fù)合應(yīng)力作用下強(qiáng)度退化的應(yīng)力一強(qiáng)度干涉復(fù)合應(yīng)力作用下強(qiáng)度退化的應(yīng)力一強(qiáng)度干涉模型可靠性統(tǒng)計(jì)分析模型可靠性統(tǒng)計(jì)分析在隨機(jī)復(fù)合應(yīng)力作用下強(qiáng)度隨使用時(shí)間不斷退化在隨機(jī)復(fù)合應(yīng)力作用下強(qiáng)度隨使用時(shí)間不斷退化的規(guī)律的規(guī)律提出了一個(gè)隨機(jī)復(fù)合應(yīng)力一強(qiáng)度退化干涉失效模提出了一個(gè)隨機(jī)復(fù)合應(yīng)力一強(qiáng)度退化干涉失效模型和模型未知參數(shù)的估計(jì)方法型和模型未知參數(shù)的估計(jì)方法該模型考慮了應(yīng)力與強(qiáng)度退化的相關(guān)性該模型考慮了應(yīng)力與強(qiáng)度退化的相關(guān)性復(fù)合應(yīng)力包含沖擊應(yīng)力和穩(wěn)定應(yīng)力復(fù)合應(yīng)力包含沖擊應(yīng)力和穩(wěn)定應(yīng)力孫權(quán)孫權(quán), ,趙建印趙建印, ,周經(jīng)倫周經(jīng)倫. .計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào).2007,24(3).2007,24(3)