第4章可靠性設(shè)計(jì)

第四章可靠性設(shè)計(jì)凌鶴linghe@機(jī)電工程學(xué)院第四章可靠性設(shè)計(jì)本章主要內(nèi)容:

4.1

4.2

4.3

4.4可靠性設(shè)計(jì)的基本概念零件的可靠性設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)可靠性設(shè)計(jì)實(shí)例可靠性設(shè)計(jì)的重要意義一個(gè)滿意的顧客會(huì)告訴8個(gè)人，一個(gè)不滿意的顧客會(huì)告訴20個(gè)人，只有可靠的產(chǎn)品才能帶來長期效益和忠誠的顧客！美國的宇宙飛船阿波羅工程有700萬只元器件和零件，參加人數(shù)達(dá)42萬人，參予制造的廠家達(dá)1萬5千多家，生產(chǎn)周期達(dá)數(shù)年之久?？煽啃詥栴}特別突出。

產(chǎn)品或設(shè)備的故障都會(huì)影響生產(chǎn)和造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。(特別是大型流程企業(yè))研究與提高產(chǎn)品的可靠性是要付出一定代價(jià)的。系統(tǒng)可靠性基本術(shù)語

（1）

系統(tǒng)（System）一個(gè)系統(tǒng)是由一組零件（元件）、部件、子系統(tǒng)或裝配件（統(tǒng)稱為單元）構(gòu)成的、完成期望的功能、并具有可接受的性能和可靠性水平的一種特定設(shè)計(jì)。系統(tǒng)實(shí)例可靠性定義可靠性：就是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)、產(chǎn)品完成規(guī)定功能的能力。對于一個(gè)具體的產(chǎn)品，應(yīng)按上述各點(diǎn)分別給予具體的明確的定義。產(chǎn)品：指作為單獨(dú)研究和分別試驗(yàn)對象的任何元件、設(shè)備或系統(tǒng)，可以是零件、部件，也可以是由它們裝配而成的機(jī)器，或由許多機(jī)器組成的機(jī)組和成套設(shè)備，甚至還把人的作用也包括在內(nèi)?？煽啃远x包括下列四要素：

(1)規(guī)定的條件

一般指的是使用條件，環(huán)境條件。

(2)規(guī)定的時(shí)間是可靠性區(qū)別于產(chǎn)品其他質(zhì)量屬性的重要特征，一般也可認(rèn)為可靠性是產(chǎn)品功能在時(shí)間上的穩(wěn)定程度。

(3)規(guī)定的功能道德要明確具體產(chǎn)品的功能是什么，怎樣才算是完成規(guī)定功能。

(4)具體的可靠性指標(biāo)值（概率）只是定性的理解是比較抽象的，為了衡量檢驗(yàn)，后面將加以定量描述。一、可靠性設(shè)計(jì)的基本概念（1）可靠度Reliability產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率，稱為產(chǎn)品的可靠度，用表示。在上述情況下，產(chǎn)品發(fā)生故障的概率定義為不可靠度，用表示。顯然有：或§4.1可靠性設(shè)計(jì)的基本概念

有N0個(gè)同樣的系統(tǒng)，使它們同時(shí)工作在同樣的條件下，從它們開始運(yùn)行到t時(shí)刻的時(shí)間內(nèi)，有Nf(t)個(gè)系統(tǒng)發(fā)生故障，Ns(t)個(gè)系統(tǒng)工作完好。

因?yàn)橐粋€(gè)系統(tǒng)發(fā)生故障和無故障是互斥事件，必須滿足R(t)+F(t)=1。故可靠度還可以寫成：系統(tǒng)的不可靠度F(t)可相應(yīng)地表示為：則該系統(tǒng)t時(shí)間的可靠度可表示為：

例如：某種系統(tǒng)(或部件或元件)1000個(gè)，工作1000h，有10個(gè)發(fā)生故障。我們可以計(jì)算出這種系統(tǒng)(或部件或元件)千小時(shí)的可靠度為？解：系統(tǒng)的可靠度（2）失效率（故障率）

產(chǎn)品正常工作到某時(shí)刻t，在該時(shí)刻后單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障的概率，稱為產(chǎn)品的失效率，用表示。它與可靠度的關(guān)系可表示為：

假定N個(gè)系統(tǒng)的可靠度為R(t)，在t時(shí)刻到t+Δt時(shí)刻的失效數(shù)為N［R(t)-R(t+Δt)］。那么，單位時(shí)間內(nèi)的失效數(shù)為N［R(t)-R(t+Δt)］/Δt。t時(shí)刻完好系統(tǒng)數(shù)為NR(t)。于是，失效率λ(t)可以用下式表示：

例如：今有100個(gè)零件，已工作了6年，工作滿5年時(shí)共有3個(gè)失效，工作滿6年時(shí)共有6個(gè)失效。試計(jì)算這批零件工作滿5年時(shí)的失效率。解：時(shí)間以年為單位，Δt=1年三種失效率函數(shù)下降定值增長

實(shí)際中特別重要的情況是產(chǎn)品在很長一段時(shí)間內(nèi)故障率接近常數(shù)，此時(shí)三種失效率函數(shù)形態(tài)遞減型失效率曲線恒定型失效率曲線遞增型失效率曲線失效率曲線耗損失效期t時(shí)間偶然失效期早期失效期使用壽命規(guī)定的失效率λ(t)失效率AB故障率曲線分析“浴盆曲線”

(a)早期故障期：產(chǎn)品早期故障反映了設(shè)計(jì)、制造、加工、裝配等質(zhì)量薄弱環(huán)節(jié)。早期故障期又稱調(diào)整期或鍛煉期，此種故障可用廠內(nèi)試驗(yàn)的辦法來消除。故障率曲線分析

(b)正常工作期：在此期間產(chǎn)品故障率低而且穩(wěn)定，是設(shè)備工作的最好時(shí)期。在這期間內(nèi)產(chǎn)品發(fā)生故障大多出于偶然因素，如突然過載、碰撞等，因此這個(gè)時(shí)期又叫偶然失效期。可靠性研究的重點(diǎn)，在于延長正常工作期的長度。

故障率曲線分析(c)損耗時(shí)期：零件磨損、陳舊，引起設(shè)備故障率升高。如能預(yù)知耗損開始的時(shí)間，通過加強(qiáng)維修，在此時(shí)間開始之前就及時(shí)將陳舊損壞的零件更換下來，可使故障率下降，也就是說可延長可維修的設(shè)備與系統(tǒng)的有效壽命。故障率的單位一般采用10-5小時(shí)或10-9小時(shí)(稱10-9小時(shí)為1fit)。故障率也可用工作次數(shù)、轉(zhuǎn)速、距離等。（3）故障密度函數(shù)

故障密度函數(shù)定義為不可靠度的導(dǎo)數(shù)，即

則或（4）平均壽命MTTF或MTBF

對于不可修復(fù)的產(chǎn)品而言，平均壽命就是平均無故障工作時(shí)間MTTF。它是指不可修復(fù)產(chǎn)品在發(fā)生故障前的平均工作時(shí)間。

對于可修復(fù)的產(chǎn)品，平均壽命就是平均故障間隔時(shí)間MTBF。它是指可修復(fù)產(chǎn)品在兩次故障間的平均工作時(shí)間。定義：指產(chǎn)品從投入運(yùn)行到發(fā)生失效的平均工作時(shí)間。平均壽命通俗表達(dá)：平均壽命與可靠度有如下關(guān)系：例：設(shè)有5個(gè)不可修復(fù)產(chǎn)品進(jìn)行壽命試驗(yàn)，它們發(fā)生失效的時(shí)間分別是1000h、1500h、2000h、2200h、2300h，求它們MTTF的觀測值參考答案1800h(5)

平均故障間隔時(shí)間描述可靠性的另一個(gè)重要參數(shù)稱為平均故障間隔時(shí)間MTBF或平均無故障時(shí)間(也稱為故障前平均時(shí)間)MTTF。前者用來描述可修復(fù)的產(chǎn)品；后者用于描述不可修復(fù)產(chǎn)品。一般情況下，通常都用MTBF來表示：例如:1000臺微型計(jì)算機(jī)，運(yùn)行1000h，累計(jì)出現(xiàn)10次故障，則這種微型機(jī)的MTBF計(jì)算如下：（6）平均修復(fù)時(shí)間和利用率平均維修時(shí)間和利用率則又從另一角度來描述一個(gè)系統(tǒng)(或部件或元器件)的可靠性。對一臺微型機(jī)來說，當(dāng)它出現(xiàn)故障時(shí)是可以進(jìn)行維修的。

為了表征系統(tǒng)的可維修性，引入平均修復(fù)時(shí)間MTTR。它也是一個(gè)統(tǒng)計(jì)值，用下式表示：

系統(tǒng)的可用性通常用利用率來表示。利用率就是系統(tǒng)長時(shí)間工作中正常工作的概率，也就是系統(tǒng)的使用效率，利用率A用下式表示：（7）維修度

維修度是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下維修時(shí)，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，使產(chǎn)品保持或恢復(fù)到規(guī)定功能的概率。它反映了產(chǎn)品維修的難易程度。（8）平均修復(fù)時(shí)間MTTR

排除產(chǎn)品故障所需的平均時(shí)間，稱為產(chǎn)品的平均修復(fù)時(shí)間。（9）修復(fù)率

修復(fù)率分為瞬時(shí)修復(fù)率和平均修復(fù)率。瞬時(shí)修復(fù)率是指正在修理的產(chǎn)品在某時(shí)刻t之后，單位時(shí)間內(nèi)恢復(fù)其規(guī)定功能的概率。平均修復(fù)率的定義為(10)重要度若干個(gè)部件組成的系統(tǒng)中，每個(gè)部件并非等同重要，在可靠性分析中，一般將各部件在系統(tǒng)中所起的重要程度進(jìn)行定量描述，用wj表示。

顯然，0≤wj≤1。這個(gè)重要度是從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來看部件的重要程度，因此它是結(jié)構(gòu)重要度。

(11)有效度

對于可修復(fù)產(chǎn)品，只考慮其發(fā)生故障的概率顯然是不合適的，還應(yīng)考慮被修復(fù)的可能性，衡量修復(fù)可能性的指標(biāo)為維修度，用A(t)表示。

1)瞬時(shí)有效度2)平均有效度二、可靠性指標(biāo)可靠性指標(biāo)定義單位可靠度R(t)產(chǎn)品在規(guī)定條件下，規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定任務(wù)的概率%故障率(瞬時(shí)故障率，失效率)λ(t)在某時(shí)刻以前工作起來的產(chǎn)品，在繼續(xù)的單位時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生故障的比例%/103h;非特(Fit)=10-9/h平均故障間隔時(shí)間(MTBF)對于可修復(fù)的產(chǎn)品，兩相鄰故障間的工作時(shí)間的平均值時(shí)間維修度可以維修的產(chǎn)品，在規(guī)定的條件下，規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成維修的概率%平均修復(fù)時(shí)間(MTTR)修復(fù)性維修所需要的時(shí)間的平均值時(shí)間平均維護(hù)時(shí)間(MTTM)對可維修產(chǎn)品，維護(hù)所需時(shí)音質(zhì)平均值時(shí)間平均能工作時(shí)間(MUT)能工作時(shí)間的平均值時(shí)間可用度A(t)可以維修的產(chǎn)品，在某特定的瞬間，維持其功能的概率%三、可靠性指標(biāo)示例使用條件修理的可能性維護(hù)種類產(chǎn)品例可靠性指標(biāo)例連續(xù)使用可修復(fù)預(yù)防性維護(hù)電子計(jì)算機(jī)武器、車輛、飛機(jī)、生產(chǎn)設(shè)備、雷達(dá)、載波機(jī)平均故障間隔時(shí)間耐用壽命有效度事后維護(hù)實(shí)施用電氣用具和機(jī)械器具，電視機(jī)平均故障間隔時(shí)間耐用壽命早期失效率（一年）不可修復(fù)使用到耗損故障期電子元器件、機(jī)械零部件、一般消費(fèi)用具失效率平均壽命失效分布形狀及其參數(shù)使用一定時(shí)間后棄去實(shí)行預(yù)防性維護(hù)的設(shè)備的元器件和零部件，使用期比平均壽命長的元器件、零部件失效率更新壽命失效分布形狀及其參數(shù)突然使用可修復(fù)預(yù)防性維護(hù)過負(fù)荷繼電器成功率不可修復(fù)雷管、炮彈、導(dǎo)彈成功率四、結(jié)構(gòu)可靠性問題中幾種最常用分布1、均勻分布2、指數(shù)分布

指數(shù)分布在可靠性領(lǐng)域里應(yīng)用最多，由于它的特殊性，以及在數(shù)學(xué)上易處理成較直觀的曲線，故在許多領(lǐng)域中首先把指數(shù)分布討論清楚。若產(chǎn)品的壽命或某一特征值t的故障密度為

(λ＞0，t≥0)

則稱t服從參數(shù)λ的指數(shù)分布。指數(shù)分布則有：不可靠度(t≥0)

可靠度(t≥0)失效率（故障率）

平均故障間隔時(shí)間

例：一元件壽命服從指數(shù)分布，其平均壽命(θ)為2000小時(shí)，求失效率λ及求可靠度R

(100)=?R(1000)=?解：(小時(shí)-1)

此元件在100小時(shí)時(shí)的可靠度為0.95，而在1000小時(shí)時(shí)的可靠度為0.60。指數(shù)分布性質(zhì)指數(shù)分布的一個(gè)重要性質(zhì)是無記憶性。無記憶性是產(chǎn)品在經(jīng)過一段時(shí)間t0工作之后的剩余壽命仍然具有原來工作壽命相同的分布，而與t無關(guān)(馬爾克夫性)。這個(gè)性質(zhì)說明，壽命分布為指數(shù)分布的產(chǎn)品，過去工作了多久對現(xiàn)在和將來的壽命分布不發(fā)生影響。實(shí)際意義?在“浴盆曲線”中，它是屬于偶發(fā)期這一時(shí)段的。3、Ⅰ型極大值分布的分布4、韋布爾分布5、正態(tài)分布正態(tài)分布在機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)中大量應(yīng)用，如材料強(qiáng)度、磨損壽命、齒輪輪齒彎曲、疲勞強(qiáng)度以及難以判斷其分布的場合。若產(chǎn)品壽命或某特征值有故障密度

(t≥0，μ≥0，σ≥0)

則稱t服從正態(tài)分布。

正態(tài)分布則有：不可靠度可靠度

故障率

正態(tài)分布計(jì)算可用數(shù)學(xué)代換把上式變換成標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，查表簡單計(jì)算,得出各參數(shù)值。

6、對數(shù)正態(tài)分布Y可視為具有以上條件均值和條件標(biāo)準(zhǔn)差的正態(tài)分布

§4.2系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)系統(tǒng)可靠度決定于兩個(gè)因素：一、零件本身的可靠度。二、彼此組合形式。F/A-18A飛機(jī)的基本可靠性框圖1、串聯(lián)系統(tǒng)一、典型系統(tǒng)的可靠性模型

組成系統(tǒng)的所有單元中，任一單元發(fā)生故障均會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生故障，且組成系統(tǒng)的各個(gè)單元的可靠性相互獨(dú)立，這樣的系統(tǒng)稱為串聯(lián)系統(tǒng)。下圖為由n個(gè)單元組成的串聯(lián)系統(tǒng)的邏輯框圖。設(shè)各構(gòu)成部件的可靠度分別為則串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度為：若各部件的可靠度相等均為，則上式可寫成：例：由4個(gè)單元串聯(lián)組成的系統(tǒng)，單元的可靠度分別為：RA=0.9

RB

=0.8

RC=0.7

RD=0.6,求系統(tǒng)的可靠度

RS。RS=0.6=0.3024

2、并聯(lián)系統(tǒng)

組成系統(tǒng)的所有部件，只要有一個(gè)部件不發(fā)生故障，系統(tǒng)便能正常工作，這樣的系統(tǒng)稱為并聯(lián)系統(tǒng)。并聯(lián)系統(tǒng)的邏輯框圖設(shè)各構(gòu)成部件的可靠度分別為則并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度為若各構(gòu)成部件的可靠度相等均為R，則上式可寫成例：4個(gè)單元組成的并聯(lián)系統(tǒng)，可靠度分別為RA=0.9，

RB

=0.8，

RC=0.7

RD=0.6,求

RS=?RS

=1(1Ri)=1(10.9)(10.8)(10.7)(10.6)=0.9976例：某飛機(jī)由3臺發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。只要有一臺發(fā)動(dòng)機(jī)工作，飛機(jī)就不墜落。各臺發(fā)動(dòng)機(jī)的失效率分別為：0.01%/小時(shí)；0.02%/小時(shí)；0.03%/小時(shí)。每航行一次飛行10小時(shí)。試預(yù)測此飛機(jī)的可靠度。3、串并聯(lián)組合系統(tǒng)系統(tǒng)中部分組成是串聯(lián)的，部分組成是并聯(lián)的，稱這樣的系統(tǒng)為串并聯(lián)組合系統(tǒng)。對于任意串并聯(lián)組合系統(tǒng)，均可簡化為如下圖所示的一般形式。

設(shè)為各分系統(tǒng)的可靠度。則總系統(tǒng)之可靠度為：4、表決系統(tǒng)(n中取r系統(tǒng))設(shè)有一個(gè)由按n個(gè)單元組成的系統(tǒng)，其中任意r個(gè)或r個(gè)以上正常工作系統(tǒng)就能正常工作。稱為n中取r系統(tǒng)。其可靠性度為：例：設(shè)有一架裝有3臺發(fā)電機(jī)的飛機(jī)，它至少需要2臺發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作才能飛行，假定飛機(jī)的事故僅由發(fā)動(dòng)機(jī)引起，而且在整個(gè)飛行期間失效率為常數(shù)，其MTBF=2000小時(shí)，試計(jì)算工作時(shí)間為20小時(shí)和100小時(shí)的飛機(jī)可靠度。解：5、系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)和分配系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)和分配是可靠性設(shè)計(jì)的重要任務(wù)之一，它在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各階段（如方案論證、初步設(shè)計(jì)及詳細(xì)設(shè)計(jì)階段）要反復(fù)進(jìn)行多次?？煽啃灶A(yù)計(jì)和分配

預(yù)計(jì)是根據(jù)系統(tǒng)的元件、部件和分系統(tǒng)的可靠性來推測系統(tǒng)的可靠性。

是一個(gè)局部到整體、由小到大、由下到上的過程，是一種綜合的過程。

分配是把系統(tǒng)規(guī)定的可靠性指標(biāo)分給子系統(tǒng)、部件及元件，使整體和部分協(xié)調(diào)一致。是一個(gè)由整體到局部、由大到小、由上到下的過程，是一種分解的過程。

系統(tǒng)可靠性分配的目的根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)書中規(guī)定的可靠性指標(biāo)，按一定的方法分配給組成系統(tǒng)的分系統(tǒng)、設(shè)備和元器件，并寫入與之相對應(yīng)的設(shè)計(jì)任務(wù)書。其目的是使各級設(shè)計(jì)人員明確其可靠性設(shè)計(jì)要求，并研究實(shí)現(xiàn)這個(gè)要求的可能性及辦法

可靠性目標(biāo)比較更改設(shè)計(jì)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)分配給分系統(tǒng)分配給元部件技術(shù)條件系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)分系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)元件可靠性預(yù)計(jì)可靠性、維修型、安全性分析可靠性維修型安全性評估調(diào)研常用的分配方法有等分配法、評分分配法、比例組合法等。1)串聯(lián)系統(tǒng)可靠度分配單元的可靠度：Ri=(Rs)1/n2)并聯(lián)系統(tǒng)可靠度分配單元的可靠度：Ri=1-(1-Rs)1/n當(dāng)考慮到重要度和復(fù)雜度時(shí)，就要對分配模型中綜合考重要度和復(fù)雜度的參數(shù)值。系統(tǒng)的可靠性分配§4.3機(jī)械系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

機(jī)械系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)由于產(chǎn)品的不同和構(gòu)成的差異，可以采用的可靠性設(shè)計(jì)方法有：預(yù)防故障設(shè)計(jì)：簡化設(shè)計(jì)：降額設(shè)計(jì)和安全裕度設(shè)計(jì)：余度設(shè)計(jì)：耐環(huán)境設(shè)計(jì)：人機(jī)工程設(shè)計(jì)健壯性設(shè)計(jì)概率設(shè)計(jì)法權(quán)衡設(shè)計(jì)模擬方法設(shè)計(jì)機(jī)械產(chǎn)品可靠性的特點(diǎn)機(jī)械產(chǎn)品的失效主要是耗損型失效（例如疲勞、老化、磨損、腐蝕和強(qiáng)度退化等），而電子產(chǎn)品的失效主要是由于偶然因素造成的。耗損型失效的失效率隨時(shí)間增長，所以機(jī)械產(chǎn)品的失效率隨時(shí)間的變化一般不是恒定值，符合這一特性的分布有正態(tài)分布、韋布爾分布、對數(shù)正態(tài)分布和極值分布等。機(jī)械產(chǎn)品的失效模式很多，甚至同一零部件有多種重要的失效模式。機(jī)械產(chǎn)品的組成零部件多是非標(biāo)準(zhǔn)件，其失效統(tǒng)計(jì)值分散，造成失效數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)困難，象電子產(chǎn)品那樣預(yù)計(jì)其失效率很困難機(jī)械產(chǎn)品的不同失效模式之間往往是相關(guān)的，在進(jìn)行可靠性分析時(shí)需要考慮失效模式相關(guān)性。機(jī)械產(chǎn)品可靠性工作的特點(diǎn)強(qiáng)調(diào)根據(jù)以往的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)制定可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則并指導(dǎo)機(jī)械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)。結(jié)合失效模式分析提出適于某機(jī)械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，供該產(chǎn)品研制設(shè)計(jì)時(shí)使用。注重失效模式分析，以防止出現(xiàn)失效為設(shè)計(jì)宗旨。對可靠性關(guān)鍵件和重要件進(jìn)行概率設(shè)計(jì)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或FMEA（FailureModeandEffectsAnalysis）方法確定產(chǎn)品的可靠性關(guān)鍵件和重要件及其相應(yīng)的失效模式，然后針對其主要失效模式進(jìn)行概率設(shè)計(jì)，如靜強(qiáng)度概率設(shè)計(jì)、疲勞和斷裂概率設(shè)計(jì)、磨損和腐蝕概率分析設(shè)計(jì)等，確保關(guān)鍵件和重要件的可靠性達(dá)到設(shè)計(jì)要求。注意產(chǎn)品的維修性和使用操作問題。機(jī)械產(chǎn)品可靠性工作特點(diǎn)在產(chǎn)品研制過程中重視可靠性試驗(yàn)對保證產(chǎn)品可靠性的作用必要時(shí)需進(jìn)行現(xiàn)場可靠性試驗(yàn)，或收集使用現(xiàn)場的失效信息對于復(fù)雜的機(jī)械產(chǎn)品由于體積大、成本高、費(fèi)用高等原因不能進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，這時(shí)可采用較低層次（子系統(tǒng)、部件、組件或零件）的可靠性試驗(yàn)，然后綜合試驗(yàn)結(jié)果、應(yīng)力分析結(jié)果和類似產(chǎn)品的可靠性數(shù)據(jù)及產(chǎn)品現(xiàn)場使用的情況，對其可靠性進(jìn)行綜合評價(jià)。應(yīng)力-強(qiáng)度分布干涉理論應(yīng)力-強(qiáng)度分布干涉理論是以應(yīng)力-強(qiáng)度分布干涉模型為基礎(chǔ)的，該模型可清楚地揭示機(jī)械零件產(chǎn)生故障而有一定故障率的原因和機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)的本質(zhì)。應(yīng)力：產(chǎn)品的工作值，如應(yīng)力、壓力、力、載荷、變形量、磨損量、溫度等，常用s表示。強(qiáng)度：產(chǎn)品能承受這些工作值的能力，用δ表示。應(yīng)力—強(qiáng)度干涉理論在機(jī)械產(chǎn)品中，零件（部件）是正常還是失效決定于強(qiáng)度和應(yīng)力的關(guān)系。當(dāng)零件（部件）的強(qiáng)度大于應(yīng)力時(shí)，其能夠正常工作；當(dāng)零件（部件）的強(qiáng)度小于應(yīng)力時(shí)，其發(fā)生失效。因此，要求零件（部件）在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)能夠承載，必須滿足以下條件

δ

>s機(jī)械產(chǎn)品的可靠度可以說成是機(jī)械產(chǎn)品的強(qiáng)度大于施加于該產(chǎn)品的應(yīng)力的概率。實(shí)際工程中的應(yīng)力和強(qiáng)度都是呈分布狀態(tài)的隨機(jī)變量，把應(yīng)力和強(qiáng)度的分布在同一坐標(biāo)系中表示零件的強(qiáng)度值與應(yīng)力值的離散性，使應(yīng)力-強(qiáng)度兩概率密度函數(shù)曲線在一定的條件下可能相交，這個(gè)相交的區(qū)域就是產(chǎn)品或零件可能出現(xiàn)故障的區(qū)域，稱為干涉區(qū)。這種根據(jù)應(yīng)力和強(qiáng)度干涉情況，計(jì)算干涉區(qū)內(nèi)強(qiáng)度小于應(yīng)力的概率（失效概率）的模型，稱為應(yīng)力——強(qiáng)度干涉模型。在應(yīng)力——強(qiáng)度干涉模型理論中，根據(jù)可靠度的定義，強(qiáng)度大于應(yīng)力的概率可表示為應(yīng)力－強(qiáng)度干涉模型（1）、如圖中所示的相交的區(qū)域，即干涉區(qū)域，就是產(chǎn)品可能發(fā)生故障的區(qū)域。（2)、在安全系數(shù)大于1的情況下仍然會(huì)存在一定的不可靠度。材料機(jī)械性能統(tǒng)計(jì)和概率分布載荷統(tǒng)計(jì)和概率分布應(yīng)力計(jì)算應(yīng)力統(tǒng)計(jì)和概率分布強(qiáng)度計(jì)算強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)和概率分布機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)幾何尺寸分布和其他隨機(jī)因素干涉模型機(jī)械強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)過程框圖下面要解決的三個(gè)問題1）知道了零件的應(yīng)力和強(qiáng)度的分布后，如何求零件的可靠度。2）一般的安全系數(shù)與可靠度意義下的安全系數(shù)的區(qū)別。3）一般機(jī)械零件設(shè)計(jì)的可靠度設(shè)計(jì)？問題一、知道了應(yīng)力和強(qiáng)度的分布，求零件的可靠度？

1、特殊情況（公式法）：

1）應(yīng)力和強(qiáng)度均為正態(tài)分布時(shí)的可靠性計(jì)算當(dāng)應(yīng)力S和強(qiáng)度δ均為正態(tài)分布時(shí)，則它們的差也是正態(tài)分布，且有不可靠度為：化成標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，令則當(dāng)y＝0時(shí)令可靠度為將應(yīng)力分布參數(shù)、強(qiáng)度分布參數(shù)和可靠度三者聯(lián)系起來了，故稱為聯(lián)結(jié)方程，它是可靠性設(shè)計(jì)的基本公式，zR稱為可靠性因數(shù)或可靠性指標(biāo)。當(dāng)強(qiáng)度和應(yīng)力的均值相等時(shí)，可靠度等于0.5當(dāng)強(qiáng)度均值大于應(yīng)力的均值時(shí)，方差越大，可靠度越小。討論2）當(dāng)應(yīng)力和強(qiáng)度均為對數(shù)正態(tài)分布時(shí)可靠性計(jì)算設(shè)隨機(jī)變量s和δ服從對數(shù)正態(tài)分布，即它們對數(shù)lns和lnδ服從正態(tài)分布，它們的均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為：

分別是lns和lnδ的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，即正態(tài)分布下的均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別是變量S和δ的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，則他們之間具有下列關(guān)系：服從正態(tài)分布當(dāng)應(yīng)力和強(qiáng)度均為對數(shù)狀態(tài)分布時(shí)，有：則變量y的均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為：知道了的均值標(biāo)準(zhǔn)差為和正態(tài)分布一樣，化成標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。令令則則有例題例1：已知汽車某零件的工作應(yīng)力及材料強(qiáng)度均為正態(tài)分布，且應(yīng)力的均值μs=380MPa,標(biāo)準(zhǔn)差σs=42MPa，材料強(qiáng)度的均值為850MPa,標(biāo)準(zhǔn)差為81MPa。試確定零件的可靠度。另一批零件由于熱處理不佳及環(huán)境溫度的較大變化，使零件強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差增大至120MPa.問其可靠度又如何？解：利用聯(lián)結(jié)方程查標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布值，得R=0.9999999.當(dāng)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差增大到120MPa時(shí)，查標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布值，得R=0.99989.2、概率密度函數(shù)聯(lián)合積分法（一般情況）上述兩事件相互獨(dú)立，同時(shí)發(fā)生的概率應(yīng)當(dāng)是它們的積：即應(yīng)力落在小區(qū)間ds內(nèi)的可靠度為dR應(yīng)力s0處于ds區(qū)間內(nèi)的概率為應(yīng)力落在整個(gè)區(qū)間（－∞，＋∞）的概率R為同理還可以推出另一個(gè)對稱的公式應(yīng)力落在小區(qū)間ds內(nèi)的可靠度dR為：例：當(dāng)應(yīng)力和強(qiáng)度均為指數(shù)分布時(shí)83由于指數(shù)分布的強(qiáng)度和應(yīng)力的均值分別為所以可靠度為：問題二：可靠性安全系數(shù)

（1)傳統(tǒng)的安全系數(shù)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)以安全系數(shù)確定構(gòu)件的尺寸，僅僅以強(qiáng)度均值與應(yīng)力均值之比作為安全系數(shù)，忽視了強(qiáng)度的波動(dòng)(σδ的變化)以及應(yīng)力的波動(dòng)(σs的變化)，這種設(shè)計(jì)不能確切地反映結(jié)構(gòu)的可靠性。

（2）可靠度安全系數(shù)

用最小強(qiáng)度與最大應(yīng)力之比表示安全系數(shù)

概率設(shè)計(jì)條件下的安全系數(shù)n為：（在一定可靠度下）最小的強(qiáng)度δmin與最大的應(yīng)力Smax之比，即假定當(dāng)應(yīng)力和強(qiáng)度均為正態(tài)分布,方差相等,且n=1時(shí),有則在強(qiáng)度和應(yīng)力的可靠度分別為Rδ和Rs時(shí)的安全系數(shù)nR，稱為可靠度意義下的安全系數(shù)，用下式表示：可靠度意義下的安全系數(shù)例，當(dāng)時(shí)例1在結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)中，已知強(qiáng)度與應(yīng)力均服從正態(tài)分布，二批材料強(qiáng)度的均值都為μδ

=500OOMPa。由于材料內(nèi)在質(zhì)量有所差別，強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差不同，分別為=1000MPa和12000Mpa，二批材料應(yīng)力的均值為μS=300O0MPa,應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差均為σs=3000MPa。請分別計(jì)算平均安全系數(shù)和可靠度。解：平均安全系數(shù)為：可靠度為：例2某汽車零件，其強(qiáng)度和應(yīng)力均服從正態(tài)分布，強(qiáng)度的均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為:=350N/mm2、σδ=30N/mm2，應(yīng)力的均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為:=310N/mm2、σS=10N/mm2，試計(jì)算該零件的安全系數(shù)、可靠度和“3σ”可靠度意義下的安全系數(shù)?解：(1)依照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，其安全系數(shù)應(yīng)當(dāng)為(2)如果該零件按照概率設(shè)計(jì)方法，則計(jì)算可靠度得到（3）“R3σ”可靠性含義下的安全系數(shù)：問題三：零件的可靠度設(shè)計(jì)（1）零件設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度和應(yīng)力分布材料的靜強(qiáng)度分布試驗(yàn)證明，一般材料的強(qiáng)度極限、屈服極限、延伸率和硬度等均符合正態(tài)分布?？刹楸淼玫?。應(yīng)力分布取決于力和尺寸的分布一般認(rèn)為，力為正態(tài)分布，均值和方差由試驗(yàn)確定而尺寸也為正態(tài)分布，均值與公稱尺寸相同，標(biāo)準(zhǔn)差為公差Δ的1/3,即：（以上假設(shè)與事實(shí)基本相符，略偏安全）機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的基本原理和方法就在于如何把應(yīng)力分布、強(qiáng)度分布和可靠度在概率的意義下聯(lián)系起來，構(gòu)成一種設(shè)計(jì)計(jì)算的依據(jù)。例：實(shí)心圓桿拉伸應(yīng)力齒輪齒根的彎曲應(yīng)力

式中：F為力，r為圓桿半徑，h為齒輪高度，b為齒輪寬度，t為齒輪厚度公式中的力F、尺寸r、h、b、t都是隨機(jī)變量，如果知道了這些變量的分布或統(tǒng)計(jì)特征值，如何求得應(yīng)力s的特征值？一般將強(qiáng)度和應(yīng)力都近似為正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布，這樣關(guān)鍵是求它們的均值和標(biāo)準(zhǔn)差已知各隨機(jī)變量的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，求隨機(jī)變量函數(shù)均值和標(biāo)準(zhǔn)差的方法主要有泰勒展開法、變異系數(shù)法、基本函數(shù)法等?；竞瘮?shù)形式的統(tǒng)計(jì)特征值函數(shù)期望標(biāo)準(zhǔn)差根據(jù)零件的可靠度設(shè)計(jì)零件(計(jì)算零件主要尺寸）

零件設(shè)計(jì)的一般過程是先按經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)（確定尺寸），再檢驗(yàn)可靠度，但也有相反的情況。例如：

設(shè)有圓形拉桿，已知受載荷均值和標(biāo)準(zhǔn)差為材料的拉伸強(qiáng)度的均值和標(biāo)準(zhǔn)差為，

求在可靠度R＝0.99條件下的最小半徑的零件的可靠度設(shè)計(jì)例：

已知圓管受載荷均值和標(biāo)準(zhǔn)差為材料的拉伸強(qiáng)度的均值和標(biāo)準(zhǔn)差為，求在可靠度R＝0.99條件下的最小半徑

取公差尺寸為其名義尺寸的0.015倍，即,同時(shí)取公差為3σ水平，即拉桿斷面積均值和方差為：（1）（3）（2）解設(shè)應(yīng)力、強(qiáng)度和可靠度均為正態(tài)分布。桿件的拉伸應(yīng)力公式為：s=Q/A,而A=2πr2,為求A的標(biāo)準(zhǔn)差，先要確定r的標(biāo)準(zhǔn)差零件的可靠度設(shè)計(jì)例4續(xù)解

設(shè)桿件的拉伸應(yīng)力的均值為：（6）（5）（4）所以有當(dāng)可靠度R＝0.99時(shí)，查標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表可得ZR＝2.33，