可靠性设计.ppt

现代设计方法现代设计方法可可靠靠性性设设计（计（1）Reliability Design可靠性概述可靠性概述大学大学CAD中心中心现代设计方法现代设计方法本讲主要内容本讲主要内容 可靠性可靠性基本概念和特点基本概念和特点 可靠性设计的常用指标可靠性设计的常用指标可靠性设计常用分布函数可靠性设计常用分布函数现代设计方法现代设计方法1.1.可靠性设计的概念与特点可靠性设计的概念与特点什么是可靠性？什么是可靠性？可靠性的由来可靠性的由来1952年年，美美国国国国防防部部成成立立了了“电电子子设设备备可可靠靠性性咨咨询询小小组组（AGREE）”，1957年年发发表表了了著著名名的的“军军用用电电子子设设备备的的可可靠靠性性”报报告告，提提出出了了在在生生产产、试试制制过过程程中中产产品品可可靠靠性性指指标标进进行行试试验验、验验证证和和鉴鉴定定的的方方法法，以以及及包包装装、储储存存、运运输输过过程程中中的的可可靠靠性性问问题题及及要要求求。这这份份报报告告被被公公认认是是电电子子产产品品可可靠靠性性工工作作的的奠奠基基性性文文件件。至至此此，可可靠靠性性理理论论的的研研究究开开始始起起步步，并并逐逐渐渐在在世界范围内展开，可靠性工程开始形成一门独立的工程学科。世界范围内展开，可靠性工程开始形成一门独立的工程学科。现代设计方法现代设计方法60年年代代，由由于于产产品品趋趋向向复复杂杂化化，工工作作环环境境条条件件的的严严酷酷，对对可可靠靠性性的的要要求求越越来来越越高高。可可靠靠性性技技术术从从电电子子业业迅迅速速推推广广到到其其它它工工业业部部门门，从从阿阿波波罗罗飞飞船船到到洗洗衣衣机机、汽汽车车、电电视视、都都应用了应用了R设计技术和设计技术和R管理技术。管理技术。Apollo计划计划被公认为是可靠性的充分体现。被公认为是可靠性的充分体现。60年年代代末末，70年年代代初初，美美国国编编制制了了一一系系列列可可靠靠性性规规范范，可可靠靠性性理理论论趋趋于于成成熟熟，应应用用领领域域不不断断扩扩大大，到到70年年代代末末，可可靠性研究工作在世界范围内已达到了成熟期。靠性研究工作在世界范围内已达到了成熟期。可靠性的发展可靠性的发展现代设计方法现代设计方法我我国国于于60年年代代末末70年年代代初初开开始始可可靠靠性性研研究究工工作作，最最早早研研究究的有航天工业部的有航天工业部705所，电子工业部四所、五所等。所，电子工业部四所、五所等。可靠性在我国的发展可靠性在我国的发展 1990年年，我我国国机机械械电电子子工工业业部部印印发发的的“加加强强机机电电产产品品设设计计工作的规定工作的规定”中明确指出：中明确指出：可可靠靠性性、适适应应性性、经经济济性性三三性性统统筹筹作作为为我我国国机机电电产产品品设设计计的的原原则则，在在新新产产品品鉴鉴定定定定型型时时，必必须须要要有有可可靠靠性性设设计计资资料料和和试试验报告，否则不能通过鉴定。验报告，否则不能通过鉴定。现现今今，可可靠靠性性的的观观点点和和方方法法已已经经成成为为质质量量保保证证、安安全全性性保保证证、产产品品责责任任预预防防等等不不可可缺缺少少的的依依据据和和手手段段，也也是是我我国国工工程程技技术术人员掌损现代设计方法所必需掌握的重要内容之一。人员掌损现代设计方法所必需掌握的重要内容之一。现代设计方法现代设计方法常规常规设计与可靠性设计设计与可靠性设计常规设计：物理量均视为常规设计：物理量均视为“定值定值”；优化设计时得到的最优值；优化设计时得到的最优值；强度设计，可能会导致大量失效。强度设计，可能会导致大量失效。故采用安全系数方法故采用安全系数方法安全系数法：安全系数法：.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；.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，小的安全系数就不一定不安全。可靠性设计：物理量视为可靠性设计：物理量视为“随机变量随机变量”应用概率的方法进行设计（也有非概率可靠应用概率的方法进行设计（也有非概率可靠性）性）现代设计方法现代设计方法l可靠性可靠性产品在规定产品在规定的工作条件下，的工作条件下，规定的时间内完成规规定的时间内完成规定功能的能力。定功能的能力。可靠性可靠性的定义的定义 研究的对象研究的对象（产品）（产品）系统、部件、零件；汽车、航天器、材料、计算机软件等。系统、部件、零件；汽车、航天器、材料、计算机软件等。规定条件规定条件各种环境条件：载荷、温度、压力、湿度、润滑等；各种环境条件：载荷、温度、压力、湿度、润滑等；使用方法、维修方法使用方法、维修方法 规定时间规定时间广义的时间：时间、距离、周期、循环次数、转数等，与时间相当的广义的时间：时间、距离、周期、循环次数、转数等，与时间相当的物理量。物理量。现代设计方法现代设计方法规定功能：包括性能规定功能：包括性能系统的工作状态：如发动机正常运转；系统的工作状态：如发动机正常运转；产品产品的工作的工作性能参数指标。精度、效率、强度、稳定性等。性能参数指标。精度、效率、强度、稳定性等。如如发发动动机机熄熄火火，发发动动机机工工作作不不平平稳稳，功功率率下下降降。注注意意，若若产产品品工工作作时时的的功功能能参参数数已已漂漂移移到到规规定定的的界界限限之之外外，即即使使仍仍能能运运行行，也也属属于于不不正正常常工工作作而而视视为为“失失效效”，如如6缸缸发发动动机机只只有有2缸缸工工作作，汽汽车仍可正常运行，也认为发动机发生故障。车仍可正常运行，也认为发动机发生故障。l可靠性可靠性产品在规定的工作条件下，规定的时间内完成规产品在规定的工作条件下，规定的时间内完成规定功能的能力。定功能的能力。现代设计方法现代设计方法2.2.可靠性设计的可靠性设计的常用指标常用指标概率指标（统计指标）概率指标（统计指标）可靠度可靠度不可靠度（失效概率）不可靠度（失效概率）失效概率密度函数失效概率密度函数失效率（故障率）失效率（故障率）寿命指标寿命指标失效前平均时间失效前平均时间平均故障平均故障间隔间隔失效寿命失效寿命现代设计方法现代设计方法1）可靠度可靠度(Reliability)R(t):产产品品在在规规定定的的条条件件，规规定定的的时时间间t内内完完成成规规定定功功能能的的概概率率.它它表表示示在在规规定定的的时时间间内内圆圆满满工作的产品占全部工作产品累积百分比。工作的产品占全部工作产品累积百分比。若设有个相同产品在相同条件下工作，到任一给定的工若设有个相同产品在相同条件下工作，到任一给定的工作时间时，累积有作时间时，累积有f()个产品失效，剩下个产品失效，剩下p()个产个产品仍能正常工作，则该产品到时间的可靠度品仍能正常工作，则该产品到时间的可靠度()为：为：因为因为f(t)，故，故(t)一般一般当当N足够大足够大 现代设计方法现代设计方法2）不可靠度不可靠度(Faulty)不可靠度或失效概率；指在规定的条件下和规不可靠度或失效概率；指在规定的条件下和规定的时间内，产品功能失效的概率。定的时间内，产品功能失效的概率。产品的失效概率也是时间的函数，用产品的失效概率也是时间的函数，用F(t)表示，表示，称为称为失效概率函数失效概率函数。显然显然现代设计方法现代设计方法0100t59550F(t)R(t)F(t)/%R(t)/%图图1 R(t)和和F(t)随工作时间随工作时间t的变化情况的变化情况正正常常工工作作时时间间（寿寿命命）现代设计方法现代设计方法3）失效概率密度函数）失效概率密度函数指指t时刻时，单位时间内的失效概率，时刻时，单位时间内的失效概率，用用f(t)表示。表示。某时刻产品失效的某时刻产品失效的“速度速度”现代设计方法现代设计方法设工作到设工作到 t 时刻的失效数为时刻的失效数为 设工作到设工作到 t+t 时刻的失效数为时刻的失效数为 失效概率失效概率 可靠度可靠度 f(t)f(t)0ttaF(ta)R(ta)图图1-3 f(t)与与F(t)现代设计方法现代设计方法工作到时刻工作到时刻 t尚未失效的产品，在这尚未失效的产品，在这t 时刻时刻后后，在单，在单位时间内发生故障的概率。位时间内发生故障的概率。4）失效率（故障率）失效率（故障率）现代设计方法现代设计方法失效率的基本类型失效率的基本类型 早期失效期早期失效期A偶然失效期偶然失效期B耗损失效期耗损失效期C规定的失效率规定的失效率有效寿命有效寿命0tc耗损失效期（失效率递增型）耗损失效期（失效率递增型）迅速增加，由产品的老化，磨损和疲劳引起迅速增加，由产品的老化，磨损和疲劳引起。a.早期失效期（失效率递减型）早期失效期（失效率递减型）产品中混有不合格品产品中混有不合格品,或产品有缺陷或加工装配质量不好或产品有缺陷或加工装配质量不好,或材料内部缺陷或材料内部缺陷,或设或设计不完善。经过比较短的使用就失效。计不完善。经过比较短的使用就失效。b.偶然失效期（失效率恒定型、正常期）偶然失效期（失效率恒定型、正常期）失效率低且恒定。失效由偶然因素引起，无法预测何时失效。失效率低且恒定。失效由偶然因素引起，无法预测何时失效。失效原因：一般是产品受到非正常的、超过其设计强度的应力。使用操作不当、维失效原因：一般是产品受到非正常的、超过其设计强度的应力。使用操作不当、维修不当、润滑不良等。修不当、润滑不良等。浴盆曲线浴盆曲线现代设计方法现代设计方法p寿命指标寿命指标1）失效前平均时间）失效前平均时间（meantimetoFailure,MTTF）不可维修产品从开始不可维修产品从开始工作到工作到发生失效的平均时间。发生失效的平均时间。式中式中第第i i组产品的失效频数；组产品的失效频数；Wi第第i组产品的失效频率。组产品的失效频率。现代设计方法现代设计方法2）MTBF(Mean Time Between FailureMean Time Between Failure，平均故障间隔时间，平均故障间隔时间)可维修产品从一次故障到下次故障的平均时间（平均故障间隔时间）。可维修产品从一次故障到下次故障的平均时间（平均故障间隔时间）。在使用寿命周期内：在使用寿命周期内：MTBF=MTTF现代设计方法现代设计方法3 3）失效寿命）失效寿命失效寿命失效寿命t tF F累计失效概率为给定值累计失效概率为给定值F时的工作寿命时的工作寿命.其中其中F取百分数取百分数.(1)(1)中位寿命中位寿命t t5050累计失效概率累计失效概率F=50%F=50%时的失效寿命时的失效寿命.即一批产品工作即一批产品工作到中位寿命时到中位寿命时,一半产品将失效。一半产品将失效。(2)(2)特征寿命特征寿命T T 累计失效概率累计失效概率 F=1-e=1-e-1-1 =1-0.3679=0.6321=1-0.3679=0.6321的失效寿命。的失效寿命。对应的对应的 R=e=e-1-1=0.3679=0.3679 中位寿命一般与平均寿命不同中位寿命一般与平均寿命不同,只有当只有当f(t)(t)关于平均寿命对称时关于平均寿命对称时,两者两者才相同。才相同。（70,71,72,100)70,71,72,100)(3)(3)额定寿命额定寿命B B1010 累计失效概率累计失效概率F=10%=10%的失效寿命。的失效寿命。对应的对应的R=90%=90%现代设计方法现代设计方法二项分布二项分布泊松分布泊松分布正态分布正态分布对数正态分布对数正态分布韦布尔（韦布尔（Weibull）分布）分布指数分布指数分布3.可靠性设计常用的分布函数 随机变量（强度，受力等）随机变量（强度，受力等）现代设计方法现代设计方法1 1）二项分布）二项分布）二项分布）二项分布离散型分布离散型分布离散型分布离散型分布 对于二项分布对于二项分布（事件发生（取值（事件发生（取值A）的概率为）的概率为p,不发生（取不发生（取B）概率）概率q，则则n次次事件事件只只发生发生r次的概率次的概率f(r)为：为：事件发生次数不超过事件发生次数不超过c的累积概率的累积概率F(c)为：为：二项分布的均值二项分布的均值E(r)=np，方差，方差s=npq。F(n)=1现代设计方法现代设计方法2 2）泊松分布泊松分布离散型分布函数离散型分布函数（用于储备系统可靠度计算）（用于储备系统可靠度计算）（用于储备系统可靠度计算）（用于储备系统可靠度计算）从数学理论知道，使用二项分布，如果从数学理论知道，使用二项分布，如果p很小很小(p0.1)，而而n很大（很大（n50）时，使用）时，使用：设事件发生次数的均值为设事件发生次数的均值为m=np，事件实际发生次数为，事件实际发生次数为r，对泊松，对泊松分布而言，则有：分布而言，则有：事件发生事件发生r次概率为次概率为:?事件发生次数不超过事件发生次数不超过c的累积概率为的累积概率为:其泊松分布的均值其泊松分布的均值E(r)=np=m，方差，方差s=m现代设计方法现代设计方法例3-2P65现代设计方法现代设计方法3）正态分布（normal distribution）连续型分布函数连续型分布函数，影响因素多于，影响因素多于5 5时，服从正态分布时，服从正态分布正态分布的密度函数为正态分布的密度函数为:累积概率分布累积概率分布函数函数F(z)为为:其中：其中：t 为随机变量为随机变量(失效时间、成绩、加工尺寸等）失效时间、成绩、加工尺寸等），为母体的平均值，为母体的平均值，为标准差，设为标准差，设z为标准正态随机变量为标准正态随机变量：F（0）=0.5；F(+Inf)=1;F(-Inf)=0zzzz现代设计方法现代设计方法例子3-3失效时间失效时间服从正态分布:R=(Z)查表、使用程序现代设计方法现代设计方法4）对数正态分布(lognormal distribution)随机变量随机变量t t的对数的对数服从服从正态分布，引进随机正态分布，引进随机变量变量:x=In(t)x=In(t)f(t)0t适用于不对称分布的情形，如金属材料的疲劳强度、零件适用于不对称分布的情形，如金属材料的疲劳强度、零件疲劳寿命、维修时间疲劳寿命、维修时间等。等。对数正态分布特点：偏态、单峰对数正态分布特点：偏态、单峰标准化标准化现代设计方法现代设计方法5)威布尔分布weibull distribution威威布布尔尔分分布布是是瑞瑞典典物物理理学学家家W.WeibullW.Weibull为为解解释释疲疲劳劳试试验验结结果果而而建建立立的的，他他在在分分析析材材料料的的强强度度时时，将将材材料料的的每每一一个个缺缺陷陷视视作作链链条条中中的的一一环环，那那么么链链条条中中的的寿寿命命就就取取决决于于链链条条中中最最弱弱的环节。的环节。这这种种串串联联强强度度模模型型（或或最最弱弱环环节节模模型型）能能充充分分反反映映材材料料缺缺陷和应力集中源对材料疲劳寿命的影响。陷和应力集中源对材料疲劳寿命的影响。威威布布尔尔分分布布适适应应性性广广，可可以以拟拟和和各各种种类类型型的的试试验验数数据据，特特别是各种寿命试验。因此，在可靠性设计中占有重要的地位。别是各种寿命试验。因此，在可靠性设计中占有重要的地位。现代设计方法现代设计方法三参数威布尔分布三参数威布尔分布概率密度函数概率密度函数式中：式中：b为形状参数为形状参数;t0 为位置参数为位置参数;为尺度参数。为尺度参数。f(t)t0tb1b=1.5b=3.5b=8现代设计方法现代设计方法韦布尔参数的意义韦布尔参数的意义韦布尔参数的意义韦布尔参数的意义（或（或b b）形状参数或威布尔斜率，它决定分布形状参数或威布尔斜率，它决定分布密度函数曲线的形状，随着密度函数曲线的形状，随着取值的变化，取值的变化，f(t)f(t)曲线曲线大致可以分为三类：大致可以分为三类：1 1）111时，时，f(t)f(t)是单峰曲线，是单峰曲线，2.72.73.73.7为近似为近似正态分布（正态分布（=3.313=3.313时则为正态分布时则为正态分布?），失效），失效率是递增函数，可以用来描述产品的损耗失效期。率是递增函数，可以用来描述产品的损耗失效期。现代设计方法现代设计方法韦布尔参数的意义韦布尔参数的意义t0（）位置参数位置参数。它表示产品在之前具有。它表示产品在之前具有100%的存活率的存活率（即可靠度）。在其他参数不便的情况下，（即可靠度）。在其他参数不便的情况下，的变化只会使的变化只会使f(t)曲线产生曲线产生平移平移，而并不影响威布尔分布曲线的形状。，而并不影响威布尔分布曲线的形状。（）尺度参数（或特征寿命）尺度参数（或特征寿命）。当其他参数不变时，。当其他参数不变时，的变化将使分布曲线沿横坐标的变化将使分布曲线沿横坐标伸长或缩短伸长或缩短，而分布曲线的形状，而分布曲线的形状相似，且分布曲线在横坐标的起点不变。相似，且分布曲线在横坐标的起点不变。现代设计方法现代设计方法6）指数分布韦布尔分布特例，韦布尔分布特例，b=1,t0=0概率密度函数概率密度函数累积概率分布函数累积概率分布函数现代设计方法现代设计方法作业上机（见上机（见“上机要求上机要求”）：）：习题：3-2此课件下载可自行编辑修改，供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！