现代设计方法可靠性设计

1,第五章可靠性设计,2,主要内容,可靠性设计的概念与特点可靠性设计常用的分布函数可靠性设计的原理零部件的可靠性设计系统的可靠性设计,3,第一节可靠性设计的概念与特点,4,一、概述,引例日常生活中的现象观察：骑自行车，如将链条改换为皮带传动，结果如何？经常说某人是否可靠，衡量的标准是什么？工程应用中，如军事上的导弹发射，三峡大坝工程等。,5,常规设计某一轴的强度时，用安全系数法来校核，主要建立在以往的经验基础上（经验数据），由于带有一定的主观色彩，实践中发现设计时非常安全的零部件并不安全，造成了巨大的经济损失，由此从科学的客观的角度出发产生了可靠性设计。可靠性设计是把工程中的设计变量处理成多值的随机变量，运用随机方法对产品的故障（失效）、完好（正常）、可靠（不可靠）等状态的随机性进行精确的概率描述。,6,工程实际中存在随机现象，也存在大量的模糊现象。如经抽象简化的基本支座模型有三类：自由端、简支端和固定端，对自由端有明确的定义，也极易识别，但对于简支端和固定端就没有明显的界限，如果梁插入较深即假设为固定端，而插入较浅则假设为简支端；又如对滑动轴承而言，分为窄、中、宽系列，若轴承较宽则假定为固定端，较窄假设为简支端，这里的较深和较浅，较宽和较窄都是模糊概念；再如经抽象简化的光滑铰链，这个模型本身在概念上就是不清晰的，因光滑和粗糙两者之间没有绝对的界限。,7,产品/工程的设计发生的演变过程,8,各演变过程的区别,9,二、可靠性设计的发展,起步：1957年美国发表了“军用电子设备可靠性”的报告，这份报告被公认为是可靠性设计的奠基性文献；二次世界大战期间，美国通信设备、航空设备、水声设备都有相当数量的部件或系统因失效而不能使用，带来了大量的人员伤亡和经济损失，起初主要是电子元件和系统的可靠性。德国在二次大战中，由于研制v-型火箭的需要也着手与可靠性工程的研究。,10,展开：60-70年代，航空、航天事业有利可图，各国纷纷开展了航天、航空技术与设备的研究与产品开发，其可靠性引起全社会的普遍关注，因而也得到了长足的进步。许多国家成立了可靠性研究机构，如我国的航空航天大学。发展：80年代以后，可靠性设计成为不可或缺的环节，广泛应用于各行各业。,11,90年代，我国机械电子工业部印发的“加强机电产品设计工作的规定”中明确指出“可靠性、经济性、适应性”三性统筹作为机电产品设计和鉴定的依据。在新产品鉴定时，必须提供可靠性设计资料和试验报告。否则不能通过鉴定。现今可靠性的观点和方法已经成为质量保证、安全性保证、产品责任预防等不可缺少的依据和手段，也是我国工程技术人员掌握现代设计方法必须掌握的重要内容之一。,12,可靠性有狭义和广义两种意义。狭义可靠性仅指产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。广义可靠性通常包含可靠性和维修性等方面的内容。以后不加以注明，我们均指狭义可靠性。,三、可靠性的概念,13,这是概念上质的飞跃,可靠度(Reliability)，指零件或系统在规定的运行条件下，规定的工作时间内，能正常工作(或完成规定功能）的概率。该定义将以往人们对产品可靠性只是出于模糊、定性的概念发展转变为一个明确的“数”的概念。,14,它包含了五个要素：,A.对象：零件指某个不可拆卸的独立体（如弹簧、齿轮），也可指某一部件或机器（如发动机或减速器），还可指某个系统（如某条生产线、某个车间等），甚至包括人的判断与人的操作因素在内。,零件机器系统,15,B.规定的工作条件：为了比较某系统或零件的可靠程度，必须将它的工作环境固定下来。同一种设备在不同的工作环境下运行寿命是不同的，如汽车，因此，同一产品在不同的工作条件下运行应有不同的设计要求。,16,C.规定的工作时间：产品之间可靠性比较的标准。D.正常工作（满意运行）：指系统或零件是否能达到人们所要求的运行效能，达到了就说它是处于正常的工作状态，反之说它是失效的。失效：零件丧失工作能力或达不到设计功能。,17,E概率：基本事件发生的可能性。对于可靠性来讲，就是失效或正常运行事件发生的可能性。在大量统计的基础上，这种可能性可用该事件的概率来表示，因此概率可用0，1区间的某个数表示。,18,四、可靠性设计的必要性,1.从定性的角度考虑其必要性1)机械设备的大型化、复杂化、精密化要求设备本身的安全性提高；2)产品责任的要求，使企业必须考虑产品故障所造成的损失以及由此而引起的法律责任；3)市场竞争的压力；4)人工费用日益提高；5)国际市场迫使人们必须重视机电产品可靠性的工作。,19,2.从定量的角度考虑可靠性设计的必要性1)安全系数：用表示。=/即零件强度与作用在其上的应力的比值，是零件本身强度所能承受外载荷作用的强度的重要的尺度。零件安全运行的条件是：强度最小值必须大于外载荷引起的应力最大值才安全。即满足-。,20,2)安全系数设计中存在的问题机械零件失效的可能性（概率）用安全系数的大小是不能完全表征的，它取决于强度与应力的“干涉”面积大小。实际工程中的应力和强度都是呈分布状态的随机变量,图1应力强度分布的平面干涉模型,设应力()和强度()的概率密度函数分别为()和()，因机械设计中应力和强度具有相同的量纲（Mpa），因此可以把()和()表示在同一坐标系中。（如图1所示）,21,当强度的均值大于应力的均值时，在图中阴影部分表示的应力和强度“干涉区”内就可能发生强度小于应力即失效的情况这种根据应力和强度干涉情况，计算干涉区内强度小于应力的概率（失效概率）的模型，称为应力强度干涉模型。在应力强度干涉模型理论中，根据可靠度的定义，强度大于应力的概率可表示为,22,常规传统设计的安全系数法是不明确的：A.强度和应力分散程度不变，即标准差不变时，在同样的安全系数下零部件的失效可能会变大或变小；B.强度与应力的均值不变，而强度与应力分散程度即标准差改变，其安全系数不变时失效的可能也会加大或减小。,23,结论：.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。注意：用安全系数法撰写的论文是难以发表的。,24,五、可靠性的基本内容,1.可靠性应用：可靠性设计、可靠性分析、可靠性数学,2.可靠性的基本内容（1）根据产品的设计使用要求，确定采用的可靠性指标（2）产品可靠性预测（3）可靠性分配（4）可靠性设计（5）可靠性分析,25,1.可靠性的理论基础,概率论与数理统计1)可靠性设计研究事件发生的情况：必然与偶然事件；2)可靠性问题是一个概率问题，即与区间；3)产品的寿命是随机的。,26,2.可靠性设计的特点,1)可靠性设计认为作用在零部件上的载荷（广义的）和材料性能等都不是定值，而是随机变量，具有明显的离散性质，在数学上必须用分布函数来描述；2)由于载荷和材料性能等都是随机变量，所以必须用概率论与数理统计的方法求解；3)可靠性设计法认为所设计的任何产品都存在一定的失效可能性，并且可以定量地回答产品在工作中的可靠程度，从而弥补了常规设计的不足。,27,第二节可靠性设计的常用指标与分布函数,28,衡量可靠性指标主要有：,衡量产品可靠性的指标很多，各指标之间有着密切联系，其中最主要的有四个，即：可靠度R(t)、不可靠度(或称故障概率)F(t)、故障密度函数f(t)故障率(t)。,1、可靠度,可靠度是“产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的概率”。,显然，规定的时间越短，产品完成规定的功能的可能性越大；规定的时间越长，产品完成规定功能的可能性就越小。,可靠度是时间t的函数，故也称为可靠度函数，记作R(t),R(t)是一递减函数,可靠度函数可写成：R(t)=P(Tt)式中：t为规定时间，T为产品寿命。有：,假如在t=0时有N件产品开始工作，而到t时刻有，n(t)个产品失效，仍有N-n(t)个产品继续工作，则可靠度R(t)的估计值为:,2、累积失效概率和失效概率密度,(1)累积失效概率也称为不可靠度，记作F(t)。它是产品在规定的条件下和规定的时间内失效的概率，通常表示为：,注意：累积失效概率F(t)与可靠度R(t)是相反关系：R(t)+F(t)=1,或者：F(t)=1-R(t),有：,(2)失效概率密度是产品在包含t的单位时间内发生失效的概率，是累积失效概率对时间t的导数，记作f(t)。可用下式表示：,假设n(t)表示t时刻失效的产品数，n(t)表示在(t,t+t)时间内失效的产品数。,失效概率密度为:,3、失效率,(1)失效率定义,失效率(瞬时失效率)是：“工作到t时刻尚未失效的产品，在该时刻t后的单位时间内发生失效的概率”，也称为失效率函数，记为(t)。由失效率的定义可知，在t时刻完好的产品，在(t，t+t)时间内失效的概率为：,上式表示B事件(Tt)发生的条件下，A事件(t48kw，8台开动时用电量为8*7.5=60kw48kw，当7台开动时用电量为7*7.5kw48kw，当开动机床数小于7台时，用电量均不足48kw，因此所求得概率值有10，9，8，7台开动时的累积概率。,60,(2)开的概率：p=12/60=0.2，q=1-p=0.8(3)f(r=10)=0.210=0.0000001024,f(r=9)=(10!/9!)0.290.8=0.000004096同理f(r=8)=0.000073728，f(r=7)=0.0007864(4)用电超过48kw的可能性即概率为：即在1157min内大约有一分钟用电超过48kw。试问不超过48kw的概率是多少？,61,2.泊松分布（二项分布的特例）,从数学理论知道，使用二项分布，如果n很大（n50）时，使用计算较繁琐，通常采用泊松分布近似求解。,令np=常数m()，n很大，p很小,62,设元件失效个数的均值为m，对泊松分布而言，则有：r个元件失效的概率为:失效元件个数不超过c的累积概率为:泊松分布的均值E(r)=np=m,63,3.指数分布(exponentialdistribution),其概率密度函数为:可靠度函数为：,为平均故障间隔时间,64,65,【例3】某设备的平均故障间隔时间为2500h，已知设备的失效时间服从指数分布，试求设备运转500h和1000h时的可靠度各是多少？,66,解：根据题意，平均故障间隔时间为：MTBF=2500h，故平均失效率可靠度,67,4.正态分布（normaldistribution）,正态分布的密度函数为（1）（2）其中：t为失效时间随机变量，为平均值，为标准差，T为规定工作时间。,68,基础13,当，时，为标准正态分布。,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=F300.06mmN(,),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。,69,若令则,Z为标准正态随机变量。经置换后式1和2成了标准正态分布，非标准正态分布累积概率值可以看成是标准正态分布的累积概率值。（Z）为标准正态分布积分值查附录得亦即F(Z)，且有F(-Z)=1-F(Z),对于和,70,故障率函数为：,其中：为标准正态分布积分值，为标准正态分布密度函数值。,设Z为标准正态随机变量，则可靠度为：,71,正态分布的基本特点如下：(1)f(x)曲线以轴xX为对称轴，在该轴两边曲线f(x)下的面积各为0.5，总面积等于1。(2)f(x)曲线的拐点为XX;(3)X决定f(x)曲线的位置，X决定f(x)的曲线形状(如下图，X1X2X3)，只要确定了特征参数X和X，分布密度函数f(x)就完全确定了。,图4.2X与X的影响,72,图4.3正态分布,(4)X与X+X、X+2X及X+2X与X+3X间的面积如图4.3所示。X+3X以外f(x)曲线下的面积仅占总面积的0.27，因此，常把X+3X作为参数的取值范围，即所谓的“3原则”；,73,【例4】有1000个零件，已知其失效时间服从正态分布，均值=500h，标准差=40h，求1)t=400h的可靠度、失效概率和失效数；2)在t=400600h之间的失效数;3)经过多少时间后会有20%的零件失效?,74,解：（1）标准正态随机变量由正态分布的特点可知而失效概率F与可靠度R又存在互补关系，即,75,查标准正态分布积分表可知失效概率失效数r=10000.0062=6.2(个)6（个）,76,（2）t=600h时，标准正态变量查标准正态分布积分表可知失效概率F(t=600)=0.9938失效数r=10000.9938994（个）所以，在t=400600h之间的失效数为994-6=988（个）,77,（3）失效概率F=20%=0.2,在标准正态分布积分表中查不到对应的标准正态变量的值，可利用如下关系得到：F(z)=1-F(-z)即F(-z)=1-F(z)=1-0.2=0.8查标准正态分布积分表得到-z=0.84，所以，z=-0.84，代入得因而t=500-400.84=466.4h即经过466.4h后，会有20%的零件失效。,78,对数正态分布是一种非对称偏态分布，适用于机械疲劳强度分布、疲劳寿命分布等方面的研究。若lnX服从正态分布，即lnXN(,2)，则称随机变量X服从对数正态分布，其概率密度函数为：对数正态分布的分布函数为:,5.对数正态分布(lognormaldistribution),79,对数正态分布的密函数如图4.4所示。,图4.4对数正态分布,80,可靠度函数为：故障率函数为：,其中：为标准正态概率密度函数，x为失效时间随机变量，x的对数呈正态变化，故计算方法与正态分布相同。,对数正态分布的均值为:,81,基础15,6.威布尔分布（Weibull）,形状参数；,尺度参数；,x0位置参数；,形状参数不同的影响,82,基础16,尺寸参数不同的影响,位置参数不同的影响,83,基础17,威布尔分布的数字特征,式中：()为Gamma函数，,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，,84,【本节思考题】1.可靠性设计的必要性（从定性和定量的角度考）。2.可靠性设计有哪些常用指标？它们是如何定义的？3.可靠性和可用度有什么区别？,85,第三节可靠性设计的原理,86,主要内容,几个概念扩展失效强度应力零件可靠性的计算方法,87,1.失效,从机械零件的角度：零件发生塑性变形到一定程度断裂和表面的疲劳点蚀到一定程度等等。扩展的含义：机械零件（系统）在运行过程中达不到人们对它的要求，或起不到人们要求它所起的作用时，则认为这个零件（系统）失效了。,一、几个概念扩展,88,2.应力,从机械零件的角度：“应力”的概念一般是指零件单位面积承受的外作用力的大小。扩展的含义：凡是引起零件（系统）失效的一切因素，均称之为“应力”。引起失效的因素除包括传统意义上的应力外，还包括各种环境因素如温度、湿度等对零件的影响。,89,3.强度,从机械零件的角度：“强度”的是指材料单位面积所能承受的作用力。如：屈服强度、强度极限等。扩展的含义：凡是阻止零件（系统）失效的一切因素，均可称之为强度因素。阻止零件/系统失效的因素还包括加工精度、表面粗糙度等因素。,90,“应力”、“强度”各因素图解,91,可靠度、强度、应力,零件（系统）的可靠度是零件（系统）在给定的运行条件下，对抗失效的能力，也就是说，是“应力”与“强度”相互作用的结果，或者说，是“应力”与“强度”相互“干涉”的结果。如果“应力”作用效果大于“强度”，则零件（系统）失效；反之，“应力”作用效果小于“强度”，则零件（系统）就是可靠的。,可靠度就是“强度”大于“应力”作用效果的概率,92,二、零件可靠度的计算方法,可靠度是“强度”大于“应力”作用效果的概率，那么可靠度应该可以从强度与应力的平面干涉模型计算出来。施加于产品上的物理量，如应力、压力、强度、温度、湿度、冲击等导致失效的任何因素统称为应力，用表示；产品能够承受这种应力的程度，即阻止失效发生的任何因素统称为强度，用表示。应力和强度均为随机变量且相互独立。,1.可靠度的一搬计算公式,93,令应力和强度的概率密度函数分别为f()和g()，由于机械设计中应力和强度具有相同的量纲，因此可以把f()和g()表示在同一坐标系中，得到应力强度分布的平面干涉模型。,应力强度分布的平面干涉模型,94,平面干涉模型揭示了可靠性设计的本质。由干涉模型可以看出，就统计数学观点而言，任何一个设计都存在着失效的可能，即可靠度总小于1的。而我们能够做到的仅仅是将失效的概率限制在一个可以接受的限度之内。,应力强度分布的平面干涉模型,95,这个观点在常规设计的安全系数法中是不明确的。因为根据安全系数进行的设计不存在失效的可能性。因此，可靠性设计比常规设计要客观的多，因而应用也要广泛的多。,96,g(),f(),t,97,假设失效控制应力为1(任意的)，那么当强度大于时1就不会发生破坏，即零件（系统）是可靠的。,如图，将干涉区放大，曲线1为应力分布的右尾，曲线2为应力分布的左尾。,图4-2干涉区放大图,98,定义两个事件：事件A：应力在区间内，即事件B：零件强度事件A和事件B同时发生时，零件（系统）可靠，而A和B是两个相互独立的事件,99,即上面的1是任取的，即上式对的任意取值都是成立的，所以，对整个应力分布产品的可靠度为同理可得另一种形式：,100,可靠度的一般计算式,101,2.应力和强度均服从正态分布时的可靠度计算,、：分别为强度和应力的子样均值S、S：分别为强度和应力的子样标准差“可靠度就是强度超过应力的概率”如令，则可靠度为y0的概率。,102,现以h(y)表示和之差的概率密度函数。因为f()和g()都是正态分布，所以h(y)也是正态分布。其中均值和标准差分别为：,103,所以，可靠度令经积分变换后得其中(*)式（*）称为“联结方程”或“耦合方程”。,104,之所以得名是因为它以概率的方法综合考虑了工作应力、强度和可靠度之间的关系，把应力和强度联系了起来。而ZR称为“联结系数”或“可靠度系数”或“可靠度指数”等。ZR与可靠度的取值关系可查附表。,105,【例1】某零件强度工作应力，且强度和应力服从正态分布。计算零件的失效概率和可靠度。若控制强度标准差，使其下降到时，失效概率和可靠度为多少？,106,由联结方程得由附表可查得可靠度为：R=1-0.027=0.973当强度的标准差变为S=14Mpa时由附表可查得可靠度为：R=1-0.0044=0.9956,解：,107,计算结果表明，当强度和应力的均值不变而缩小其中一个或两个标准差时，可以提高零件的可靠度。这点在常规设计的安全系数法中是无法体现的。因此可靠性设计比常规设计更客观、也更可信。,108,第五节系统的可靠性预测,109,主要内容,系统逻辑图系统可靠性模型分类串连、并联、r/n系统的可靠性计算复杂系统可靠性预测,110,系统是指由相互间具有有机联系的若干要素组成，能够完成规定功能的综合体。这里所说的要素是指零件、部件和子系统等。系统可靠性设计主要内容：1）可靠性预测：按已知零部件的可靠性数据计算系统的可靠性指标；2）可靠性分配：按规定的系统可靠性指标，对各组成零部件进行可靠性分配。系统的可靠度决定于两个因素：一是零件（部件）本身的可靠程度；二是他们彼此组合起来的形式。,111,一、系统的可靠性模型分类,1.系统逻辑图,一个系统，小则由一个子系统组成，大则由成百上千各子系统组成。当我们研究一个系统时，特别是一个大的复杂系统时，首先必须了解组成该系统的各单元或子系统的功能，研究他们的相互关系以及对所研究系统的影响。为了清晰的研究他们，在可靠性工程中往往用逻辑图来描述子系统（零件）之间的功能关系，进而对系统及其组成零部件进行定量的设计与计算。,112,系统的逻辑图表示系统元件的功能关系，它以系统的结构图为基础，根据元件事故对系统工作的影响，用方框表示元件功能关系而构成。系统的逻辑图指出了系统为完成规定的功能，哪些元件必须成功地工作（成功地运行）。系统逻辑图也称为可靠性框图。,113,系统逻辑图与系统结构图的区别,首先，在逻辑图与结构图中元件的表示符号不同。例如在电路结构图中电灯、电容器、表示电阻、电感等都有对应的专用符号；而在逻辑图中，无论什么元件，均用方框表示。其次，结构图表示系统中各组成元件间的结构装配关系，即物理关系；而逻辑图表示各组成元件间的功能关系。因此，系统逻辑图的形式与故障的定义有关，而系统结构图则与此无关。,114,两个并联安装的电容器系统结构图与逻辑图的区别,如图（a)，是由两个电容并联而成的电路结构图若元件故障定义为短路，显然其逻辑关系是电容器C1、C2任何一个短路就导致系统停运。因此其逻辑图为图（b）所示的串联关系。若故障定义为开路，显然其逻辑关系是电容器C1、C2同时开路才导致系统的停运。因此其逻辑图为(c)所示的并联关系。,115,由上述例子可以看出，同样一个物理关系图，根据故障形式的不同可以得出两个不同的逻辑图；同样，不同的物理关系图，根据故障形式的不同却可以得出一个相同的逻辑图。换句话说，有些元件在系统结构图中是并联的，而他们的功能关系却是任一元件失效都将引起系统不能完成规定的功能，因此他们的逻辑关系是串联的；同理，有些元件在系统结构图中是串联的，而他们的功能关系却是所有元件失效系统才丧失功能，因此他们的逻辑关系应该用并联表示。所以，系统的结构图与逻辑图是两个不同的概念，使用时一定不能混淆。,116,2.系统的可靠性模型分类,机械零件、部件（子系统）组合的基本形式有两种：串连和并联。1）串连系统所谓串连系统，是指系统中如有某一零部件发生故障，将引起整个系统失效。如链条、单线铁路2）并联系统并联系统也称并联冗余系统。它是“为完成某一工作目的所设置的设备，除了满足运行需要之外还有一定冗余的系统”。,117,并联系统又分为工作贮备系统和非工作贮备系统。工作贮备系统：分纯并联系统和r/n系统两种。前者是使用多个零部件来完成同一任务的系统。在这样的系统中，所有零部件一开始就同时工作，但其中任何一个零部件都能保证单独保证系统正常运行。实例：飞机发动机设计、葛洲坝船闸设计有些工作贮备系统，有多个（n）零部件并联，但要求有两个以上（r）的零部件正常工作系统才能正常运行，这样的系统称为r-out-of-n系统（r/n系统）或表决系统。实例：美国航天飞机上的调姿计算机系统(有3个，当两个以上发出调姿指令才执行）,118,非工作贮备系统：系统中，并联组合的零部件中，一个或几个处于工作状态，而其它则处于“待命状态”，当某一零部件出现故障之后，处于“待命状态”的部分才投入工作。这就是非工作贮备系统。实例：神舟飞船上的控制系统（地面控制、手动）、飞机上的起落架收放装置（电动、手动）非工作贮备系统存在一个所谓的“开关”问题，即运行的零部件出现故障时，将“待命”零部件投入工作的“开关”是否可靠的问题，因此，这种系统又被分为“理想开关”和“非理想开关”两种类型。,119,120,下图是一个串连系统的逻辑图串联系统：该系统有n个零部件串连，要求系统的失效时间大于t，则每个零部件的失效时间必须大于t。每个零部件的失效时间依次为t1、t2、tn，由于各零部件的失效时间是相互独立的随即变量，则,二、串联系统的可靠度计算,121,【例1】设某系统由四个零件组成，可靠度分别为0.9、0.8、0.7、0.6，系统的可靠度为【例2】设某系统由10个零件串连组成，每个零件的可靠度均为0.95，系统的可靠度为如果是100个零部件，则,122,串联系统的可靠度R与串联元件的数量n及各元件的可靠度Ri有关。因为各个元件的可靠度Ri均小于1，所以串联系统的可靠度比系统中最不可靠元件的可靠度还低，并且随着元件可靠度的减小和元件数量的增加，串联系统的可靠度迅速降低。所以为确保系统的可靠度不至于太低，应尽量减少串联元件的个数或采取其他措施。,123,三、并联系统的可靠度计算,并联系统逻辑图,右图是一个纯并联系统的逻辑图。纯并联系统只有当每个零部件都失效时，系统才失效，即,1.纯并联系统,124,【例3】四个可靠度分别为0.9、0.8、0.7、0.6的零件组成一个纯并联系统，系统的可靠度为这个结果比例1的结果大得多，因此，并联的组合方法将大大提高系统的可靠度。在机械系统中，实际应用较多的是n=2的情况，而且R1=R2=R。此时，并联系统的可靠度为,125,为简单起见，讨论三单元系统中要求二单元正常工作系统才能正常运行的系统，即2-out-of-3系统。设有A、B、C三个子系统组成的并联系统，系统正常运行情况有下面四种：1）A、B、C全部正常工作2）A失效，B、C正常工作3）B失效，A、C正常工作4）C失效，A、B正常工作当各个单元的失效时间相互独立时，以上四种情形是互斥的。,2.r-out-of-n系统,126,系统的可靠度上式可以改写为若每个子系统的可靠度均为R，则,127,【例4】有三个可靠度均为0.9的子系统组成的并联系统，比较纯并联及2-out-of-3系统的可靠度。纯并联系统：2-out-of-3系统：可以看出，r-out-of-n系统的可靠度比纯并联系统要低一些。,128,四、复杂系统可靠度预测,1.系统逻辑图法,将复杂系统看成由各种基本模型（串连、纯并联等）组成的，首先计算各基本模型的可靠度，再计算复杂系统的可靠度。系统逻辑图的作用：反映零部件之间的功能关系；为计算系统的可靠度提供数学模型。,129,如图所示系统由元件1、元件2、子系统B、元件10、子系统C（2/3系统）组成，系统可靠度计算：,130,设系统的5个元件正常为1，故障为0，则该系统共有种工作状态。为求出该系统的可靠性，可采用布尔真值表法。,2.布尔真值表法,系统逻辑图法对一些桥式网络不适用。如图所示桥式网络：,设系统从左到右可以传递信息为系统正常工作状态，不能传递信息时，为系统失效。,131,桥式网络布尔真值表(一）,132,桥式网络布尔真值表（二）,133,桥式网络布尔真值表（三）,134,五、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：,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,分配是把系统规定的可靠性指标分给分系统、部件及元件，使整体和部分协调一致。是一个由整体到局部、由大到小、由上到下的过程，是一种分解的过程。,135,系统分析6,分配原则：系统中各零件的重要性相当，可给个零件分配相同的可靠度。,等可靠度分配,136,系统分析7,分配原则：对那些在初步设计中预计可靠度高的零件，分配较高的可靠度。,设在初步设计中各零件预计可靠度为：,在初步设计中（串联）系统的预计可靠度为：,进一步设计中系统的可靠度指标为Rs,进一步设计中各零件分配的可靠度为：,验算：,按预计可靠度分配原则,137,五、故障树分析法,1.概述故障树也称为失效树，简称FT。它指表示事件因果关系的树状逻辑图。它用事件符号、逻辑符号和转移符号描述系统中各种事件之间的因果关系。故障树分析(FaultTreeAnalysis，简称FTA)则是以故障树为模型对系统进行可靠性分析的方法。,138,在系统可靠性预测中，我们的侧重点是系统正常运行的概率。而在故障树分析中，我们要讨论的则是从故障(即不满意运行)来估计系统的不可靠度(或不可利用率)。因此，故障树分析法实际上是研究系统的故障与组成该系统的零件(子系统)故障之间的逻辑关系，根据零件(子系统)故障发生的概率去估计系统故障发生概率的一种方法。,139,故障树分析目的,故障树分析包括研究引起系统故障的人、环境之间因果关系的定性分析，在对失败原因及发生概率统计的基础上，确定失效概率的定量分析。在此基础上，再去寻找改善系统可靠性的方法。,140,故障树分析起源,故障树分析法(faulttreeanalysis)是1961年1962年间，由美国贝尔电话实验室的沃特森H.A.Watson在研究民兵火箭的控制系统时提出来的。1970年波音公司的哈斯尔（Hassl）、舒洛特（Schroder）与杰克逊（Jackson）等人研制出故障树分析法的计算机程序，使飞机设计有了重要的改进。,141,1974年美国原子能委员会发表了麻省理工学院（MIT）的拉斯穆森（Rasmusson）为首的安全小组所写的“商用轻水核电站事故危险性评价”报告，使故障树分析法从宇航、核能逐步推广到电子、化工和机械等部门。,142,故障树分析作用,指导人们去查找系统的故障；指出系统中一些关键零件的失效对于系统的重要度；在系统的管理中，提供一种能看得见的图解，以便帮助人们对系统进行故障分析，使人们对系统工况一目了然，从而对系统的设计有指导作用；为系统可靠度的定性与定量分析提供了一个基础。,143,2.故障树的基本符号,1）事件符号,圆形事件（底事件，基本事件，BasicEvent）：用“”表示。表示基本失效事件，其故障机理及故障状态均为已知，无需再作进一步分析。圆形事件只能作为故障树的输入事件，而不能作为输出事件。比如活塞的失效是因为“磨损”，故“磨损”这一事件是基本事件，因为他对“活塞失效”这个“顶事件”是基本的，决定性的。,144,矩形事件（顶事件或中间事件）：顶事件是指故障树的起始事件，它也是系统中最不希望发生的事件，用符号“”表示。中间事件:是指位于顶事件和底事件之间的结果事件，用符号矩形“”表示。,145,菱形事件:表示发生概率较小，对此系统而言不需要进一步分析的事件。如果要求不是很精密，这些故障事件在定性、定量分析中可忽略不计，用符号表示。此外还有为了减少制图重复而发生事件转移的省略事件；表示当给定条件满足时事件就发生，否则就不发生的条件事件等等，在此不一一介绍了。,146,与门：表示只有当全部输入事件都同时发生时输出事件才发生。设与门共有n个输入事件Bi(i=1,2,n),则其输出事件A与输入事件的逻辑关系可表示为：从与门的定义看，与门相当于系统逻辑图中的并联关系，如图所示。,与门和并联逻辑图,2）逻辑符号,147,或门：表示只要输入事件中的任何一个发生，输出事件就发生；其逻辑表达式为：或门相当于系统逻辑图中的串联关系，如图所示。,148,异或门：只要输入事件B1和B2中的任何一个发生，但不同时发生，则输出事件就发生；禁门：当条件事件C存在时，输入事件B直接引起输出事件A的发生，否则事件A不发生；表决门：只要n个输入事件中的任意m个发生，输出事件就发生；顺序与门：当输入事件按从左至右的顺序发生时，输出事件发生。,149,FTA02,故障树分析一例,电机不转,150,3.FT的建立,故障树的建立有两种途径：人工建树，计算机辅助建树。无论哪种方法，其思路是一样：首先选择、确定和分析顶事件，然后从顶事件开始逐级分析和确定中间事件，直至底事件,151,FT建立举例供水系统,E为水箱，F为阀门，L1和L2为水泵，S1和S2为支路阀门。分析：“B侧无水”是一个不希望发生的事件；将其作为FT的顶事件。,152,顶事件发生的原因：a)E水箱无水；b)F阀门关闭；c)泵系统故障。泵系统故障的原因支路与支路同时故障，其中支路的原因是泵L1故障或阀门S1故障关闭；支路故障的原因是泵L2故障或阀门S2故障关闭。,153,若将这一分析过程表示成图形，可得一树状逻辑图。如果用规定的逻辑符号代替图中表示逻辑关系的文字“或”、“与”，并将描述时间的文字写在规定的事件符号内，则所得到的图即是故障树，如图所示。,154,供水系统事件关系图,155,4.故障树分析的步骤,明确规定“系统”和“系统故障”定义，也就是说，必须首先明确所研究的对象是由什么零件（子系统）组成，它们之间在运行上的彼此关系如何？对于所研究的系统，最终不希望什么样的故障发生（即选定系统的顶事件）。进一步探求引起故障的原因，并对这些原因进行分类归纳(如设计上的，制造上的，运行和其他环境因素等)。根据故障之间的逻辑关系，建造故障树。,156,故障树的定性分析。分析各故障事件结构的重要度，应用布尔代数对其进行简化，找出故障树的最小割集。收集并确定故障树中每个基本事件的发生或基本事件分布规律及其特性参数。根据故障树建立系统不可靠度（可靠度）的统计模型，确定对系统作定量分析的方法，然后对该系统进行定量分析，并对分析结果进行验证。,157,5.故障树的定性分析,目的：找出故障树中所有导致顶事件发生的最小割集。割集：指导致故障树顶事件发生的若干底事件的集合，当这些底事件同时发生时，顶事件必然发生。如果割集中任意一个底事件不发生，顶事件也就不发生，那么这样的割集就称为最小割集。,158,如图：若将各底事件分别用X1、X2、X3、X4表示，则根据定义，割集有但是，最小割集却只有三个，即其它的割集均不满足最小割集的条件。,割集与最小割集概念事例图,159,最小割集的阶：最小割集中所包含的底事件的个数称为最小割集的阶。如：为一阶割集，为二阶割集。一般来说，阶数越低越容易出故障。因此最低阶的最小割集常是系统的薄弱环节。对故障树进行定性分析的目的也就是通过分析系统的最小割集来洞察全系统的可能故障形式，从中预见系统的薄弱环节，从而提高改进措施。,160,6.故障树的定量分析,故障树的定量分析是以故障树为模型，在已知全部底事件可靠性参数的情况下，计算顶事件发生的概率；求顶事件发生概率的方法有多种。直接概率法(结构函数法)：基本思路是把故障中的与门事件看作并联，把或门事件看作串联。,161,对或门事件，如图所示，顶事件E发生的概率为式中qi故障树中底事件Xi发生的概率P(Xi),162,对与门事件，如图所示，顶事件E发生的概率为:式中qi故障树中底事件Xi发生的概率P(Xi),163,对复杂的故障树可以从底事件开始逐级进行计算直至顶事件为止。,E,X3,X2,X1,如果三个底事件的概率已知，顶事件E发生的概率怎么计算？,G,164,【本节思考题】,1.什么是串连系统？什么是纯并联系统？什么是表决系统？它们用逻辑图是怎么表示的？它们的可靠度怎么计算？2.什么是故障树分析法？其特点是什么？3.故障树和系统逻辑图之间有什么联系？,165,【作业】,1.一个系统由5个元件组成，其联接方式和元件可靠度如图所示，试求该系统的可靠度。,参见教材P203,166,【作业】,2.试画出下图所示结构的故障树，并求它的全部割集和最小割集试用结构函数法器系统的可靠度。,0.96,0.95,0.90,0.95,参见教材P203,167,常用概率分布的可靠度计算公式,168,表3常用概率分布的可靠度计算公式,169,一、疲劳强度理论的基本概念,二、概率疲劳极限,第四节机械零件疲劳强度的可靠性分析,170,基本概念-1,疲劳强度理论的基本概念,1、静应力作用下的结构强度,工作应力超过一定的极限应力时，结构发生破坏。,sss时，结构发生明显的塑性变形。,ssB时，结构发生断裂破坏。,结构受复合应力作用时，则应按某强度理论判断结构的安全性，例如：,但是，在交变应力的作用下，结构强度不能用上述条件式判断。需要用相应的疲劳理论的来判断。,171,基本概念-2,疲劳强度理论的基本概念,2、交变应力的描述,描述规律性的交变应力可有5个参数，但其中只有两个参数是独立的。,172,基本概念-3,材料的疲劳特性,机械零件的疲劳大多发生在sN曲线的CD段，可用下式描述：,D点以后的疲劳曲线呈一水平线，代表着无限寿命区其方程为：,由于ND很大，所以在作疲劳试验时，常规定一个循环次数N0(称为循环基数)，用N0及其相对应的疲劳极限r来近似代表ND和r，于是有：,有限寿命区间内循环次数N与疲劳极限srN的关系为：,式中，sr、N0及m的值由材料试验确定。,3、sN曲线（疲劳极限线图之一）,sN疲劳曲线,173,基本概念-4,材料的疲劳特性,4、等寿命疲劳曲线（疲劳极限线图之二）,机械零件材料的疲劳特性除用sN曲线表示外，还可用等寿命曲线来描述。该曲线表达了不同应力比时疲劳极限的特性。,在工程应用中，常将等寿命曲线