所以，可靠度的概念是对于零件而言，而置信度的概念是对于试验 样本而言。
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可靠性设计步骤（13~15步 ）
❖ 13）计算各个零件的可靠度
对于系统中所有的关键零部件重复上述步骤，求出各自的可靠度。
❖ 14）计算系统的可靠度（具有迭代性）
在已知每个零部件可靠度的基础上，计算子系统的以及整个系统的 可靠度。
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可靠性设计步骤（11步 ）
❖ 11）确定同时考虑到所有致命失效模式情况下零件的可靠度
确定每一失效模式的可靠度之后，下一步是确定考虑所有失效模式 的零件的整个可靠度
一种方法是，假设所有的失效模式都是可能的，每个失效模式可能 是独立地或相关的产生，当至少一种失效模式出现时，零件即失效。
n
R0 R1R2R3 K K Rn Ri i 1
机械可靠性设计分析
（第五部分）
张建国
北京航空航天大学 工程系统工程系
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第四章 设计方法与静强度可靠性设计
❖ 4.1 机械零件设计应考虑的问题 ❖ 4.2 可靠性设计方法与步骤 ❖ 4.3 静强度可靠性设计 ❖ 4.4 小结 ❖ 4.5作业
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4.1 机械零件设计应考虑的问题
❖ 研制费用问题
应用可靠性设计方法，比应用传统的设计方法要花费较 多的时间和费用。
❖ 10）对于每一种致命的失效模式，确定其与应力分 布和强度分布相关的可靠度。
对于零件的每一种致命的失效模式，都应计算其可靠度。 这些失效模式可能是：屈服、断裂、疲劳、过度变形、 压杆室温、振幅过大、蠕变、磨损、腐蚀、噪声过大等。
有的零件可能只有一种致命的失效模式，这时只需要根 据这一种失效模式的判据来计算可靠度。但是，在别的 情况下，很可能还有其它的致命失效模式。这时，当然 也需要计算与这些失效模式相应的可靠度。
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可靠性设计步骤（6 ~ 7步 ）
❖ 6）确定应力公式
对于每一种失效模式，必须确定载荷、尺寸、温度、时 间、物理性质、使用和工作环境等设计变量和参数之间 的函数关系，从而得到应力公式。
❖ 7）确定每个失效模式下的应力分布
对于每一种失效模式，必须确定载荷、尺寸、温度、时 间、物理性质、使用和工作环境等设计变量和参数之间 的函数关系，从而得到应力公式。
另一种方法是，假定零件将在最可能发生的一种失效模式下失效
R0 Rimin
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可靠性设计步骤（11步 ）
比较两种方法，零件的实际可靠度是在上两式所给出的值之间。如 果的确是由于单一的失效模式引起零件失效，则实际的可靠度将接
近于或等于 Rim。in 如果是n由于多种原因引起零件失效，则零件的实际
据粗略统计，需要增加的时间大约为1/4~2倍，而需要增 加的费用约为1/5~1/2。
但是在取得了设计经验和积累了设计数据之后，情况便 会大有改善。而且，多花费的时间和费用在以后能够得 到补偿。因为可靠性设计能够消除保守的、不合理的设 计，同时，在零件和设备的整个寿命期内，失效次数会 减少，而维修费用也会降低。
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静强度可靠性设计举例
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静强度可靠性设计举例
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静强度可靠性设计举例
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静强度可靠性设计举例
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静强度可靠性设计举例
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静强度可靠性设计举例
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静强度可靠性设计举例
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静强度可靠性设计举例
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静强度可靠性设计举例
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静强度可靠性设计举例
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静强度可靠性设计举例
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静强度可靠性设计举例
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可靠性设计步骤（5步 ）
❖ 5）确定涉及到的每种失效模式的判据
比较常用的判据有： （1）最大正应力； （2）最大剪应力； （3）最大变形能； （4）最大应变能； （5）最大应变； （6）最大变形； （7）疲劳情况下的变形能； （8）疲劳情况下的最大总应变； （9）最大许用腐蚀量； （10）最大许用磨损量； （11）最大许用振幅； （12）最大许用蠕变，等等。
❖ 静强度概率设计方法
强度应力干涉理论（第三部分）
强度与应力都是正态分布时，可靠度的计算公式
R f Z dZ
0
其中： Z S s
Z
2 S
2 s
（3-1）
为可靠性指标，（3-1）式将强度、应力和可靠度三者
联系起来了，称为“联结方程”
其他常用概率分布的可靠度计算公式参见表3-1。
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9
可靠性设计步骤（4步 ）
❖ 4）确定零件的失效模式是独立的还是相关的
如果所有的失效模式是互相独立的，也就是说一种失效 模式不影响任何其它失效模式的性质，则在进行一种失 效模式下的应力及强度计算时，不需考虑所有其它失效 模式的影响。
如果一种失效模式的性质受到另一个可能同时发生的失 效模式的影响，则受到影响的应力和强度应当加以修正。 这样计算出的每种失效模式的可靠度，将是互相独立的。
3
机械零件设计应考虑的问题
❖ 解决主要问题与主要矛盾
进行可靠性设计时，应当注意，并不是所有的零部件都 要求很高的可靠度，也不是所有的零部件都要求同样的 可靠性指标。
例如一架有30000多个零（元）件的飞机，经常发生故障 的零件只有600多个，即只占2%左右。根据帕累托定理 （Pareto Law），这600多个零件称为主要少数，其余 30000多个称为次要多数。
例如，当提到“某零件在置信度为90％时的可靠度为95％”时，意 思是说：
（1）在100个零件中，经过一定时间t之后，有5个可能会失效，表 示为R（t）＝0.95；
（2）在对10个样本（容量为n＝100）进行试验时，其中9个样本中 将有5个或少于5个的零件失效；有一个样本会有5个以上的零件失效， 表示为C.L.＝0.90。
静强度可靠性设计
❖ 静强度概率设计的主要步骤为
给定结构零部件的设计可靠性指标 确定主要失效模式 确定每种失效模式应力分布 确定每种失效模式的强度分布 应用连接方程确定零部件的设计参数
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静强度可靠性设计举例
查标准正态分布表得可靠性系数： 3.1
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静强度可靠性设计举例
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静强度可靠性设计举例
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可靠性设计步骤（3步 ）
❖ 3）进行失效模式、影响及危害性分析（FMECA）
目的找出所设计系统的关键件与重要件，找出影响系统 功能和可靠性的主要失效模式。使设计人员在设计时抓 住主要矛盾。
因为进行可靠性设计时，应当注意，并不是所有的零部 件都要求很高的可靠度，也不是所有的零部件都要求同 样的可靠性指标。
然后对设计进行迭代，直到系统的可靠度等于或大于事先规定的系 统可靠度目标值为止。
❖ 15）系统优化综合
如果必要，对整个设计的下列内容进行优化，包括：（1）性能； （2）可靠性；（3）维修性；（4）安全；（5）费用；（6）重量； （7）体积；（8）操作性；（9）交货日程表，可靠度将接近于或等于 Ri。 i 1
实际上，零件的真实的可靠度只有在进行集中的可靠性试验或获得 并分析实际使用数据之后，才能计算出经过验证了的可靠度。图3-6 所示为求零件的整个可靠度的流程。
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可靠性设计步骤（12步 ）
❖ 12）确定零件可靠度的置信度
在求出零件的可靠度之后，便会产生一个问题：“这个预测的可靠 度在多大程度上是可以相信的？”这时，便需引入置信度的概念。
求为止。
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作业
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表9-1 荐用的可靠度值分类表
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表9-2 一些机械产品的可靠性指标（七十年代）
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图3-3 航天飞行器的任务轮廓
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图3-4 航天飞行器的环境轮廓
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图3-3 航天飞行器的任务轮廓
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表3-3 航天飞行器功能系统的目标可靠度分配
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图3-6 确定零件可靠度的流程
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4.4 小结
❖ 可靠性设计的主要理论基础：干涉理论。 ❖ 强度可靠性设计的主要思路：
1）确定主要失效模式； 2）确定每种失效模式应力分布； 3）确定每种失效模式的强度分布； 4）应用连接方程计算零可靠度； 5）同设计要求的可靠度相比，满足设计要求，结束。 6）不满足要求，调整设计参数或从新选材，直到满足要
表9-2所列为国外七十年代的一些机械产品的可靠性指标， 可供参考和比较。
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4.2 可靠性设计方法与步骤
❖ 六十年代初期由D.Kececioglu教授提出的方法：
这一方法认为，现代的复杂而昂贵的零件和系统要求高可靠性，所 以必须保证把规定的可靠性目标值设计到零件中去，从而设计到系 统中去。
在实际使用和工作环境下零件的应力的所有参数，实际零件的强度 的所有参数，都是随即变量或呈分布状态。
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可靠性设计步骤（2步 ）
❖ 2）确定有关的设计变量和参数
这些设计变量和参数应当是： （1）对设计任务是有意义的； （2）唯一的和不重复的； （3）在试验前后和进行期间都能度量的。
凡设计任务涉及的所有基本方程都能用这些设计变量和 参数来进行计算。
例如在设计同时受弯矩和扭矩作用的轴时，需要确定的 设计变量和参数有：轴的直径d，弯应力，剪应力，材料 的持久极限，以及应力集中系数、尺寸系数和表面质量 系数等。
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静强度可靠性设计举例
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静强度可靠性设计举例
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静强度可靠性设计举例
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静强度可靠性设计举例
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静强度可靠性设计举例
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静强度可靠性设计举例
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静强度可靠性设计举例
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静强度可靠性设计举例
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静强度可靠性设计举例
所以：
s
(s , s
)