SM(s2SLL2)1/2
LR(s2
L L2)1/2
只有同时使用这两个参数，才能比较全面地描述载荷及其对可靠性的影响。
(4-1) (4-2)
6
设计参数的统计处理与计算
零件在载荷作用下产生应力。载荷通常是随机变化的，因此零件危险点的 应力是随机变量。
零件的强度取决于材料、加工等诸多因素，即使同一批零件的强度也有明 显的分散性，也是随机变量。
安全理念不同－可靠性设计是在概率的框架下考虑问题。在概率的意义上，系 统中各零件（或结构上的各部位）的强弱是相对的，系统的可靠度是由所有零 件共同决定的。而在确定性框架下，系统的强度（安全系数）是由强度最小的 零件（串联系统）或强度最大的零件（并联系统）决定的。
提高安全程度的措施不同－可靠性设计方法不仅关注应力与强度这两个基本参 量的均值，同时也关注这两个随机变量的分散性。可以通过减少材料/结构性 能的分散性来降低发生失效的概率。而传统设计一般都是要通过增大承力面积 来降低工作应力，保证安全系数。对于结构系统来说，可靠性设计多采用冗余 结构保证系统安全。
用的载荷的统计规律。也就是说，对于一次性使用的产品，例如一次性使用的导弹发射架、一次性 消防器材保险装置等，载荷分布表达的是这个一次性出现的载荷的概率特征；对于长期使用的产品， 例如汽车、桥梁等，载荷分布一般应该是载荷历程的统计规律。 对于随机载荷/强度条件下的可靠性问题，有安全裕度SM和载荷粗糙度LR两个参数：
第4章 可靠性设计原理与可靠度计算
4.1 产品设计中的靠性问题 从可靠性的角度，可将产品归纳为3类：
本质上可靠的零件－强度与应力之间有很大的裕度，且在使用寿命期内不 耗损的零件。这样的零件包括几乎全部正确地使用的电子器件、不运动的 机械零部件和正确的软件。
本质上不可靠的零件－设计裕度低或者不断耗损的零件。例如恶劣环境下 工作的零件（例如涡轮机叶片），与其它零件有动接触的零件（像齿轮、 轴承和动力传输带），等等。
机械可靠性设计根据应力和强度实际存在的不确定性，应 用概率论和数理统计的方法，保证所设计的机械产品在使 用期内满足规定的不失效概率的要求。
2
可靠性设计与传统设计的主要差别：
设计变量的属性及其运算方法不同－可靠性设计中涉及的变量大多是随机变量， 涉及大量的概率统计运算。
安全指标不同－可靠性设计用可靠度作安全指标。可靠性指标不仅与相关参量 的均值有关，也与其分散性有关。可靠性指标能更客观地表征安全程度。
4
可靠度与设计安全性
由可靠度的定义可知，可靠度为安全系数大于1的概率。 可靠性设计中，将安全指标与可靠度相联系，可以充分
利用材料、结构、载荷等方面的特征信息，采用严谨的 理论方法，有根据地减少尺寸、重量，容易实现设计优 化，便于系统可靠性预测。
5
可靠性设计中的载荷概念
载荷分布是可靠性设计的重要参数之一，在某种意义上也可以说是最重要的参数。 载荷分布对于产品可靠度的意义，可以是一次性作用的载荷以不同值出现的概率，也可以是多次作
要确定应力和强度的随机特性，首先应了解影响应力和强度随机性的 因素。一般情况下，影响应力的主要因素有外载荷、结构形状和尺寸 等；影响强度的主要因素有材料的机械性能、加工工艺、表面质量、 使用环境等。
9
1．载荷
机械产品所承受的载荷大都是不规则变化的、不能重复的随机性载荷。
2．几何形状及尺寸
由于制造尺寸误差是随机变量，所以零、构件的形状与尺寸也都是随机变量。
通过对失效模式、失效机理的研究，采用改进措施，防止失效的发生，可以保证设 计的产品达到预定的可靠性要求。
失效机理分析涉及到很多学科领域，如系统分析，结构分析，材料物理、化学分析， 测试，以及有关疲劳、断裂、腐蚀、磨损等各学科知识。
2 对关键零件进行失效概率评价
根据经验数据或FMECA确定产品的可靠性关键件及其相应的失效模式，然后针对其主 要失效模式进行失效概率分析、预测，如静强度失效概率、疲劳和断裂失效概率、 磨损和腐蚀失效概率分析等，确保关键件的可靠性。
3
传统的强度设计安全系数
在机械零件的常规设计中，把强度均值与应力均值之比称为安全系数。 常规设计中引用的是一个经验的安全系数，尽管综合了计算准确性、材
料稳定性、检查周密性和使用重要性等具体情况，取值仍有相当大的主 观性。 只有当零件的强度和工作应力的不确定性非常小时，这样定义的安全系 数才有意义。
在机械可靠性设计中，影响应力分布和强度分布的物理参数、几何参数等 大都作为随机变量对待。静载荷一般可用正态分布描述，动载荷一般可用 正态分布或对数正态分布描述。通常，材料的强度都可以用正态分布描述。 几何尺寸一般服从正态分布，且可根据3法则确定其分布参数。
7
4.2 机械产品可靠性问题的特点
1 注重失效模式分析
3．材料性能
4．制造工艺
生产中的随机因素非常多，如毛坯生产中产生的缺陷和残余应力、热处理过程中材质的均匀
性难以保证一致、机械加工对表面质量的影响等。此外，装配、搬运、储存以及质量控制、检
验的差异等诸多因素也是影响应力和强度的随机因素。
5．使用情况
主要指使用中的环境、操作人员使用和维护的影响。如工作环境中的温度、湿度、沙尘、腐
由很多零件和界面组成的系统－例如机床、汽车、飞机、工程机械等，存 在很多失效的可能性，特别是界面失效(包括不适当的电过载保护，薄弱 的振动节点，电磁冲突，存在错误的软件)。
1
可靠性设计与传统设计的主要差别
在常规的机械产品设计中，使用安全系数来考虑这种不确 定性的影响。由于对不同分散特性(分布类型和分布参数) 的情况没有区分，所以这种考虑是比较粗糙的。为了保证 安全，安全系数往往取值较大，设计多偏于保守。
3 注意产品的维修性和使用操作
4 产品的可靠性预测
5 在产品研制过程中重视可靠性试验对保证产品可靠性的作用
8
4.3 应力和强度的分布特性
4.3.1 应力和强度随机性的影响因素
在机械产品中，广义应力是引起失效的负荷，而广义强度则是抵抗失 效的能力。由于影响应力和强度的因素有随机性，所以应力和强度也 有随机性。