机械可靠性设计.ppt

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1、机械可靠性设计,西北工业大学 机电学院 吴立言,,机械可靠性设计,机械可靠性设计,第一章 机械可靠性设计概述,第二章 机械可靠性设计基础,第三章 可靠性设计基本方法,第四章 机械系统的可靠性分析,第五章 机械系统的故障分析,第六章 机械零件的疲劳强度可靠度分析,机械可靠性设计概述1,可靠性设计概述,可靠性是衡量产品质量的一项重要指标。,可靠性长期以来是人们设计制造产品时的一个追求目标。,但是将可靠性作为设计制造中的定量指标的历史却还不长，相关技术也尚不成熟，工作也不普及。,一、可靠性发展简史,第二次世界大战：可靠性问题突出的时期；,上世纪五十年代：开始系统地进行可靠性研究，主要的工作是由美国军

2、事部门展开。,1952年，美国军事部门、工业部门和有关学术部门联合成立了“电子设备可靠性咨询组”AGREE小组。（Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment）,1957年提出了电子设备可靠性报告(AGREE报告)该报告首次比较完整地阐述了可靠性的理论与研究方向。从此，可靠性工程研究的方向才大体确定下来。,概述2,机械可靠性设计概述,除美国以外，还有前苏联、日本、英国、法国、意大利等一些国家，也相继从50年代末或60年代初开始了有组织地进行可靠性的研究工作。,在上世纪60年代后期，美国约40的大学设置了可靠性工程课程。目前美国等发达

3、国家的可靠性工作比较成熟，其标志性的成果是阿波罗登月计划的成功。,本阶段工作的特点： 研究的问题较多集中于针对电器产品； 确定可靠性工作的规范、大纲和标准； 组织学术交流等。,国内的可靠性工作起步较晚，上世纪50年代末和60年代初在原电子工业部的内部期刊有介绍国外可靠性工作的报道。,发展最快的时期是上世纪80年代初期，出版了大量的可靠性工作专著、 国家制定了一批可靠性工作的标准、各学校由大量的人投入可靠性的研究。,概述3,但国内的可靠性工作曾在90年代初落入低谷，在这方面开展工作的人很少，学术成果也平平。主要的原因是可靠性工作很难做，出成果较慢。,许多工业部门将可靠性工作列在了重要的地位。如原

4、航空工业部明确规定，凡是新设计的产品或改型的产品，必须提供可靠性评估与分析报告才能进行验收和坚定。,但在近些年，可靠性工作有些升温，这次升温的动力主要来源于企业对 产品质量的重视，比较理智。,我认为，目前国内的可靠性工作仍在一个低水平上徘徊，研究的成果多，实用的方法少；研究力量分散，缺乏长期规划；学术界较混乱，低水平的文章随处可见，高水平的成果无人过问,机械可靠性设计概述,概述4,二、常规设计与可靠性设计,常规设计中，经验性的成分较多，如基于安全系数的设计。,常规设计可通过下式体现：,计算中，F、l、E、slim等各物理量均视为确定性变量，安全系数则是一个经验性很强的系数。,上式给出的结论是：

5、若ss则安全；反之则不安全。,应该说，上述观点不够严谨。首先，设计中的许多物理量明是随机变量；基于前一个观点，当s s时，未必一定安全，可能因随机数的存在而仍有不安全的可能性。,在常规设计中，代入的变量是随机变量的一个样本值或统计量，如均值。按概率的观点，当= 时， ss的概率为50%，即可靠度为50%，或失效的概率为50%，这是很不安全的。,机械可靠性设计概述,概述5,概率设计就是要在原常规设计的计算中引入随机变量和概率运算，并给出满足强度条件（安全）的概率可靠度。,机械可靠性设计是常规设计方法的进一步发展和深化，它更为科学地计及了各设计变量之间的关系，是高等机械设计重要的内容之一。,显然有

6、必要在设计之中引入概率的观点，这就是概率设计，是可靠性设计的重要内容。,机械可靠性设计概述,概述6,三、可靠性工作的意义,可靠性是产品质量的一项重要指标。,重要关键产品的可靠性问题突出，如航空航天产品；,量大面广的产品，可靠性与经济性密切相关，如洗衣机等；,高可靠性的产品，市场的竞争力强；,四、可靠性学科的内容,可靠性基础理论：数学、失效物理学(疲劳、磨损、蠕变机理）等；,可靠性工程：可靠性分析、设计、试验、使用与维护等；,可靠性管理：可靠性规划、评审、标准、指标及可靠性增长；,固有可靠性：由设计所决定的产品固有的可靠性；,使用可靠性：在特定的使用条件下产品体现出的可靠性；,机械可靠性设计概述

7、,概述7,五、可靠性工作的特点,可靠性是涉及多种科学技术的新兴交叉学科，涉及数学、失效物理学、设计方法与方法学、实验技术、人机工程、环境工程、维修技术、生产管理、计算机技术等；,可靠性工作周期长、耗资大，非几个人、某一个部门可以做好的，需全行业通力协作、长期工作；,目前，可靠性理论不尽成熟，基础差、需发展。,与其他产品相比机械产品的可靠性技术有以下特点：,因设计安全系数较大而掩盖了矛盾，机械可靠性技术落后；,机械产品的失效形式多，可靠性问题复杂；,机械产品的实验周期长、耗资大、实验结果的可参考性差；,机械系统的逻辑关系不清晰，串、并联关系容易混淆；,机械可靠性设计概述,机械可靠性设计基础1,机

8、械可靠性设计基础,一、可靠性定义与指标,、可靠性定义,产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。,可靠性：(Reliability),维修性：(Maintainability),可维修的产品在某时刻具有或维持规定功能的能力。,有效性：(Availability),有效性广义可靠性（狭义）可靠性维修性,在规定的条件下和规定的时间内，按规定的程序和方法完成维 修的能力。,基础2,、可靠性指标,机械可靠性设计基础, 可靠度：(Reliability),产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。,记为：R() 即：R()=P,其中：T为产品的寿命；为规定的时间；,事件有下列三个

9、含义： 产品在时间内完成规定的功能； 产品在时间内无故障； 产品的寿命大于。,若有N个相同的产品同时投入试验，经历时间后有n(t)件产品 失效，则产品的可靠度为：,失效概率为：,基础3,机械可靠性设计基础, 失效率,例：若有100件产品，实验10小时已有2件失效。此时观测1小时，发现有1件失效，这时,若实验到50小时时共有10件失效。再观测1小时，也发现有1件失效，这时,基础3-2,机械可靠性设计基础,显然有：,失效率曲线（也称浴盘曲线）,基础4,机械可靠性设计基础, 平均寿命, 对于不可修产品为平均无故障时间MTTF (Mean Time To Failure),对于可修产品为平均故障间隔时

10、间MTBF (Mean Time Between Failure), 维修度,在规定的条件下和规定的时间内，按规定的程序和方法完成维 修的概率。(M(t), 有效度,平均维修时间：MTTR(Mean Time To Repair),可以维修的产品在某时刻具有或维持规定功能的概率。,基础5,二、概率论的基本概念,、 随机事件与事件间的关系,机械可靠性设计基础,随机事件“不可预言的事件”,、事件或事件发生的事件,、事件与事件同时发生的事件,、 频率与概率,做次实验，随机事件共发生次，则：,随机事件出现的频率为：,随机事件出现的概率为：,基础6,、概率运算,机械可靠性设计基础,P(AB)=P(B)P

11、(AB) =P(A)P(BA),若P(A B)=P(A)，则A与B相互独立，且P(AB)=P(A)P(B),P(A+B)=P(A)+P(B)P(AB),若P(AB)=，则A与B互不相容，且P(AB)=P(A)P(B),二、概率分布与数字特征,、概率分布,基础7,机械可靠性设计基础,、数字特征, 均值(期望),反映随机变量取值集中的位置，常用或E(x)表示。,定义：,在可靠性设计中，E(x)可表示平均强度、平均应力、平均寿命,在常规设计中引入的物理量，多数就是E(x)。,基础8,机械可靠性设计基础, 方差,衡量随机变量取值的分散程度，用D(x)、2表示。,定义：,标准差、均方差,基础9,机械可靠

12、性设计基础, 变异系数,C是一个无量纲的量，表示了随机变量的相对分散程度。,基础10,机械可靠性设计基础, 偏度（Skewness Sk),Sk = 0 对称分布,Sk 0 正偏分布,Sk 0 负偏分布,基础11,机械可靠性设计基础,三、可靠性分析中的常用分布,、 指数分布,概率密度函数：,累积分布函数：,若xt（寿命），则t指数分布，反映了偶然因素导致失效的规律。,平均寿命 E(t)=/l（MTBF)， l为失效率。,指数分布常用于描述电子产品的失效规律，由于l为常数，指数 分布不适于描述按耗损规律失效的问题，机械零件的失效常属于这一 类型。,基础11-例,机械可靠性设计基础,关于指数分布的

13、讨论,相关公式：,上述推导表明，若产品的寿命服从指数分布，则表明该产品是“永远年轻” 的。,P(AB)=P(B)P(AB) =P(A)P(BA),基础12,机械可靠性设计基础,、正态分布（高斯分布）,概率密度函数：,累积分布函数：,为均值,为方差,分布形态为对称分布,基础13,机械可靠性设计基础,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。,例,例,有

14、一个钢制结构件，据实验有sBN(m，s)， 均值msB =400MPa， 变异系数c=0.08。,求： smax =300MPa时，结构件的失效概率？ 要求可靠度R=0.9977时， smax = ？。,解： PF=P(sB smax )= P(sB 300), PF1R=10.99770.0023,基础14,机械可靠性设计基础,、对数正态分布,可记为：,概率密度函数为：,大量的疲劳失效规律服从对数正态分布，如疲劳寿命的分布。,基础15,机械可靠性设计基础,、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,基础16,机械可靠性设计基础,尺寸参数不同的影

15、响,位置参数不同的影响,基础17,机械可靠性设计基础,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，,其中：=1.5(ISO/R286),基础18,机械可靠性设计基础,目前国家标准中采用下列方法计及滚动轴承的可靠度,其中，L10为基本额定寿命（可靠度为90%),Ln为可靠度R=1-n%的轴承寿命,a1为轴承的可靠性系数，其值按下表取：,关于a1的推导：,基础19,机械可靠性设计基础,例：已知某轴承L106000小时，求R=94%、95.5%时的

16、寿命， 以及Ln=3000小时时的可靠度。,解：R=94%时，,当R=95.5%时，,Ln=3000小时时，,基础20,机械可靠性设计基础,四、可靠性分析分布的确定,实际应用中，多为引用理论分布，在引用分布时应考虑：,、物理意义 电产品多用指数分布、疲劳寿命用对数正态分布， 建议机械产品多用威布尔分布。,、统计检验易通过 威布尔分布最易通过检验。,、计算简便 正态分布最方便。,分布确定的途径：引用理论分布、建立特殊的分布。,应特别注意积累可靠性数据！,可靠性设计基本方法1,可靠性设计基本方法,一、应力强度干涉理论（模型）,、基本概念,若应力s和强度r均为随机变量，则z=r-s也为随机变量。,产

17、品要可靠，需满足： z=r-s 0,即产品可靠度为：R=P( z0)= P(r-s 0),可以导出：,或,两个公式是等同的,方法2,可靠性设计基本方法,认识应力强度干涉模型很重要，这里应特注意应力、强度均为 广义的应力和强度。,广义应力导致失效（故障）的因素，如温度、电流、载荷等；,广义强度阻止失效（故障）的因素，如极限应力、额定电流等；,几点说明：,干涉模型是可靠性分析的基本模型，无论什么问题均适用；,干涉区的面积越大，可靠度越低，但不等于失效概率；,关于R的计算公式仅为干涉模型的公式化表示，实际应用意义很小。,、应力、强度均为正态分布时的可靠度计算,方法3,可靠性设计基本方法,称为可靠性系

18、数（或可靠性指数）,两类可靠性问题：,已知，求R=() 可靠性估计,已知R，求=-1(R) 可靠性设计,方法4,可靠性设计基本方法,例：一钢丝绳受到拉伸载荷FN(544.3，113.4)kN，已知钢丝的承载 能力QN(907.2，136)kN，求该钢丝的可靠度R。,若采用另一厂家生产的钢丝绳，由于管理严格，钢丝绳的质量 的一致性较好， Q的均方差降为90.7kN，这时：,方法5,可靠性设计基本方法,例：某连杆机构中，工作时连杆受拉力FN(120，12)kN，连杆材料 为Q275钢，强度极限BN(238，0.08238)MPa，连杆的截面 为圆形，要求具有90%的可靠度，试确定该连杆的半径r。,

19、解：设连杆的截面积为A(mm2),方法6,可靠性设计基本方法,二、多个随机变量问题的可靠度计算,设：广义应力s=s(y1, y2,yl)，其中y1, y2,yl为影响应力的基本随机因素。,广义强度r=r(z1, z2,zm) ，其中z1, z2,zm为影响强度的基本随机因素。,g(x1, x2,xn )=r(z1, z2,zm) s(y1, y2,yl),则：可靠度R=Pg(x1, x2,xn ) 0,若g(x1, x2,xn )设服从正态分布，则有：,这样问题就转换成为求随机变量函数的均值和方差的问题。,其中： x1, x2,xn表示y1, y2,yl和z1, z2,zm的总和。,方法7,可

20、靠性设计基本方法,、确定随机变量函数数值特征的一次二阶矩法,将函数g(x1, x2,xn )在均值点进行泰勒展开：,设各xi间相互独立，并对上式取一次近似，可得：,方法8,可靠性设计基本方法,例：某连杆机构中，工作时连杆受拉力FN(120，12)kN，连杆材料为Q275 钢，强度极限BN(238，0.08238)MPa，连杆的截面为圆形，半径 r =140.06mm，且服从正态分布 。计算连杆的工作可靠度R。,方法9,可靠性设计基本方法,使用时应注意上述方法的近似条件和局限性。,、正态分布假设，特别是对函数分布的假设比较勉强；,、泰勒展开的一次近似，当函数g(x)的非线性较强时，误差较大；,、

21、各基本随机变量的独立性假设，若不独立，则引入较大误差；,例：若孔径D=1001.2mm，轴径d=980.9mm，求间隙？,解：假设正态分布，用“3”准则，则有：,（出问题了）,方法9-1,2、一次二阶矩法的改进,可靠性设计基本方法,若以r代表强度，以s代表 应力，,则z=r-s0对应着安全,z=r-s0对应着失效,z=r-s=0对应着极限状态,z=r-s=0称为极限状态方程,rs安全域,rs失效域,事实上， r、s=均可能由一系列的基本随机变量确定，因此极限状态方 程的一般形式为：,z= r s=g(x1, x2,xn )=0,其中， x1, x2,xn为影响r、s的基本随机变量。,在 x1,

22、 x2,xn坐标系中，g(x1, x2,xn )=0为一个超曲面。,方法9-2,可靠性设计基本方法,设g(x)= g(x1, x2,xn )=0为极限状态方程,可以证明，若P*点为曲面上到原点O最近的点，则有bOP*为极限状态方程 g(x)= g(x1, x2,xn )=0对应的可靠性指标。,即：R=F(b),这里点P*称为计算点 ，b可按下式计算。,显然，寻找计算点P*是计算b的关键。,方法9-3,可靠性设计基本方法,b的计算过程:,方法9-4,可靠性设计基本方法,一次二阶矩法的改进法有下近似或假设：,各基本随即变量相互独立；,函数g(x)的分布为正态分布，否则b无意义；,泰勒级数仅取一次项

23、以计算点处的切平面代替g(x) ；,b为迭代计算求得，但误差可控制。,方法9-5,3、等效正态分布法,可靠性设计基本方法,等效应满足： 累积分布函数值相等； 概率密度函数值相等。,方法10,可靠性设计基本方法,三、蒙特卡洛技术(Monte Carlo),这是一种随机抽样技术，或称随机模拟技术。,、基本思想,设：y=g(x1, x2,xn)，其中x1, x2,xn为基本随机变量。,f (x1) ， f (x2) ， f (xn) 其分别为x1, x2,xn的概率密度函数。,则有：,方法11,可靠性设计基本方法,、随机抽样技术, 直接抽样法,对于威布尔分布：,因为1-r 与r同为（，）上的均匀分布

24、，, 舍选法抽样, 近似极限法抽样,方法12,可靠性设计基本方法,、应用蒙特卡洛法进行可靠度计算,输入：统计要求的样本容量N、 各随机变量的分布参数,设：应力s=f (x1, x2,xm) 强度r=g(y1, y2,yn),xi、yi分别是影响应力s和强度r 的基本随机变量。,蒙特卡洛法是一种纯概率分析法， 基本上不对分析问题进行假设。该方法 回避了求函数分布的问题。,运用蒙特卡洛方法须知：,基本随机变量的分布；,产生随机性好的随机变量；,会合理地估计抽样容量N。,方法12-1,可靠性设计基本方法,四、等效Weibull分布法,基本思路：,确定各基本随机变量的参数m i、s i和Ski,方法1

25、2-2,可靠性设计基本方法,计算临界函数mg、sg、Skg的二次三阶矩法,方法12-3,可靠性设计基本方法,Weibull分布的数字特征,方法12-4,可靠性设计基本方法,方法13,可靠性设计基本方法,五、概率有限元法简介,有限元方程：Ku= f ,s= D B u= D B K -1 f ,临界方程 g= s s,要求出b，就要计算 ，而s是由有限元方程解出的。,因此， 也由有限元方程的“导数”方程解出。,若xi为载荷F，当载荷F与节点载荷 f 呈线性关系时，即 f cF c F，则：,方法14-1,可靠性设计基本方法,当载荷F与节点载荷 f 的关系未知时，则应计算：,当xi为其它变量时，如

26、弹性模量E、几何尺寸等，则就要面临求 ， ， 等，问题趋于复杂化。,概率有限元法：Probabilistic FEM PFEM,随机有限元法：Stochastic FEM SFEM,方法14-2,可靠性设计基本方法,可靠度计算方法归纳：,基本原理：应力强度干涉,5、概率有限元法：适于复杂结构的可靠性分析,1、有两个随机变量时：,2、一次二阶矩法（适于多个随机变量时）：,建立临界状态方程：g(x1、 x2、 xn)=0,基本一次二阶矩法、改进一次二阶矩法、等效正态分布法,3、蒙特卡洛法：数字模拟、仿真试验,4、等效威布尔分布法：三参数法,方法15,可靠性设计基本方法,运用“3”准则：若已知B33

27、0360MPa时，,六、关于可靠性数据,对长期积累的经验、试验数据进行统计分析。,、常用的材料数据,获取的途径：直接从可靠性实验中得到；,则：E(B ) (360+330)2 345MPa， D(B )(360-330)62=52 =25,运用变异系数C：若已知B345MPa时，可估计C=0.1， 则D(B )(0.1345)2 = 3.452 11.90,关于概率分布：主要采用假设。,、关于几何尺寸：多数认为在公差范围内服从正态分布。,方法16,可靠性设计基本方法,七、关于可靠性许用值的讨论,、关于载荷的分布：这是很难的问题。,可靠的产品，可靠度应是多大？,80% ?,应该将可靠度值与常规设

28、计的安全系数对照！,应重视可靠度的相对关系，重视对比分析！,90% ?,99% ?,95% ?,99.99999% ?,方法17,八、可靠度与安全系数n,常规设计中，安全系数为n=r/s，通常可理解为n=mr/ms，,可靠性设计基本方法,方法18,可靠性设计基本方法,即，当r，s无离散性时，则只要r略大与s便有100%的可靠(绝对安全)。,但是，Cr、Cs不可能为0，这时R b n，n为带有可靠度意 义的安全系数。,方法19,可靠性设计基本方法,但是，Cr= 0.1、Cs = 0.2时，R与n的部分关系如下表：,系统分析1,机械系统的可靠性,机械系统可靠性分析的基本问题：,机械系统可靠性的预测

29、问题：,机械系统可靠性的分配问题：,在已知系统中各零件的可靠度时，如何得到系统的可靠度问题。,在已知对系统可靠性要求（即可靠度指标）时，如何安排系统中各零件的可靠度问题。,这两类问题是系统可靠性分析相互对应的逆问题。,系统分析2,机械系统的可靠性,一、系统可靠性的预测,、串联系统：系统中只要有一个零件失效，系统便失效。,若个组成零件的可靠度为：R1、 R2、 Rn，各零件的可靠事件是 相互独立的，则系统的可靠度为：,另有观点认为，串联系统应是一种链式系统模型，即系统的可靠 性取决于其中最弱环节的可靠性，因此有：,系统分析3,机械系统的可靠性,、并联系统：系统中只要有一个零件正常，系统便正常。,

30、显然有，nRs。并联系统也称冗余系统。,、表决系统：系统共有n个零件，只要m个零件正常，系统正常。,这种系统称为：m/n表决系统。,、复杂系统：由串、并联和表决系统构成的复杂系统。,、系统模型的判别 应注重从功能上来识别！,例如：一个油滤系统，,是什么系统？,若失效形式为滤网堵塞，则属于串联系统。,若失效形式为滤网破裂，则属于并联系统。,系统分析4,机械系统的可靠性,讨论：行星轮系的可靠性模型。,系统分析5,机械系统的可靠性,二、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R

31、i 、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,系统分析6,按等可靠度分配的原则,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。,系统分析7,按预计可靠度分配的原则,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：,系统分析8-1,按重要度分配的原则,分配原则：

32、重要的零件应分配较高的可靠度。“重要”可以是指：功能的核心、失效的后果严重等。,多数文献介绍的是AGREE分配法：,设系统中有n个元件串联组成，若按等可靠度分配，则有：,AGREE分配法的两个问题： 1、对于串联系统，wi1 2、Ri Rs,系统分析8-2,按重要度分配的原则,改进的AGREE分配法：,设系统中有n个元件串联组成，若按等可靠度分配，则有：,FMECA0,故障树分析(FTA),故障模式、影响及危害性分析(FMECA),一、 概 述,二、故障模式与影响分析( FMEA ),三、危害性分析(CA),四、对FMECA的评价,FMECA,(Failure Mode Effect and

33、Criticality Analysis),故障模式、影响及危害性分析(FMECA),1.1,概 述,FMECA是进行产品可靠性设计的重要分析方法之一，一般为定性分析，也可进行一定的定量分析。,FMECA 是通过分析产品所有可能的失效模式，来确定每一种失效对产品的安全、性能等要求的潜在影响，并按其影响的严重程度及其发生的概率对失效模式加以分类，鉴别设计上的薄弱环节，以便采取适当措施，消除或减轻这些影响。,FMECA的特点在于，即使没有定量的可靠性数据，也能找出产品的不可靠因素。,GB7826-87：失效模式和效应分析(FMEA)程序 HB6359-89：失效模式、影响及危害性分析程序,1.2,

34、概 述,FMECA也可分为：FMEA侧重于定性分析, CA侧重于定量分析（有定性和定量两种）。,危害性分析(CA)工作的难度较大，需要有一定的基础和数据。标准有说明，在条件不具备时可不作危害性分析(CA)。,FMECA包括以下三个部分：,FMA(Failure Mode Analysis)故障模式分析； FEA(Failure Effect Analysis)故障影响分析； CA(Criticality Analysis)危害性分析。,2.1,1. 分析的基本方法： 硬件法：是列出各个产品，对它们可能的失效形式加以分析。 功能法：是从每个产品可以完成许多功能，而功能是按输出分类的观点出发，将输

35、出一一列出，并对它们的失效模式进行分析。,“可能的失效”尽可能地收集类似产品在相似适用条件下积累的有关信息。,FMEA一般可用于产品的研制、生产和使用阶段，特别应在研制、设计的各阶段中采用。,FMEA应在设计的早期阶段就开始进行，以便于对设计的评审、为安排改进措施的先后顺序提供依据。,故障模式与影响分析(FMEA),2.2,2. 分析所需的资料： 技术规范、研制方案、设计资料与图纸、可靠性数据等。,3. 分析的程序： 定义被分析的系统，包括范围（内部与接口）、任务阶段、环境、功能要求等。 绘制功能或可靠性方框图； 确定失效模式； 确定失效的严酷度、按最坏的潜在后果评定； 确定检测方法； 确定补

36、偿、改进措施； 分析总结，提出薄弱环节，说明不能通过设计计算来改善的环节。,故障模式与影响分析(FMEA),2.3,4. 严酷度分类 对失效造成的后果的严重程度进行分类，是较笼统的、定性的分类。,类（灾难性的）会引起人员死亡或系统毁坏的失效（机毁人亡）。,类（致命性的）会引起人员严重伤亡、重大财产损失或导致任务失 败的系统严重失效。,类（临界的）会引起人员的轻度损伤、一定人的财产损失或导致任 务延误或降级的系统轻度损坏。,类（轻度的）不足以导致上述三类后果的失效，但它会导致非计划 维护或修理。,在GB7826-1987中给出的类别的顺序与上述恰相反，即：,故障模式与影响分析(FMEA),2.3

37、,故障模式与影响分析(FMEA),严酷度的分类和确定有一定的任意性，不同的领域应专门给出严酷度的定义。例如，航空发动机的严酷度定义为：,类（灾难性的）会引起发动机空中停车且不易重新启动的故障。,类（致命性的）会引起发动机性能严重下降的故障。,类（临界的）会引起发动机不能工作而需要提前拆换发动机的故障。,类（轻度的）不足以导致提前拆换发动机及发动机寿命降低，但仍 需一定的非计划维修工作的故障。,2.4,故障模式与影响分析(FMEA),5. FMEA表格,填写表格是FMEA工作的一个重要体现，填入的失效模式至少应就下述典型的失效状态进行分析研究。,提前运行； 在规定的时刻开机失效； 间断地工作；

38、在规定的时刻关机失效； 工作中输出失效（或消失）； 输出或工作能力下降； 与系统特性有关的其它失效。,2.5,故障模式与影响分析(FMEA),6. FMEA报告,应将FMEA的主要内容和结果汇编成文，其中包括:,信息来源说明； 被分析对象的定义； 分析层次； 分析方法说明； FMEA表； 、类故障，单点故障清单； （单点故障指能导致系统失效的某一产品失效，即处于串联系统中的 元件的失效，若系统中的故障均为单点故障，可不列清单） 遗留问题总结和补偿措施建议。,、类故障清单示例,FMEA示例,3.1,危害性分析(CA),1. 危害性分析的目的,按每一失效形式的严酷度类别及该失效模式的发生概率所产生

39、的综合影响来对其划等分类，以便全面地评价各潜在失效模式影响。 CA是FMEA的补充和扩展，未进行FMEA，不能进行CA。,2. 分析方法 相对于FMEA而言，CA侧重于定量分析，当然具体方法包括定性分析和定量分析两种。,定性分析方法 在不具备产品可靠性数据（或失效率）时，可按失效模式发生的大致概率来评价FMEA 中确定的失效模式。,3.2,失效模式发生的概率等级可按以下方法划分：,A级：经常发生的事件，概率P20； B级：很可能发生的事件，10P20； C级：偶然发生的事件，1P10； D级：很少发生的事件，0.1P1； E级：极不可能发生的事件，0P0.1；,危害性分析(CA),3.3,定量

40、分析方法危害度Cm计算,式中：lp失效率（1/h) aj产品以模式j发生失效的频数比，,第j个失效模式的危害度为：,bj模式j发生并导致系统失效的条件概率，即 bjP(FsFj) t 产品在可能出现模式j失效状态下的工作时间（或循环次数）,注：bj由分析人员判断，实际丧失 bj1，很可能丧失 0.1 bj1， 有可能丧失 0 bj 0.1 ，无影响 bj 0,危害性分析(CA),3.4,元件的危害度Cr,式中：n该元件在相应严酷度类别下的失效模式数。,Cr 是元件就某个特定的严酷度类别和任务阶段而言的。,究竟选择哪种分析方法，应依据具体情况而决定。,危害性分析(CA),3.5,3. 危害性分析

41、程序,填写CA表格，17栏同FMEA表，对于定性的CA，仅填至第8栏；对于定量的CA，应填满各栏。 绘制危害性矩阵。,危害度增大方向,危害性分析(CA),3.6,4. FMECA报告,相应的FMECA 报告(含相应的FMEA 表，、类故障，单点故障清单) 对FMEA中的失效模式应给出其危害度或概率等级 CA表 危害性矩阵与危害性顺序表 关键件清单,危害性分析(CA),4.1,对FMECA的评价,1. 优点,简单，基本为定性分析，也可做定量分析 适用于各个行业，各类设计过程 在一定程度上可反映人的因素 有很好的实际效果,2. 缺点,分析工作量大、费时，对于较复杂的系统，其分析工作十分繁琐 属单因

42、素分析，未考虑共因素问题 因环境条件而异，结论的通用性差,应该针对FMECA建立数据库，充分采用计算机统计、检索和分析。,FTA01,故障树分析(FTA),故障树分析Fault Tree Analysis （FTA）,FTA 是系统可靠性分析方法之一，包括分定性分析和定量分析 FTA目的在于：寻找导致系统故障的原因，若已知基本事件（原因） 发生的概率，则可依此求出系统的失效概率 FTA以故障树（ FT）为工具对系统的失效进行分析 故障树（ FT）用各种事件的代表符号和逻辑关系符号组成的倒立树 状的因果关系图,FTA02,故障树分析(FTA),故障树分析一例,电机不转,一、 疲劳强度理论的基本概

43、念,二、概率疲劳极限,机械零件疲劳强度的可靠性分析,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。,s s s时，结构发生明显的塑性变形。,s s B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。,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。,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

44、：,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,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，常将等寿命曲线用直线来近似替代。,用AC折线表示零件材料的极

45、限应力线图是其中一种近似方法。,A直线的方程为：,C直线的方程为：,y为试件受循环弯曲应力时的材料常数，其值由试验及下式决定：,详细介绍,对于碳钢，y0.10.2，对于合金钢，y0.20.3。,基本概念-5,机械零件的疲劳强度计算,5、零件的极限应力线图,由于零件几何形状的变化、尺寸大小、加工质量及强化因素等的影响，使得零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳极限。,以弯曲疲劳极限的综合影响系数表示材料对称循环弯曲疲劳极限-1与零件对称循环弯曲疲劳极限-1e的比值，即,在不对称循环时，是试件与零件极限应力幅的比值。,将零件材料的极限应力线图 中的直线ADG 按比例向下移， 成为右图所示的直线ADG，

46、而极 限应力曲线的 CG 部分，由于是 按照静应力的要求来考虑的，故 不须进行修正。这样就得到了零 件的极限应力线图。,详细介绍,基本概念-6,机械零件的疲劳强度计算,6、单向稳定变应力时的疲劳强度计算,进行零件疲劳强度计算时，首先根据零件危险截面上的 max 及 min确定 平均应力m与应力幅a，然后，在极限应力线图的坐标中标示出相应工作应 力点M或N。,根据零件工作时所受的约束来确定应力可能发生的变化规律，从而决定以哪一个点来表示极限应力。 机械零件可能发生的典型的应力变化规律有以下三种：,应力比为常数：r=C 平均应力为常数m=C 最小应力为常数min=C,详细分析,相应的疲劳极限应力应

47、是极限应力曲线上的某一个点所代表的应力 。,计算安全系数及疲劳强度条件为：,规律性不稳定变应力,基本概念-7,机械零件的疲劳强度计算,7、单向不稳定变应力时的疲劳强度计算,若应力每循环一次都对材料的破坏起相同的作用，则应力 1 每循环一次对材料的损伤率即为1/N1，而循环了n1次的1对材料的损伤率即为n1/N1。如此类推，循环了n2次的2对材料的损伤率即为n2/N2，。,当损伤率达到100%时，材料即发生疲劳破坏，故对应于极限状况有：,详细分析,概率疲劳-1,概率疲劳极限,1、概率疲劳极限,P-s-N曲线可以从常规的疲劳实验数据中获得。,概率疲劳-2,概率疲劳极限,2、给定寿命时的可靠度计算,疲劳极限sr的分布可能是正态分布、威布尔分布。,概率疲劳-3,概率疲劳极限,给定寿命时的可靠度计算(2),常规设计：,可靠性设计：,概率疲劳-4,概率疲劳极限,3、按损伤累积进行概率疲劳强度计算,常规设计：,可靠性设计：,3. 某连杆在工作中受到静拉力F作用。拉力F有一定的随机性，F=105145kN。连杆的材料为Q235钢，其许用应力为215245MPa。连杆的横截面为圆截面，其直径为f280.03mm。试分析该连杆在工作时强度的可靠度。,4. 某支承处用一个代号为6210的滚动轴承，其额定动载荷为48kN，工作转速为860转/分。