《現(xiàn)代制造系統(tǒng)》課件UNIT 2-2 design method

設(shè)計(jì).制造.管理Design/Manufacture/Management2Unit2現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法A產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)方法B并行工程及設(shè)計(jì)方法C系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)方法

D產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)方法E逆向工程及設(shè)計(jì)方法3可靠性設(shè)計(jì)Reliabilitydesign3一、可靠性設(shè)計(jì)的概念及內(nèi)容二、可靠性設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)三、機(jī)械系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)4一、可靠性設(shè)計(jì)的基本概念及內(nèi)容可靠性：指產(chǎn)品（包括零件和元器件、整機(jī)設(shè)備、系統(tǒng)）在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。對(duì)于可靠性的理解應(yīng)注意：明確產(chǎn)品可靠性研究的對(duì)象

必須明確產(chǎn)品可靠性所規(guī)定的條件

必須明確所規(guī)定的時(shí)間

必須明確產(chǎn)品所需完成規(guī)定的功能

5可靠性設(shè)計(jì)：指在產(chǎn)品（包括零件和元器件、整機(jī)設(shè)備、系統(tǒng)）設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段運(yùn)用各種技術(shù)與方法，預(yù)測(cè)和預(yù)防產(chǎn)品在制造和使用過(guò)程中可能發(fā)生的各種偏差、隱患和故障，保證設(shè)計(jì)一次成功的過(guò)程。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法比較：傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法一般稱(chēng)之為“安全系數(shù)法”。可靠性設(shè)計(jì)的主要特征是將常規(guī)設(shè)計(jì)中涉及的設(shè)計(jì)變量都看作是服從某種分布規(guī)律的隨即變量，用“概率統(tǒng)計(jì)方法設(shè)計(jì)”產(chǎn)品。6可靠性設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容可靠性理論基礎(chǔ)——概率統(tǒng)計(jì)理論；失效物理；可靠性環(huán)境技術(shù)；可靠性基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)等?？煽啃詰?yīng)用技術(shù)——現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)收集；可靠性評(píng)價(jià)與驗(yàn)證；可靠性預(yù)測(cè)技術(shù)等。返回7二、可靠性設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)1、可靠性常用指標(biāo)可靠度（Reliability）失效率（FailureRate）平均壽命（MeanLife）有效壽命（UsefulLife）維修度（Maintainability）有效度（Availability）8可靠度——

指產(chǎn)品在規(guī)定的條件和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。它是時(shí)間的函數(shù)，以R(t)表示。若用T表示在規(guī)定條件下的壽命（產(chǎn)品首次發(fā)生失效的時(shí)間），則“產(chǎn)品在時(shí)間t內(nèi)完成規(guī)定功能”等價(jià)于“產(chǎn)品壽命T大于t”。所以可靠度函數(shù)R(t)可以看作事件“T>t”概率，即

其中，f(t)為概率密度函數(shù)9失效分布函數(shù)——

顯然：

——可靠度R(t)可以用統(tǒng)計(jì)方法來(lái)估計(jì)。設(shè)有N個(gè)產(chǎn)品在規(guī)定的條件下開(kāi)始使用。令開(kāi)始工作的時(shí)刻t取為0，到指定時(shí)刻t時(shí)已發(fā)生失效數(shù)n(t),亦即在此時(shí)刻尚能繼續(xù)工作的產(chǎn)品數(shù)為N-n(t)，則可靠度的估計(jì)值（又稱(chēng)經(jīng)驗(yàn)可靠度）為：

與可靠度的定義相反，把產(chǎn)品在規(guī)定條件下，和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)喪失規(guī)定功能（即失效或故障）的概率定義為不可靠度，也稱(chēng)累積失效概率。用F(t)表示：10失效率——

失效率是工作到某時(shí)刻尚未失效的產(chǎn)品，在該時(shí)刻后單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生失效的概率，記為λ,它是時(shí)間t的函數(shù),記為λ(t),稱(chēng)為失效率函數(shù),有時(shí)也稱(chēng)為故障率函數(shù)或風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)。設(shè)在t=0時(shí)有N個(gè)產(chǎn)品投試，到時(shí)刻t已有n(t)個(gè)產(chǎn)品失效，尚有N-n(t)個(gè)產(chǎn)品在工作。再過(guò)Δt時(shí)間，即到t+Δt時(shí)刻，有Δn(t)=n(t+Δt)-n(t)個(gè)產(chǎn)品失效。產(chǎn)品在時(shí)刻t前未失效而在時(shí)間（t,t＋Δt）內(nèi)的失效率為：

，單位時(shí)間失效頻率

11

失效率——

失效率是在時(shí)刻t尚未失效產(chǎn)品在t+△t的單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生失效的條件概率，即：由條件概率公式的性質(zhì)和時(shí)間的包含關(guān)系，可知：

12失效率曲線——浴盆曲線（1）早期失效期為遞減型。產(chǎn)品使用的早期，失效率較高而下降很快。主要由于設(shè)計(jì)、制造、貯存、運(yùn)輸?shù)刃纬傻娜毕?，以及調(diào)試、跑合、起動(dòng)不當(dāng)?shù)热藶橐蛩厮斐傻?。使產(chǎn)品失效率達(dá)到偶然失效期的時(shí)間t0稱(chēng)為交付使用點(diǎn)。13失效率曲線——

（2）偶然失效期為恒定型，主要由非預(yù)期的過(guò)載、誤操作、意外的天災(zāi)以及一些尚不清楚的偶然因素所造成。由于失效原因多屬偶然，故稱(chēng)為偶然失效期。偶然失效期是能有效工作的時(shí)期，這段時(shí)間稱(chēng)為有效壽命。為降低偶然失效期的失效率而增長(zhǎng)有效壽命，應(yīng)注意提高產(chǎn)品的質(zhì)量，精心使用維護(hù)。14失效率曲線——

（3）耗損失效期，失效率是遞增型。失效率上升較快，這是由于產(chǎn)品已經(jīng)老化、疲勞、磨損、蠕變、腐蝕等所謂有耗損的原因所引起，故稱(chēng)為耗損失效期。針對(duì)耗損失效的原因，應(yīng)該注意檢查、監(jiān)控、預(yù)測(cè)耗損開(kāi)始的時(shí)間，提前維修，使失效率仍不上升。當(dāng)然，修復(fù)若需花很大費(fèi)用而延長(zhǎng)壽命不多，則不如報(bào)廢更為經(jīng)濟(jì)。15維修度——在規(guī)定條件下，使用的產(chǎn)品在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，按規(guī)定的程序和方法進(jìn)行維修時(shí)，保持和恢復(fù)到能完成規(guī)定功能的概率。

平均壽命——平均壽命又稱(chēng)平均失效時(shí)間（MTBF，MeanTimeBetweenFailure），是失效的平均間隔時(shí)間，即平均無(wú)故障工作時(shí)間。有效度——是指可維修的產(chǎn)品，在某時(shí)刻具有或者維持其規(guī)定功能的概率。即有效度是可靠度和維修度相結(jié)合的尺度，是廣義的可靠度。162、可靠性研究中常用的概率分布指數(shù)分布（ExponentialDistribution）正態(tài)分布（NormalDistribution）威布爾分布（WeibullDistribution）17指數(shù)分布（ExponentialDistribution）概率密度函數(shù)可靠度計(jì)算公式指數(shù)分布的均值失效率為常數(shù)平均故障間隔時(shí)間18正態(tài)分布（NormalDistribution）概率密度函數(shù)可靠度計(jì)算公式正態(tài)分布的主要參數(shù)是均值和標(biāo)準(zhǔn)方差，均值決定正態(tài)分布的中心傾向或者集中的趨勢(shì)，即正態(tài)分布曲線的位置；標(biāo)準(zhǔn)方差決定正態(tài)分布曲線的形狀，表征分布的離散程度。t19威布爾分布（WeibullDistribution）概率密度函數(shù)可靠度計(jì)算公式威布爾分布的主要參數(shù)有形狀參數(shù)b、尺度參數(shù)θ和位置參數(shù)γ。位置參數(shù)只影響曲線的起點(diǎn)位置，當(dāng)γ＝0時(shí)，曲線的起點(diǎn)在坐標(biāo)原點(diǎn)，當(dāng)γ<0時(shí)，起點(diǎn)在坐標(biāo)軸的負(fù)γ處，當(dāng)γ>0時(shí)，起點(diǎn)在坐標(biāo)軸的正γ處，對(duì)曲線的形狀沒(méi)影響。20威布爾分布（WeibullDistribution）概率密度函數(shù)威布爾分布的主要參數(shù)有形狀參數(shù)b、尺度參數(shù)θ和位置參數(shù)γ。對(duì)于形狀參數(shù)，當(dāng)b<1時(shí)，它可以描述零件的早期失效分布，此時(shí)失效率曲線和早期失效階段的曲線形狀相似；當(dāng)b＝1時(shí)，曲線呈指數(shù)分布形狀，其形狀與偶爾失效階段的曲線形狀相似；當(dāng)b>1時(shí)，失效率曲線與耗損階段的曲線形狀相似。21應(yīng)力、強(qiáng)度定義在機(jī)械產(chǎn)品中，廣義的應(yīng)力是引起失效的負(fù)荷，強(qiáng)度是抵抗失效的能力。由于影響應(yīng)力和強(qiáng)度的因素具有隨機(jī)性，所以應(yīng)力和強(qiáng)度具有分散特性。影響應(yīng)力的因素——影響應(yīng)力的主要因素有所承受的外載荷、結(jié)構(gòu)的幾何形狀和尺寸，材料的物理特性等。影響強(qiáng)度的因素——影響強(qiáng)度的主要因素有材料的機(jī)械性能、工藝方法和使用環(huán)境等。3、應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型及可靠度計(jì)算22應(yīng)力分布的確定應(yīng)力受到很多因素的影響，用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為S=f（L，T，A，p，t，m）L——載荷；T——溫度；A——幾何尺寸變量，如長(zhǎng)度、截面積、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等；p——物理性質(zhì)變量，如彈性模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)等；t——時(shí)間；m——其它。23強(qiáng)度分布的確定建立與失效應(yīng)力判據(jù)相對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度判據(jù)，常用的強(qiáng)度判據(jù)有最大正應(yīng)力強(qiáng)度判據(jù)、最大剪應(yīng)力強(qiáng)度判據(jù)、最大變形能強(qiáng)度判據(jù)等。確定名義強(qiáng)度。名義強(qiáng)度指在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下確定的試件強(qiáng)度，常用名義強(qiáng)度有強(qiáng)度極限、屈服極限、疲勞極限、變形、變形能和磨損（腐蝕）量等。用適當(dāng)?shù)男拚禂?shù)修正名義強(qiáng)度，通?？紤]的修正系數(shù)有尺寸系數(shù)、表面質(zhì)量系數(shù)、應(yīng)力集中系數(shù)等。確定強(qiáng)度方程中所有參數(shù)和系數(shù)的分布，通過(guò)概率運(yùn)算、矩法或蒙特卡落法得到相應(yīng)的強(qiáng)度分布。24應(yīng)力－強(qiáng)度干涉模型在機(jī)械產(chǎn)品中，零件（部件）是正常還是失效決定于強(qiáng)度和應(yīng)力的關(guān)系。當(dāng)零件（部件）的強(qiáng)度大于應(yīng)力時(shí)，其能夠正常工作；當(dāng)零件（部件）的強(qiáng)度小于應(yīng)力時(shí)，其發(fā)生失效。因此，要求零件（部件）在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)能夠承載，必須滿足以下條件S——零件（部件）的強(qiáng)度；s——零件（部件）的應(yīng)力。李忠學(xué)E-mail：lizx@

QQ：595934988蘭州交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院設(shè)計(jì).制造.管理Design/Manufacture/Management26要點(diǎn)回顧可靠性：指產(chǎn)品（包括零件和元器件、整機(jī)設(shè)備、系統(tǒng)）在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。對(duì)于可靠性的理解應(yīng)注意：明確產(chǎn)品可靠性研究的對(duì)象

必須明確產(chǎn)品可靠性所規(guī)定的條件

必須明確所規(guī)定的時(shí)間

必須明確產(chǎn)品所需完成規(guī)定的功能

思考題：可靠性概念的四個(gè)功能要素是什么？27威布爾分布（WeibullDistribution）概率密度函數(shù)威布爾分布的主要參數(shù)有形狀參數(shù)b、尺度參數(shù)θ和位置參數(shù)γ。對(duì)于形狀參數(shù)，當(dāng)b<1時(shí)，它可以描述零件的早期失效分布，此時(shí)失效率曲線和早期失效階段的曲線形狀相似；當(dāng)b＝1時(shí)，曲線呈指數(shù)分布形狀，其形狀與偶爾失效階段的曲線形狀相似；當(dāng)b>1時(shí)，失效率曲線與耗損階段的曲線形狀相似。要點(diǎn)回顧失效率曲線思考題：失效率曲線的三個(gè)階段具有什么特點(diǎn)？如何運(yùn)用威布爾分布解釋失效率曲線？28實(shí)際工程中的應(yīng)力和強(qiáng)度都是呈分布狀態(tài)的隨機(jī)變量，把應(yīng)力和強(qiáng)度的分布在同一座標(biāo)系中表示。應(yīng)力－強(qiáng)度干涉模型f(s)f(S)f(S)S,sμS

μsf(s)要點(diǎn)回顧29f(S)s,Sf(s)μSμst30當(dāng)強(qiáng)度的均值大于應(yīng)力的均值時(shí)，在圖中陰影部分表示的應(yīng)力和強(qiáng)度“干涉區(qū)”內(nèi)就可能發(fā)生強(qiáng)度小于應(yīng)力——即失效的情況。根據(jù)應(yīng)力和強(qiáng)度干涉情況，計(jì)算干涉區(qū)內(nèi)強(qiáng)度小于應(yīng)力的概率（失效概率）的模型，稱(chēng)為應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型。應(yīng)力－強(qiáng)度干涉模型應(yīng)力均值強(qiáng)度均值31根據(jù)可靠度的定義，強(qiáng)度大于應(yīng)力的概率可表示為：當(dāng)應(yīng)力為s0時(shí)，強(qiáng)度大于應(yīng)力的概率為：應(yīng)力s處于ds內(nèi)的概率為：應(yīng)力－強(qiáng)度干涉模型32假設(shè)與為兩個(gè)獨(dú)立的隨機(jī)事件，因此兩獨(dú)立事件同時(shí)發(fā)生的概率為因?yàn)樯鲜綖閼?yīng)力區(qū)間內(nèi)的任意值，現(xiàn)考慮整個(gè)應(yīng)力區(qū)間內(nèi)的情況，有強(qiáng)度大于應(yīng)力的概率（可靠度）為當(dāng)已知應(yīng)力和強(qiáng)度的概率密度函數(shù)f（s）、f（S）時(shí)，即可求得可靠度。

應(yīng)力－強(qiáng)度干涉模型思考題：運(yùn)用應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型推導(dǎo)可靠度的計(jì)算方程？33可靠度的計(jì)算方法應(yīng)力和強(qiáng)度均為正態(tài)分布利用應(yīng)力-強(qiáng)度干涉理論，可靠度定義為強(qiáng)度大于應(yīng)力的概率：當(dāng)應(yīng)力和強(qiáng)度均為正態(tài)分布時(shí)，有由于應(yīng)力和強(qiáng)度均為正態(tài)分布，根據(jù)正態(tài)分布的和（差）仍為正態(tài)分布的性質(zhì)，安全余量Z也為正態(tài)分布：34可靠度計(jì)算

將上式化為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布形式35常用概率分布的可靠度計(jì)算公式36

常用概率分布的可靠度計(jì)算公式返回37三、機(jī)械系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)abdce42135ⅠⅤⅡⅢⅣⅥⅦⅧCLRXXDD?、ⅱ＂は到y(tǒng)級(jí)分系統(tǒng)級(jí)設(shè)備級(jí)部件級(jí)組件級(jí)38三、機(jī)械系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可靠性在很大程度上取決于零部件的可靠性。對(duì)于產(chǎn)品其整體的可靠性取決于組成產(chǎn)品的各個(gè)零件和部件的可靠性，因此，當(dāng)注重于產(chǎn)品內(nèi)部功能關(guān)系時(shí)，其整體的可靠性需要根據(jù)組件的構(gòu)成關(guān)系加以確定。依據(jù)系統(tǒng)（產(chǎn)品）的構(gòu)成關(guān)系，系統(tǒng)可靠性分析模型分為（1）串聯(lián)系統(tǒng)，（2）并聯(lián)系統(tǒng)，（3）混聯(lián)系統(tǒng)。39（1）串聯(lián)系統(tǒng)系統(tǒng)中各個(gè)組件全部工作正常時(shí)，系統(tǒng)才正常；當(dāng)系統(tǒng)中有一個(gè)或一個(gè)以上的組件失效時(shí)，系統(tǒng)就失效，這樣的系統(tǒng)就稱(chēng)串聯(lián)系統(tǒng)。設(shè)系統(tǒng)構(gòu)成組件的可靠度分別為：系統(tǒng)要正常工作，必須各組成單元都正常工作，則有：40系統(tǒng)正常工作的概率為各單元概率之積，因此由于對(duì)于串聯(lián)系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的可靠度，可以通過(guò)兩個(gè)途徑：1）提高各組成單元的可靠度2）降低各組成單元的失效率41（2）并聯(lián)系統(tǒng)設(shè)組成單元的可靠度分別為相應(yīng)單元的失效（故障）概率分別為并設(shè)并聯(lián)系統(tǒng)的失效（故障）概率為Qs系統(tǒng)中的組成單元，只要其中一個(gè)工作正常，則系統(tǒng)就正常工作，只有全部組件都失效時(shí)，系統(tǒng)才失效，這樣的系統(tǒng)就稱(chēng)并聯(lián)系統(tǒng)。42依據(jù)并聯(lián)系統(tǒng)的定義,并聯(lián)系統(tǒng)中不正常事件是“交”的關(guān)系，系統(tǒng)要不正常工作,必須各組成單元都不正常工作,則有系統(tǒng)不正常工作的概率為各單元不正常工作概率之積，因此由于43可靠性指標(biāo)的分配問(wèn)題，是可靠性預(yù)計(jì)的逆過(guò)程，即在已知系統(tǒng)可靠性指標(biāo)時(shí)，如何考慮和確定其組成單元的可靠性指標(biāo)值。所以，所謂可靠性分配就是把系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)中的子系統(tǒng)或部件進(jìn)行合理