8.1可靠性概念及常用指标在线视频

同学们大家好

我是华北电力大学机械工程系的教师

段巍

今天我们来开始学习可靠性设计这一章

在这一章中

我们将要学习什么是可靠性设计

为什么要进行可靠性设计

以及如何进行可靠性设计

首先

我们来看什么是可靠性设计

首先我们要回忆一下常规设计方法

常规设计方法也称为安全设计法

常规设计可以通过下式来体现出来

那就是作用在零件

或者是结构危险截面处的

最大应力σ

要小于等于【σ】应力σ

那么

危险截面处的最大应力

通常是与作用在其上的载荷

还有结构尺寸

以及材料的弹性模量有关

所以呢是它们的函数

而【σ】应力呢

应该等于材料的极限应力

除以安全系数

在这里

安全系数是一个经验性很强的系数

而其他的物理量呢

在常规设计中

均被视为确定性的变量

因此

当最大应力小于等于【σ】应力的时候

是安全的

反之则是不安全

但是在常规设计中通常会出现这样的问题

那就是按照常规设计安全的产品

在使用过程中还是会出现失效的情况

这是为什么呢

我们来进行一下分析

这是因为

在实际工程中

无论是在加工安装还是运行各环节

都会存在不可测或者是不可控的因素

这样就导致了作用在结构

或者是零件上的载荷

材料性能以及几何尺寸

具有一定的不确定性

比如说我们要加工出一个

直径为一百毫米的轴

但是由于加工或者是测量的误差

这个时候轴近了就成了100.01个毫米

再比如作用在轴上的载荷

应该是1000牛顿

但是由于工作过程中

载荷可能会要有波动

这样就可能就是一千牛顿加减十牛顿

因此设计参数具有的不确定性

就导致了危险

截面处的最大应力

成为了随机变量

而材料性能的不确定性

也导致了【σ】应力成为了随机变量

而描述随机变量的

通常我们可以采用概率密度函数

比如在我们的途中

Fσ

代表的是最大应力的分布函数

而F【σ】应力

代表的是【σ】用应力的概率密度函数

那么我们在常规设计中

带入的变量通常是随机变量的一个样本值

或者是均值

比如当我们带入均值的时候

常规设计就是最大应力的均值

小于等于【σ】应力的均值认为是安全的

但是我们可以看出这两个概率密度函数

是要有相干涉的区域的

而在相干涉的区域中可以看出

就有可能出现应力大于强度的情况

所以是不安全的

因此我们打两个概率密度函数相交的区域

称为不安全的区域

如果从概率的角度来说

既便当最大应力的均值

和【σ】应力的均值一样的时候

那么最大应力小于等于【σ】概率是50%

也就是说可靠度为50%

那么仍然有50%是不安全的

这也就解释了

为什么按照常规设计安全的产品

在实际使用过程中

依旧会出现失效的情况

因此

在常规设计的基础上

我们应该把一些设计参数看作是随机变量

同时运用概率运算

这样就得到的是可靠性设计

可靠性设计也称为概率设计

它可以定量地给出满足强度条件的安全概率

而这个安全概率

我们就把它称为可靠度

由此可以看出

可靠性设计

是常规设计方法的进一步的发展和深化

它可以更为科学的考虑了

各设计变量的客观现实

是高等机械设计重要的内容之一

那么既然是可靠性设计

什么是可靠性呢

我们来看看可靠性的定义

可靠性的定义是指产品在规定的条件下

和规定的时间区间内

完成规定功能的能力

在使用这个定义的时候

我们需要注意下面几个要点第一个产品

那么产品是一个比较广义的概念

它是指作为单独研究

和分别试验对象的任何元件

零件

部件

设备机组等等

甚至人的因素也可以作为研究对象

所以在说产品的时候

必须要明确对象来确定其确切的含义

第二个需要注意的就是规定的条件

而这个规定条件的一般指使用条件

维护条件

环境条件

操作技术

比如说作用在产品上的载荷

温度

压力

湿度

还有振动

噪声

磨损

腐蚀等等

这些条件必须要写在说明书中

这是因为它是判断发生故障时

有关责任方的关键

第三个我们需要注意的就叫做

规定的时间区间内

我们知道可靠度是随着时间而降低的

那么产品只能在一定的时间内

才能达到目标可靠度

而这里头的时间区间

并不局限于用日历时间所表示

也可以用应力循环次数

或者是汽车里程数来表示

第四个要点叫做规定的功能

规定的功能

首先要明确产品的功能到底是什么

怎么才算是完成规定的功能

我们通常说

产品丧失规定的功能称为失效

对于可修复产品来说呢

失效也称为故障

那么失效或者是故障

有的时候很容易判断

但更多的情况下呢

却很难判断

比如对于某一个齿轮来说

在工作的过程中

轮齿发生了折断

这显然是失效的

但是如果齿面发生了一定程度磨损的话

那么这个时候到底算不算失效呢

这个就要与具体的情况而言了

如果针对的是精密或者是重要的机械来说

齿面的磨损就是失效

但是对于一些机械

比如说矿山机械

它并不影响齿轮的运转

所以就不算事项

最后

我们要说能力

是指完成规定功能的能力

这个能力不仅要对其进行定性分析

还要对其进行定量描述

因为失效是具有偶然性的

只有在观察了大量该产品的运转情况

并进行合理分析后

才能够正确反映产品的可靠性

而要对其进行定量描述

就需要用到概率论和数理统计的方法

这节课我们讲了什么是可靠性设计

以及可靠性的定义

它包括研究对象是产品

而规定的条件以及规定的时间区间

是它的约束条件

完成规定功能的能力是作为它的目标