机械可靠性设计1

机械可靠性设计•课程性质：选修•课时：22学时•考核方法：平时成绩+结业考试•教学参考书：•孟宪铎.机械可靠性设计.冶金工业出版社•朱文予.机械可靠性设计.上海交大出版社•其他可靠性设计方面的书籍第一讲机械可靠性概述•教学要求•掌握可靠性设计与现代设计法的关系；•掌握可靠性定义的含义；•掌握传统设计与可靠性设计之间的区别。•教学基本内容：•传统设计与现代设计；•现代设计法简介；•传统设计与可靠性设计之间的关系；•可靠性的定义。•重点内容•可靠性的定义；•传统设计与可靠性设计之间的区别。一、传统设计与现代设计•设计：是人们为满足一定的需求而进行的一种创造性活动的实践过程。它是从给定的合理的目标参数出发，通过各种方法和手段创造出一个所需的优化系统或结构的过程。•设计总是反映着当前的生产力和技术水平，因而不同时期设计的内容是不同的，人们对设计的理解也是不同的。•设计阶段的划分•17世纪前的“知觉设计阶段”；•17世纪后的“经验设计阶段”及其后形成的“传统设计阶段”；•20世纪末至今的现代设计阶段。•传统设计方法的特点：静态的、经验的、手工式的方法；•现代设计方法的特点：动态的、科学的（客观的）、计算机化的方法。•同学们，现在的《机械设计》属于哪一阶段哪种设计方法？二、设计机器的一般程序•计划阶段(以减速器设计为例)•方案设计阶段•技术设计阶段•运动学设计•动力学设计•零件的工作能力设计•总装草图和部件装配草图设计•主要零件的校核及零件设计•技术文件编制阶段—计算、使用说明书三、对机器的要求使用功能要求（性能要求和外观要求）；经济性要求；可靠性要求；劳动保护和环境保护要求；•要使所设计的机器符合劳动保护法规的要求，为操作者提供方便和安全的条件；改善机器周围及操作者的环境条件其他专用要求：如机床长期保持精度要求、大型机器便于运输要求、移动机器便于安装和拆卸要求等。四、现代设计方法的范畴•现代设计方法冠以“现代”，就是强调其科学性、前沿性、客观性以引起重视。经分析，可以归纳为下列具有普遍意义的方法。系统论的设计方法：系统设计法、人机工程设计、面向产品全生命周期的设计；优化论方法：优化设计是现代设计法的目标；控制论方法：动态分析法等；智能论方法：如CAD、CAE、并行工程、虚拟设计、低噪声设计、人工智能（专家系统），是现代设计方法的核心；寿命论方法：如可靠性设计、稳健设计、耐磨损设计等；离散论方法：有限元、边界元、无限元方法等；模糊论方法：模糊设计、模糊评价、模糊聚类分析；艺术论方法：艺术造型—工业设计；突变论方法：创造性（创新）设计。综合设计法：（1+3+X）设计法，即功能优化+动态优化、智能优化、可视化优化+对某种产品有特殊要求的设计方法。五、可靠性与可靠性工程学•可靠性定义：•可靠性：是指机械产品（1）在规定的条件下（2）、规定的时间内（3）完成规定功能（4）的能力（5）（GB3187—1982）—这就是可靠性定义。•五个要点：•产品：这里的产品是广义的，它包括零件、部件、设备、系统等。系统是相对的，可以大也可以小；•规定的条件：是指制造安装条件、使用条件、环境条件、运输保管条件，维修保养、操作人员的技术水平等等；•规定的时间：是指产品的预期寿命，时间因素是可靠性中的重要问题，产品只有在一定的时间范围内才能发挥其功能，时间可以是确切的时间，也可以是循环数，还可以是距离；次数，火箭、子弹是一次性工作。••规定的功能：汽车的功能是运输、洗衣机的功能是洗衣服。丧失功能称为失效或故障，故障有主次之分，功能有强弱之分；•工作能力：产品完成规定功能所处的状态。影响产品工作能力的随机因素很多，因此工作能力的耗损过程是一个随机过程。可靠性理论组成可靠性维修可靠性检验可靠性评估可靠性试验可靠性预测对产品进行可靠性设计进行统计分析对产品失效及发生概率可靠性工程的物理原因可靠性物理：研究失效拓扑学运筹学随机过程数理统计概率论可靠性数学可靠性理论六、可靠性工程学的发展1初期发展阶段（30年代末~40年代）●二战中，美国电子装备的60%在运输中失效，海军舰艇上的电子设备70%因“意外”事故而失效。●1939年，英国首次提出飞机故障率不应超过次/h，相当于一个小时内飞机的可靠度=0.99999。是最早的飞机可靠性在数值上的指标。●第二次世界大战末期德国的火箭专家R.卢瑟（Lussen）首先将V-2火箭诱导装置作为一个系统，求出其可靠度为75%，这是第一次计算出复杂系统的可靠度。●1942年美国开始对可靠性问题进行深入的研究。V-1和V-2导弹•V-2导弹是德国在第二次世界大战期间研制和使用的单级液体导弹，是首次出现的地地弹道导弹。1942年10月3日，V-2导弹获得发射成功。1944年9月8日傍晚，伦敦遭袭，德国使用了V-2导弹。这是世界上投入战争的第一枚弹道式导弹。•V-2导弹，重13吨，载有重1吨普通炸药的弹头，长14米，最大直径1.65米，最大飞行速度达1.7千米/秒，射程320千米，弹道高度80-100千米。在半年之内，德军在战争中发射V-2导弹共4320，其中对英国发射了1402枚，落到伦敦市区的有517枚，带来难以估量的灾难。2发展与形成阶段（50~60年代）（1）美国的发展●1952年，美国成立“电子设备可靠性咨询委员会”。●1957年，美国发表可靠性监控大纲。●1962年，召开了第一届可靠性学术会议。40%的大学开设了可靠性工程课程。●1961年阿波罗宇宙飞船720个零件，可靠度99.97%，1969年登月成功，被称为可靠性的充分体现。●1986年1月28日，“挑战者”航天飞机第十次飞行时，升空70秒后，火箭助推器的橡胶密封圈因温度低而失效，价值12亿的航天飞机爆炸，7名宇航员遇难。●2003年2月2日哥伦比亚号外部燃料箱表面泡沫材料击中航天飞机的热保护系统造成7名宇航员遇难。哥伦比亚号航天飞机挑战者号航天飞机（2）前苏联的发展•前苏联50年代，因产品不可靠，造成了巨大的经济损失，工业产品的废品造成的经济损失为国民经济总收入的1/4，首先从金属切削机床入手注意到可靠性问题。从60年代起，从技术上、组织上采取措施，提高产品的可靠性。•苏联研究可靠性技术，既重视理论研究，又重视实用的可靠性工程方面的研究，效果非常显著（苏联人称自己国家的教育是世界上最成功的教育）。（3）日本的发展•1956年从美国引进技术，虽然日本对可靠性技术研究工作起步较晚，由于特殊原因，日本的可靠性技术只能应用到民用工业部门，并且取得了巨大的成功，大大地提高了产品的可靠度，高可靠性的产品（诸如汽车、彩电、照相机、音响设备、电冰箱）畅销全世界，给日本带来了巨大的经济效益。现在日本人对可靠性有相当高的认识，认为：可靠性就是信誉。提出今后产品的竞争的焦点就在于产品的可靠性，日本就是靠产品的高可靠性发了财。3进一步发展的国际化时代（70年代~）●1971年，举行第一届计算系统的耐故障性国际会议，1975年召开国际软件可靠性研讨会。这一阶段，可靠性理论已从数理基础发展到失效机理的研究，形成了可靠性试验方法和数据处理方法，发达国家重视可靠性数据的积累；重视机械系统可靠性研究，重视可维修性研究，颁布可靠性标准，可靠性教育更加普及，并发展高层次教育；培养可靠性硕士、博士研究生。●1977年，国际电子技术委员会设立了可靠性与维修性技术委员会，负责协调各国间可靠性用语和定义、可靠性数据的收集。4中国可靠性技术的发展•我国第一个5年计划时期就开始进行可靠性研究工作，60年代初在广州组建可靠性研究所。文革期间中断。直到70年代，我国才重视抓可靠性研究工作，主要表现为（1）各行业相继成立可靠性学术组织●1979年组建可靠性与质量管理委员会；●1981年组建可靠性专业委员会；●1981年组建维修工程专业委员会；●1982年组建机械可靠性学组●1983年成立了可靠性专业委员会；●1984年成立了汽车可靠性专业委员会；●1987年召开可靠性专业学会筹备会议；●1988年成立了中国可靠性工程专业管理委员会（2）大力开展可靠性方面的人才培训●各地各部门举办不同层次的可靠性培训班；●高等学校开设可靠性课程；●招收可靠性硕士、博士研究生。（3）制定可靠性标准●GB3187—82可靠性基本术语及定义；●GB3358—82统计学名词及符号●GB5080.1—86~GB5080.6—86设备可靠性试验有关标准●GB4888——85故障树名词术语和符号（4）抓产品的考核●对于量大、面广的产品（彩电、冰箱和空调等）要达到可靠性指标。5我国对机械可靠性研究做出贡献几位学者及大的可靠性工程•徐灏•高镇同、杨为民•朱文予、牟致忠、王超、刘善维等•歼十战机获得去年国家科技进步特等奖—可靠性设计必不可少；嫦娥1号卫星去年发射升空；神州七号今年也将发射升空；大飞机制造正式启动；长征5号大推力运载火箭，7年后也将在海南文昌投入发射使用；北斗卫星组成局域网。七、传统设计与可靠性设计的异同点•（1）相同点：都是针对所研究对象的失效与防失效问题建立起一套设计计算方法。判断一种产品是否安全都是将引起失效的一方s(应力)与抵抗失效的一方r(强度)加以对比、判断。•rs产品处于安全状态•rs产品处于失效状态•r=s产品处于极限状态•机械可靠性设计又称机械概率设计，有人也称第二机械设计。（2）不同点：①设计变量含义不同，研究方法不同：前者是单值的确定性的，后者是多值的非确定性的；②设计变量运算方法不同：前者是单值的确定性的变换（计算），后者是多值的非确定性的变换（计算）；③设计准则含义不同：前者一般用安全系数比较后者用可靠度比较nnRR八、几点说明：（1）传统的设计方法具有形式简单，直观明确，应用方便，仍然被采用。但必须注意安全系数并不是绝对的安全储备，并不能保证在任何情况下都安全（为什么？）；（2）从传统设计到可靠性设计，应该是设计方法的发展，概念的深化，可靠性设计更能符合实际情况，有效的解决一些实际问题，具有很好的经济效益；（3）可靠性数据比较缺乏，积累这些数据是一个长期的、高投入的工作，同时计算比较麻烦，所以好的设计计算应将传统设计与可靠性设计二者有机的结合，以提高产品的设计水平。