提 纲
一、可靠性定义及传统可靠性分析及思路
二、以故障模式为核心的可靠性分析方法
三、仿真在机械可靠性分析中的作用及案例
四、基于仿真的产品可靠性设计分析解决方案
五、总结
u可靠性
衡量产品在不加任何维护条件下发生故障难易 程度的指标，是产品的一种固有属性。
基本定义为：在规定条件下和规定时间内，完 成规定功能（任务）的能力。
因此，产品可靠性与产品故障/失效模式紧密相 关。
一、可靠性定义及传统可靠性分析及思路
u 传统基于产品失效数据的可靠性分析方法—统计数学模型方法
缺点：没有阐明失效产生的原因，并且也没有指出消除失效的可能性。
A.相似产品法 B.故障率预计法 C.评分预计法 D.可靠性框图法
E.NSWC机械产品可靠性预计方法 失效数据（失效时间、次数等）
概率论和数理统计
表2 国外机械零部件可靠性数据源（23个）
Data Source Title Publisher and Date
GIDEP Government Industry Data Exchange Program United States Department of Commerce
NPRD-3 Nonelectronic Parts Reliability Data Reliability Analysis Center, RAC, New York,
1985
AVCO Failure Rates D. R. Earles, AVCO Corp., 1962
CCPS Guidelines for Process Equipment Reliability American Institute of Chemical Engineers, 1990
Davenport and Warwick A further Study of Pressure Vessels in the UK 1983-1988 AEA Technology - Safety and Reliability Directorate, 1991
DEFSTAN 0041, Part 3 MOD Practices and Procedures for Reliability and Maintainability, Part 3, Reliability Prediction
Ministry of Defense, 1983
R. F. de la Mare Pipeline Reliability; report 80-0572 Det Norske Veritas/Bradford University, 1980 Dexter and Perkins Component Failure Rate Data with Potential Applicability to a
Nuclear Fuel Reprocessing Plant, report DP-1633
E. I. Du Pont de Nemours and Company, USA, 1982
EIREDA European Industry Reliability Data Handbook, Vol. 1 Electrical Power Plants
EUORSTAT, Paris, 1991
ENI Data Book ENI Reliability Data Bank - Component Reliability Handbook Ente Nazionale Indocarburi (ENI), Milan, 1982
Green and Bourne Reliability Technology Wiley Interscience, London, 1972
IAEA TECDOC 478 Component Reliability Data for Use in Probabilistic Safety Assessment
International Atomic Energy Agency, Vienna, 1998
IEEE Std 500-1984 IEEE Guide to the Collection and Presentation of electrical, Electronic Sensing Component and Mechanical Equipment Reliability Data for Nuclear Power Generating Stations
Institution of Electrical and Electronic Engineers, New York, 1983
F. P. Lees Loss Prevention in the Process Industries Butterworth, London 1980 MIL - HDBK 217E Military Handbook - Reliability Prediction of Electronic
Equipment, Issue E
US Department of Defense, 1986
OREDA 84 Offshore Reliability Data (OERDA) Handbook OERDA, Hovik, Norway, 1984
OREDA 92 Offshore Reliability Data, 2nd Edition DnV Technica, Norway, 1992
RKS/SKI 85-25 Reliability Data Book for Components in Swedish Nuclear Power Plants
RKS - Nuclear Safety Board of the Swedish Utilities and SKI - Swedish Nuclear Power Inspectorate, 1987
H. A. Rothbart Mechanical Design and Systems Handbook McGraw-Hill, 1964
D. J. Smith Reliability and Maintainability in Perspective Macmillan, London, 1985 Smith and Warwick A Survey of Defects in Pressure Vessels in the UK (1962 - 1978)
and its Relevance to Primary Circuits, report SRD R203
AEA Technology - Safety and Reliability Directorate, 1981
WASH 1400 Reactor Safety Study. An Assessment of Accident Risks an US Commercial Nuclear Power Plants, Appendix III, Failure Data
US Atomic Energy Commission, 1974
表2 国外机械零部件可靠性数据源（续）
以统计学理论的故障统计学
l导致发生失效的物理、化学和机械 过程被称为失效机理或故障物理。
l从宏观到微观，分析故障原因，摸 清内在的故障机理
l反映设计信息和故障过程，可提高 固有可靠性
基于故障物理的可靠性分析
以失效物理为核心的统计物理学
l基于失效数据曲线拟合的数学模型 l需要大量的失效数据，耗费巨额试 验成本
l通过失效数据，评估可靠性
基于数学统计的可靠性分析
机械产品可靠性发展
Freuenthal发表的“结构安 全度”（1946）
拉尼岑的应力-强度干涉模 型（1954）
奠定了基于故障物理的可靠 性技术理论发展基础
学科专业领域发展
（如疲劳，磨损，系 统性能等）
产品的故障 概率论
众多专业仿真软件
①关键零部件的选定及 其主要失效模式的确定
③主要不确定性影响因 素的辨识及设计改进
②基于故障物理的可 靠性模型及定量分析。
风险识别 风险分析 优化设计
二、以故障模式为核心的可靠性分析思路
功能原理分析
FMECA/FTA/FHA
SHA/SSHA
载荷环境因素 主要影响因素 辨识
因素不确定性 分析
主要不确定性 因素
工作输入 工作项目 工作输出
关键零部件
仿真分析结果 仿真建模
主要失效模式
表征参数分析
可靠性模型 可靠性分析
历史失效数据
设计改进措施
①关键零部件的选定及 其主要失效模式的确定
③主要不确定性影响因 素的辨识及改进措施
②基于故障物理的可靠 性模型及定量分析。
机械可靠性耐久性分析思路
Ø 以故障模式为核心的可靠性耐久性分析思路
u 基于故障物理的关键失效模式可靠性方法—物理原因法
优点：考虑了导致失效的原因，分析结果能够直接指导细节设计。
影响因素（材料参数、
几何尺寸、外载荷等）
概率论和数理统计
失效表征量 表征模型
失效判据
广义应力-强度理论
可靠性指标 仿真方法
Ø 机械产品可靠性耐久性分析的几个关键要点
p 失效模式和关键零部件的确定手段
p 失效模式的失效物理模型及故障的表征量的确定
Ø失效物理模型的正确性问题
Ø边界条件的合理性问题
Ø故障表征量的确定
1、显式的数学模型
2、基于仿真模型的失效物理模型 3、模型的验证和修正方法
Ø失效物理模型的正确性问题
2 2 2
sin ar cos
2
a f b
h a
a f
æ æ + - öö
= × çè çè × × ÷ø÷ø
仿真模型验证和修正方法
• 建模的原理和方法不当。
• 模型仿真时间和仿真次数不足。
• 忽略了部分关键次要因素。
• 变量或参数选取不当。
• 模型初始条件选择不当。
• 目前计算机技术水平、求解器算法等对模型有效性的影响。
仿真模型的误差来源
模型修正方法一：试验结果与仿真结果对比分析
实物试验 齿轮接触载荷仿真分析
某安溢活门及其试验系统AMESim模型 模型修正方法二：与经验数据对比
不同副膜片有效面 积下主活阀位移及 主阀腔压力曲线
与经验数据对比：副膜片有效面积越小，主活阀振动幅值越 大，主阀腔压力波动幅值越大，振动越不易趋于稳定。
三、仿真在机械可靠性分析中的作用及应用案例
u 一个典型的可靠性分析应用过程
u 作用一：提供零部件可靠性分析较为准确的边界条件 u 作用二：提供复杂因素耦合导致失效表征模型
u 作用三：故障模拟和验证设计改进措施 u 作用四：指导试验和弥补试验缺陷
u 一个典型的可靠性分析应用过程
----收抛壳机构动力学及可靠性分析 p 收抛壳机构主要失效模式确定及失效原因分析
研究对象 问题定性分析
p 收抛壳机构动力学模型建立
抛壳机姿态参数
弹底壳初速度
橡胶垫参数
弹底壳与卡瓣碰 撞参数
扭簧片参数
（1）不同扭簧力对弹底壳轨迹的影响及扭力和抛出高度的拟合关系
y = 0.0063x2- 11.247x + 5254.7
250 270 290 310 330 350 370 390
960 980 1000 1020 1040
p 抛壳轨迹影响因素对比分析
（2）收集器收起位置对弹底壳轨迹的影响及收起角度和抛出高度的拟合关系
y = -0.000005x2+ 0.0332x + 11.309
37 38 39 40 41 42 43
900 950 1000 1050 1100
收集器收起角度 扭簧片提供扭力 卡瓣与弹底壳摩擦系数
(40, 0.6 ) 2
N
(211,6 ) 2
N
(0.1,0.006 ) 2
N
二次响应面拟合 Monte Carlo抽样
抛壳机构在抛壳过程中的可靠度为：
393
1 1 0.9643
11000 P = - P f = - =
p 抛壳机构可靠性仿真分析
收壳机姿态 弹底壳速度 收壳状态
无偏转角 9～13m/s 收壳
左倾≤5° 9～13m/s 收壳
6°≤左倾≤7° 10～13m/s 9～10m/s
收壳 不收壳 8°≤左倾≤11° 11～13m/s
9～11m/s
收壳 不收壳
作用一：提供零部件可靠性分析较为准确的边界条件
案例1：某锁机构可靠性分析R0
R1
R2
R3
R4
R5
a
b c d
e
f h H5
g R0R1:
R1R2: R2R3R4: R3R5:
X Y
(r0, 0)
(r4, 4)
机构零部件 变形量
设计影响因素敏度分析
简化的故障表 征模型
设计改进措 施分析
F8/f8更改为 H8/f7，行程 缩小
0.5mm，可 靠度由0.5提 高到1
缝翼载荷/N
缝翼角度/度
齿轮和齿条疲劳寿命 气动载荷谱确定 分析
齿轮载荷谱确定
案例2：某缝翼齿轮齿条耐久性分析
u作用二：提供复杂因素耦合导致失效表征模型
F3
F4
F3 F4 F1
F1 O
O
F2
F2
x z
A B点
Alo Aup
辅助舱门 主动舱门
x z
dz xvup
xlo
v
z1
h1 z2 h2
xvz xy v
ozv
a1<d a2=d a3>d
p4个区域示意图
舱门关闭定位时和开闭过程中各 随机变量的分布参数对失效概率
的灵敏度
序 号
变量/单 位
模型中 名 称
含义 分布 均
值 方差
1 X1/mm G Cd xerror
机身上与 主动舱门 安装误差
（X和Z向
）
正态 0 0.5893
2 X2/mm G Cd
zerror 正态 0 0.5893
… … … … … … …
确定误差包括加工误差和装配 误差，确定25个随机性因素。
案例3：某舱门运动精度可靠性分析
失效模式: 过载失效，即系统所受到的动态载荷曲线 超出缓冲器设计所允许动态载荷包络线。
序
号 变量 模型中标识 含义 分布 均值 方差
1 X1/m m
H_PistonDia m
上部气液容腔活塞直
径 正态 80 0.5
2 X2/L H_GasVolu me
上部气液容腔初始气
体体积 正态 3.8 0.05 3 X3/ L H_Volume 上部气液容腔体积 正态 8 0.05
… …. ….. …. … … …
可靠度及各随机变量参数对失效概率的灵敏度
案例4：某起落架落震过载失效可靠性分析
锁机构原理图
案例5：某锁机构多失效模式可靠性分析
Pf=P{D}=P{ F_QD>F 1 ∩ F_LG>F 2 ∩ F_GL>F 3 }
驱动力不足 压杆失稳 滚轮塑性变形
基于数值仿真的可靠性分析，得出滚轴发生屈服变形所造成失效的概率最大。
改进：将滚轮的材 料由0Cr18Ni9更换 为30CrMnSiA
G=mg
F=k l
d1
Pn
M Fs P
案例5：某供弹机构可靠性分析
Fs
P u1
u2
FN
Ff
a
Fs
P u1
u2
FN
Ff
a
去掉部分
不同去除高度对应干涉的概率 去除高度（mm） 失效概率
0 0.01326
0.5 0.00751
1 0.00221
1.5 0.00084
2 0.00002
δ δ1 δ2
襟翼丝杠卡滞故障模拟 缝翼操纵卡滞模拟 机翼变形下滚轮卡滞故障模拟
u 作用三：故障模拟和验证设计改进措施
案例7：某襟缝翼收放故障模拟案例
u 作用四：指导试验实施和弥补试验缺陷
案例7：某舱门锁及锁系统可靠性试验及仿真
机构可靠性仿真分析的两种流程（抽样和迭代）
产生一组随机样本
调用商用软件计算
获得特征响应值 输入抽样次数
统计获得可靠度
随机因素选择 随机抽样 可靠性分析 灵敏度分析
Visual Basic .NET
Access
Matlab Matlab
Catia
LMS Natran
AMESin
机构可靠性仿真分析的基本框架
可靠性分析实施途径
四、基于仿真的产品可靠性设计分析解决方案
多软件融合的机械结构可靠性量化分析平台
