机械可靠性设计基础

本书是一本专门为高等工科院校机械类专业教学而编写的教学用书，系统地介绍了机械可靠性设计的基础理论、基本原理与方法，以及应用软件的数值化求解。主要内容包括：可靠性基本概念和发展历程、可靠性评价指标、可靠性数学基础、机械可靠性设计原理与可靠度计算方法、典型零件的机械可靠性设计、机械系统可靠性模型与可靠性预计及分配、可靠性试验与分布参数估计、ANSYS的机械可靠性分析等。为便于学生的学习和掌握，每章均附有习题，同时附有一定数量的计算例题及计算用表。

许爱荣，女，1964年生，西北工业大学工学硕士，西安石油大学副教授，硕士生导师。长期从事现代设计方法与石油装备的教学研究工作。主持和参加 及陕西省自然科学基金、 先导专项、石油石化企业合作项目20余项。在核心、EI检索刊物上发表学术论文20篇。编写教材1部，授权（申请）发明专利3项。获陕西第四届本科高校课堂教学创新大赛 奖、第七届中国研究生能源装备创新设计大赛三等奖、2008年陕西省研究生创新教育 个人称号。

第1章 绪论

1.1 可靠性研究的历史与发展

1.2 可靠性研究的重要意义

1.3 可靠性的基本概念

1.4 机械可靠性设计的内容、特点和方法

习题

第2章 失效的概念与可靠性评价指标

2.1 失效的概念

2.2 可靠性评定的数量指标

习题

第3章 可靠性数学基础

3.1 随机事件与概率

3.2 随机变量

3.3 常用的概率分布

3.4 数理统计

习题

第4章 机械可靠性设计原理与可靠度计算

4.1 应力-强度干涉理论及可靠度计算

4.2 机械零件的可靠度计算

4.3 安全系数设计法与可靠性设计方法

习题

第5章 机械系统可靠性设计

5.1 概述

5.2 机械系统可靠性模型

5.3 机械系统可靠性预计

5.4 机械系统可靠性分配

习题5

第6章 典型零件机械可靠性设计

6.1 概述

6.2 设计所需的部分数据和资料

6.3 静强度的可靠性设计

6.4 轴的可靠性设计

6.5 滚动轴承的可靠性设计

习题

第7章 可靠性试验

7.1 概述

7.2 寿命试验设计

7.3 寿命试验结果统计分析及参数估计

7.4 加速寿命试验

习题

第8章 ANSYS机械可靠性分析

8.1 ANSYS中的可靠性数值分析方法

8.2 ANSYS可靠性分析内容和步骤

8.3 ANSYS机械可靠性分析范例

习题

参考文献

附录

附表1 标准正态分布数值表

附表2 Γ函数表

附表3 χ2分布的分位数表

附表4 t分布的分位数表

附表5 中位秩表

附表6 F分布的分位数表

第1章绪论

1.1可靠性研究的历史与发展

可靠性成为一门独立的学科已有数十年，并取得了很大的成就，产品的可靠性已成为衡量产品质量的重要指标之一。

可靠性的前身是伴随着兵器的发展而诞生和发展的，从公元前26世纪的冷兵器时期，人类就已经对当时所制作的石兵器进行了简单检验。在殷商时代已有的文字记载中，就有关于生产状况和产品质量的监督和检验，说明当时的人们对质量和可靠性已有了简单朴素的认知。

可靠性最主要的理论基础概率论早在17世纪初就逐步确立；另一主要理论基础数理统计学在20世纪30年代初期也得到了迅速发展；1939年，瑞典人威布尔为了描述材料的疲劳强度而提出了威布尔分布，后来成为可靠性分布中最常用、最复杂的一种分布。

20世纪40年代是热兵器的成熟期，即第二次世界大战期间。德国当时使用V-2火箭袭击伦敦，有80枚火箭没有发射就爆炸了，还有的火箭没有到达目的地就已坠落。美国当时的航空无线电设备有60%不能正常工作，其电子设备在规定的使用期限内仅有30%的时间能有效工作，此类可靠性问题使美国空军损失惨重。

最早提出系统的可靠性理论的是德国的科学技术人员，德国的V-1火箭是第一个运用系统可靠性理论计算的飞行器。在V-1火箭研制后期，研究人员提出利用串联系统理论，得出火箭系统的可靠度等于所有元器件、零部件可靠度乘积的结论。根据系统的可靠度乘积法则，计算出该火箭系统的可靠度为0.75。

20世纪50年代初期，为了满足发展军事的需要，美国投入了大量的人力、物力对可靠性进行研究，先后成立了“电子设备可靠性专门委员会”和“电子设备可靠性顾问委员会”（AGREE）等研究可靠性问题的专门机构。其中，AGREE是由美国国防部成立的一个由军方、工业领域和学术领域三方共同组成的组织。AGREE从1955年开始制订和实施从设计、试验、生产到交付、储存、使用的全面可靠性计划，并在1957年发表了《军用电子设备可靠性》的研究报告，即著名的AGREE报告。该报告从9个方面全面阐述了可靠性设计、试验、管理的程序和方法，成为可靠性发展的奠基性文件。

20世纪50年代，为了保证人造地球卫星发射与飞行的可靠性，苏联开始了系统可靠性的研究工作。1961年，苏联在发射第一艘有人驾驶的宇宙飞船时，宇航局对宇宙飞船安全飞行和安全返回地面的可靠性提出了0.999的概率要求。可靠性研究人员把宇宙飞船系统的可靠性转化为各元器件的可靠性进行研究，取得了成功，满足了宇航局对宇宙飞船系统提出的可靠性要求。也就在这一时期，苏联对可靠性问题展开了全面的研究。

几乎同一时期，日本企业家也认识到，要在国际市场的竞争中取胜，必须进行可靠性的研究。1958年，日本科学技术联盟成立了“可靠性研究委员会”，专门对可靠性问题进行研究。

20世纪60年代是可靠性工程全面发展的阶段，可靠性研究已经从电子、航空、宇航、核能等尖端工业部门扩展到电机与电力系统、机械设备、动力、土木建筑、冶金、化工等部门。在此期间，美国航空航天事业迅速发展，美国“国家航空航天管理局”（NASA）和美国国防部接受并发展了20世纪50年代由AGREE发展起来的可靠性设计及试验方案，美国的战斗机、坦克、导弹、宇宙飞船等装备，都是按照1957年AGREE报告中提出的可靠性设计、试验、管理等方法或程序进行设计开发的。此时，已经形成了针对不同产品制定的较完善的可靠性大纲，并定量规定了可靠性要求，可进行可靠性分配和预测；在理论上，有了故障模式及影响分析(FMEA)和故障树分析(FTA)；在设计理念上，采用了余度设计，并进行可靠性试验、验收试验和老练试验；在管理上，已经可对产品进行可靠性评审，使装备可靠性提升明显。在此期间，其他工业发达国家，如日本、苏联等也相继对可靠性理论、试验和管理方法等进行了更加深入的研究；我国在雷达、通信机、电子计算机等方面也提出了可靠性问题。

本书系统地介绍了机械可靠性设计的基础理论、基本原理与方法，以及应用软件的数值化求解。主要内容包括：可靠性基本概念和发展历程、可靠性评价指标、可靠性数学基础、机械可靠性设计原理与可靠度计算方法、典型零件的机械可靠性设计、机械系统可靠性模型与可靠性预计及分配、可靠性试验与分布参数估计、ANSYS的机械可靠性分析等。为便于学生的学习和掌握，每章均附有习题，同时附有一定数量的计算例题及计算用表。