《机电系统可靠性工程》是在国防科学技术大学开设“机电系统可靠性设计与分析”、“机电系统可靠性与寿命试验”课程的基础上，总结历年教学经验和成果编写而成的。《机电系统可靠性工程》从理论与应用结合的角度，对机电系统可靠性的基本理论、主要技术和应用方法进行系统阐述，涵盖电子产品可靠性设计与分析、机械产品可靠性设计与分析、机电系统可靠性与寿命试验等内容。在《机电系统可靠性工程》编写过程中，力争做到理论联系实际，既注重对可靠性基本理论的剖析，又注重对技术方法及工程应用的诠释。
    《机电系统可靠性工程》可作为机械工程及相关专业研究生和高年级本科生教材，也可供从事可靠性工程研究的广大科研工作者参考。

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《机电系统可靠性工程》：突出理论联系实际，既注重对可靠性工程领域的基本理论进行诠释，也注重对其方法及工程应用进行剖析、覆盖可靠性工程的可靠性设计、分析及试验的内容，并紧密结合机、械学科特色，增加机械可靠性设计的相关内容、按照篇章结构，每一篇对应一个技术领域，既构成有机整体，又自、成体系，可根据教学需要选择组合教学内容。

    可靠性工程是一门新兴的综合性边缘学科，近年来在武器装备、航空航天等重要领域的应用日益广泛，可靠性工程技术已成为相关领域的重要研究方向。可靠性设计、分析与试验是可靠性工程技术的核心，对于保障装备可靠性具有重要作用。
    从机械工程学科人才培养需求考虑，我校从2004年开始开设了“机电系统可靠性设计与分析”和“机电系统可靠性与寿命试验”两门课程。在2008版的研究生培养方案制订中，我们在原有教学内容的基础上进行了重大调整，开设新课“可靠性设计与试验”，将原来的两门课程合并，保留精华内容，并考虑到机械工程学科研究生的培养要求，增加了机械可靠性设计的内容。
    在近年来的教学中，配套教材一直是困扰我们的最大难题。国内目前相关的书籍主要包括理论类和应用类两类，这些书籍在理论与应用方面各有侧重，与我们开设课程的教学内容存在较大差距。2009年，在国防科学技术大学研究生教材出版基金的资助下，我们组织编写了本书。
    本书是在近年来我校开设“机电系统可靠性设计与分析”、“机电系统可靠性与寿命试验”课程的基础上，总结历年教学经验和成果编写而成的。从理论与应用相结合的角度，系统阐述了机电系统可靠性的基本理论、主要技术和应用方法，内容涵盖电子产品可靠性设计与分析、机械产品可靠性设计与分析、机电系统可靠性与寿命试验。理论性与实践性并重，结构完整。全书按照篇章结构组织，分为三篇，共12章。
    第1章为绪论。主要介绍可靠性工程的研究背景与意义，以及可靠性的基本概念和常用分布。
    第2～5章为第一篇电子产品可靠性设计分析。主要介绍电子产品可靠性的基本理论与方法，包括可靠性建模、可靠性分配与预计、故障树分析、故障模式影响及危害性分析、事件树分析以及电子产品的可靠性设计方法。
    第6～8章为第二篇机械产品可靠性设计与分析。主要介绍机械产品可靠性的基本理论与方法，包括结构可靠性、机构可靠性以及有限元法分析在可靠性工程中的应用。

目 录
前 言
第1章 结论 1
1.1 可靠性工程概述 1
1.1.1 可靠性工程的定义和内涵 1
1.1.2 可靠性工程的发展历史 1
1.1.3 可靠性工程的军事意义 3
1.2 可靠性基本概念 5
1.2.1 可靠性与故障 5
1.2.2 寿命剖面与任务剖面 6
1.2.3 可靠性特征量 7
1.3 可靠性常用数学分布 11
习题 12
参考文献 13
第一篇 电子产品可靠性设计与分析
第2章 可靠性建模 17
2.1 概述 17
2.1.1 可靠性模型分类 17
2.1.2 系统任务可靠性建模流程 18
2.2 典型可靠性模型 20
2.2.1 串联模型 21
2.2.2 并联模型 22
2.2.3 表决模型（n中取r模型） 23
2.2.4 旁联模型（非工作模型） 24
2.2.5 桥联模型 27
2.3 不可修系统可靠性模型 28
2.3.1 虚单元 28
2.3.2 复杂不可修系统的任务可靠性模型求解 29
习题二 35
参考文献 35
第3章 可靠性分配与预计 36
3.1 概述 36
3.2 可靠性分配 36
3.2.1 可靠性分配的定义 36
3.2.2 可靠性分配的一般准则 37
3.2.3 元约束条件的系统可靠性分配方法 38
3.2.4 有约束条件的系统可靠性分配方法 48
3.3 可靠性预计 50
3.3.1 可靠性预计的定义、目的与分类 50
3.3.2 单元可靠性预计方法 51
3.3.3 系统可靠性预计方法 52
习题三 62
参考文献 62
第4章 可靠性分析 63
4.1 故障模式影响与危害性分析 63
4.1.1 概述 63
4.1.2 故障模式影响分析 65
4.1.3 危害性分析 67
4.2 故障树分析 69
4.2.1 概述 69
4.2.2 故障树名词术语和符号 70
4.2.3 故障树分析的流程与注意事项 72
4.2.4 故障树的简化 72
4.2.5 故障树寇性分析 74
4.2.6 故障树定量分析 78
4.3 事件树分析 85
4.3.1 概述 85
4.3.2 事件树建造 86
4.3.3 事件树的定量分析 88
4.3.4 事件树与故障树的综合分析 90
习题四 90
参考文献 91
第5章 电子产晶可靠性设计分析 92
5.1 元器件的质量和可靠性 92
5.1.1 电子元器件的质量等级 92
5.1.2 电子元器件的选择与应用 95
5.2 降额设计 96
5.2.1 降额设计的程序与方法 96
5.2.2 降额等级与准则 97
5.2.3 降额设计注意事项 98
5.3 容差设计 99
5.3.1 容差分析的概念 99
5.3.2 最坏情况分析法 99
5.4 潜在通路分析 102
5.4.1 潜在通路分析的基本概念 102
5.4.2 潜在通路的表现形式 103
5.4.3 潜在通路分析的步骤 103
习题五 105
参考文献 105
第二篇 机械产品可靠性设计与分析
第6章 结构可靠性分析.109
6.1 结构元件可靠性分析的基本方法 109
6.1.1 应力强度干涉模型 109
6.1.2 干涉模型的数值解法 114
6.1.3 干涉模型的近似解法 115
6.2 零件疲劳强度计算与寿命设计 119
6.2.1 疲劳破坏与疲劳分析方法 119
6.2.2 疲劳曲线 120
6.2.3 疲劳寿命及其可靠性 122
6.3 机械零件磨损的基本规律与耐磨可靠度设计 125
6.3.1 磨损的基本规律和磨损寿命曲线 125
6.3.2 磨损寿命和可靠度 127
习题六 131
参考文献 131
第7章 机构可靠性分析 132
7.1 机构可靠性 132
7.1.1 基本概念 132
7.1.2 机构运动可靠性指标 133
7.2 机构运动可靠性模型 133
7.2.1 机构运动学模型 134
7.2.2 机构运动精度概率模型 134
7.3 曲柄滑块机构运动可靠性分析 138
7.3.1 曲柄滑块机构理想状态运动学模型 138
7.3.2 曲柄滑块机构运动精度概率模型 139
习题七 142
参考文献 142
第8章 有限元法及在可靠性工程中的应用 143
8.1 概述 143
8.1.1 有限元基本概念和原理 143
8.1.2 Monte Carlo法 144
8.1.3 概率有限元方法 145
8.2 概率有限元法 145
8.3 概率有限元控制方程的建立 147
8.3.1 摄动概率有限元法 147
8.3.2 Tayl展开概率有限元法 148
8.3.3 Neumann展开Monte Carlo概率有限元法(NSFEM) 149
8.4 概率有限元法的计算 150
8.4.1 Taylor和摄动展开概率有限元法 150
8.4.2 基于确定性有限元程序的概率有限元法的实现 152
8.5 齿轮轮齿弯曲强度的可靠度计算 152
8.5.1 基本公式推导 152
8.5.2 位移的一阶和二阶统计量 153
8.5.3 摄动概率有限元法求解 154
8.6 齿轮弯曲强度可靠性概率有限元计算 154
习题八 157
参考文献 157
第三篇 可靠性试验
第9章 寿命试验基础 161
9.1 寿命试验概述 161
9.1.1 寿命试验的定义 161
9.1.2 寿命试验的类型 162
9.1.3 截尾寿命试验 162
9.2 指数分布场合寿命试验 163
9.2.1 定数截尾场合 164
9.2.2 定时截尾场合 167
9.2.3 指数分布场合方案的对比 168
9.2.4 指数分布的假设检验 169
9.3 Weibull分布场合寿命试验 172
9.3.1 Weibull分布场合寿命试验的图分析方法 172
9.3.2 Weibull分布场合寿命试验的极大似然估计方法 176
9.3.3 Weibull分布场合寿命试验的最佳线性无偏估计方法 178
9.3.4 Weibull分布场合寿命试验的简单线性元偏估计方法 182
习题九 185
参考文献 185
第10章 可靠性验证试验 187
10.1 基本概念 187
10.1.1 可靠性验证试验 187
10.1.2 抽样 188
10.1.3 风险 188
10.1.4 故障分类 189
10.1.5 可靠性试验剖面 190
10.2 指数分布型寿命试验验证方案 193
10.2.1 定时截尾寿命试验方案 193
10.2.2 定数截尾寿命试验方案 195
10.3 指数分布型定时试验标准方案 197
10.3.1 指数寿命型定时试验标准方案 198
10.3.2 指数寿命型标准定时试验的LQ方案 201
10.4 指数分布型序贯试验方案 202
10.4.1 概率比序贯试验方案 203
10.4.2 标准型序贯试验方案 207
10.5 成败型一次抽样试验方案 209
10.6 成败型序贯抽样试验方案 212
习题十 216
参考文献 216
第11章 可靠性增长试验 217
11.1 基本概念 217
11.1.1 可靠性增长 217
11.1.2 可靠性增长试验 217
11.1.3 故障分类 218
11.1.4 可靠性增长模型 219
11.2 Duane模型 219
11.2.1 Duane模型数学描述 220
11.2.2 Duane模型的特点 222
11.2.3 Duane模型的最小二乘分析方法 222
11.3 基于Duane模型的可靠性增长计划 225
11.3.1 可靠性增长计划问题 225
11.3.2 计划参数的确定 226
11.3.3 制订计划曲线的有关公式 229
11.3.4 制订计划曲线举例 230
11.3.5 可靠性增长试验计划的相关工作 230
11.4 基于Duane模型的可靠性增长跟踪 231
11.4.1 故障处置方式 231
11.4.2 跟踪与跟踪曲线 233
11.4.3 控制与决策 234
11.5 AMSAA模型 234
11.5.1 AMSAA模型的数学描述 235
11.5.2 AMSAA模型的特点 236
11.6 基于AMSAA模型的可靠性增长评估 236
11.6.1 定时截尾可靠性增长试验评估 236
11.6.2 定数截尾可靠性增长试验评估 241
习题十一 245
参考文献 246
第12章 环境应为筛选 247
12.1 基本概念 247
12.1.1 环境应力筛选 247
12.1.2 环境应力筛选与可靠性增长试验、可靠性验证试验的关系 248
12.2 常用的筛选应力 249
12.2.1 恒宠高温 249
12.2.2 温度循环 250
12.2.3 温度冲击 251
12.2.4 扫频正弦振动 251
12.2.5 随机振动 251
12.2.6 各种应力的筛选效果比较 252
12.3 常规环境应力筛选 254
12.3.1 环境应力筛选的基本特性 254
12.3.2 基线方案 254
12.3.3 常规筛选实施过程 256
12.4 定量筛选模型 258
12.4.1 定量筛选的变量及其控制 258
12.4.2 定量筛选方法梗概 259
习题十二 261
参考文献 261

    可靠性是衡量产品质量的一个重要指标。高科技的发展要以可靠性技术为基础，科学技术的发展又推动了产品可靠性水平的不断提高。可靠性理论重点关注产品的故障及其统计分析，并以产品的寿命特征为研究对象，它与基础科学、系统工程、环境工程、价值工程、工程心理学、质量控制技术、维修技术、生产管理和使用管理技术以及计算机技术等密切相关。因此，可靠性理论是一门新兴的综合性和边缘性学科，特别是近年来由于军工、航天、航空、航海等重要工业领域的应用需求推动，可靠性技术已成为相关领域的重要研究内容。1.1 可靠性工程概述1.1.1 可靠性工程的定义和内涵
    可靠性工程是指为了达到产品的可靠性要求而进行的一系列技术与管理活动。可靠性工程研究的是产品故障的发生、发展及其预防的规律，通过设计、分析、试验等手段，防止和控制故障的发生与发展，提高产品的固有可靠性水平，达到“优生”的目的。可靠性工程是装备全系统全寿命周期管理工作的一个重要组成部分，它包括可靠性要求的确定、可靠性设计与分析、可靠性试验与评价、可靠性管理等工作，涉及装备的论证阶段、方案阶段、工程研制阶段、生产与部署阶段、使用阶段，适用于装备全系统、子系统、设备、组部件与元器件等各个产品层次，以及电子、机电、光电、机械、结构和软件等不同类型的产品。1.1.2 可靠性工程的发展历史
    近30年来可靠性工程逐步发展为成熟的工程技术学科。在可靠性工程发展过程中，军用装备、军用系统的研制是主要的动力。20世纪四五十年代可靠性工程开始萌芽与兴起。在第二次世界大战期间，美国对日作战中使用的电子设备经过运输、储存后，在战场上约有60％不能正常工作。美国海军统计表明，当时电子设备在规定使用期内，仅有30％的时间能有效工作。为此，1943年美国成立了电.子管研究委员会，专门研究电子管的可靠性问题。
    ……