机械可靠性设计机械可靠性设计 核心核心：将概率统计理论与传统机械设计理论相结合进行 机械零件或构件设计的一种先进方法。它使设计结果更 符合实际，并且能够定量地给出机械零件或构件不失效 的概率可靠度。 概念概念：针对机械产品强度问题，基于可靠性理论，通过 对载荷(应力)及强度概率分布规律的研究, 利用满足强度 的概率来分析计算产品强度，控制失效概率而形成的设 计方法。 原理原理：基于强度大于应力的“概率分布规律”分析确定 产品的强度可靠性。 作用作用：基于载荷(应力)及强度的概率分布规律可以实现 对产品强度失效概率的严格控制，保证其满足设计要求。 传统强度设计方法及不足传统强度设计方法及不足 安全系数法（许用应力法）安全系数法（许用应力法） n安全系数安全系数材料极限应力材料极限应力许用应力许用应力工作应力工作应力lim 不足不足： 安全系数凭经验给定，未准确考虑产品疲劳及偶然 因素对强度的影响 设计存在误差，安全系数过小导则产品易疲劳损坏， 过大则形成结构庞大以及材料和性能浪费 基本随机变量 应力、强度定义应力、强度定义： 在机械产品中，广义的应力是引起失效的负荷，强 度是抵抗失效的能力。由于影响应力和强度的因素具有随机性，所以应力和强度具有分散特性。 要确定应力和强度的随机特性，首先应了解影响应力和强度随机性的因素。 影响应力的因素影响应力的因素 影响应力的主要因素有所承受的外载荷、结构的几何形状和尺寸，材料的物理特性等 影响强度的因素影响强度的因素 影响强度的主要因素有材料的机械性能、工艺方法和使用环境等 基本随机变量 载荷载荷 机械产品所承受的载荷大都是一种不规则的、不能 重复的随机性载荷 ，例如 自行车因人的体重和道路的情况差别等原因，其载荷就 是随机变量。 飞机的载荷不仅与载重量有关，而且飞机重量、飞行速 度、飞行状态、气象及驾驶员操作有关。 零件的失效通常是由于其所承受的载荷超过了零件 在当时状态下的极限承载能力的结果。 零件的受力状况包括：载荷类型、载荷性质，以及 载荷在零件中引起的应力状态。 载荷 载荷类型载荷类型 轴向载荷力在作用在零件的轴线上，大小相等， 方向相反，包括轴向拉伸和轴向压缩载荷 在轴向载荷作用下，应力沿横截面的分布式均匀的。 零件上主应力与最大切应力的关系为 2）最大切应力（）主应力（ 拉伸压缩弯曲载荷垂直于零件轴线的载荷（有时还有力 偶），它使零件产生弯曲变形。 在弯曲载荷作用下，零件横截面上的主应力分 布的规律是：从表面应力最大改变到中性轴线 处应力为零。并且，中性轴线一侧为拉伸应力， 另一侧为压缩应力。 +_+_悬臂简单弯曲 压缩中性轴中性轴载荷 载荷 载荷类型载荷类型 扭转载荷作用在垂直于零件轴线平面内的 力偶，它使零件发生扭转变形。 在扭转载荷作用下，横截面上切应力的分布规律是： 从表面最大到横截面中心处为零（这里讲的“中心 点”，是指扭转中心轴线与横截面的交点） 中性轴载荷 剪切载荷使零件内相邻两截面发生相对错 动的作用力。 螺栓在连接接合面处受剪切，并与被连接孔壁互压。 螺杆还受弯曲，但在各接合面贴紧的情况下可以不 考虑。 在剪切载荷作用下，力大小沿平行于最小切应力的 横截面上均匀的。 载荷 接触载荷两个零件表面间的接触有点接触、 线接触和面接触。零件受载后在接触部位的正 交压缩载荷称为接触载荷 例如，滚动轴承工作时，滚子与滚道之间，齿轮传 动中轮齿与轮齿之间的压力都是接触载荷。 在接触载荷作用下，主应力与最大切应力之比是不 定。 载荷 载荷性质载荷性质 载荷的性质可以分为以下几种： 静载荷缓缓地施加于零件上的载荷，或恒 定的载荷。 冲击载荷以很大速度作用于零件上的载荷， 冲击载荷往往表现为能量载荷。 交变载荷载荷的大小、方向随时间变化的 载荷，其变化可以是周期性的，也可以是无规 则的。 载荷 对称循环应力等值交变 的拉伸、压缩和剪切应力。 r=-1 脉动循环应力单向应力， 其应力值从零变化到最大， r=0 minmaxr 非对称循环应力应力值 由最小到最大变化，最小应 力既可能是正值，也可能负 值。 随机循环应力实际运转 的机器，由于服役条件可能 发生变化。 设计与几何形状及尺寸 由于制造（加工、装配）误差是随机变量，所以零、构件的尺寸也是随机变量 设计方案的合理性和设计考虑因素不周到是零件失效的重要原因之一。例如： 轴的台阶处直角形过度，过小的内圆角半径，尖锐 的棱边等造成应力集中，这些应力集中处，有可能成为零件破坏的起源地 对零件的工作条件估计错误，如对工作中可能的过载估计不足，造成设计的零件的承载能力不够 选材不当是导致失效的另一重要原因 设计者仅根据材料的常规性能指标做出决定，而这 些指标根本不能反映材料对所发生的那种类型的失效的抗力 工作环境 环境介质与零件失效 环境介质包括气体、液体、液体金属、射线辐 照、固体磨料和润滑剂等。 对于某一零件失效原因的准确判断，必须充分 考虑环境介质的影响。 环境温度与零件失效 环境温度可能引起的零件失效形式及分析思路 环境介质与零件失效 介质介质 可能引起的失效可能引起的失效 气体：大气、盐雾气氛、水蒸气、气气体：大气、盐雾气氛、水蒸气、气 液二相流（液二相流（COCO，COCO2 2）、含）、含H H2 2S S气氛气氛 氧化、腐蚀、氢脆、腐蚀疲劳、气液氧化、腐蚀、氢脆、腐蚀疲劳、气液 流冲蚀流冲蚀 液体：液体：ClCl、OHOH、NaOHNaOH、NONO2 2、H H2 2S S、 水固（砂石）水固（砂石） 腐蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳、气蚀和腐蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳、气蚀和 泥沙磨损泥沙磨损 液体金属：液体金属：HgHg- -CuCu合金；合金；CdCd、SnSn、ZnZn 铜、铜、PbPb铜，铜，NbNb、K K不锈钢不锈钢 液体汞脆、液体金属脆化、合金中的液体汞脆、液体金属脆化、合金中的 NiNi、CrCr元素在液体元素在液体PbPb中发生选择中发生选择 性溶解，液体金属腐蚀性溶解，液体金属腐蚀 中子辐照，紫外线照射中子辐照，紫外线照射 造成材料脆化，造成高分子材料老化造成材料脆化，造成高分子材料老化 磨料：矿石、煤、岩石（润滑剂）、磨料：矿石、煤、岩石（润滑剂）、 泥浆、水溶液泥浆、水溶液 磨粒磨损，腐蚀磨损综合作用磨粒磨损，腐蚀磨损综合作用 与温度有关的零件失效的分析 温度场变化分布、大小、梯度恒温周期波动均匀非均匀低温高温低应力 脆断热应力热变形热肿胀热疲劳低周疲劳疲劳蠕变持久强度交互作用机械应力排气歧管氧化脱层、开裂排气歧管氧化脱层、开裂 材料性能与生产情况 生产中的随机因素非常多 如毛坯生产中产生的缺陷和残余应力、热处理 过程中材质的均匀性难保一致、机械加工对表 面质量的影响等，装配、搬运、储存和堆放等， 质量控制、检验的差异等，以上因素构成了影 响应力和强度的随机因素。 零件的失效原因还与材料的内在质量以及 机械制造工艺质量有关。 冶金质量 机械制造工艺缺陷 使用维护情况 主要指使用中的环境影响和操作人员和使用维 护的影响 如工作环境中的温度、湿度、沙尘、腐蚀液（气） 等的影响，操作人员的熟练程度和维护保养的好坏 等。 机器的使用和维修状况也是失效分析必须考虑 的一个方面。 机器在使用过程中超载使用，润滑不良，清洁不好， 腐蚀生锈，表面碰伤，在共振频率下使用，违反操 作规程，出现偶然事故，没有定期维修或维修不当 等，都会造成零件的早期破坏。 目 录 应力-强度分布干涉模型 机械静强度可靠性设计 机械疲劳强度可靠性设计 机械可靠性优化设计 应力-强度分布干涉模型 应力-强度分布干涉理论以应力-强度分布干涉模型为基 础，揭示机械零件产生故障而有一定故障率的原因和机械 强度可靠性设计的本质。 S g f S f S gSnt0tit强度分布 应力分布 常规设计最 初的安全度 实际安全裕量 应力-强度分布干涉模型 载荷统计和载荷统计和 概率分布概率分布 应力计算应力计算 应力统计和应力统计和 概率分布概率分布 几何尺寸分布和几何尺寸分布和 其他随机因素其他随机因素 材料机械性质统材料机械性质统 计和概率分布计和概率分布 强度计算强度计算 强度统计和强度统计和 概率分布概率分布 机械强度可机械强度可 靠性设计靠性设计 干涉模型干涉模型 应力-强度分布干涉模型 S g f S f S gSnt0tit强度分布 应力分布 常规设计最 初的安全度 实际安全裕量 0FP SP S10 0RPSPS01应力-强度分布干涉模型 f Sg f S gS1g S1f S1S1A2AdS111122dSdSPSSSf SdSA应力值1在区间的概率 强度大于应力1的概率 112SPSgdA应力-强度分布干涉模型 事件1与事件2 是两个独立的随机事 件，因此，它们同时 发生的概率为 1121SAAf SdSgd 11SdRf SdSgd应力在区间内不 会引起故障或失效的 概率，即可靠度 。 应力-强度分布干涉模型 f S1SS 11SdRf S dSgd SRPSf S dSgd对于所有的应力值，强度均大于应力的概率 应力-强度分布干涉模型 应力分布的确定应力分布的确定 确定零件的失效模式及其判据确定零件的失效模式及其判据 应力单元体分析应力单元体分析 计算应力分量计算应力分量 确定名义应力、应力修正系数确定名义应力、应力修正系数 和有关设计参数的分布和有关设计参数的分布 计算主应力计算主应力 确定应力分布确定应力分布 代数法、矩法或 蒙托卡洛法 应力-强度分布干涉模型 x 与 y 为 相 互 独 立 变 量 序号序号 = , 均值均值 标准差标准差 1 = 0 2 = 3 = 4 = 2+ 2 5 = 22+ 22 6 = 1 222+ 22 7 = |1 8 = 1 2 1 242 221 21 242 221 29 = lg lg 0.43 c 与 d 为 常 数 代数法代数法 应力-强度分布干涉模型 例题例题 一拉杆受外力作用，若外力的均值= 20000， 标准差= 2000；杆的截面积的均值 = 10002，标准差= 802，求应力 的均值和标准差。 FSA20000201000F S AMPa2222 22222 211200