機械靜強度可靠性設(shè)計

1、1,機械可靠性設(shè)計分析 （第五部分）,張建國,2,,,,第四章 設(shè)計方法與靜強度可靠性設(shè)計,4.1 機械零件設(shè)計應考慮的問題4.2 可靠性設(shè)計方法與步驟4.3 靜強度可靠性設(shè)計4.4 小結(jié)4.5作業(yè),3,4.1 機械零件設(shè)計應考慮的問題,研制費用問題 應用可靠性設(shè)計方法，比應用傳統(tǒng)的設(shè)計方法要花費較多的時間和費用。據(jù)粗略統(tǒng)計，需要增加的時間大約為1/4~2倍，而需要增加的費用約為1/5~1/2。但是在

2、取得了設(shè)計經(jīng)驗和積累了設(shè)計數(shù)據(jù)之后，情況便會大有改善。而且，多花費的時間和費用在以后能夠得到補償。因為可靠性設(shè)計能夠消除保守的、不合理的設(shè)計，同時，在零件和設(shè)備的整個壽命期內(nèi)，失效次數(shù)會減少，而維修費用也會降低。,4,機械零件設(shè)計應考慮的問題,解決主要問題與主要矛盾進行可靠性設(shè)計時，應當注意，并不是所有的零部件都要求很高的可靠度，也不是所有的零部件都要求同樣的可靠性指標。例如一架有30000多個零（元）件的飛機，經(jīng)常發(fā)生故障的零件只

3、有600多個，即只占2%左右。根據(jù)帕累托定理（Pareto Law），這600多個零件稱為主要少數(shù)，其余30000多個稱為次要多數(shù)。又如，在國外，對一架大型民用客機的目標可靠度的要求，應當高于對一架軍用飛機的要求。,5,機械零件設(shè)計應考慮的問題,一些參考因此應當根據(jù)不同的情況提出不同的可靠度要求。在缺乏經(jīng)驗時，表9-1所列的可靠度薦用值可以作為參考。但是應當注意，由于可靠性設(shè)計的歷史不長，這樣的分類只是暫時的。等到有了足夠的設(shè)計經(jīng)驗

4、和數(shù)據(jù)時，相信會有更加具體和切實可用的推薦值。表9-2所列為國外七十年代的一些機械產(chǎn)品的可靠性指標，可供參考和比較。,,6,4.2 可靠性設(shè)計方法與步驟,六十年代初期由D.Kececioglu教授提出的方法：這一方法認為，現(xiàn)代的復雜而昂貴的零件和系統(tǒng)要求高可靠性，所以必須保證把規(guī)定的可靠性目標值設(shè)計到零件中去，從而設(shè)計到系統(tǒng)中去。在實際使用和工作環(huán)境下零件的應力的所有參數(shù)，實際零件的強度的所有參數(shù)，都是隨即變量或呈分布狀態(tài)。一旦

5、用不同的綜合方法把應力和強度的統(tǒng)計分布聯(lián)結(jié)起來，就能計算出與分布相關(guān)的可靠性，以及可靠度置信度和置信區(qū)間?？煽慷扔嬎憬Y(jié)果與目標可靠度比較，如果它等于或大于目標可靠度，則設(shè)計是可以接受的。否則，設(shè)計應當進行迭代，對應力分布和強度分布中最敏感的設(shè)計參數(shù)進行適當調(diào)整，直到規(guī)定的可靠度要求得到滿足為止。,7,,,可靠性設(shè)計步驟（包括15個步驟 ）,1）確定設(shè)計的問題及任務剖面如果要設(shè)計的是一個常用零部件，例如軸，其設(shè)計問題簡單而明確，目的是

6、為了確定軸的危險斷面的直徑。對于復雜的系統(tǒng)，例如航天飛行器，則必須確定完整的任務剖面以及相應的環(huán)境剖面，如圖3-3及圖3-4所示，并在此基礎(chǔ)上，確定各子系統(tǒng)的目標可靠度，如圖3-5和表3-3所示。,8,,,可靠性設(shè)計步驟（2步 ）,2）確定有關(guān)的設(shè)計變量和參數(shù)這些設(shè)計變量和參數(shù)應當是：（1）對設(shè)計任務是有意義的；（2）唯一的和不重復的；（3）在試驗前后和進行期間都能度量的。凡設(shè)計任務涉及的所有基本方程都能用這些設(shè)計變量和參數(shù)

7、來進行計算。例如在設(shè)計同時受彎矩和扭矩作用的軸時，需要確定的設(shè)計變量和參數(shù)有：軸的直徑d，彎應力，剪應力，材料的持久極限，以及應力集中系數(shù)、尺寸系數(shù)和表面質(zhì)量系數(shù)等。,9,,,可靠性設(shè)計步驟（3步 ）,3）進行失效模式、影響及危害性分析（FMECA） 目的找出所設(shè)計系統(tǒng)的關(guān)鍵件與重要件，找出影響系統(tǒng)功能和可靠性的主要失效模式。使設(shè)計人員在設(shè)計時抓住主要矛盾。因為進行可靠性設(shè)計時，應當注意，并不是所有的零部件都要求很高的可靠度，也不

8、是所有的零部件都要求同樣的可靠性指標。,10,,可靠性設(shè)計步驟（4步 ）,4）確定零件的失效模式是獨立的還是相關(guān)的 如果所有的失效模式是互相獨立的，也就是說一種失效模式不影響任何其它失效模式的性質(zhì)，則在進行一種失效模式下的應力及強度計算時，不需考慮所有其它失效模式的影響。如果一種失效模式的性質(zhì)受到另一個可能同時發(fā)生的失效模式的影響，則受到影響的應力和強度應當加以修正。這樣計算出的每種失效模式的可靠度，將是互相獨立的。,11,,可靠性

9、設(shè)計步驟（5步 ）,5）確定涉及到的每種失效模式的判據(jù) 比較常用的判據(jù)有：（1）最大正應力；（2）最大剪應力；（3）最大變形能；（4）最大應變能；（5）最大應變；（6）最大變形；（7）疲勞情況下的變形能；（8）疲勞情況下的最大總應變；（9）最大許用腐蝕量；（10）最大許用磨損量；（11）最大許用振幅；（12）最大許用蠕變，等等。,12,,可靠性設(shè)計步驟（6 ~ 7步 ）,6）確定應力公式 對于每一種失效模式，

10、必須確定載荷、尺寸、溫度、時間、物理性質(zhì)、使用和工作環(huán)境等設(shè)計變量和參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，從而得到應力公式。7）確定每個失效模式下的應力分布 對于每一種失效模式，必須確定載荷、尺寸、溫度、時間、物理性質(zhì)、使用和工作環(huán)境等設(shè)計變量和參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，從而得到應力公式。,13,,可靠性設(shè)計步驟（8 ~ 9步 ）,8）確定強度公式 通常得到的是材料的強度數(shù)據(jù)，為了得到零件的強度數(shù)據(jù)，需要用幾個系數(shù)加以修正。9）確定每個失效模式下的強度

11、分布 將試件的強度與每個強度修正系數(shù)綜合起來，便可得到零件的強度分布。最好用實驗方法直接得出零部件的強度分布數(shù)據(jù)。,14,,可靠性設(shè)計步驟（10步 ）,10）對于每一種致命的失效模式，確定其與應力分布和強度分布相關(guān)的可靠度。 對于零件的每一種致命的失效模式，都應計算其可靠度。這些失效模式可能是：屈服、斷裂、疲勞、過度變形、壓桿室溫、振幅過大、蠕變、磨損、腐蝕、噪聲過大等。有的零件可能只有一種致命的失效模式，這時只需要根據(jù)這一種失效

12、模式的判據(jù)來計算可靠度。但是，在別的情況下，很可能還有其它的致命失效模式。這時，當然也需要計算與這些失效模式相應的可靠度。,15,,可靠性設(shè)計步驟（11步 ）,11）確定同時考慮到所有致命失效模式情況下零件的可靠度 確定每一失效模式的可靠度之后，下一步是確定考慮所有失效模式的零件的整個可靠度一種方法是，假設(shè)所有的失效模式都是可能的，每個失效模式可能是獨立地或相關(guān)的產(chǎn)生，當至少一種失效模式出現(xiàn)時，零件即失效。另一種方法是，假定

13、零件將在最可能發(fā)生的一種失效模式下失效,,16,比較兩種方法，零件的實際可靠度是在上兩式所給出的值之間。如果的確是由于單一的失效模式引起零件失效，則實際的可靠度將接近于或等于 。如果是由于多種原因引起零件失效，則零件的實際可靠度將接近于或等于 。實際上，零件的真實的可靠度只有在進行集中的可靠性試驗或獲得并分析實際使用數(shù)據(jù)之后，才能計算出經(jīng)過驗證了的可靠度。圖3-6所示為求零件的整個可靠度的流程。,,可靠性

14、設(shè)計步驟（11步 ）,17,,可靠性設(shè)計步驟（12步 ）,12）確定零件可靠度的置信度 在求出零件的可靠度之后，便會產(chǎn)生一個問題：“這個預測的可靠度在多大程度上是可以相信的？”這時，便需引入置信度的概念。例如，當提到“某零件在置信度為90％時的可靠度為95％”時，意思是說：（1）在100個零件中，經(jīng)過一定時間t之后，有5個可能會失效，表示為R（t）＝0.95；（2）在對10個樣本（容量為n＝100）進行試驗時，其中9個樣本中將有

15、5個或少于5個的零件失效；有一個樣本會有5個以上的零件失效，表示為C.L.＝0.90。所以，可靠度的概念是對于零件而言，而置信度的概念是對于試驗樣本而言。,18,,,,可靠性設(shè)計步驟（13~15步 ）,13）計算各個零件的可靠度對于系統(tǒng)中所有的關(guān)鍵零部件重復上述步驟，求出各自的可靠度。14）計算系統(tǒng)的可靠度（具有迭代性）在已知每個零部件可靠度的基礎(chǔ)上，計算子系統(tǒng)的以及整個系統(tǒng)的可靠度。然后對設(shè)計進行迭代，直到系統(tǒng)的可靠度等于或

16、大于事先規(guī)定的系統(tǒng)可靠度目標值為止。 15）系統(tǒng)優(yōu)化綜合如果必要，對整個設(shè)計的下列內(nèi)容進行優(yōu)化，包括：（1）性能；（2）可靠性；（3）維修性；（4）安全；（5）費用；（6）重量；（7）體積；（8）操作性；（9）交貨日程表，等等。,19,靜強度概率設(shè)計方法強度應力干涉理論（第三部分）強度與應力都是正態(tài)分布時，可靠度的計算公式

17、 其中： （3-1） ?為可靠性指標，（3-1）式將強度、應力和可靠度三者聯(lián)系起來了，稱為“聯(lián)結(jié)方程”其他常用概率分布的可靠度計算公式參見表3-1。,4.3 靜強度可靠性設(shè)計,20,靜強度概率設(shè)計的主要步驟為給定結(jié)構(gòu)零部件的設(shè)計可靠性指標確定主要失效模式確定每種失效模式應力分布確定每種失效模式的強度分布應用連接

18、方程確定零部件的設(shè)計參數(shù),靜強度可靠性設(shè)計,21,靜強度可靠性設(shè)計舉例,查標準正態(tài)分布表得可靠性系數(shù)：,,22,靜強度可靠性設(shè)計舉例,23,靜強度可靠性設(shè)計舉例,所以：,圓桿半徑均值,圓桿半徑標準差,可以看出，影響應力的隨機變量有兩個：拉桿截面圓半徑均值與標準差，而連接方程只有一個，所以在無約束狀態(tài)下，其結(jié)果有很多組。然而在工程實際中，制造的半徑公差與其公稱尺寸之間有一定的關(guān)系。,24,靜強度可靠性設(shè)計舉例,25,靜強度可靠性設(shè)計舉例,

19、26,靜強度可靠性設(shè)計舉例,27,討論,1）如果用來加工圓柱拉桿的毛坯，只能使我們加工出 的結(jié)構(gòu)，你認為這樣的圓柱拉桿的可靠度還能達到R=0.999的要求嗎？如果使其可靠度不變，我們應如何選材？理由？,,28,作業(yè),1 設(shè)計條件與例1相同：靜強度可靠度R=0.999的圓柱拉桿，已知拉力P，

20、 強度極限 ：問題1：當前機加工的制造公差很容易達到： ，圓柱拉桿的公稱半徑仍是： ，且其他條件不變，計算圓柱拉桿的設(shè)計可靠度（或可靠度系數(shù)）是多少？問題2：已知圓柱拉桿的公稱半徑： ，其他條件不變，可靠度仍：R=0.999。那么要求制造精度應該有多高？也就是半徑公差?r ?,29,靜強

21、度可靠性設(shè)計舉例,30,靜強度可靠性設(shè)計舉例,31,靜強度可靠性設(shè)計舉例,32,靜強度可靠性設(shè)計舉例,33,靜強度可靠性設(shè)計舉例,34,靜強度可靠性設(shè)計舉例,35,靜強度可靠性設(shè)計舉例,36,靜強度可靠性設(shè)計舉例,37,靜強度可靠性設(shè)計舉例,38,靜強度可靠性設(shè)計舉例,39,靜強度可靠性設(shè)計舉例,40,靜強度可靠性設(shè)計舉例,41,靜強度可靠性設(shè)計舉例,42,靜強度可靠性設(shè)計舉例,43,靜強度可靠性設(shè)計舉例,44,靜強度可靠性設(shè)計舉例,4

22、5,靜強度可靠性設(shè)計舉例,46,靜強度可靠性設(shè)計舉例,47,靜強度可靠性設(shè)計舉例,48,靜強度可靠性設(shè)計舉例,49,靜強度可靠性設(shè)計舉例,50,靜強度可靠性設(shè)計舉例,51,靜強度可靠性設(shè)計舉例,52,,靜強度可靠性設(shè)計舉例,53,4.4 小結(jié),可靠性設(shè)計的主要理論基礎(chǔ)：干涉理論。強度可靠性設(shè)計的主要思路：1）確定主要失效模式；2）確定每種失效模式應力分布；3）確定每種失效模式的強度分布；4）應用連接方程計算零可靠度；5）同設(shè)

23、計要求的可靠度相比，滿足設(shè)計要求，結(jié)束。6）不滿足要求，調(diào)整設(shè)計參數(shù)或從新選材，直到滿足要求為止。,54,作業(yè),,,55,表9-1 薦用的可靠度值分類表,,56,表9-2 一些機械產(chǎn)品的可靠性指標（七十年代）,,57,圖3-3 航天飛行器的任務輪廓,,58,圖3-4 航天飛行器的環(huán)境輪廓,,59,圖3-3 航天飛行器的任務輪廓,,60,表3-3 航天飛行器功能系統(tǒng)的目標可靠度分配,,61,圖3-6 確定零件可靠度的流程,,62,,63