機(jī)械靜強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)

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

2、取得了設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和積累了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)之后，情況便會(huì)大有改善。而且，多花費(fèi)的時(shí)間和費(fèi)用在以后能夠得到補(bǔ)償。因?yàn)榭煽啃栽O(shè)計(jì)能夠消除保守的、不合理的設(shè)計(jì)，同時(shí)，在零件和設(shè)備的整個(gè)壽命期內(nèi)，失效次數(shù)會(huì)減少，而維修費(fèi)用也會(huì)降低。,4,機(jī)械零件設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問題,解決主要問題與主要矛盾進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)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(biāo)。例如一架有30000多個(gè)零（元）件的飛機(jī)，經(jīng)常發(fā)生故障的零件只

3、有600多個(gè)，即只占2%左右。根據(jù)帕累托定理（Pareto Law），這600多個(gè)零件稱為主要少數(shù)，其余30000多個(gè)稱為次要多數(shù)。又如，在國(guó)外，對(duì)一架大型民用客機(jī)的目標(biāo)可靠度的要求，應(yīng)當(dāng)高于對(duì)一架軍用飛機(jī)的要求。,5,機(jī)械零件設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問題,一些參考因此應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同的情況提出不同的可靠度要求。在缺乏經(jīng)驗(yàn)時(shí)，表9-1所列的可靠度薦用值可以作為參考。但是應(yīng)當(dāng)注意，由于可靠性設(shè)計(jì)的歷史不長(zhǎng)，這樣的分類只是暫時(shí)的。等到有了足夠的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)

4、和數(shù)據(jù)時(shí)，相信會(huì)有更加具體和切實(shí)可用的推薦值。表9-2所列為國(guó)外七十年代的一些機(jī)械產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)，可供參考和比較。,,6,4.2 可靠性設(shè)計(jì)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(rèn)為，現(xiàn)代的復(fù)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(biāo)值設(shè)計(jì)到零件中去，從而設(shè)計(jì)到系統(tǒng)中去。在實(shí)際使用和工作環(huán)境下零件的應(yīng)力的所有參數(shù)，實(shí)際零件的強(qiáng)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(yīng)力和強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)分布聯(lián)結(jié)起來(lái)，就能計(jì)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。可靠度計(jì)算結(jié)果與目標(biāo)可靠度比較，如果它等于或大于目標(biāo)可靠度，則設(shè)計(jì)是可以接受的。否則，設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行迭代，對(duì)應(yīng)力分布和強(qiáng)度分布中最敏感的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)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(jì)步驟（包括15個(gè)步驟 ）,1）確定設(shè)計(jì)的問題及任務(wù)剖面如果要設(shè)計(jì)的是一個(gè)常用零部件，例如軸，其設(shè)計(jì)問題簡(jiǎn)單而明確，目的是

6、為了確定軸的危險(xiǎn)斷面的直徑。對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)，例如航天飛行器，則必須確定完整的任務(wù)剖面以及相應(yīng)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(biāo)可靠度，如圖3-5和表3-3所示。,8,,,可靠性設(shè)計(jì)步驟（2步 ）,2）確定有關(guān)的設(shè)計(jì)變量和參數(shù)這些設(shè)計(jì)變量和參數(shù)應(yīng)當(dāng)是：（1）對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)是有意義的；（2）唯一的和不重復(fù)的；（3）在試驗(yàn)前后和進(jìn)行期間都能度量的。凡設(shè)計(jì)任務(wù)涉及的所有基本方程都能用這些設(shè)計(jì)變量和參數(shù)

7、來(lái)進(jìn)行計(jì)算。例如在設(shè)計(jì)同時(shí)受彎矩和扭矩作用的軸時(shí)，需要確定的設(shè)計(jì)變量和參數(shù)有：軸的直徑d，彎應(yīng)力，剪應(yīng)力，材料的持久極限，以及應(yīng)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(jì)步驟（3步 ）,3）進(jìn)行失效模式、影響及危害性分析（FMECA） 目的找出所設(shè)計(jì)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(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)抓住主要矛盾。因?yàn)檫M(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)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(biāo)。,10,,可靠性設(shè)計(jì)步驟（4步 ）,4）確定零件的失效模式是獨(dú)立的還是相關(guān)的 如果所有的失效模式是互相獨(dú)立的，也就是說(shuō)一種失效模式不影響任何其它失效模式的性質(zhì)，則在進(jìn)行一種失效模式下的應(yīng)力及強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，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(gè)可能同時(shí)發(fā)生的失效模式的影響，則受到影響的應(yīng)力和強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)加以修正。這樣計(jì)算出的每種失效模式的可靠度，將是互相獨(dú)立的。,11,,可靠性

9、設(shè)計(jì)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(yīng)力；（2）最大剪應(yīng)力；（3）最大變形能；（4）最大應(yīng)變能；（5）最大應(yīng)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(yīng)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(jì)步驟（6 ~ 7步 ）,6）確定應(yīng)力公式 對(duì)于每一種失效模式，

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

11、分布 將試件的強(qiáng)度與每個(gè)強(qiáng)度修正系數(shù)綜合起來(lái)，便可得到零件的強(qiáng)度分布。最好用實(shí)驗(yàn)方法直接得出零部件的強(qiáng)度分布數(shù)據(jù)。,14,,可靠性設(shè)計(jì)步驟（10步 ）,10）對(duì)于每一種致命的失效模式，確定其與應(yīng)力分布和強(qiáng)度分布相關(guān)的可靠度。 對(duì)于零件的每一種致命的失效模式，都應(yīng)計(jì)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(shí)只需要根據(jù)這一種失效

12、模式的判據(jù)來(lái)計(jì)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(shí)，當(dāng)然也需要計(jì)算與這些失效模式相應(yīng)的可靠度。,15,,可靠性設(shè)計(jì)步驟（11步 ）,11）確定同時(shí)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(gè)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(gè)失效模式可能是獨(dú)立地或相關(guān)的產(chǎn)生，當(dāng)至少一種失效模式出現(xiàn)時(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)際可靠度將接近于或等于 。實(shí)際上，零件的真實(shí)的可靠度只有在進(jìn)行集中的可靠性試驗(yàn)或獲得并分析實(shí)際使用數(shù)據(jù)之后，才能計(jì)算出經(jīng)過驗(yàn)證了的可靠度。圖3-6所示為求零件的整個(gè)可靠度的流程。,,可靠性

14、設(shè)計(jì)步驟（11步 ）,17,,可靠性設(shè)計(jì)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)問題：“這個(gè)預(yù)測(cè)的可靠度在多大程度上是可以相信的？”這時(shí)，便需引入置信度的概念。例如，當(dāng)提到“某零件在置信度為90％時(shí)的可靠度為95％”時(shí)，意思是說(shuō)：（1）在100個(gè)零件中，經(jīng)過一定時(shí)間t之后，有5個(gè)可能會(huì)失效，表示為R（t）＝0.95；（2）在對(duì)10個(gè)樣本（容量為n＝100）進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，其中9個(gè)樣本中將有

15、5個(gè)或少于5個(gè)的零件失效；有一個(gè)樣本會(huì)有5個(gè)以上的零件失效，表示為C.L.＝0.90。所以，可靠度的概念是對(duì)于零件而言，而置信度的概念是對(duì)于試驗(yàn)樣本而言。,18,,,,可靠性設(shè)計(jì)步驟（13~15步 ）,13）計(jì)算各個(gè)零件的可靠度對(duì)于系統(tǒng)中所有的關(guān)鍵零部件重復(fù)上述步驟，求出各自的可靠度。14）計(jì)算系統(tǒng)的可靠度（具有迭代性）在已知每個(gè)零部件可靠度的基礎(chǔ)上，計(jì)算子系統(tǒng)的以及整個(gè)系統(tǒng)的可靠度。然后對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)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(biāo)值為止。 15）系統(tǒng)優(yōu)化綜合如果必要，對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)的下列內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，包括：（1）性能；（2）可靠性；（3）維修性；（4）安全；（5）費(fèi)用；（6）重量；（7）體積；（8）操作性；（9）交貨日程表，等等。,19,靜強(qiáng)度概率設(shè)計(jì)方法強(qiáng)度應(yīng)力干涉理論（第三部分）強(qiáng)度與應(yīng)力都是正態(tài)分布時(shí)，可靠度的計(jì)算公式

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

18、方程確定零部件的設(shè)計(jì)參數(shù),靜強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì),21,靜強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)舉例,查標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表得可靠性系數(shù)：,,22,靜強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)舉例,23,靜強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)舉例,所以：,圓桿半徑均值,圓桿半徑標(biāo)準(zhǔn)差,可以看出，影響應(yīng)力的隨機(jī)變量有兩個(gè)：拉桿截面圓半徑均值與標(biāo)準(zhǔn)差，而連接方程只有一個(gè)，所以在無(wú)約束狀態(tài)下，其結(jié)果有很多組。然而在工程實(shí)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(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)舉例,25,靜強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)舉例,

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

20、 強(qiáng)度極限 ：?jiǎn)栴}1：當(dāng)前機(jī)加工的制造公差很容易達(dá)到： ，圓柱拉桿的公稱半徑仍是： ，且其他條件不變，計(jì)算圓柱拉桿的設(shè)計(jì)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(yīng)該有多高？也就是半徑公差?r ?,29,靜強(qiáng)

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

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

23、計(jì)要求的可靠度相比，滿足設(shè)計(jì)要求，結(jié)束。6）不滿足要求，調(diào)整設(shè)計(jì)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(jī)械產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)（七十年代）,,57,圖3-3 航天飛行器的任務(wù)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(wù)輪廓,,60,表3-3 航天飛行器功能系統(tǒng)的目標(biāo)可靠度分配,,61,圖3-6 確定零件可靠度的流程,,62,,63