失效分析基本方法幻灯片

1、第三章 失效分析基本方法,1,3.1失效分析的思路及方法,3.1.1失效分析的思想方法 1.整体观念的原则 2.从现象到本质的原则 3.动态原则 4.一分为二原则（两分法原则） 5.纵横交汇原则（立体性原则）,2,对第二条从现象到本质，对于一个疲劳断裂的零件，仅仅判断其是疲劳失效是不够的，而更难、更关键的问题，是要确定为什么会发生疲劳断裂。导致疲劳失效的原因很多，常见的不下40个。 在这里举例说明金属零件的常见失效原因,3,金属零件产生疲劳断裂的原因各不相同，归纳起来可以从内因（材料的化学成分、组织、内部缺陷、材料强韧化、材料的选择及热处理状况等）和外因（零件几何形状及表面状态、装配与连接、使

2、用环境因素、结构设计、载荷特性等）两个方面来考虑。 1、表面状态 表面的粗糙度对材料的静强度影响不大，但对疲劳强度则有非常明显的影响。承受弯曲疲劳及扭转疲劳负荷的构件，其表面应力最高。大量疲劳失效分析表明，疲劳断裂绝大多数起源于构件的表面。,4,因此，凡是制造工艺过程中产生各类裂纹（如淬火裂纹），尖锐缺口（如表面粗糙度不符合要求、加工刀痕等）都将导致疲劳裂纹的形成并降低构件的疲劳寿命。表面粗糙度值越低，材料的疲劳极限越高，材料强度越高，表面粗糙度对疲劳极限的影响越显著。 2、零件的几何形状及尺寸 零件的几何形状不合理，如存在槽、孔、圆角、缺口和螺纹等常见的外形不连续形式。由于外形不连续，就会产

3、生应力集中。大的应力集中对疲劳裂纹形成和扩展有很大作用。 零件尺寸对疲劳强度也有较大的影响，在弯曲、扭转载荷作用下其影响更大。一般来说，随着零件尺寸的增大，其疲劳极限下降。而且缺口试样比光滑试样的尺寸效应更为显著。,5,疲劳强度尺寸效应的原因，其一是尺寸增大会增加表面的各种缺陷，增大疲劳裂纹的萌生概率；其二是零件尺寸增大会降低弯曲、扭转零件截面的应力梯度，增大表层高应力的体积，增加萌生疲劳裂纹的概率，因而其疲劳强度就降低。 3、装配与连接效应 装配与连接效应对零件的疲劳寿命有很大影响。正确的拧紧力矩可使其疲劳寿命提高5倍以上，过大的拧紧力并非对提高连接的可靠性有利。,6,4、载荷特性 零件所受

4、的载荷应力超过材料的疲劳极限时。定义为“超载”，低于疲劳极限的应力称为“次载”。对于高周疲劳，增大应力则会出现：a容易产生多个裂纹；b疲劳条带之间的距离增大；c最终瞬断区的面积增大。而金属在低于疲劳极限的应力下先运转一定次数后，则可以提高疲劳极限，这种次载荷强化作用称为次载锻炼。这种现象可能是应力应变循环产生的硬化及局部应力集中松弛的结果。 不同零件在工作时具有不同的载荷频率，载荷频率在一定范围内可以提高疲劳强度，这可能是和每一周次的塑性应变累积损伤量不同有关。,7,实际零件在工作时都是非连续（有间歇）运行的，当加载应力低于并接近于疲劳极限时，间歇加载提高疲劳效果比较明显，而间歇超载加载则会降

5、低疲劳强度。因为在次载时有疲劳强化，间歇可进一步应变时效强化，故能提高疲劳强度；而在超载时因其损伤积累有疲劳弱化，间歇也不起作用。 5、材料的组织和性能 抗疲劳性能好的材料应当成分均匀，组织细小均匀，无内在连续缺陷，缺口敏感性小，循环韧性大。,8,在各类结构工程材料中，结构钢的疲劳强度最高。在结构钢中，碳具有固溶强化及与碳化物元素有弥散强化的作用，可提高材料的形变抗力；而合金元素主要是通过提高钢的淬透性和改善钢的强韧性来影响疲劳强度，细化晶粒可提高疲劳强度。钢的热处理组织中，细小均匀的回火马氏体较珠光体加马氏体及贝氏体加马氏体混合组织具有更佳的疲劳抗力；铁素体加珠光体组织钢材的疲劳抗力随珠光体

6、组织含量的增加而增加；任何增加材料抗拉强度的热处理通常均能提高材料的疲劳抗力。铸铁，特别是球,9,6、使用环境 环境因素（低温、高温及腐蚀介质等）的变化，会使材料的疲劳强度显著降低，往往引起零件过早的发生断裂失效。 一般来说，温度降低、疲劳强度升高；温度升高，疲劳强度降低。这是因为金属的变形抗力下降，使疲劳裂纹容易形成。高温下金属通常不存在疲劳极限。 腐蚀性环境对材料的静强度虽然有一定的影响，但其影响程度远不如它对疲劳极限的影响。通常，对腐蚀环境敏感的材料，其疲劳性能降低比较显著。如对于一般中等强度的合金结构钢，腐蚀环境可使其疲劳极限下降l/3l/2。因此，腐蚀与疲劳叠加在一起，发生交互作用，

7、于是腐蚀疲劳极限比在无腐蚀条件下的疲劳极限低。,10,除了上述基本原则外，在分析方法上还应当注意一下几点： 第一，尽可能采用比较方法。选择一个没有失效的而且整个系统能与失效系统一一对比的系统，进行比较。 第二，历史方法。主要依赖过去失效资料的积累，运用归纳法和演绎法来分析失效原因。 第三，逻辑方法。,11,3.1.2相关性分析的思路及方法,概念：是从失效现象寻找失效原因或“顺藤摸瓜”的分析思路。 应用：一般用于具体零、部件及不太复杂的设备系统的失效分析中。 1.按照失效件制造的全过程及使用条件的失效方法 （1）审查设计（2）材料分析（3）加工制 造缺陷分析（4）使用及维修情况分析,12,2.根

8、据产品失效形式及失效模式分析的思路 及方法 3.“四M”分析法，是指将Man（人）、Machine（机器设备）和Media（环境介质）和Management（管理）作为一个统一的系统进行分析的方法。步骤： （1）操作人员情况的分析 （2）环境情况的分析 （3）设备情况的分析 （4）管理情况的分析,13,3.1.3系统工程的分析思路及方法,概念：是一门综合技术，它综合运用多种现代科学技术，并与各领域的具体问题相结合，从而应用于各个领域。 特点：找出系统失效的原因与结果之间的逻辑关系，并计算出设备系统失效与部件之间的定量关系,14,1.失效系统工程分析法的类型,（1）故障树分析法（简称FTA法）

9、（2）特征因素图分析法 （3）事件时序树分析法（简称ETA） （4）故障率预测法 （5）失效模式及后果分析法（简称FMEA） （6）模糊数学分析法 在此主要介绍故障树分析法和模糊数学在故障树分析法中的应用,15,2.故障树分析法,（1）基本概念： 定义：就是分析各种事件（系统组元的状态变化）之间的逻辑关系，分清正常事件和异常事件，再找出失效原因。 特点：1，可以查明与失效事件有关的所有原因；2，可以把分析过程和结果表示出来，并可以方便地计算出系统失效的概率。 应用：复杂的设备系统的失效分析,16,（2）故障树分析法工作程序,1）确定不希望发生的事件（上端事件） 2）对设备的设计、制造、维修、使

10、用等技术资料进行分析 3）采用手工或计算机合成故障树 4）求出能使上端事件发生的必要且充分的最小数目基本事件集合 5）收集计算时必要的故障率数据 6）计算上端事件发生的概率 7）对基本事件的重要度作评价 8）分析计算结果，提出改进措施,17,故障树常用符号,X1,X3,输入事件,Z,输出事件,X2,X1,X2,X3,输出事件,Z,输入事件,NOT,X1,X2,NOT,X2,X1,输出事件,Z,输出事件,X1,X2,输入 事件,制约条件,Z,输出事件,18,19,输入,输出,20,（4）故障树的合成,右图是摆动活齿传动系统示意图。摆动活齿传动采用了对称布置的双排结构，每个柱销上安装有两个活齿。激

11、波器Hi通过转臂轴承Ai偏心地安装在柱销C上并与激波器Hi内齿圈Ki分别啮合，柱销C固定在与输出轴固连的活齿架G上。轴 上各有两个轴承A3、A4、A5 、A6。,21,A1,A2,活齿运动副T1,活齿运动副T2,C,功率,输出,功率,输入,当内齿圈固定时，传动系统功率有轴输入，经激波器、活齿、柱销C到输出轴输出。 活齿运动副Ti（i=1,2）包括三个副：活齿Di与激波器Hi；活齿Di与内齿圈Ki； 活齿Di柱销C,22,构造故障树之前，先作出如下假设： 传递系统的键联接、联轴器联接、活齿架与输出轴的螺栓联接十分可靠，不考虑失效； 活齿架强度、刚度足够，不考虑失效； 活齿与柱销组成的摆动副容易磨

12、损，其余啮合处的磨损小，故不考虑。,23,根据故障树顶事件应为已发生的失效状态或最不希望发生的故障状态，选取“输出轴不能传递扭矩”作为顶事件。依次从顶事件开始向下寻找顶事件发生的直接原因。,24,如此向下逐级推出事件的直接原因，知道基本事件（失效原因）或没有必要再发展的事件为止。,25,26,（5）故障树分析的应用,故障树分析法可以用于事后分析，也可以用于事前分析，前面所举得例子就是事后分析，即分析失效的原因。现在这一分析法已广泛应用于设计、加工制造以及管理和安全生产等方面。故障树分析法在分析导致事故发生原因的同时，还必须经过分析以确定或分清事故责任。,27,（6）故障树分析法的缺陷,提出的故

13、障树分析方法都要求系统的顶事件和低事件是一个确定的事件，即要么正常要么发生失效。对于非确定性的模糊事件构成的故障树，显然传统的分析方法是无能无力的。但是这种模糊事件在实际中是大量存在的。,28,3.模糊故障树分析及其应用,模糊数学知识的补充： 1.特征函数和隶属函数： 在数学上经常用到集合的概念 例如：集合A由4个离散值X1，X2，X3，X4 组成。 即 A= X1，X2，X3，X4 例如：集合A由0到1之间的连续实数值组成。 A= x，x R，0 x 1 以上两个集合是完全不模糊的。对于任意元素x，只有两种可能：属于A，不属于A。,29,这种特性可以用特征函数来描述：,为了表示模糊的概念，需

14、要引入模糊集合和隶属函数的概念：,其中A称为模糊集合，由0、1及,构成。,表示元素x属于模糊集合A的程度，取值范围为,为x属于模糊集合A的隶属度。,0,1，称,30,2.模糊集合的表示 模糊集合A由离散元素构成，表示为： 或 模糊集合A由连续函数构成，各元素的隶属度就构成了隶属度函数（MembershiFunction），此时A表示为：,注意：在模糊集合的表达中，符号“/”、“+”和“”不代表数学意义上的除号、加好和积分，它们是模糊集合的一种表示方式，表示“构成”或“属于”。,31,模糊集合是以隶属函数来表示的，隶属度的概念是模糊集合理论的基石。 例如 设论域U= 张三，李四，王五，评语为“学

15、习好”。设三个人学习成绩总评分是张三得95分，李四得90分，王五得85分，三个人都学习好，但明显存在差异。 若采用普通集合的观点，选取特征函数,32,此时特征函数分别为（张三）=1，（李四）=1，（王五）=1。这样就反应不出三者的差异。假若采用模糊集合的概念，选取0,1区间上的隶属度来表示他们属于“学习好”模糊子集A的程度，就能发映出三人的差异。 采用隶属函数 ，由三人的成绩可知三人“学习好”的隶属度为（张三）=0.95，（李四）=0.90，（王五）=0.85。用“学习好”这一模糊子集A可表示为：,33,3.几种典型的隶属函数 在Matlab中已经开发出来了11种隶属函数，即双S形隶属函数、联合高斯型隶属函数、高斯型隶属函数、广义钟形隶属函数、S状隶属函数、S形隶属函数、 型隶属函数、梯形隶属函数、三角形隶属函数、Z形隶属函数、双S形乘积隶属函数。 注： MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计