机械可靠性设计技术副本

1、1机械可靠性设计机械可靠性设计2可靠性定义可靠性定义可靠性：规定时间内、规定条件下，完成规定功能的能力。可靠性：规定时间内、规定条件下，完成规定功能的能力。规定条件：环境条件、使用条件、维护条件、操作条件等；规定条件：环境条件、使用条件、维护条件、操作条件等；规定时间：是指动作次数、循环次数、运行周期；规定时间：是指动作次数、循环次数、运行周期；规定功能：是技术性能、使用要求；规定功能：是技术性能、使用要求；tdttetR0)()(3应用分类定义应用分类定义在标准条件下，设计和生产中采用的元在标准条件下，设计和生产中采用的元器件和材料、及由此形成的设备整机中器件和材料、及由此形成的设备整机中能

2、控制的故障事件所达到的水平。能控制的故障事件所达到的水平。用于描述元器件和整机的制造水平。用于描述元器件和整机的制造水平。指应用可靠性设计技术在综合考虑产指应用可靠性设计技术在综合考虑产品设计、制造安装环境、维修策略和品设计、制造安装环境、维修策略和修理等因素后，产品所达到的水平；修理等因素后，产品所达到的水平；用于描述产品在计划的环境中使用的用于描述产品在计划的环境中使用的可靠性水平。可靠性水平。4实际使用条件下，产品机械材料、元器件、整机、实际使用条件下，产品机械材料、元器件、整机、配附件的可靠性指标；配附件的可靠性指标；失效模式与可靠性指标；失效模式与可靠性指标；预示环境条件下，产品机械

3、材料、元器件、整机、预示环境条件下，产品机械材料、元器件、整机、配附件的可靠性指标；配附件的可靠性指标；失效模式与可靠性指标；失效模式与可靠性指标；基础可靠性基础可靠性5关注点与度量指标关注点与度量指标考虑要求保障的所有故障的影响，用考虑要求保障的所有故障的影响，用于度量产品无需保障的工作能力，包于度量产品无需保障的工作能力，包括与维修和供应有关的可靠性括与维修和供应有关的可靠性通常用通常用MTBF表示。表示。仅考虑造成任务失败的故障影响，用于仅考虑造成任务失败的故障影响，用于描述产品完成任务的能力；描述产品完成任务的能力；常用任务可靠度（常用任务可靠度（MR）和致命性故障）和致命性故障间隔任

4、务时间（间隔任务时间（MTBCF）来度量。）来度量。6 建模特点建模特点基本可靠性基于维修指标的可靠性度量,对于基本可靠性而言,所有构成系统的组成单元,均需采用串联模式任务可靠性 基于特定任务剖面的可靠性度量,通常采用冗裕方式提高制定任务剖面的可靠性,一般都包含并联模式7 可靠性设计准则的制定可靠性设计准则的制定 设计准则建立原则 设计准则内容 按技术分类可靠性设计准则 简化设计 冗余设计 热设计 环境防护设计 抗冲击、振动和噪声设计 稳定性设计 安装设计 原材料、零部件和元器件选用 包装、贮存、装卸与运输设计 基于典型失效模式和失效机理的可靠性设计准则 抗疲劳设计准则 抗磨损设计 抗腐蚀设计

5、 防断裂设计 防松动设计 典型零件可靠性设计准则 轴的可靠性设计 齿轮可靠性设计 紧固件可靠性设计 设计准则的贯彻流程与符合性检查8基本原理基本原理任务可靠性指标特性：任务可靠性指标特性：故障模式（信息来源、失效分析技术与故障再现）故障模式（信息来源、失效分析技术与故障再现）环境条件（预示环境、实际环境以及环境的可控制特性）环境条件（预示环境、实际环境以及环境的可控制特性）转移特性与控制技术（继承性技术及其设备的客观可靠性指标与转移特性与控制技术（继承性技术及其设备的客观可靠性指标与故障转移频率特性、新技术与新设备的设计可靠性与故障转移频率故障转移频率特性、新技术与新设备的设计可靠性与故障转移

6、频率特性；总体布局、设备安装、细节设计、气动作用、动力学特性、特性；总体布局、设备安装、细节设计、气动作用、动力学特性、控制方式、环境设计以及特殊的措施控制方式、环境设计以及特殊的措施9可靠性设计规范可靠性设计规范EMC设计规范设计规范热设计规范热设计规范降额设计规范降额设计规范结构可靠性设计规范结构可靠性设计规范环境设计规范环境设计规范防爆设计规范防爆设计规范可靠性测试技术规范可靠性测试技术规范物料编码管理及物料图物料编码管理及物料图文档工具软件文档工具软件 结构设计基本准则结构设计基本准则防腐蚀设计准则防腐蚀设计准则铸件结构设计准则铸件结构设计准则焊接结构设计准则焊接结构设计准则符合公差原

7、则要求的结构设计准则符合公差原则要求的结构设计准则遵循力学原理的结构设计准则遵循力学原理的结构设计准则轴支承结构设计准则轴支承结构设计准则塑料件结构设计准则塑料件结构设计准则切削件结构设计准则切削件结构设计准则锻件结构设计准则锻件结构设计准则陶瓷件设计准则陶瓷件设计准则热胀冷缩的结构设计准则热胀冷缩的结构设计准则薄板件的结构设计准则薄板件的结构设计准则可靠性要求的结构设计准则可靠性要求的结构设计准则符合装配要求的结构设计准则符合装配要求的结构设计准则10高温测试（高温运行、高温贮存）；高温测试（高温运行、高温贮存）；低温测试（低温运行、低温贮存）；低温测试（低温运行、低温贮存）；高低温交变测试

8、（温度循环测试、热冲击测试）；高低温交变测试（温度循环测试、热冲击测试）；高温高湿测试（湿热贮存、湿热循环）；高温高湿测试（湿热贮存、湿热循环）；机械振动测试（随机振动测试、扫频振动测试）；机械振动测试（随机振动测试、扫频振动测试）；汽车运输测试（模拟运输测试、碰撞测试）；汽车运输测试（模拟运输测试、碰撞测试）；机械冲击测试；机械冲击测试；开关电测试；开关电测试； 电源拉偏测试；电源拉偏测试；冷启动测试；冷启动测试；盐雾测试；盐雾测试；淋雨测试；淋雨测试；尘砂测试；尘砂测试； 接口输入输出极限条件测试接口输入输出极限条件测试可靠性测试项目可靠性测试项目11可靠性数据可靠性数据数据的质与量数据的

9、质与量真实性（对产品故障的描述、故障发生真实性（对产品故障的描述、故障发生的时机、原因、故障现象及造成的影响的时机、原因、故障现象及造成的影响均应有明确地记录；均应有明确地记录；连续性（产品在工作中所有事件发生的连续性（产品在工作中所有事件发生的时间记录及过程的描述）时间记录及过程的描述）完整性（故障产品本身的使用情况及该完整性（故障产品本身的使用情况及该产品的历史及送修、报废等应尽可能清产品的历史及送修、报废等应尽可能清楚楚12 产品故障失效残骸及产品故障失效残骸及 断口处理程序与保护准则断口处理程序与保护准则 故障现场失效残骸醋酸纤维脂断口保护断口形貌能谱失效部位样品保管13 不同载荷环境

10、作用的不同载荷环境作用的 失效特征、模式与机理探讨失效特征、模式与机理探讨 时间特征,形貌特征,标本特征,独立特征,关联特征,检测特征,影响特征等宏观破坏,局部损伤,功能下降,功能完全丧失过载,超压,疲劳,蠕变,老化,腐蚀变质等第一章第一章 机械可靠性设计基本依据机械可靠性设计基本依据1.1干涉模型1.2大数定律与中心极限定理1.3基本载荷形式1.4综合作用类型1.5主要失效模式1.6系统功能关系1415 1.1干涉模型干涉模型广义强度载荷干涉模型p0强强度度应应力力失效失效161.2大数定律与中心极限定理大数定律与中心极限定理事件发生的的频率具有稳定性，即随着试验次数的增加，事件发生的频率逐

11、渐稳定于某个常数，在实践中人们还意识到大量测量的算术平均值也具有稳定性这种稳定性就是大数定律的客观背景。定理一：契比雪夫定理的特殊形式 设随机变量相互独立，且具有相同的有限数学期望和方差：，作前n个随机变量的算术平均则对任意整数有。17定理定理1公式11limlim11kknnnXnPYP18定理定理1定理一表明，当n很大时，随机变量的算术平均接近于数学期望，这种接近是概率意义上的接近。通俗地说，在定理的条件下，n个随机变量的算术平均，当n无限增加时将几乎变成一个常数。定理二：贝努利定理 设是n次独立试验中事件A发生的次数，p是事件A在每次试验中发生的概率，则对于任意正数有：19定理定理2公式

12、0li1nlipnnmpnPmAnAn或20伯奴里定律伯奴里定律贝努利定理表明，事件发生的频率依概率收敛于事件概率p,这个定理以严格的数学形式表达了频率的稳定性。就是说当n很大时，事件发生的频率与概率有较大偏差的可能性很小，由实际推断原理，在实际应用中，当试验次数很大时，便可以用事件发生的频率代替事件概率。21中心极限定理中心极限定理在客观实践中有许多随机变量，他们是由大量的相互独立的随机因数的综合影响所形成的，而其中每一个别因数在总的影响中所起的作用都是微小的，这种随机变量往往近似地服从正态分布，这种现象就是中心极限定理的客观背景。22定理三定理三 同分布的中心极限定理 设随机变量相互独立，

13、服从同一分布，且具有有限的数学期望和方差： ，则随机变量 的分布函数对于任意x，满足 : , 2 , 102kkXDXEk，nnXYnkkn1 xnkknnndtexnnXPxF21121limlim23定理四定理四 李雅普诺夫定理 设随机变量 相互独立且具有有限的数学期望和方差： 记若存在正数，使得当 则随机变量 的分布函数对于任意x，满足 :，n21,XXX, 2 , 102kkXDXEk，nkkB122n01n122nnkkkXEB时，nnknkkkBXZ11nxtnnknkkknnndtexxBXPxF211221limlim24说明说明定理表明，在定理的条件下，随机变量 当n很大时，

14、近似服从正态分布（0，1）。由此， 当n 很大时 近似服从正态分布: 这就是说，无论随机变量具有怎样的分布，只要满足定理条件，那么他们的和当n很大时，就近似服从正态分布。 nnknkkkBXZ11nnknkknkZBX11n21,nnkkBN25结论结论很多问题中，所考虑的随机变量，可以表示成很多个随机变量之和。如在任何指定时刻，一个城市的耗电量，是大量用户耗电量的总和。一个物理实验的测量误差是由许多观察不到的可加微小误差所合成的，他们往往近似服从正态分布。 1.3基本载荷形式基本载荷形式轴向载荷弯曲载荷扭转载荷剪切载荷接触载荷2627 载荷作用载荷作用机械产品所承受的载荷大都是一种不规则的、

15、不能重复的随机性载荷 ；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。28载荷类型载荷类型轴向载荷力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（表1(a)）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。 2）最大切应力（）主应力（

16、29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）剪切载荷使零件内相邻两截面发生相对错动的作用力。表1（d）表示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。 30载荷类型载荷类型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（表1（e）例如，滚动轴承工作时，滚子与滚道之

17、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。31表表1 载荷基本载荷基本类型类型32表表1 载荷基本类型载荷基本类型33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。 34载荷的性质载荷的性质 交变应力的形式对称循环应力等值交变的拉伸、压缩和剪切应力（图1(a)）。 脉动循环应力单向应力，其应力值从零变化到最大，r=0，如图1(b)所示。非对称循环应力

18、应力值由最小到最大变化，最小应力既可能是正值（图1(c)），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 35图图1 交变应力的类型交变应力的类型36交变载荷作用的疲劳可靠性设计准则交变载荷作用的疲劳可靠性设计准则 变应力和变载荷的类型及疲劳强度 p-S-N曲线的内涵 疲劳寿命可靠性预计 1.4综合作用类型综合作用类型热力联合载荷-腐蚀复合作用振动-热热-湿37 1.5主要失效模式主要失效模式疲劳断裂龟裂快速断裂腐蚀断裂结构干涉性能退化3839产品结构可靠性失效摸式产品结构可靠性失效摸式应力疲劳损伤与疲劳破坏应力疲劳损伤与疲劳破坏应变疲劳破坏应变疲劳破坏白点与氢脆白点与氢脆

19、应力腐蚀断裂应力腐蚀断裂高温疲劳高温疲劳热疲劳与龟裂热疲劳与龟裂蠕变与老化蠕变与老化剥离剥离雷击损伤雷击损伤接触疲劳与微动磨损接触疲劳与微动磨损静载破坏与结构失稳静载破坏与结构失稳安全裂纹尺寸与裂纹失稳扩展安全裂纹尺寸与裂纹失稳扩展40常见故障常见故障从故障统计来看，主要表现在早期故障和责任故障两类从故障统计来看，主要表现在早期故障和责任故障两类电子器件、电气设备、液压系统的故障都基本属于单元电子器件、电气设备、液压系统的故障都基本属于单元级带到系统的早期故障；级带到系统的早期故障；1. 控制系统属于责任故障，也存在一些设计故障控制系统属于责任故障，也存在一些设计故障41故障判据故障判据产品或

20、其中一部分不能或将不能完成预定功能的事件或状态称为故障；产品或其中一部分不能或将不能完成预定功能的事件或状态称为故障；42典型的典型的故障模式故障模式紧固件的松动、结构件和电路板的变形、破裂及失效紧固件的松动、结构件和电路板的变形、破裂及失效联结器、继电器、传感器、阀门及开关的瞬间断开联结器、继电器、传感器、阀门及开关的瞬间断开电子器件、固定电路、微电子元件的引线、管脚和导线的电子器件、固定电路、微电子元件的引线、管脚和导线的磨损和折断磨损和折断电子插件的性能下降、电器功能下降、粘层、键合点断开、电子插件的性能下降、电器功能下降、粘层、键合点断开、电路瞬间短路和断路电路瞬间短路和断路陀螺漂移增

21、大、精度降低、甚至发生故障陀螺漂移增大、精度降低、甚至发生故障控制失灵、结构损伤控制失灵、结构损伤43结构故障结构故障管路系统异常、电缆拉断、结构失效；管路系统异常、电缆拉断、结构失效；管路系统的故障形式是泄露和堵塞；管路系统的故障形式是泄露和堵塞；泄漏（焊缝破裂、焊缝缺陷导致强度降低、密封部位缺陷导泄漏（焊缝破裂、焊缝缺陷导致强度降低、密封部位缺陷导致密封缺陷、过热破坏等）致密封缺陷、过热破坏等）堵塞（燃气杂质沉积过多或管路有多余物）堵塞（燃气杂质沉积过多或管路有多余物）44故障分析的两个模型故障分析的两个模型物论性模型：关注发生故障的部位、形式及其成因，手段是从物论性模型：关注发生故障的部

22、位、形式及其成因，手段是从物理、化学和材料等方面，从微观角度进行机理的模式；物理、化学和材料等方面，从微观角度进行机理的模式；概率论模型：注重故障和时间的关系，用数理统计的方法，研概率论模型：注重故障和时间的关系，用数理统计的方法，研究其故障时间的概率分布，是宏观模式。究其故障时间的概率分布，是宏观模式。45故障的影响故障的影响工作能力下降或功能的丧失工作能力下降或功能的丧失昂贵的保障费用昂贵的保障费用安全问题安全问题高频发生故障高频发生故障对有冗余设计和替代工作模式的设计需要考虑双对有冗余设计和替代工作模式的设计需要考虑双重故障模式的影响，如应急装置同时故障造成的重故障模式的影响，如应急装置

23、同时故障造成的后果后果46主次分析主次分析主次分析是用统计的方法找出所分析对象影响最大的因素主次分析是用统计的方法找出所分析对象影响最大的因素从故障频数、故障原因、故障后果、责任、发现时间等进行分析；从故障频数、故障原因、故障后果、责任、发现时间等进行分析；故障频数：组成产品的各系统，按主次排列，找出故障最多的系统，故障频数：组成产品的各系统，按主次排列，找出故障最多的系统，以系统为对象，按故障频数做主次分析，找出故障最多的分系统；依以系统为对象，按故障频数做主次分析，找出故障最多的分系统；依次逐级分析，直到找出故障频数最多的设备和单元；确定薄弱环节。次逐级分析，直到找出故障频数最多的设备和单

24、元；确定薄弱环节。通过主次分析找到影响产品故障的主要原因和责任；将故障影响后果通过主次分析找到影响产品故障的主要原因和责任；将故障影响后果与发生频数综合一起得到主次分析结果，可以确定故障频数并非最高与发生频数综合一起得到主次分析结果，可以确定故障频数并非最高但造成的影响却很大的关键系统和设备但造成的影响却很大的关键系统和设备47故障影响层次故障影响层次自身影响：产品有故障征候，产品功能下降，到产品功自身影响：产品有故障征候，产品功能下降，到产品功能完全丧失；能完全丧失；对上一级的影响：无影响，由故障征候，系统功能下降，对上一级的影响：无影响，由故障征候，系统功能下降，到系统功能完全丧失；到系统

25、功能完全丧失；最终影响：影响执行任务，一般等级事故到严重等级事最终影响：影响执行任务，一般等级事故到严重等级事故。故。48关系可靠性控制的故障关系可靠性控制的故障应当计入系统可靠性评估的故障包括组成系统后发生的应当计入系统可靠性评估的故障包括组成系统后发生的一切故障；一切故障；可控故障是可靠性控制的主要对象；可控故障是可靠性控制的主要对象；可靠性控制设计的目标是把故障水平和转移概率控制到可靠性控制设计的目标是把故障水平和转移概率控制到系统能接受的水平。系统能接受的水平。49指数分布：具有恒定故障率的部件和设备，无余度的复杂系指数分布：具有恒定故障率的部件和设备，无余度的复杂系统，经老练试验并经

26、定期维修的部件和设备统，经老练试验并经定期维修的部件和设备威布尔分布：某些电容、继电器、开关、断路器、电子管、威布尔分布：某些电容、继电器、开关、断路器、电子管、电位计、陀螺、电动机、电缆、电池、材料疲劳、滚珠轴承电位计、陀螺、电动机、电缆、电池、材料疲劳、滚珠轴承等等对数正态分布：电机绕组绝缘、半导体器件、晶体管、系统对数正态分布：电机绕组绝缘、半导体器件、晶体管、系统结构和金属疲劳结构和金属疲劳正态分布：轮胎磨损、机械产品等正态分布：轮胎磨损、机械产品等符合典型分布的产品类型符合典型分布的产品类型返回目录返回目录 1.6系统功能关系系统功能关系独立故障关联故障致命故障5051第二章第二章

27、基于载荷环境的材料工艺准则基于载荷环境的材料工艺准则2.1广义载荷2.2环境类形2.3材料类型2.4毛坯工艺2.5加工准则52 2.1广义载荷广义载荷静载交变载荷随机载荷热负荷电磁力腐蚀应力53 2.2环境类形环境类形常温高温低温潮湿电磁环境其它腐蚀 2.3材料类型材料类型金属材料非金属材料复合材料54 2.4毛坯工艺毛坯工艺铸造锻造焊接挤压成型缠绕编织粉末冶金55 2.5加工准则加工准则u可靠夹紧准则 u最小加工量准则 u一次夹便于退刀准则 u便利切削准则 u减少缺口效应准则 u避免斜面开孔准则 u贯通孔优先准则 u孔周边条件相近准则5657 第三章第三章 结构可靠性技术准则结构可靠性技术准

28、则3.1优化设计3.2余度设计3.3防错设计3.4环境适应性设计3.5维修性设计 3.1优化设计优化设计从失效模式和机理入手，确定机械产品可靠性设计应遵循的准则5859系统可靠性串联模型和并联模型系统可靠性串联模型和并联模型导通为正常导通为正常截流为正常截流为正常603、偶然出现偶然出现的外界应力造的外界应力造成失效成失效1、失效件的设计、材失效件的设计、材料、工艺、检验。失效料、工艺、检验。失效的性质是个别（偶然的）的性质是个别（偶然的）的还是批次性（可再现）的还是批次性（可再现）的？的？2、误用是不按、误用是不按规定条件使用产规定条件使用产品引起的失效；品引起的失效；占的比例较大占的比例较

29、大4、供应商出厂供应商出厂检验合格，客户检验合格，客户筛选入库验收时筛选入库验收时却不合格，可能却不合格，可能的原因是客户在的原因是客户在入检过程筛选中入检过程筛选中将产品损坏将产品损坏 3.2余度设计余度设计（裕度准则裕度准则 ）安全系数方法，通常加大构件尺寸，工程上很多因素自身并无一个绝对的数值，而是一个分布范围，裕度设计是解决问题的根本。断裂破坏、热应力破坏等因材料特性引起的问题，在构件尺寸上加强裕度设计无效 3.3防错设计防错设计接口显著差异准则标志标识明确操作规程编制细则双岗制及三检制62 3.4环境适应性设计环境适应性设计材料选择优化环境应力控制环境试验 3.5维修性设计维修性设计

30、u经济合理准则u空间可达性准则u安全阀、保险丝、可更换零件方便拆卸准则 轴承安装拆装准则轴承安装拆装准则l不能将轴承安装途径处的直径设计的大于轴承座处的直径l配合公差不能太紧l采用剖分式轴承座、可分离轴承l轴轴边开槽，利用拉拔工具l轴承座断面开孔，用螺拴旋挤l需液压挤撑拆装，要留液压通道 3.6简单准则简单准则u最少数量、最简形状、最少工艺步骤、最简加工装配工艺、最普通材料、最简工具、最简拆卸步骤u结合零部件特点，设定量化评估指标67第四章第四章 机械可靠性设计数学模型机械可靠性设计数学模型 4.1应力强度干涉模型4.2静载荷作用的可靠性设计准则4.3交变载荷作用的疲劳可靠性设计准则4.4压力

31、容器的可靠性设计准则4.5交变温度作用的热负荷可靠性准则4.6腐蚀与磨损条件下构件可靠性准则68 4.1应力强度干涉模型应力强度干涉模型 原理介绍 应力强度确定方法 常见分布的可靠度计算公式 数值积分的可靠度计算69应力强度干涉理论应力强度干涉理论应力强度干涉模型在机械产品中，零件（部件）是正常还是失效决定于强度和应力的关系。当零件（部件）的强度大于应力时，其能够正常工作；当零件（部件）的强度小于应力时，其发生失效。因此，要求零件（部件）在规定的条件下和规定的时间内能够承载，必须满足以下条件S零件（部件）的强度；s零件（部件）的应力。 0sSsS或70应力强度干涉模型应力强度干涉模型实际工程中

32、的应力和强度都是呈分布状态的随机变量，把应力和强度的分布在同一座标系中表示（如图3所示） 当强度的均值大于应力的均值时，在图中阴影部分表示的应力和强度 “干涉区”内就可能发生强度小于应力即失效的情况这种根据应力和强度干涉情况，计算干涉区内强度小于应力的概率（失效概率）的模型，称为应力强度干涉模型。 在应力强度干涉模型理论中，根据可靠度的定义，强度大于应力的概率可表示为 )0(sSPsSPtR71图图3 应力强度干涉模型应力强度干涉模型72可靠度的一般表达式可靠度的一般表达式根据以上干涉模型计算在干涉区内强度大于应力的概率可靠度。如图4所示，当应力为时，强度大于应力的概率为 强度分布密度函数 应

33、力 处于 区间内的概率为 应力分布密度函数； 00sdSSfsSP SfS dssfdsssdssP22000sds sfs73图图4 概率密度概率密度函数联合积分函数联合积分求可靠度求可靠度74可靠度的一般表达式可靠度的一般表达式假设 与 为两个独立的随机事件，因此两独立事件同时发生的概率为因为上式 为应力区间内的任意值，现考虑整个应力区间内的情况，有强度大于应力的概率（可靠度）为当已知应力和强度的概率密度函数时，根据以上表达式即可求得可靠度。 0sS 2200dsssdss 00sdSSfdssfdR0s dsdSSfsfdRRs75 4.2静载荷作用的可靠性设计准则静载荷作用的可靠性设计

34、准则u 受拉应力的静强度可靠性设计 u 受转矩的静强度可靠性设计u 受弯扭联合作用的静强度可靠性设计u 受弯剪联合作用的静强度可靠性设计76应力分析计算应力分析计算77应力分布的确定应力分布的确定用FMEA确定需要进行可靠度计算的重要失效模式，如：静强度断裂、屈服、失稳、变形过大、疲劳、磨损、腐蚀等 ；针对不同的失效模式确定相应的失效判据，如最大正应力、最大剪应力、最大变形能、最大应变、最大磨损量等；针对不同失效判据，应用相关专业（如材料力学、弹塑性理论、有限元分析、断裂力学和实验应力分析等）知识进行应力分析计算；78应力分布的确定应力分布的确定确定采用的修正系数对计算的名义应力进行适当的修正

35、，得到相应应力分量的最大值。常用的应力修正系数有：应力集中系数、载荷系数、温度系数、表面处理等；计算主应力或复合应力，并确定应力方程中每个参数和系数的分布，通过概率运算、矩法或蒙特卡罗法得到相应的应力分布。79强度分布的确定强度分布的确定建立与失效应力判据相对应的强度判据，常用的强度判据有最大正应力强度判据、最大剪应力强度判据、最大变形能强度判据等。确定名义强度。名义强度指在标准试验条件下确定的试件强度，常用名义强度有强度极限、屈服极限、疲劳极限、变形、变形能和磨损（腐蚀）量等。 用适当的修正系数修正名义强度，通常考虑的修正系数有尺寸系数、表面质量系数、应力集中系数等。确定强度方程中所有参数和

36、系数的分布，通过概率运算、矩法或蒙特卡落法得到相应的强度分布。80通过泰勒级数展开，用矩法近似确定随机变量的函数的均值及标准差。 分两种情况： 一维随机变量与多维随机变量。o 一维随机变量设y为正态分布随机变量X的函数 ，X的均值 和方差 已知，用泰勒级数展开近似求解y的均值 和方差 。现将 在 处展开，得 Xfy XXy Xfy X y 22!XyfXfXff用矩法确定应力和强度的分布参数用矩法确定应力和强度的分布参数81用矩法确定应力和强度的分布参数用矩法确定应力和强度的分布参数对上式两边取数学期望，取线性近似解 XDfffXEXEffXEfXEfEXfEyE 2121! 22282 用矩

37、法确定应力和强度的分布参数 XD fyE fXDfDXfDyD f 2fXDXfDyD若 很小，则有 。对上式两边取方差，取线性近似解因为 为常量，所以83 用矩法确定应力和强度的分布参数 iniinXDXffyEXX1222121,iXD nfyE,21 iniiXDXfyD21XX 对上式两边取数学期望，取线性近似解若 很小，则有对上式两边取方差，取线性近似解84可靠度的计算方法可靠度的计算方法应力和强度均为正态分布利用强度应力干涉理论，可靠度定义为强度大于应力的概率：00ZPsSPR 当应力和强度均为正态分布时，有sSZ式中 安全余量， 由于应力和强度均为正态分布，根据正态分布的和（差）

38、仍为正态分布的性质，安全余量也为正态分布。 22121ZZZZeZf85可靠度的计算方法 式中： ， 可靠度：sSZ2122sSZ 0212210dZeZPRZZZZ将上式化为标准正态分布形式 0010zdzzdZZfRz86 式中： 可靠度的计算方法 22121zezZZZz21220sSsSZZz 从（1）式可知，当已知应力和强度的分布参数后，就可算得，从正态分布表就可查得可靠度。因此，（1）式把应力分布参数、强度分布参数和可靠度直接联系起来，称之为“连接方程”，称之为连接系数，也称为可靠性系数。 （1） 87定义称为可靠度指标，根据（1）和（2）式得式（3）即强度与应力是正态分布时，可靠

39、度的计算式。o 其它分布类型 常用概率分布的可靠度计算公式参见表3。可靠度的计算方法22sSsSZZ 0dZZfR （2） （3） 88表表3 常用概率分布的可靠度计算公式常用概率分布的可靠度计算公式89表表3 常用概率分布的可靠度计算公式常用概率分布的可靠度计算公式4.3交变载荷作用的疲劳可靠性设计准则交变载荷作用的疲劳可靠性设计准则载荷谱测量疲劳强度实验有限寿命设计应变疲劳准则无限寿命设计应力疲劳准则工艺强化抗疲劳准则904.4压力容器的可靠性设计准则压力容器的可靠性设计准则韧性材料准则几何止裂准则平面应力准则91 4.5交变温度作用的热负荷可靠性准则交变温度作用的热负荷可靠性准则控制温度

40、梯度冷却设计材料抗热疲劳准则热应力设计准则92 4.6腐蚀与磨损条件下构件可靠性准则腐蚀与磨损条件下构件可靠性准则防护设计准则配合面准则润滑剂准则环境匹配准则表面技术9394 第五章第五章 机械可靠性设计准则机械可靠性设计准则5.1基于材力三大假设的静载设计5.2基于交变载荷或谱载荷作用的抗疲劳设计5.3基于当量初始缺陷分布的概率断裂控制5.4基于压力容器快速断裂控制的损伤容限5.5基于交变温度作用的热疲劳特性5.6构件防腐蚀和耐磨损设计95 5.1传统静强度设计准则及其局限性传统静强度设计准则及其局限性 圣维南原理：如果把物体的一小部分边界上的面里,变换为分布不同但静力等效的面力(主矢量相同

41、,对于同一点的主矩也相同),那么,近处的应力分布将有显著的改变,但是远处所受的影响可以不计.注意:圣维南原理绝不能离开“静力等效” 几何、物理、相容96四个强度理论四个强度理论第一类强度理论(断裂破坏理论)第一强度理论最大拉应力理论第二强度理论最大伸长线应变理论11xd3212dx97四大强度理论四大强度理论第二类强度理论:流动破坏理论第三强度理论:最大剪应力理论第四强度理论:形状改变比能理论314xd213232221421xd98平面应力平面应力yxxE1YXxE21XYYE1XYYE21YXZE10ZGXYXY0YZXZXYXYG0YZXZ 99平面应变平面应变当应变发生在一个应力为0的

42、正交平面时,发生平面应变ZYxxEEYXXE1211YXYYEEXYYE12110ZYXZE211GXYXY0YZXZXYXYG0YZXZ 100一般三维空间应力状态一般三维空间应力状态一般应力状态ZYXXEEZYXXE1211ZXYYEEZXYYE1211YXZZEEYXZZE1211GXYXYGXZXZGYZYZXYXYGXZXZGYZYZG 1015.2基于交变载荷或谱载荷作用的抗疲劳设计基于交变载荷或谱载荷作用的抗疲劳设计不同载荷形式疲劳问题不同载荷形式疲劳问题对称弯曲疲劳拉压疲劳扭转疲劳热疲劳高温疲劳腐蚀疲劳1021035.3基于当量初始缺陷分布的概率断裂控制基于当量初始缺陷分布的概

43、率断裂控制基于初始缺陷的断裂分析断裂韧性分布特征应力强度应子分布形式概率断裂控制5.4基于压力容器快速断裂控制的损伤容限基于压力容器快速断裂控制的损伤容限压力容器平面应力设计平面应变实验条件损伤容限张开形断裂控制剪切形断裂控制反平面剪切断裂控制104105 齿轮齿轮断裂控制断裂控制1065.5基于交变温度作用的热疲劳特性基于交变温度作用的热疲劳特性散热设计温度梯度控制几何连续性准则热疲劳失效模式热强性材料均匀变形准则107过热过热108 力热联合作用与高温疲劳力热联合作用与高温疲劳109 5.6构件防腐蚀和耐磨损设计构件防腐蚀和耐磨损设计电偶序及其相容性准则表面防护准则润滑油匹配准则校核准则综

44、合试验热/化学/气候复合环境下工作的构件,使用寿命和服役期间,应不出现影响其良好工作状态的腐蚀,损伤,磨蚀坑,应力腐蚀裂纹,剥蚀等5.6.1 避免大面积叠焊准则是否存在大面积的叠焊、缝隙中的残留物可能导致零件生锈确认腐蚀环境条件：两个不同电化学位势的电极分别是什么？两个电极通过何方式实现电接触？浸泡两电极的电解质是什么？如何形成的？确定是面腐蚀还是点腐蚀如果是面腐蚀，选择增加板的厚度，按照预期设计寿命留出板厚余量。选择其中一种防护层工艺方法：电镀、喷涂、浸渍上漆、渗透、滚压、化学转换等金属浓度不同，间隙内腐蚀产物经水解化作用酸化，氧气扩散困难，发生间隙腐蚀的可能性大得多，例如支承结构、钢架结构

45、、点焊、单侧焊、容器衬板中。避免间隙结构出现；将间隙密封，使腐蚀性物质无法进入；1.将狭窄空间设计成较大空间，不停的对流使电解质平衡。5.6.2 避免间隙腐蚀准则不同金属是否有电接触？通过加绝缘措施使不同金属没有电接触；有电接触的不同金属，哪是贱金属，哪是贵金属？如有螺栓、螺钉连接的结构确定贱金属是不是要保护的防腐蚀部件（贱金属充当阳极被腐蚀），如果是则采取系列措施，如果不是，则贵金属是被保护部件，牺牲贱金属（阳极）被腐蚀，保护贵金属（阴极），则不必作技术处理金属是否被电解质包围；5.6.3 避免局部微观腐蚀环境准则结构上保证停车期间，管道中的介质能空干，否则温度下降，残留介质在器壁上浓缩结壳

46、，再启动后壁受热，粘结在器壁上的结壳成为应力裂纹腐蚀源5.6.4 防止流体通道淤积原则 防止大的温度和浓度梯度，否则会引起沉淀物、冷凝物、局部势差；高温度、高浓度也会加速腐蚀过程；局部高温引起结壳，结壳反过来加剧局部过热；局部低温会导致冷凝5.6.5 避免大温度和浓度梯度差准则5.6.6 防止高速流体准则 常出现在高湍流区；确认结构系统里是否存在高湍流区？1、结构改进，增大弯管弯曲半径；2、过滤和离心分离流体，消除固体粒子和气泡；3、阴极保护或加防腐剂；4、在危险壁面电镀或加涂层；5、选择具有坚硬保护层不易腐蚀的材料。对腐蚀速率较慢、均匀的面腐蚀适用；腐蚀速率和设备的设计寿命确定壁厚5.6.7

47、 腐蚀裕度准则 在容积相等的前提下，使受腐蚀的表面最小，比表面积=表面积/体积六面体正方体圆柱体椭圆体球体5.6.8 最小比表面积准则某储液罐，10立方米容积，是用一个大罐还是用十个小罐减少腐蚀更好一点？ 不能通过结构措施消除的腐蚀损坏，可设计上为后续更换腐蚀部件或加防护措施提供便利1、易于观察腐蚀损坏；2、易于更换腐蚀严重的构件；3、易于上涂层，易于电镀5.6.9 便利后继措施准则 5.6.10 良好力学状态准则类似于焊接件里的强度要求设计规范，让焊缝处于较好的受力状态；拉应力会加剧腐蚀；裂纹应力同时存在时，可能产生应力裂纹腐蚀123 第六章第六章 机械可靠性应用准则机械可靠性应用准则6.1

48、冲击载荷与霍普金圣效应6.2 各态遍历的随机振动6.3随机振动试验准则6.4冲击载荷作用的设计准则6.5结构柔性与变形协调设计准则6.6压力容器与动载作用设计准则6.7振动环境作用的可靠性准则6.8复合载荷环境材料匹配准则第六章第六章 机械可靠性应用准则机械可靠性应用准则6.9载荷环境毛坯匹配准则6.10减振器与结构阻尼准则6.11润滑与降噪准则6.12表面技术与润滑匹配准则6.13 箱座、支架类零部件材料阻尼准则6.14铸件减震设计准则6.15锻件、焊接件抗冲击设计准则1241256.1冲击载荷与霍普金圣效应冲击载荷与霍普金圣效应吊索、吊具霍普金森实验宏观运动振动响应局部效应6.10减振器与

49、结构阻尼准则1266.2 各态遍历的随机振动各态遍历的随机振动无明显周期特性，服从均值为零的正态分布波恩-冯-卡门边界条件波恩-冯-卡门把N个原子构成的链看着无限长原子链中的一段，线晶格的振动方式数等于其原子数。线晶格中，每个原子的振动自由度为1，晶格的独立方式数等于晶体自由度数。三维晶体中独立的振动方式数为3N。1276.3随机振动试验准则随机振动试验准则 产品和元器件标准筛选试验产品验收试验鉴定试验例行试验等采用梯形谱，主要控制指标为：试验频带、功率谱密度水平和总均方根grms1286.4冲击载荷作用的设计准则冲击载荷作用的设计准则半正弦冲击:适用于普通碰撞及发动机点火过程的冲击描述作用时

50、间幅值控制精度冲击响应谱:适用于爆炸、分离等作用过程的环境描述1296.5结构柔性与变形协调设计准则结构柔性与变形协调设计准则有冲击载荷的情况下，加大柔性，避免冲击，但快速响应特性会下降。载荷特征、失效模式、作用机理、宏观形态、微观损伤、细节设计与协调准则柔性准则的措施：增加等截面杆的长度；避免截面突变；安装缓冲器；1.选用弹性模量小的材料。130变形协调准则变形协调准则 在力的传递中，构件会发生变形，变形不对称、接触面变形不匹配等都会引起走偏、应力集中等问题；解决措施：在接触面处，降低构件在力流方向上的刚度，以便减少对另一构件变形的阻碍，使变形同步； 如：轴承的轴固定架、天车的导轨1316.

51、6压力容器与动载作用设计准则压力容器与动载作用设计准则静强度传力路径损伤容限耐久性与剩余寿命PHM管理KYKIC1326.7振动环境作用的可靠性准则振动环境作用的可靠性准则模态控制激励控制减振控制声源控制133简谐振动简谐振动运动方程:通解:0 KxxM titieCeCx21tCxcosMK134有阻尼振动有阻尼振动运动方程通解:临界阻尼 :02rteKDrMr02KDrMrMKMDDr242042 KMDMDr2MDCex2135有阻尼周期振动有阻尼周期振动通解tMDKMCextMD24cos22MDKMD242MDKMt242136强迫振动强迫振动运动方程通解:当发生共振时 避免共振:

52、或qtFKxxMcos qtqMFtCxcoscos22q22q22q137有阻尼强迫振动有阻尼强迫振动运动方程:通解:问题:qtFKxxDxMcos qtCqtBtMDKMAexMDsincos24cos22DqFCBq, 0,时138一般系统一般系统示意图自由振动自由振动当当q=时的强迫振动时的强迫振动xt01396.8复合载荷环境材料匹配准则复合载荷环境材料匹配准则齿轮运转时齿轮运转时主要受力部分主要受力部分是是轮齿轮齿，齿面承受，齿面承受接触应力和摩擦力接触应力和摩擦力，要求轮齿表，要求轮齿表面有面有足够的强度和硬度足够的强度和硬度同时，同时，齿根部分齿根部分要承受要承受弯曲应力弯曲应

53、力齿轮运转过程中有时还受到齿轮运转过程中有时还受到冲击力冲击力，因此齿轮本体要有，因此齿轮本体要有一定的强度和韧性一定的强度和韧性140续续一般一般中小型齿轮中小型齿轮应选用综合机械性能良好的应选用综合机械性能良好的中碳结构钢中碳结构钢，重要的重要的齿轮齿轮应选用应选用合金渗碳钢合金渗碳钢。其毛坯生产方法。其毛坯生产方法采用型材经锻造采用型材经锻造而而结构结构复杂的大型齿轮复杂的大型齿轮，其毛坯可用，其毛坯可用铸钢或球墨铸铁铸钢或球墨铸铁铸造铸造而成而成在在单件生产的条件单件生产的条件下，也可用下，也可用焊接焊接方法制造方法制造大型齿轮大型齿轮的毛坯的毛坯低速运转受力不大的齿轮低速运转受力不大

54、的齿轮，可用，可用灰铸铁件灰铸铁件为毛坯为毛坯高速轻载的普通小齿轮高速轻载的普通小齿轮，为减小噪声也可用，为减小噪声也可用非金属材料非金属材料(如尼龙等如尼龙等)制造制造对对要求传动精确、结构小巧的仪表齿轮要求传动精确、结构小巧的仪表齿轮，可用，可用板料冲裁板料冲裁而成而成有些齿轮有些齿轮也可用也可用压铸、粉末冶金等方法压铸、粉末冶金等方法制成制成1416.9载荷环境毛坯匹配准则载荷环境毛坯匹配准则载荷类型环境特征工件形状结构尺寸规模1426.10减振器与结构阻尼准则减振器与结构阻尼准则减振器谐振特性及产品结构的刚度、质量、阻尼决定的仪器、设备动力学常数运动方程通解:临界阻尼 :02rteKD

55、rMr02KDrMrMKMDDr242042 KMDMDr2MDCex21436.11润滑与降噪准则润滑与降噪准则1446.12表面技术与润滑匹配准则表面技术与润滑匹配准则齿面严重胶合现象145A 金属化学处理金属化学处理钢铁的化学氧化（0.51.5m）有色金属的化学氧化(0.54 m)铝及铝合金的阳极氧化可控制在几十几百微米(铝自然氧化膜层厚0.0100.015 m)磷化处理(520 m)铬酸盐膜(0.82 m)146B 表面覆盖技术准则表面覆盖技术准则 涂料涂装(有机涂料：酚醛树脂、醇酸树脂、氨基树脂、丙烯酸树脂、聚氨基甲酸树脂及光固化涂料等)粘涂（加入二硫化钼、金属粉末、陶瓷粉末和纤维等

56、特殊材料的胶粘剂直接涂敷于零件表面）堆焊热喷涂热浸镀（将工件浸在熔融的液态金属中形成的镀层）搪瓷、陶瓷、塑料涂敷147C 表面改性技术准则表面改性技术准则表面形变强化（喷丸等）表面热处理（感应、火焰、浴炉、电解液及高密度能量表面淬火）表面化学热处理（渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗金属）等离子体表面处理激光、电子束、高密度太阳能表面处理离子注入表面改性148D表面沉积技术准则表面沉积技术准则真空镀膜溅射镀膜离子镀化学气相沉积CVD分子束外延离子束合成薄膜149E 配合偶件腐蚀防护设计准则配合偶件腐蚀防护设计准则 保护层缓蚀剂钝化经重铬酸盐处理的硫酸阳极化膜层电火花涂附硬度匹配准则电化学防护准则1

57、506.13 箱座、支架类零部件箱座、支架类零部件材料阻尼准则材料阻尼准则根据这类零件的结构特点和使用要求，通常采用根据这类零件的结构特点和使用要求，通常采用铸铁以铸造铸铁以铸造方法制成毛坯方法制成毛坯铸铁能制造结构比较复杂的毛坯，具有良好的耐压、耐磨和减振性，价格便铸铁能制造结构比较复杂的毛坯，具有良好的耐压、耐磨和减振性，价格便宜宜对对受力大、复杂的零件受力大、复杂的零件毛坯，则采用毛坯，则采用铸钢铸钢件件在在单件生产或工期紧迫单件生产或工期紧迫时，也可采用时，也可采用焊接件焊接件制造毛坯，它的优点可减轻零件制造毛坯，它的优点可减轻零件重量，但减振性不如铸铁件重量，但减振性不如铸铁件151

58、6.14铸件减震设计准则铸件减震设计准则根据零件的结构特点和使用要求，通常采用根据零件的结构特点和使用要求，通常采用铸铁以铸造铸铁以铸造方法制成毛坯方法制成毛坯铸铁能制造结构比较复杂的毛坯，具有良好的耐压、耐磨和减振性，价铸铁能制造结构比较复杂的毛坯，具有良好的耐压、耐磨和减振性，价格便宜格便宜对对受力大、复杂的零件受力大、复杂的零件毛坯，则采用毛坯，则采用铸钢铸钢件件在在单件生产或工期紧迫单件生产或工期紧迫时，也可采用时，也可采用焊接件焊接件制造毛坯，它的优点可减轻制造毛坯，它的优点可减轻零件重量，但减振性不如铸铁件零件重量，但减振性不如铸铁件有些异形断面或弯曲轴线的轴有些异形断面或弯曲轴线

59、的轴，如凸轮轴、曲轴等，材料采用球墨铸铁，如凸轮轴、曲轴等，材料采用球墨铸铁，其毛坯选用其毛坯选用铸造铸造成形方法。成形方法。在某些情况下，零件毛坯成形方法可选用在某些情况下，零件毛坯成形方法可选用锻锻-焊、铸焊、铸-焊结合焊结合的方法的方法例如：汽车排气阀零件，可将合金耐热钢的阀帽与普通碳素钢的阀杆焊例如：汽车排气阀零件，可将合金耐热钢的阀帽与普通碳素钢的阀杆焊成一体，以节约耐热钢材料。有些大型轴杆类零件的毛坯，例如我国自成一体，以节约耐热钢材料。有些大型轴杆类零件的毛坯，例如我国自行设计制造的行设计制造的12000 t水压机的立柱，即采用铸焊结构；该立柱长水压机的立柱，即采用铸焊结构；该立

60、柱长18m，直径直径1m，壁厚，壁厚0.3m，重，重80t，采用，采用ZG270500，分六段铸造，以焊接方，分六段铸造，以焊接方法焊成整体毛坯法焊成整体毛坯1526.15锻件、焊接件抗冲击设计准则锻件、焊接件抗冲击设计准则一般的轴类零件一般的轴类零件若各段台阶若各段台阶直径相差不大直径相差不大，可，可直接选直接选用型材用型材；若；若直径相差较大直径相差较大，则可，则可采用锻件采用锻件。大型零件大型零件只能采用只能采用自由锻件、砂型铸件或焊接件自由锻件、砂型铸件或焊接件。轴杆类零件一般都是轴杆类零件一般都是重要的受力和传动零件重要的受力和传动零件用于中等载荷或一般要求的轴，主要选用中碳调质钢用