机械可靠性设计技术(工信培训)

1、1机械可靠性设计20140323启示v道者，人之所蹈，使万物不知其所由。v大而八方之表，小而芒芥之内，何适而非道也？仁不足以名，故仁者见之谓之仁，智不足以尽，故智者见之谓之智，百姓不足以见，故曰用而不知也。2理念vWHATvWHYvWHOvHOW vWHENvWHEREv3F技术应用 、三化设计与NDI指标认知v传统设计的局限性v机械可靠性设计的特殊性v能否用安全系数表征产品可靠性水平v无肉眼可见缺陷的技术要求是否合理v产品专用设计技术的适应性与局限性v影响产品可靠性的关键要素5应用分类定义应用分类定义1. 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

2、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。2. 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。1. 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；2. 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。6关注点与度量指标关注点与度量指标1. 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

3、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2. 通常用通常用MTBF表示。表示。1. 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；2. 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务时间（间隔任务时间（MTBCF）来度量。）来度量。7可靠性设计可靠性设计规范规范1. EMC设计规范设计规范2. 热设计规范热设计规范3. 降额设计规范降额设计规范4. 结构可靠性设计规范结构可靠性设计规范5. 环境设计规范环境设计规范6. 防爆设计规范防爆设计规范7.

4、 可靠性测试技术规范可靠性测试技术规范8. 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9. 1.结构设计基本准则结构设计基本准则2.防腐蚀设计准则防腐蚀设计准则3.铸件结构设计准则铸件结构设计准则4.焊接结构设计准则焊接结构设计准则5.符合公差原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6.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7.轴支承结构设计准则轴支承结构设计准则8.塑料件结构设计准则塑料件结构设计准则9.切削件结构设计准则切削件结构设计准则10. 锻件结构设计准则锻件结构设计准则11. 陶瓷件设计准则陶瓷件设计准则12. 热胀冷缩的结构设计准则

5、热胀冷缩的结构设计准则13. 薄板件的结构设计准则薄板件的结构设计准则14. 可靠性要求的结构设计准则可靠性要求的结构设计准则15. 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8可靠性数据可靠性数据1. 数据的质与量数据的质与量2. 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；3. 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）4. 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

6、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9产品故障失效残骸及 断口处理程序与保护准则 v故障现场v失效残骸v醋酸纤维脂断口保护v断口形貌v能谱v失效部位v样品保管10不同载荷环境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 v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v宏观破坏,局部损伤,功能下降,功能完全丧失v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v1.1干涉模型v1.2大数定律与中心极限定理v1.3基本载荷形式v1.4综合作用类型v1.

7、5主要失效模式v1.6系统功能关系11121.1干涉模型v广义强度载荷干涉模型p0强强度度应应力力失效失效131.2大数定律与中心极限定理v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。v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。14定理1v公式11limlim11kknnnXnPYP15定理1v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

8、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。v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：16定理2v公式0li1nlipnnmpnPmAnAn或17伯奴里定律v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。18中心极限定理中心极限定理v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

9、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。19定理三 v同分布的中心极限定理 设随机变量相互独立，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 xnkknnndtexnnXPxF21121limlim20定理四 v李雅普诺夫定理 设随机变量 v相互独立且具有有限的数学期望和方差：v 记v若存在正数，使得当 v则随机变量 v的分布函数对于任意x，满足 :，n21,XXX, 2 , 102kkXDXEk，n

10、kkB122n01n122nnkkkXEB时，nnknkkkBXZ11nxtnnknkkknnndtexxBXPxF211221limlim21说明v定理表明，在定理的条件下，随机变量 v当n很大时，近似服从正态分布（0，1）。由此， 当n 很大时 v近似服从正态分布: v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,nnkkBN1.3基本载荷形式v轴向载荷v弯曲载荷v扭转载荷v剪切载荷v接触载荷2223载荷作用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 ；零件的

11、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。24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v在轴向载荷作用下，应力沿横截面的分布式均匀的。v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。 v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（25载荷类型扭转载荷作用在垂直于

12、零件轴线平面内的力偶，它使零件发生扭转变形。 v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。v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。v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。 26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）v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

13、触载荷。v在接触载荷作用下，主应力与最大切应力之比是不定。27表1 载荷基本类型序应力分布情况载荷类型(a)轴向载荷(b)弯曲载荷28表1 载荷基本类型序应力分布情况载荷类型(c)扭转载荷(d)剪切载荷(e)接触载荷29载荷性质v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。 30载荷的性质v 交变应力的形式v对称循环应力等值交变的拉伸、压缩和剪切应力（图1(a)）。 v脉动循环应力单向应力，其应力值从零变化到最大，r

14、=0，如图1(b)所示。v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（图1(c)），也可能负值。v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 31图1 交变应力的类型32交变载荷作用的疲劳可靠性设计准则v 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v热力联合v载荷-腐蚀复合作用v振动-热v热-湿33 1.5主要失效模式v疲劳v断裂v龟裂v快速断裂v腐蚀断裂v结构干涉v性能退化3435产品结构可靠性失效摸式产品结构可靠性失效摸式1.应力疲劳损伤与疲劳破坏应力疲劳损伤与疲劳破坏2.应变疲劳破坏应变疲劳破坏3.白点与氢脆白点

15、与氢脆4.应力腐蚀断裂应力腐蚀断裂5.高温疲劳高温疲劳6.热疲劳与龟裂热疲劳与龟裂7.蠕变与老化蠕变与老化8.剥离剥离9.雷击损伤雷击损伤10.接触疲劳与微动磨损接触疲劳与微动磨损11.静载破坏与结构失稳静载破坏与结构失稳12.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36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1. 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；2. 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

16、责任故障，也存在一些设计故障37故障判据故障判据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；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；38典型的典型的故障模式故障模式1.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2.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3.电子器件、固定电路、微电子元件的引线、管脚和导线的磨电子器件、固定电路、微电子元件的引线、管脚和导线的磨损和折断损和折断4.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

17、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5.陀螺漂移增大、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6.控制失灵、结构损伤控制失灵、结构损伤39结构故障结构故障1. 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；2. 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）40故障分析的两个模型故障分析的

18、两个模型1. 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；2. 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。41故障的影响故障的影响1.1.工作能力下降或功能的丧失工作能力下降或功能的丧失2.2.昂贵的保障费用昂贵的保障费用3.3.安全问题安全问题4.4.高频发生故障高频发生故障5.5.对有冗余设计

19、和替代工作模式的设计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，如应需要考虑双重故障模式的影响，如应急装置同时急装置同时故障造成的后果故障造成的后果42主次分析主次分析1.主次分析是用统计的方法找出所分析对象影响最大的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因素2.从故障频数、故障原因、故障后果、责任、发现时间从故障频数、故障原因、故障后果、责任、发现时间等进行分析；等进行分析；3.故障频数：组成产品的各系统，按主次排列，找出故故障频数：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障最多的系统，以系统为对象，按故障频数做主次分析，

20、找出故障最多的分系统；依次逐级分析，直到找析，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。出故障频数最多的设备和单元；确定薄弱环节。4.通过主次分析找到影响产品故障的主要原因和责任；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但造成的影响却很大果，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的关键系统和设备43故障影响层次故障影响层次1.自身影响：产品有故障征候，产品功能下自身影响：产品有故障征候，产品功能下降，到产品功

21、能完全丧失；降，到产品功能完全丧失；2.对上一级的影响：无影响，由故障征候，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；系统功能下降，到系统功能完全丧失；3.最终影响：影响执行任务，一般等级事故最终影响：影响执行任务，一般等级事故到严重等级事故。到严重等级事故。44关系可靠性控制的故障关系可靠性控制的故障1.1. 应当计入系统可靠性评估的故障包括组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；成系统后发生的一切故障；2.2. 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；3.3. 可靠性控制设计的目标是把故障水平和可靠性控制设计的目标是把

22、故障水平和转移概率控制到系统能接受的水平。转移概率控制到系统能接受的水平。451.1. 指数分布：具有恒定故障率的部件和设备，无指数分布：具有恒定故障率的部件和设备，无余度的复杂系统，经老练试验并经定期维修的余度的复杂系统，经老练试验并经定期维修的部件和设备部件和设备2.2. 威布尔分布：某些电容、继电器、开关、断路威布尔分布：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、器、电子管、电位计、陀螺、电动机、电缆、电池、材料疲劳、滚珠轴承等电池、材料疲劳、滚珠轴承等3.3. 对数正态分布：电机绕组绝缘、半导体器件、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

23、属疲劳晶体管、系统结构和金属疲劳4.4. 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故障模式及影响分析表初始约定层次 任务 审核 第 页 共 页约定层次 分析人员 批准 填表日期 代号产品或功能标志功能故障模式故障原因任务阶段与工作方式故障影响故障检测方法补偿措施严酷度类别故障概率或故障率数据源故障模式频数比故障影响概率工作时间故障模式危害度备注局部影响高一层影响最终影响 1.6系统功能关系v独立故障v关联故障v致命故障4748第二章第二章 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v2.1广义载荷v2.2

24、环境类形v2.3材料类型v2.4毛坯工艺v2.5加工准则492.1广义载荷v静载v交变载荷v随机载荷v热负荷v电磁力v腐蚀应力50 2.2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v金属材料v非金属材料v复合材料512.4毛坯工艺v铸造v锻造v焊接v挤压成型v缠绕v编织v粉末冶金52目标与现实设计可靠性：设计可靠性是工艺可靠性的上游，是工艺可靠性工作的保证依据，设计可靠性确定了产品固有可靠性指标 设计可靠性的成果反映在图纸和技术文件上,并主要集中在设计阶段工艺可靠性：工艺可靠性是设计可靠性的延续，是实现设计可靠性的基础，工艺可靠性决定了产品实际能够达到的可靠性水平 工艺可靠性的成

25、果不仅反映在工艺文件上,而且还表现在具体产品可靠性上，不仅在设计阶段，而且在以后的各个批次生产中根据批量、周期、资源条件变化作相应的更改和完善。人、机、料、法、计量与测试、环境 2.5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5455 第三章第三章 结构可靠性技术准则结构可靠性技术准则v3.1优化设计v3.2余度设计v3.3防错设计v3.4环境适应性设计v3.5维修性设计 3.1优化设计v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5657系统可靠性串联模型和并联模型

26、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583、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

27、度设计（裕度准则 ）v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。v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v接口显著差异准则v标志标识v明确操作规程v编制细则v双岗制及三检制60 3.4环境适应性设计1.材料选择2.优化环境3.应力控制4.环境试验 3.5维修性设计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

28、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65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v4.2静载荷作用的可靠性设计准则v4.3交变载荷作用的疲劳可靠性设计准则v4.4压力容器的可靠性设计准则v4.5交变温度作用的热负荷可靠性准则v4.6腐蚀与磨损条件下构件可靠性准则v66 4.1应力强度干涉模型v 原理介绍 v 应力强度确定方法v 常见分布的可靠度计算公式 v 数值积分的可靠度计算67应力强度干涉理

29、论v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。v当零件（部件）的强度大于应力时，其能够正常工作；v当零件（部件）的强度小于应力时，其发生失效。v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vS零件（部件）的强度；s零件（部件）的应力。 0sSsS或68应力强度干涉模型实际工程中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

30、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(sSPsSPtR69图3 应力强度干涉模型70可靠度的一般表达式v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 应力 处于 区间内的概率为 应力分布密度函数； 00sdSSfsSP SfS dssfdsssdssP22000sds sfs71图4 概率密度函数联合积分求可靠度72可靠度的一般表达式v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v因为上式 为应力区间内的任意值，现考

31、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v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 dsdSSfsfdRRs73 4.2静载荷作用的可靠性设计准则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74应力分析计算75应力分布的确定v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 ；v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

32、能、最大应变、最大磨损量等；v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；76应力分布的确定v确定采用的修正系数对计算的名义应力进行适当的修正，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；v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。77强度分布的确定v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。v确定名义强度。名义强度指在标准试验条件下确

33、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。 v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。v确定强度方程中所有参数和系数的分布，通过概率运算、矩法或蒙特卡落法得到相应的强度分布。78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

34、参数79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!22280 用矩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81 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(1)雨流法依据v塑性的存在是疲劳损伤的必要条件v塑性性质表现为应力-应变迟滞回线v一

35、个大的变程所引起的损伤,不受为完成一个小的迟滞回线而截断的影响,可逐次将构成较小迟滞回线的较小循环从整个应变时间历程中提出出来(2)雨流法构想v取时间为纵坐标,垂直向下,载荷-时间历程型如一宝塔屋顶v根据雨滴流动的的迹线,确定载荷循环(3)雨流图v雨流图0acbbaedf(4)操作要点v首先从某点0开始,凡起始于波谷的雨流遇到比它更低的谷值便停止。例如起始于波谷0的雨流止于波谷f的水平线，因为波谷f的谷值比波谷0的谷值更低。v凡起始于波峰的雨流遇到比它更高的峰值便停止，例如起始于a的雨流止于波峰e的水平线v在雨滴流动过程中，凡遇到上面流下来的雨滴时也就停止，例如起始于波峰c的雨流止于b, 起始

36、于波谷d的雨流止于a86可靠度的计算方法v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）仍为正态分布的性质，安全余量也为正态分布。 22121ZZZZeZf87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 0010zdzzdZZfRz88 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，

37、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） 89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） 90表3 常用概率分布的可靠度计算公式91表3 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v载荷谱测量v疲劳强度实验v有限寿命设计v应变疲劳准则v无限寿命设计v应力疲劳准则v工艺强化抗疲劳准则924.4压

38、力容器的可靠性设计准则v韧性材料准则v几何止裂准则v平面应力准则93 4.5交变温度作用的热负荷可靠性准则v控制温度梯度v冷却设计v材料抗热疲劳准则v热应力设计准则94 4.6腐蚀与磨损条件下构件可靠性准则v防护设计准则v配合面准则v润滑剂准则v环境匹配准则v表面技术9596 第五章第五章 机械可靠性设计准则机械可靠性设计准则v5.1基于材力三大假设的静载设计v5.2基于交变载荷或谱载荷作用的抗疲劳设计v5.3基于当量初始缺陷分布的概率断裂控制v5.4基于压力容器快速断裂控制的损伤容限v5.5基于交变温度作用的热疲劳特性v5.6构件防腐蚀和耐磨损设计97 5.1传统静强度设计准则及其局限性传统

39、静强度设计准则及其局限性 v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,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.v注意:圣维南原理绝不能离开“静力等效” 几何、物理、相容98四个强度理论v第一类强度理论(断裂破坏理论)v第一强度理论最大拉应力理论v第二强度理论最大伸长线应变理论11xd3212dx99四大强度理论v第二类强度理论:流动破坏理论v第三强度理论:最大剪应力理论v第四强度理论:形状改变比能理论314xd213232221421xd100平面应力yxxE1YXxE21XYYE1XYYE21Y

40、XZE10ZGXYXY0YZXZXYXYG0YZXZ 101平面应变v当应变发生在一个应力为0的正交平面时,发生平面应变ZYxxEEYXXE1211YXYYEEXYYE12110ZYXZE211GXYXY0YZXZXYXYG0YZXZ 102一般三维空间应力状态v一般应力状态ZYXXEEZYXXE1211ZXYYEEZXYYE1211YXZZEEYXZZE1211GXYXYGXZXZGYZYZXYXYGXZXZGYZYZG 1035.2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v对称弯曲疲劳v拉压疲劳v扭转疲劳v热疲劳v高温疲劳v腐蚀疲劳1041055.3基于当量初始缺陷分布的概

41、率断裂控制v基于初始缺陷的断裂分析v断裂韧性分布特征v应力强度应子分布形式v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v压力容器v平面应力设计v平面应变实验条件v损伤容限v张开形断裂控制v剪切形断裂控制v反平面剪切断裂控制106107齿轮断裂控制1085.5基于交变温度作用的热疲劳特性v散热设计v温度梯度控制v几何连续性准则v热疲劳失效模式v热强性材料v均匀变形准则109 力热联合作用与高温疲劳110 5.6构件防腐蚀和耐磨损设计v电偶序及其相容性准则v表面防护准则v润滑油匹配准则v校核准则v综合试验v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

42、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v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、点焊、单侧焊、容器衬板中。1.避免间隙结构出现；2.将间隙密封，使腐蚀性物质无法进入

43、；3.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1.不同金属是否有电接触？2.通过加绝缘措施使不同金属没有电接触；3.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4.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5.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v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，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

44、.6.4 防止流体通道淤积原则 1.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；2.高温度、高浓度也会加速腐蚀过程；3.局部高温引起结壳，结壳反过来加剧局部过热；4.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。v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 腐蚀裕度准则 v在容积相等的前提下，

45、使受腐蚀的表面最小，比表面积=表面积/体积v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1. 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；2. 拉应力会加剧腐蚀；3. 裂纹应力同时存在时，可能产生应力裂纹腐蚀124 第六章第六章 机械可靠性应用准则机械可靠性应用准则v6.1冲击载荷与霍普

46、金圣效应v6.2 各态遍历的随机振动v6.3随机振动试验准则v6.4冲击载荷作用的设计准则v6.5结构柔性与变形协调设计准则v6.6压力容器与动载作用设计准则v6.7振动环境作用的可靠性准则v6.8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v6.9载荷环境毛坯匹配准则v6.10减振器与结构阻尼准则v6.11润滑与降噪准则v6.12表面技术与润滑匹配准则v6.13 箱座、支架类零部件材料阻尼准则v6.14铸件减震设计准则v6.15锻件、焊接件抗冲击设计准则1251266.1冲击载荷与霍普金圣效应v吊索、吊具v霍普金森实验v宏观运动v振动响应v局部效应6.10减振器

47、与结构阻尼准则1276.2减振降噪准则 v机械振动分析v流体噪声分析v减振设计v降噪原理设计1286.3冲击载荷作用的设计准则v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v作用时间v幅值v控制精度v冲击响应谱:适用于爆炸、分离等作用过程的环境描述1296.4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：1.增加等截面杆的长度；2.避免截面突变；3.安装缓冲器；4.选用弹性模量小的材料。1306.5变形协调准则变形协调准则 v在力的传递中，构件会发生变形，变形不

48、对称、接触面变形不匹配等都会引起走偏、应力集中等问题； 设计案例剖析1316.6压力容器与动载作用设计准则v静强度v传力路径v损伤容限（案例剖析）v耐久性与剩余寿命vPHM管理vKYKIC1326.7振动环境作用的可靠性准则v模态控制v激励控制v减振控制v声源控制133简谐振动v运动方程:v通解:0 KxxM titieCeCx21tCxcosMK134有阻尼振动v运动方程v通解:v临界阻尼 :02rteKDrMr02KDrMrMKMDDr242042 KMDMDr2MDCex2135有阻尼周期振动v通解tMDKMCextMD24cos22MDKMD242MDKMt242136强迫振动v运动方

49、程v通解:v当发生共振时 v避免共振: 或qtFKxxMcos qtqMFtCxcoscos22q22q22q137有阻尼强迫振动v运动方程:v通解:v问题:qtFKxxDxMcos qtCqtBtMDKMAexMDsincos24cos22DqFCBq, 0,时138一般系统v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v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，要求轮齿表面有，要求轮齿表面有足够的足够的强度和硬度强度和硬度v同时，同时，齿根部分齿根部分要承受要承受弯曲应力

50、弯曲应力v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，因此齿轮本体要有轮本体要有一定的强度和韧性一定的强度和韧性140续v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，重重要的齿轮要的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采用型材经锻造造而而结构复杂的大型齿轮结构复杂的大型齿轮，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v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v低速运转受力不大的齿轮低速

51、运转受力不大的齿轮，可用，可用灰铸铁件灰铸铁件为毛坯为毛坯v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(如如尼龙等尼龙等)制造制造v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v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v载荷类型v环境特征v工件形状v结构尺寸规模1426.10减振器与结构阻尼准则v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v运动方程v通解:v临界阻尼 :02rteKDrMr

52、02KDrMrMKMDDr242042 KMDMDr2MDCex21436.11润滑与降噪准则1446.12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v钢铁的化学氧化（0.51.5m）v有色金属的化学氧化(0.54 m)v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)v磷化处理(520 m)v铬酸盐膜(0.82 m)146磷化v磷化所形成的磷化膜是一层稳定的不导电的隔离层，使金属表面由优良导体变为不良导体，抑制了微电池形成，有效地阻止涂层腐蚀。 v磷化常用的方法按处理温度分为高温磷化（7090 ），中温磷化（5070 ）和常温磷化（203

53、0 ）。v磷化膜一般是黑色的。147b 表面改性技术准则v表面形变强化（喷丸等）v表面热处理（感应、火焰、浴炉、电解液及高密度能量表面淬火）v表面化学热处理（渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗金属）v等离子体表面处理v激光、电子束、高密度太阳能表面处理v离子注入表面改性148c 配合偶件腐蚀防护设计准则 v保护层v缓蚀剂v钝化v经重铬酸盐处理的硫酸阳极化膜层v电火花涂附v硬度匹配准则v电化学防护准则1496.13 箱座、支架类零部件材料阻尼准则v根据这类零件的结构特点和使用要求，通常根据这类零件的结构特点和使用要求，通常采用采用铸铁以铸造铸铁以铸造方法制成毛坯方法制成毛坯v铸铁能制造结构比较复杂的

54、毛坯，具有良好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，价格便宜的耐压、耐磨和减振性，价格便宜v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v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重量，但减制造毛坯，它的优点可减轻零件重量，但减振性不如铸铁件振性不如铸铁件1506.14铸件减震设计准则v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方法制成毛坯制成毛坯v铸铁能制造结构比较复杂的毛坯，具有良好的耐压、耐磨和铸铁能制造结构比较复杂

55、的毛坯，具有良好的耐压、耐磨和减振性，价格便宜减振性，价格便宜v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v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，它的制造毛坯，它的优点可减轻零件重量，但减振性不如铸铁件优点可减轻零件重量，但减振性不如铸铁件v有些异形断面或弯曲轴线的轴有些异形断面或弯曲轴线的轴，如凸轮轴、曲轴等，材料采，如凸轮轴、曲轴等，材料采用球墨铸铁，其毛坯选用用球墨铸铁，其毛坯选用铸造铸造成形方法。成形方法。v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

56、焊结合的的方法方法v例如：汽车排气阀零件，可将合金耐热钢的阀帽与普通碳素例如：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，例如我国自行设计制造的件的毛坯，例如我国自行设计制造的12000 t水压机的立柱，水压机的立柱，即采用铸焊结构；该立柱长即采用铸焊结构；该立柱长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，以焊接方法焊成整体，分六段铸造，以焊接方法焊成整体毛坯毛坯1516.15锻件、焊接件抗冲击设计准则v一般的轴类零件一般的

57、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，可直接直接选用型材选用型材；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。v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。v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v用于中等载荷或一般要求的轴，主要选用中碳调质用于中等载荷或一般要求的轴，主要选用中碳调质钢钢v用于重载、冲击及耐磨的轴，主要选用合金结构钢用于重载、冲击及耐磨的轴，主要选用合金结构钢v用这类材料制造的轴，其毛坯均采用用这类材料制造的轴，其毛坯均采用锻造成形锻造成形加工加工方法方法152

58、 第七章第七章 受热结构影响因素受热结构影响因素v7.1总体热惯性与最高温度v7.2比热容与高温持续时间v7.3表面辐射系数v7.4热阻与热循环周期数v7.5热绝缘部位v7.6耐热限制v7.7主动冷却技术 1537.1 热负荷分类设计准则v热循环v热冲击v热力学疲劳v氧化性和腐蚀性气体v脆性（吸氢）v侵蚀性燃料1547.2受热结构失效模式v高温蠕变v热疲劳v高温疲劳v裂纹扩长断裂（玻璃及陶瓷基耐热材料）v粘接开裂（纤维与基体界面）v高温脆性破坏v老化失效（密封件与电子器件）1557.3结构散热与冷却控制v自然冷却v强风冷却v液体冷却v蒸发冷却v热电冷却v热管传热v耗散的热量决定系统的稳升，即设

59、备的工作温度1567.4受热结构选材准则v颗粒增强性材料v晶须增强性材料v高性能金属合金v弥散增强v净尺寸成型工艺与准净尺寸成型工艺v超塑性成型和扩散焊接（钛合金复杂构型）v树脂或溶胶、凝胶工艺（陶瓷符合材料）v气相沉积1577.5高温结构设计准则v载荷特征v失效机理v选材准则v材料宏观特征与微观结构v热强性,热硬性v热疲劳设计准则v零部件间热膨胀系数及其差异v连接准则v配合耦件配合准则v组装准则v密封准则v受力准则1587.6热平衡与热电模拟v即将热流量（功耗）模拟为电流、温差模拟为电压、热阻模拟为电阻、传导模拟为电导v热沉等效于大地v这种模拟方法使用于各种传热方式，尤其是导热的传热v对流换

60、热的模拟比传导要困难一些v辐射换热模拟误差会更大一些1597.7温度测量和高温试验设备v一次仪表：热电偶、热电阻、变色涂料等v二次仪表：变换器、放大器、温度补偿、热像仪v数据采集记录与处理设备v测试电缆v供电电源等1607.8材料耐热性能分析v合理布局开孔形状v避免出现多重应离集中v合理的过度圆角和凸台半径v避免结构偏心v避免在缺口敏感材料和高应力区打检验印1617.9结构耐热设计v傅立叶传热基本定律v牛顿对流换热基本定律v任意物体辐射能力v自然对流换热准则v强迫对流换热准则v两物体间辐射换热1627.10 双层结构散隔热结构准则v为防止内蒙皮鼓动及残余变形,设计时在内蒙皮与框连接处,要采用补