机械可靠性设计

机械可靠性设计分析

（第五部分）张建国1第四章设计方法与静强度可靠性设计4.1机械零件设计应考虑的问题4.2可靠性设计方法与步骤4.3静强度可靠性设计4.4小结4.5作业24.1机械零件设计应考虑的问题研制费用问题应用可靠性设计方法，比应用传统的设计方法要花费较多的时间和费用。据粗略统计，需要增加的时间大约为1/4~2倍，而需要增加的费用约为1/5~1/2。但是在取得了设计经验和积累了设计数据之后，情况便会大有改善。而且，多花费的时间和费用在以后能够得到补偿。因为可靠性设计能够消除保守的、不合理的设计，同时，在零件和设备的整个寿命期内，失效次数会减少，而维修费用也会降低。3机械零件设计应考虑的问题解决主要问题与主要矛盾进行可靠性设计时，应当注意，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样的可靠性指标。例如一架有30000多个零（元）件的飞机，经常发生故障的零件只有600多个，即只占2%左右。根据帕累托定理（ParetoLaw），这600多个零件称为主要少数，其余30000多个称为次要多数。又如，在国外，对一架大型民用客机的目标可靠度的要求，应当高于对一架军用飞机的要求。4机械零件设计应考虑的问题一些参考因此应当根据不同的情况提出不同的可靠度要求。在缺乏经验时，表9-1所列的可靠度荐用值可以作为参考。但是应当注意，由于可靠性设计的历史不长，这样的分类只是暂时的。等到有了足够的设计经验和数据时，相信会有更加具体和切实可用的推荐值。表9-2所列为国外七十年代的一些机械产品的可靠性指标，可供参考和比较。54.2可靠性设计方法与步骤六十年代初期由D.Kececioglu教授提出的方法：这一方法认为，现代的复杂而昂贵的零件和系统要求高可靠性，所以必须保证把规定的可靠性目标值设计到零件中去，从而设计到系统中去。在实际使用和工作环境下零件的应力的所有参数，实际零件的强度的所有参数，都是随即变量或呈分布状态。一旦用不同的综合方法把应力和强度的统计分布联结起来，就能计算出与分布相关的可靠性，以及可靠度置信度和置信区间。可靠度计算结果与目标可靠度比较，如果它等于或大于目标可靠度，则设计是可以接受的。否则，设计应当进行迭代，对应力分布和强度分布中最敏感的设计参数进行适当调整，直到规定的可靠度要求得到满足为止。6可靠性设计步骤（包括15个步骤）1）确定设计的问题及任务剖面如果要设计的是一个常用零部件，例如轴，其设计问题简单而明确，目的是为了确定轴的危险断面的直径。对于复杂的系统，例如航天飞行器，则必须确定完整的任务剖面以及相应的环境剖面，如图3-3及图3-4所示，并在此基础上，确定各子系统的目标可靠度，如图3-5和表3-3所示。7可靠性设计步骤（2步）2）确定有关的设计变量和参数这些设计变量和参数应当是：（1）对设计任务是有意义的；（2）唯一的和不重复的；（3）在试验前后和进行期间都能度量的。凡设计任务涉及的所有基本方程都能用这些设计变量和参数来进行计算。例如在设计同时受弯矩和扭矩作用的轴时，需要确定的设计变量和参数有：轴的直径d，弯应力，剪应力，材料的持久极限，以及应力集中系数、尺寸系数和表面质量系数等。8可靠性设计步骤（3步）3）进行失效模式、影响及危害性分析（FMECA）目的找出所设计系统的关键件与重要件，找出影响系统功能和可靠性的主要失效模式。使设计人员在设计时抓住主要矛盾。因为进行可靠性设计时，应当注意，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样的可靠性指标。9可靠性设计步骤（4步）4）确定零件的失效模式是独立的还是相关的如果所有的失效模式是互相独立的，也就是说一种失效模式不影响任何其它失效模式的性质，则在进行一种失效模式下的应力及强度计算时，不需考虑所有其它失效模式的影响。如果一种失效模式的性质受到另一个可能同时发生的失效模式的影响，则受到影响的应力和强度应当加以修正。这样计算出的每种失效模式的可靠度，将是互相独立的。10可靠性设计步步骤（5步））5）确定涉及及到的每种失失效模式的判判据比较常用的判判据有：（1）最大正正应力；（2）最大剪剪应力；（3）最大变变形能；（4）最大应应变能；（5）最大应应变；（6）最大变变形；（7）疲劳情情况下的变形形能；（8）疲劳情情况下的最大大总应变；（9）最大许许用腐蚀量；；（10）最大大许用磨损量量；（11）最大大许用振幅；；（12）最大大许用蠕变，，等等。11可靠性设计步步骤（6~7步））6）确定应力力公式对于每一种失失效模式，必必须确定载荷荷、尺寸、温温度、时间、、物理性质、、使用和工作作环境等设计计变量和参数数之间的函数数关系，从而而得到应力公公式。7）确定每个个失效模式下下的应力分布布对于每一种失失效模式，必必须确定载荷荷、尺寸、温温度、时间、、物理性质、、使用和工作作环境等设计计变量和参数数之间的函数数关系，从而而得到应力公公式。12可靠性设计步步骤（8~9步））8）确定强度度公式通常得到的是是材料的强度度数据，为了了得到零件的的强度数据，，需要用几个个系数加以修修正。9）确定每个个失效模式下下的强度分布布将试件的强度度与每个强度度修正系数综综合起来，便便可得到零件件的强度分布布。最好用实实验方法直接接得出零部件件的强度分布布数据。13可靠性设计步步骤（10步步）10）对于每每一种致命的的失效模式，，确定其与应应力分布和强强度分布相关关的可靠度。。对于零件的每每一种致命的的失效模式，，都应计算其其可靠度。这这些失效模式式可能是：屈屈服、断裂、、疲劳、过度度变形、压杆杆室温、振幅幅过大、蠕变变、磨损、腐腐蚀、噪声过过大等。有的零件可能能只有一种致致命的失效模模式，这时只只需要根据这这一种失效模模式的判据来来计算可靠度度。但是，在在别的情况下下，很可能还还有其它的致致命失效模式式。这时，当当然也需要计计算与这些失失效模式相应应的可靠度。。14可靠性性设计计步骤骤（11步步））11））确定定同时时考虑虑到所所有致致命失失效模模式情情况下下零件件的可可靠度度确定每每一失失效模模式的的可靠靠度之之后，，下一一步是是确定定考虑虑所有有失效效模式式的零零件的的整个个可靠靠度一种方方法是是，假假设所所有的的失效效模式式都是是可能能的，，每个个失效效模式式可能能是独独立地地或相相关的的产生生，当当至少少一种种失效效模式式出现现时，，零件件即失失效。。另一种种方法法是，，假定定零件件将在在最可可能发发生的的一种种失效效模式式下失失效15比较两两种方方法，，零件件的实实际可可靠度度是在在上两两式所所给出出的值值之间间。如如果的的确是是由于于单一一的失失效模模式引引起零零件失失效，，则实实际的的可靠靠度将将接近近于或或等于于。。如果果是由由于多多种原原因引引起零零件失失效，，则零零件的的实际际可靠靠度将将接近近于或或等于于。。实际上上，零零件的的真实实的可可靠度度只有有在进进行集集中的的可靠靠性试试验或或获得得并分分析实实际使使用数数据之之后，，才能能计算算出经经过验验证了了的可可靠度度。图3-6所示为为求零零件的的整个个可靠靠度的的流程程。可靠性性设计计步骤骤（11步步））16可靠性性设计计步骤骤（12步步））12））确定定零件件可靠靠度的的置信信度在求出出零件件的可可靠度度之后后，便便会产产生一一个问问题：：“这这个预预测的的可靠靠度在在多大大程度度上是是可以以相信信的？？”这这时，，便需需引入入置信信度的的概念念。例如，，当提提到““某零零件在在置信信度为为90％时时的可可靠度度为95％％”时时，意意思是是说：：（1））在100个零零件中中，经经过一一定时时间t之后后，有有5个个可能能会失失效，，表示示为R（t）＝＝0.95；（2））在对对10个样样本（（容量量为n＝100）进进行试试验时时，其其中9个样样本中中将有有5个个或少少于5个的的零件件失效效；有有一个个样本本会有有5个个以上上的零零件失失效，，表示示为C.L.＝＝0.90。所以，，可靠靠度的的概念念是对对于零零件而而言，，而置置信度度的概概念是是对于于试验验样本本而言言。17可靠性性设计计步骤骤（13~15步））13））计算算各个个零件件的可可靠度度对于系系统中中所有有的关关键零零部件件重复复上述述步骤骤，求求出各各自的的可靠靠度。。14））计算算系统统的可可靠度度（具具有迭迭代性性）在已知知每个个零部部件可可靠度度的基基础上上，计计算子子系统统的以以及整整个系系统的的可靠靠度。。然后对对设计计进行行迭代代，直直到系系统的的可靠靠度等等于或或大于于事先先规定定的系系统可可靠度度目标标值为为止。。15））系统统优化化综合合如果必必要，，对整整个设设计的的下列列内容容进行行优化化，包包括：：（1）性性能；；（2）可可靠性性；（（3））维修修性；；（4）安安全；；（5）费费用；；（6）重重量；；（7）体体积；；（8）操操作性性；（（9））交货货日程程表，，等等等。18静强度度概率率设计计方法法强度应应力干干涉理理论（（第三三部分分）强度与应力都都是正态分布布时，可靠度度的计算公式式其中：（（3-1）为可靠性指标标，（3-1）式将强度、应力力和可靠度三三者联系起来来了，称为““联结方程”其他常用概率率分布的可靠靠度计算公式式参见表3-1。4.3静强强度可靠性设设计19静强度概率设设计的主要步步骤为给定结构零部部件的设计可可靠性指标确定主要失效效模式确定每种失效效模式应力分分布确定每种失效效模式的强度度分布应用连接方程程确定零部件件的设计参数数静强度可靠性性设计20静强度可靠性性设计举例查标准正态分布布表得可靠性系数数：21静强度可靠性性设计举例22静强度可靠性性设计举例所以：圆杆半径均值值圆杆半径标准准差可以看出，影影响应力的随随机变量有两两个：拉杆截截面圆半径均均值与标准差差，而连接方方程只有一个个，所以在无无约束状态下下，其结果有有很多组。然然而在工程实实际中，制造造的半径公差差与其公称尺尺寸之间有一一定的关系。。23静强度可靠性性设计举例24静强度可靠性性设计举例25静强度可靠性性设计举例26讨论1）如果用来来加工圆柱拉拉杆的毛坯，，只能使我们们加工出的结构，你认认为这样的圆圆柱拉杆的可可靠度还能达达到R=0.999的要要求吗？如果果使其可靠度度不变，我们们应如何选材材？理由？27作业1设设计条件与例例1相同：静静强度可靠度度R=0.999的圆柱柱拉杆，已知知拉力P，强强度极极限：：问题1：当前机加工工的制造公差差很容易达到到：，，圆柱拉拉杆的公称半半径仍是：，，且其他条件件不变，计算算圆柱拉杆的的设计可靠度度（或可靠度度系数）是多多少？问题2：已知圆柱拉拉杆的公称半半径：，，其他条件不不变，可靠度度仍：R=0.999。。那么要求制制造精度应该该有多高？也也就是半径公公差r?28静强度可靠性性设计举例29静强度可靠性性设计举例30静强度可靠性性设计举例31静强度可靠性性设计举例32静强度可靠性性设计举例33静强度可靠性性设计举例34静强度可靠性性设计举例35静强度可靠性性设计举例36静强度可靠性性设计举例37静强度可靠性性设计举例38静强度可靠靠性设计举举例39静强度可靠靠性设计举举例40静强度可靠靠性设计举举例41静强度可靠靠性设计举举例42静强度可靠靠性设计举举例43静强度可靠靠性设计举举例44静强度可靠靠性设计举举例45静强度可靠靠性设计举举例46静强度可靠靠性设计举举例47静强度可靠靠性设计举举例48静强度可靠靠性设计举举