可靠性理论和方法在机械设计中应用

—可靠性理论和方法在机械设计中应用引言牢靠性理论是近几十年发展起来的一门新兴学科，从6020XX年X月开头，渐渐进入机电产品设计领域，使机械设计及机电产品设计发生了前所未有的改变，特别是近一、二十年间，国内外一些有代表性的机电产品设计方面的著作增加了牢靠性技术方面的内容。在这些科学的理论指导下，设计、制造出来的机械类产品，平均无故障工作时间提高了3倍，产品缺陷大大降低了，很好地维护了用户和社会效益，牢靠性设计方法现已逐步成为现代机械产品设计方法的一个重要组成部门，它比常规设计方法更能反映事物的本质。1牢靠性理论1.1常规的机械设计中，通常采纳安全系数法或许用应力法，它的动身点是使作用在危险截面上的工作应力S小于或等于其许用应力[S]，而[S]是由极限应力S除以大于1的安全系数n而得到的；也可以使机械零件的计算安全系数n大于预期的许用安全系数[n]。即：S≤[S]=S/nn=S/n≥[n]这种常规设计方法沿用了很多年，只要安全系数选用恰当，是一种可行的设计方法，但是伴着产品日趋冗杂，对其牢靠性要求愈来愈高，常规方法就显得不够完善。首先，大量的试验说明，现实的设计变量如截荷、极限应力以及材料硬度、尺寸等都是随机变量，都呈现或大或小的离散性，都应当依概率取值，不考虑这一点，设计出来的结果难免与实际脱节。其次，常规设计方法的关键是选取安全系数，过大，造成铺张，过小，影响正常运用，但在选取安全系数经常常没有准确的选择尺度，其结果是使设计极易受局部经验所影响。所以为了使设计更符合实际，应当在常规方法的基础上进行概率设计。概率设计的主要特点是：第一，概率设计与常规设计的关系不是对立的，而是继承和发展的，在概率设计中同样用到各种符合实际的力学模型、系数和经验公式，但是，概率设计所运用的数据是以统计数据为基础，要在统计分布的基础上观看全部设计变量。比方在选用材料时，只有均值高、标准差又得到掌握的才是好材料。第二，概率设计用平均安全裕度（平均安全系数）和牢靠度作为设计目标，尤以后者更为重要。由于牢靠度综合考虑了各设计变量的统计分布特性，定量地用概率表达所设计产品的牢靠程度，因此更能反映实际情况。第三，概率设计重视搜集和积累各种牢靠性数据，特别留意信息反应，从而在客观上形成了良性循环，并能使设计和管理工作有机结合。最终使概率设计逐步走上适用化的道路。1.2应力--强度干预模型概率设计所依据的模型主要是应力--强度干预模型。在常规设计中，将强度γ和应力S都视为常量，然而，零件本身的固有强度要受很多偶然因素的影响。比方，零件材料和金相不匀称、零件外表光滑度具有离散性、零件尺寸加工具有随机误差等等，因此实际中强度是一个随机变量。当然工作应力由于温度、载荷、湿度及振动等偶然因素的影响，在实际中也是一个随机变量。这样机械零件的强度和工作应力在实际中都听从肯定的概率分布，两者的pdf曲线通常都部分重叠或称干预。如图1所示。其重叠程度或干预面积直接反映了牢靠度的大小，应用应力与强度的干预模型提出的一种概率设计理论是进行概率设计的根本依据。图1应力—强度干预模型2应用实例由常规设计得到图2所示的转轴结构，其危险截面的参数如表1所示。轴的材料为45钢。由手册查得σ=650N/mm，σ=300N/mm，试按牢靠度R=0.999来设计I—I截面的轴径（按正态分布计算）。图2转轴结构表1转轴危险截面的主要参数解：①工作应力计算，由于轴径d未知，只计算V取V=0.13，V=0.12由变差系数公式得V==0.11②计算极限应为。暂取综合影响系数K=3.5，V=0.04，Vσ=0.06则σ===85.71N/mmV=V+V+V·V）=（0.06+0.04+0.06X0.04）=0.087tgθ=·==2.20XX6p===5420.05σ=－p=－5420.05=38.84N/mmσ=·σ=93.83N/mm③计算R=0.999下轴能承受的工作应为σ。此时取V=Vσ=0.087，由于R=0.999查表得β=Φ（R）=3.090，故β=1－βV=1－3.090X0.087=0.92773β=1－βV=1－3.090X0.11=0.88447σ=ι==61.15N/mm④设计轴径d=（）=（·）=67.94mm若取d=68mm，或70mm可以保证R=0.9993结论应用干预理论进行的概率设计是为了保证所设计的产品的牢靠性而采纳一系列分析与设计技术，