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1、可靠性课程设计题 目： 螺栓连接可靠性分析 学 院： 环境与安全学院 姓 名： 王腾浩 学 号： 201323010124 完成日期： 2015年12月27日 9一、可靠性及所选课题概述31.1可靠性概述32.2螺栓连接可靠性概述3二、可靠性分析、设计方法32.1 FTA32.2故障模式、效应及危害度分析法32.3概率可靠性设计法32.4模糊可靠性设计法42.5灰色可靠性设计法42.6疲劳强度的概率可靠性设计4三、螺栓疲劳断裂定量分析53.1螺栓结构疲劳强度确定53.2不同应力比条件下结构疲劳强度的转换53.3螺栓结构疲劳应力确定63.4螺栓疲劳可靠性的计算63.5联结螺栓疲劳可靠性随时间变化
2、规律73.6 疲劳可靠度影响因素分析7四、结论8五、提高螺栓联接强度的对策85.1调整螺纹牙的受力分配85.2增大被联接件刚度85.3减轻应力集中9一、可靠性及所选课题概述1.1可靠性概述 可靠性在实际当中有着极其重要的作用。对于产品来说，可靠性问题和人身安全经济效益密切相关。因此，研究产品的可靠性问题，显得十分重要，非常迫切。提高产品的可靠性，可以防止故障和事故的发生，尤其避免灾难性的事故发生，从而保证人民生命财产安全；可以使产品总的费用降低；可以减少停机时间，提高产品可用率，一台设备可以顶几台设备的工作效率；对于企业来讲，提高产品的可靠性可以改善企业信誉，增强竞争力，扩大产品销路，从而提高
3、经济效益；还可以减少产品责任赔偿案件的发生，以及其它处理产品事故费用的支出，避免不必要的经济损失。可靠性分析方法中故障树分析是可靠性工程中的一种重要的分析方法，它通过对造成产品故障的硬件、软件、环境、人为因素进行分析，建立故障树模型，从而确定产品故障的原因的各种可能组合方式和其发生概率的一种分析技术。1.2螺栓连接可靠性概述螺栓是一种广泛应用于连接、固定的重要零件。影响其可靠性的因素很多，且工况多变，工艺水平各异，因而增加了研究这一问题的困难，应用可靠性分析设计方法，可以很好的解决这一难题。二、可靠性分析、设计方法2.1 FTA 故障树分析又称失效树分析FTA，是大型复杂系统可靠性、安全性分析
4、和风险评价的一种有效方法。故障树分析法是一种将系统故障形成原因按树枝状逐级细化的图形演绎方法，它系统所不希望发生的时间作为分析目标，找出导致这一事件发生的所有直接因素和可能原因，并将这些直接因素和可能原因作为第二级事件，然后再往下找出造成第二级事件发生的全部直接因素和可能原因，按照这种方式逐级地找下去，直至追溯到引起系统发生故障的那些最基本的直接因素，采用相应的符号表示这些事件，在用描述事件间逻辑因果关系的逻辑门符号把上述各种级别的事件，即顶事件，中间事件和底事件连接起来，就形成了一个倒立的树状逻辑因果关系图，称之为故障树。2.2故障模式、效应及危害度分析法故障模式、效应及危害度分析法包括故障
5、模式及影响分析和危害度分析两部分。该方法是与产品设计并行的可靠性分析技术，可以对产品进行全面、规范的故障及影响分析和对策研究，在产品的设计过程中，不断改进产品的设计方案一最终满足产品设计的可靠性要求。2.3概率可靠性设计法 概率可靠性设计融入了概率论和数理统计的方法，并以普通集合论和二值逻辑为基础，其可靠性设计的本质特征是将产品的设计变量是为随机变量，并运用随机过程方法对产品使用的二值状态、如故障或正常，成功或失败等进行量化的概率描述。从设计过程和效果上看，该方法传统设计扩展到一个新的水平。2.4模糊可靠性设计法 模糊可靠性设计法是利用模糊数学来解决产品可靠性问题的一种理论评价和系统设计的方法
6、。其主要是考虑了产品的模糊状态和设计过程中模糊的客观因素。比如，好与坏、高与低等均是相对模糊的评价，产品的状态中除了故障或正常的二值状态，实际中海油处于非好非坏的模糊状态。并且社会和经济等因素日益融入设计过程，改变了其技术单一的面貌，使设计过程存在着形形色色的模糊性问题。从这个角度看，常规可靠性设计可视为模糊可靠性设计的特例。并且，模糊可靠性不是否认常规可靠性的设计理论，而是在系统中有不容忽视的模糊现象或信息时，是对常规可靠性设计的一个有益的补充，它将常规可靠性设计理论处理模糊现象或信息提供一种途径。2.5灰色可靠性设计法灰色可靠性设计法师基于湖色理论进行产品可靠性设计的方法。该方法为概率可靠
7、性设计和模糊可靠性设计的补充。在可靠性设计中，概率可靠性设计解决的是大样本、数据多但缺乏明显规律的问题，即“大样本不确定”问题；模糊可靠性设计解决的是人的经验与认知先验信息的不确定问题，即“认知不确定“问题；而灰色可靠性设计则是解决既无经验、数据又少的不确定问题，即”少数据又不确定“问题。2.6疲劳强度的概率可靠性设计随着现代工业产品大型化、集成化程度的加深，机械构件在使用中承受的应力也越来越复杂，加之疲劳文艺本身的复杂性和难以控制性，使得疲劳问题的研究得到越来越广泛的重视。据统计，机械零件的破坏有50%90%为疲劳破坏。针对结构在疲劳载荷作用下的特性，确定联结螺栓疲劳可靠性的一般计算方法如下
8、：a） 在（即平均值，对称恒幅循环载荷）条件下，开展材料的疲劳试验，获取不同载荷循环次数对应的材料疲劳强度，作出材料的曲线；b）根据螺栓的尺寸、表面状态、应力集中等因素对材料疲劳强度进行修正，采用相应的随机变量综合计算方法，得到在条件下螺栓结构的疲劳强度概率分布；c）确定螺栓结构的等寿命曲线，得到在特定的应力比（与结构疲劳应力比相同）下螺栓结构疲劳强度的概率分布；d）在应力比条件下，计算联结螺栓疲劳应力的概率分布；e）采用修正的强度应力干涉模型计算联结螺栓可靠性。三、螺栓疲劳断裂定量分析 试设计气缸盖紧螺栓联接，如图，已知：气缸工作压力P在0-1N/mm2之间变化，气缸直径D2=400mm，螺
9、栓材料为5.6级的35钢，螺栓个数14，使F=1.5F,采用石棉铜皮垫片，工作温度低于15。解 1.计算各力大小1） 计算每个螺栓承受的最大工作载荷气缸最大载荷 螺栓最大工作载荷 则工作载荷F在08976N之间变化。2） 剩余预紧力 3）螺栓最大拉力4）预紧力5） 许用拉应力 按控制预紧力取安全系数n=1.5，查机械零件手册知。2. 按静强度计算螺栓尺寸3. 螺栓疲劳强度校核1） 计算各参数危险剖面积螺栓受最大应力螺栓受最小应力螺栓应力幅螺栓平均应力查机械零件手册知平均应力的折算系数 疲劳极限 又查知 则综合影响系数 2） 疲劳强度校核按应力幅规律计算，有 满足强度条件，安全。四、结论通过以上
10、研究，得出以下结论：1）疲劳可靠性与静载可靠性相比更加复杂，不仅需要考虑可靠性随载荷循环次数的变化，而且需要考虑强度（应力）幅值和均值的综合影响以及材料疲劳强度同结构疲劳强度之间的关系；2）联结螺栓的疲劳可靠性随时间而不断降低，变化的趋势与形态和各随机变量的影响相关，在寿命期内的最低可靠度是是结构承受了循环载荷作用后的可靠性；3）在实际工况中，对联结螺栓的可靠性进行控制的有效手段是确保螺栓预紧力大于最大工作载荷，且尽量降低联结相对刚度。五、提高螺栓联接强度的对策5.1调整螺纹牙的受力分配即使是制造和装配非常精确的螺栓和螺母，传力时其旋合各圈螺纹牙的受力也是不均匀的。螺栓受拉。螺距增大；而螺母受
11、压。螺距减小。由于螺栓刚度比螺母刚度小得多，螺栓螺距的增大量也远大于螺母螺距的减小量。这种螺距变化差主要靠旋合各，螺纹牙的变形来补偿。即各圈螺纹牙的变形是不同的，从传力算起的第，螺纹变开多最大，因而受力也最大，以后各，递减。螺纹旋合圈数越多。受力不均匀程度也越显著。5.2增大被联接件刚度减小附加应力附加应力主要是弯曲应力，由于螺纹牙根对弯曲很敏感。因此。弯曲应力常对螺栓断裂起关键作用。如果被联接件刚度不够螺栓受偏心载荷如钩头螺栓。将会引起弯曲应力。此外。被联接件螺栓头部螺母等的支承面倾斜。螺纹孔不正。也会引起弯曲应力。减小或避免弯曲应力的措施有保证被联接件具有足够刚度，尽量少用钩头螺栓，工艺上保证螺纹孔轴线与联接中各支承面垂直，在结构上采用球面垫圈。斜垫圈。环腰凸台。沉头座等形式。5.3减轻应力集中在螺纹的牙根和收尾处螺栓头部与栓杆交接处都有应力集中，是产生疲劳断裂的危险部位；特别是在旋合螺纹的牙根处，由于栓杆拉伸，牙受弯剪。而且受力不均，情况更严重。在加工时可适当加大牙根圆角半径以减轻应力集中，可提高螺栓疲劳强度；在螺纹收尾处用退刀槽在螺母支承面以内的栓杆有余留螺纹等，都可以不同程度地减轻应力集中.改善制造工艺制造工艺对螺栓疲劳强度也有重要影响。
