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1、1 机械可靠性设计分析 第五部分 张建国 2 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 3 4 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 4 机械
2、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 5 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
3、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 6 4 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
4、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 7 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 8 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
5、 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 9 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 10 可靠性设计步骤 4步 4
6、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 11 可靠性设计步骤 5步 5 确定涉及到的每种失效模式的判据比较常用的判据有 1 最大正应力 2 最大剪应力 3 最大变形能 4 最大应变能 5 最大应变 6 最大变形 7 疲劳情况下的变形能 8 疲劳情况下的最大总应变 9 最大许用腐蚀量 10 最大许用磨
7、损量 11 最大许用振幅 12 最大许用蠕变 等等 12 可靠性设计步骤 6 7步 6 确定应力公式对于每一种失效模式 必须确定载荷 尺寸 温度 时间 物理性质 使用和工作环境等设计变量和参数之间的函数关系 从而得到应力公式 7 确定每个失效模式下的应力分布对于每一种失效模式 必须确定载荷 尺寸 温度 时间 物理性质 使用和工作环境等设计变量和参数之间的函数关系 从而得到应力公式 13 可靠性设计步骤 8 9步 8 确定强度公式通常得到的是材料的强度数据 为了得到零件的强度数据 需要用几个系数加以修正 9 确定每个失效模式下的强度分布将试件的强度与每个强度修正系数综合起来 便可得到零件的强度分
8、布 最好用实验方法直接得出零部件的强度分布数据 14 可靠性设计步骤 10步 10 对于每一种致命的失效模式 确定其与应力分布和强度分布相关的可靠度 对于零件的每一种致命的失效模式 都应计算其可靠度 这些失效模式可能是 屈服 断裂 疲劳 过度变形 压杆室温 振幅过大 蠕变 磨损 腐蚀 噪声过大等 有的零件可能只有一种致命的失效模式 这时只需要根据这一种失效模式的判据来计算可靠度 但是 在别的情况下 很可能还有其它的致命失效模式 这时 当然也需要计算与这些失效模式相应的可靠度 15 可靠性设计步骤 11步 11 确定同时考虑到所有致命失效模式情况下零件的可靠度确定每一失效模式的可靠度之后 下一步
9、是确定考虑所有失效模式的零件的整个可靠度一种方法是 假设所有的失效模式都是可能的 每个失效模式可能是独立地或相关的产生 当至少一种失效模式出现时 零件即失效 另一种方法是 假定零件将在最可能发生的一种失效模式下失效 16 比较两种方法 零件的实际可靠度是在上两式所给出的值之间 如果的确是由于单一的失效模式引起零件失效 则实际的可靠度将接近于或等于 如果是由于多种原因引起零件失效 则零件的实际可靠度将接近于或等于 实际上 零件的真实的可靠度只有在进行集中的可靠性试验或获得并分析实际使用数据之后 才能计算出经过验证了的可靠度 图3 6所示为求零件的整个可靠度的流程 可靠性设计步骤 11步 17 可
10、靠性设计步骤 12步 12 确定零件可靠度的置信度在求出零件的可靠度之后 便会产生一个问题 这个预测的可靠度在多大程度上是可以相信的 这时 便需引入置信度的概念 例如 当提到 某零件在置信度为90 时的可靠度为95 时 意思是说 1 在100个零件中 经过一定时间t之后 有5个可能会失效 表示为R t 0 95 2 在对10个样本 容量为n 100 进行试验时 其中9个样本中将有5个或少于5个的零件失效 有一个样本会有5个以上的零件失效 表示为C L 0 90 所以 可靠度的概念是对于零件而言 而置信度的概念是对于试验样本而言 18 可靠性设计步骤 13 15步 13 计算各个零件的可靠度对于
11、系统中所有的关键零部件重复上述步骤 求出各自的可靠度 14 计算系统的可靠度 具有迭代性 在已知每个零部件可靠度的基础上 计算子系统的以及整个系统的可靠度 然后对设计进行迭代 直到系统的可靠度等于或大于事先规定的系统可靠度目标值为止 15 系统优化综合如果必要 对整个设计的下列内容进行优化 包括 1 性能 2 可靠性 3 维修性 4 安全 5 费用 6 重量 7 体积 8 操作性 9 交货日程表 等等 19 静强度概率设计方法强度应力干涉理论 第三部分 强度与应力都是正态分布时 可靠度的计算公式其中 3 1 为可靠性指标 3 1 式将强度 应力和可靠度三者联系起来了 称为 联结方程 其他常用概
12、率分布的可靠度计算公式参见表3 1 4 3静强度可靠性设计 20 静强度概率设计的主要步骤为给定结构零部件的设计可靠性指标确定主要失效模式确定每种失效模式应力分布确定每种失效模式的强度分布应用连接方程确定零部件的设计参数 静强度可靠性设计 21 静强度可靠性设计举例 查标准正态分布表得可靠性系数 22 静强度可靠性设计举例 23 静强度可靠性设计举例 所以 圆杆半径均值 圆杆半径标准差 可以看出 影响应力的随机变量有两个 拉杆截面圆半径均值与标准差 而连接方程只有一个 所以在无约束状态下 其结果有很多组 然而在工程实际中 制造的半径公差与其公称尺寸之间有一定的关系 24 静强度可靠性设计举例
13、25 静强度可靠性设计举例 26 静强度可靠性设计举例 27 讨论 1 如果用来加工圆柱拉杆的毛坯 只能使我们加工出的结构 你认为这样的圆柱拉杆的可靠度还能达到R 0 999的要求吗 如果使其可靠度不变 我们应如何选材 理由 28 作业 1设计条件与例1相同 静强度可靠度R 0 999的圆柱拉杆 已知拉力P 强度极限 问题1 当前机加工的制造公差很容易达到 圆柱拉杆的公称半径仍是 且其他条件不变 计算圆柱拉杆的设计可靠度 或可靠度系数 是多少 问题2 已知圆柱拉杆的公称半径 其他条件不变 可靠度仍 R 0 999 那么要求制造精度应该有多高 也就是半径公差 r 29 静强度可靠性设计举例 30
14、 静强度可靠性设计举例 31 静强度可靠性设计举例 32 静强度可靠性设计举例 33 静强度可靠性设计举例 34 静强度可靠性设计举例 35 静强度可靠性设计举例 36 静强度可靠性设计举例 37 静强度可靠性设计举例 38 静强度可靠性设计举例 39 静强度可靠性设计举例 40 静强度可靠性设计举例 41 静强度可靠性设计举例 42 静强度可靠性设计举例 43 静强度可靠性设计举例 44 静强度可靠性设计举例 45 静强度可靠性设计举例 46 静强度可靠性设计举例 47 静强度可靠性设计举例 48 静强度可靠性设计举例 49 静强度可靠性设计举例 50 静强度可靠性设计举例 51 静强度可靠
15、性设计举例 52 静强度可靠性设计举例 53 4 4小结 可靠性设计的主要理论基础 干涉理论 强度可靠性设计的主要思路 1 确定主要失效模式 2 确定每种失效模式应力分布 3 确定每种失效模式的强度分布 4 应用连接方程计算零可靠度 5 同设计要求的可靠度相比 满足设计要求 结束 6 不满足要求 调整设计参数或从新选材 直到满足要求为止 54 作业 55 表9 1荐用的可靠度值分类表 56 表9 2一些机械产品的可靠性指标 七十年代 57 图3 3航天飞行器的任务轮廓 58 图3 4航天飞行器的环境轮廓 59 图3 3航天飞行器的任务轮廓 60 表3 3航天飞行器功能系统的目标可靠度分配 61 图3 6确定零件可靠度的流程 62 63 64
