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1、摘 要 本文通过失效分析的概念、失效分析的发展、失效分析的目的、失效分析的方法、失效分析的思路和失效分析的程序从各方面对失效分析进行了详细的阐叙。围绕失效分析，对减速器高速轴的在生产中出现的失效，主要是轴径变化较大处的断裂。从减速器轴的化学成分、宏观、微观、及力学性能等方面进行了分析，了解该轴的应力分布情况，找出应力集中部位，分析该类轴断裂的原因。通过分析可以看出，断裂发生在阶梯轴过渡位置。而断裂失效的轴件中有80%属疲劳断裂，疲劳断裂的原因主要是应力集中。说明该处有严重的应力集中。在此基础上，利用PRO/E软件对轴建模，通过ANSYS对减速器轴进行了较全面的有限元分析，在得知其应力分布、模型
2、位移分布的情况下对轴进行了优化设计，不但验证了实验分析的正确性，而且提出了合理的改进方案。关键词 失效分析；断裂；有限元；PRO/E；轴目 录摘要 毕业设计任务书前言1第一章 失效分析1.1 失效分析的概念21.2失效分析的发展21.3 失效分析的目的31.4失效分析的方法31.5失效分析的思路41.6失效分析的程序 5第二章 减速器高速轴的失效分析2.1 宏观分析 92.2 性能检查 92.3 微观分析 92.4 小 结 10第三章 轴的有限元分析及优化设计3.1 PRO/E建模113.2 ANSYS分析123.3减速器轴的优化设计143.4 结论16结束语17参考文献18致谢19毕 业 设
3、 计 任 务 书（减速机高速轴的失效分析及优化设计）一、课题内容“减速机高速轴的失效分析及优化设计”课题从实际出发，采用PRO/E和ANSYS软件对机械产品进行开发和研究,是一种最现代的机械设计方法。具体内容如下：1. 首先对减速机高速轴进行失效分析；2. 根据轴的零件图利用PRO/E进行实体建模；3. 利用ANSYS软件进行各种分析(主要是应力分析)，找出高速轴结构上的不合理地方,得出该轴失效可能出现的原因。4. 利用ANSYS对整个轴进行优化改进设计，对改进后的高速轴再一次进行ANSYS分析,得到合理的轴结构,从而完善减速机的总体设计效果。二、课题任务要求要求学生具备机械设计、机械原理及机
4、械制造工艺等方面的基本知识，掌握了PRO/E和ANSYS软件的使用,并具备较强的分析问题、解决问题的能力。设计任务要求：1. 设计说明书1份 字数 15000200002. 总体设计图1张 A0图3. 高速轴优化前及优化后设计图各1张 A3图4. 高速轴建模图1张5. 高速轴结构分析图4-8张前 言减速器是一种不可缺少的机械传动装置，在各行各业中十分广泛地使用着。减速器多以齿轮传动、蜗杆传动为主，而轴是减速器中不可缺少的重要零件之一,也是最常见的失效零件。 轴是减速器的关键部件。减速器广泛应用于各种机械、矿山、冶金、油田、农业等行业，由于工作条件恶劣，过载时间长，加之频繁的正转和反转，经常在阶
5、梯轴的结合处产生裂纹，最终导致断裂事故，给生产及安全造成很大的影响。某厂一批减速器在使用不到半年内相继发生几起断轴事件，而且断轴现象十分相似，给该厂造成了严重的经济损失。为此，我们对减速器高速轴的断裂原因进行了比较系统的分析：轴的宏、微观分析和结构分析，了解该轴的应力分布情况，找出应力集中部位，分析该类轴断裂的原因。在此基础上充分利用PRO/E技术进行进一步的应力分析,以验证宏、微观分析结果,再利用PRO/E技术进行轴的优化设计,达到改进轴的目的。使减速器的工作性能达到最优。这样既能保证设备的正常使用，提高工厂的经济效益，有很高的实用价值，而且为轴失效问题的分析可提供有效的参考资料。Pro/E
6、NGINEE是1985年美国波士顿PTC公司开发出来的参数化建模软件，目前已经成为三维建模软件的领头羊。目前已经发布了Pro/ENGINEER WILDFIRE 3.O。它包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。而且Pro/ENGINEER还提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境，本文所进行轴的结构分析就是基于Pro/ENGINEER这一软件。第一章 失效分析1.1 失效分析的概念 失效，按照国家标准GB3187-82可靠性基本词术语及定义，就是：“产品丧失规定的功能，对可恢复产品通常也称故障”。为了研究失效的原因，
7、确定失效的模式或机理，并采取补救或预防措施以防止失效再度发生的技术活动与管理活动，叫做“失效分析”。失效分析是按一定的思路和方法判断失效性质、分析失效原因、研究失效事故处理方法和预防措施的技术活动及管理活动。美国金属手册认为,机械产品的零件或部件处于下列三种状态之一时,就可定义为失效:当它完全不能工作时;仍然可以工作,但已不能令人满意地实现预期的功能时;受到严重损伤不能可靠而安全地继续使用,必须立即从产品或装备拆下来进行修理或更换时。 机械产品及零部件常见的失效类型包括变形失效、损伤失效和断裂失效三大类。本论文所研究的是断裂失效。1.2 失效分析的发展早在远古时代，人们对产品失效就有了宏观认识
8、。产品失效真正给人类带来严重的危害，则是从100多年前的工业革命开始的。当蒸汽机动力和大机器生产给人类社会带来巨大进步的同时，产品失效也给人类带来了前所未有的灾难性事故。因而1862年，英国建立了世界上第一个蒸汽锅炉监察局，把失效分析作为法律仲裁事故和提高产品质量的技术手段。随后，在工业化国家中，对失效产品进行分析的各种机构相继出现。在1938-1945年间，美国质量管理学会发起“失效废品检验规划”，号召生产企业把失效分析作为重要环节纳入质量管理系统。在四十年代末和五十年代初，为解决电子产品失效问题而发展起来的可靠性理论使失效分析进入到一个新的阶段。到六十年代，人们更开始了机械设备系统可靠性理
9、论的研究。近年来，失效物理和失效分析在这种认识推动下，也得到了很大的重视和发展。失效分析推动科学技术进步，促进国民经济健康发展，提高机械产品质量，在国民经济中有重要作用和意义。1.3 失效分析的目的失效分析预测预防的总任务就是不断降低产品或装备的失效率,提高可靠性,防止重大失效事故的发生,促进经济高速持续稳定发展。从系统工程的观点来看,失效分析的具体任务可归纳为:失效性质的判断;失效原因的分析;采取措施,提高材料或产品的失效抗力。产品或装备失效分析的目的不仅在于失效性质的判断和失效原因的明确,而更重要的还在于为积极预防重复失效找到有效的途径。通过失效分析,找到造成产品或装备失效的真正原因,从而
10、建立结构设计、材料选择与使用、加工制造、装配调整、使用与保养方面主要的失效抗力指标与措施,特别是确定这种失效抗力指标随材料成分、组织和状态变化的规律,运用金属学、材料强度学、工程力学等方面的研究成果,提出增强失效抗力的改进措施。既能得到提高产品或装备承载能力和使用寿命,又可做到充分发挥产品或装备的使用潜力,使材尽其用,这是产品或装备失效分析、预测预防研究的重要目的与内容。 材料科学的兴起、先进测试技术的应用以及近代物理、化学等的全面发展，使得人们能够从微观方面阐明产品失效的本质、规律和原因。近半个世纪所积累的失效分析知识与技术千百倍于人类前期有关知识的总和。但这种知识必然随着人类生产实践和科技
11、进步而不断发展。虽然由于科技的发展，产品在设计、生产、使用与维修上的技术改进，使得产品的自动化程度愈高、技术愈密集，一旦出现失效，造成的损失就愈严重。因此失效分析将随着科技的高速发展显得更为重要。1.4 失效分析的方法失效分析是一门涉及系统分析、系统安全、产品设计、材料力学、断裂力学、断裂物理、断口学、材料学、测试技术、金属学、金属工艺、强度计算、产品质量全面管理等众多领域的综合学科，它包括三个方面： 1.事前故障的预测技术，如可靠度计算、故障率评价和可靠性分析法（故障树分析FTA，故障模式和影响分析FMEA，事件树分析ETA）； 2.事中故障诊断技术（应力定量化技术、故障检测及故障征兆诊断技
12、术、设备或系统强度、故障性能定量化技术及劣化定量化技术等）； 3.事后失效分析（寿命预测技术、故障机理、失效模式的测定技术、失效评定的标准、维修技术等）。 上述事后分析也既是失效分析或故障分析，是指事故发生后的检测和分析，以便找到失效的部位、原因和机理；掌握产品的改进线索或修复方法，防止问题重复发生。近年来，失效分析工作还注意了反馈与发展，在工况与质量上做了不少工作，从事前分析、事后预防发展到事中监控。1.5 失效分析的思路失效分析及失效的防止好比医生治病,正确的诊断、配合对症下药才能将病治好,这是紧密联系的两个方面。其基本思路是:1.具体服役条件下的零部件进行具体分析,从中找出主要的失效形式
13、及主要失效抗力指标。2.用金属学、材料强度学和断裂物理、化学、力学的研究成果,深入分析各种失效现象的本质,以主要失效抗力指标与材料成分、组织、状态的关系,提出改进措施。3.据“不同服役条件要求材料强度和塑性、韧性的合理配合”这一规律,分析研究失效零部件现行的选材、用材技术条件是否合理,是否受旧的传统学术观念束缚。在失效分析中常遇到一些“合法而不合理”的技术条件规定,如果把它当成金科玉律,则会犯分析上的错误,对防止零部件失效不利。4.用局部复合强化,克服零部件上的薄弱环节,争取达到材料的等强度设计。5.进行失效分析和提出防止失效的措施时,还应做到几个结合:（1）材料、工艺相结合,即对形状、尺寸、材料、成型加工和强化工艺统一考虑（2）结构强度(力学计算、实验应力分析)与材料强度相结合,试棒试验与实际零部件台架模拟试验相结合;(3)客观规律与微观机理相结合,宏观断口和微观断口分析相结合,宏观与显微、亚显微组织分析相结合;(4)实验室规律性试验研究与生产试验相结合。1.6 失效分析的程序进行失效分析,对于具体零部件要具体对待,不能企求有统一的方法。在整个失效分析过程中,应重点抓住以下几个环节:1.6.1 收集失效件的背景数据 除了解失效零部件在机器中的部位和作用、材料牌号、处理状态等基本情况外,应着重收集下面两方面的资料:1. 失效件全部制造工
