机械零件的可靠性设计41页PPT
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6
应力—强度干涉理论
在机械产品中，零件（部件）是正常还是失效决定 于强度和应力的关系。
当零件（部件）的强度大于应力时，其能够正常工作； 当零件（部件）的强度小于应力时，其发生失效。 因此，要求零件（部件）在规定的条件下和规定的时
间内能够承载，必须满足以下条件 δ> s
机械产品的可靠度可以说成是机械产品的强度大于 施加于该产品的应力的概率。
3）一般机械零件设计的可靠度设计？
11
问题一、知道了应力和强度的分布，求零件的可靠度
特殊情况（公式法）：1.4
1） 应力和强度均为正1.2态分布时的可靠性计算
1
当应力S和强度δ均 0.8 为正态分布时 ，则 0.6
它们的差也是正态分 0.4 F(y) 布，且有
0.2
f ()
P ff(y ( y0 ))2 1 y 0 f e (s)x (y p 2 [ y 2 y)2]dy
yS
y＝ － S
0
-10
0
10
20
y ＝－S
y0 y 0
30
40
S
50
y＝2S2
不可靠度为： F P (y 0 )2 1y 0 ex (y p 2 y 2 [y)2]dy
12
可靠度为 R P (y 0 )2 1y0 ex (y p 2 y 2 [y)2]dy
化成标准正态 分布，令
机械产品的失效模式很多，甚至同一零部件有多种重要的失 效模式。
机械产品的组成零部件多是非标准件，其失效统计值分散， 造成失效数据的统计困难，象电子产品那样预计其失效率很 困难
机械产品的不同失效模式之间往往是相关的，在进行可靠性 分析时需要考虑失效模式相关性。
3
机械产品可靠性工作的特点
强调根据以往的工程实践经验为基础制定可靠性设 计准则并指导机械产品的可靠性设计。结合失效模 式分析提出适于某机械产品的可靠性设计准则，供 该产品研制设计时使用。
s 20
f (s) f ()
0.01 0.01
0
0
0 20 40 60 80 100 120 140 160 18
0
20
40
60
80
100 120 140 160 180
当强度均值大于应力的均值时，方差越大，可靠度越小。
15
2）当应力和强度均为对数正态分布时可靠性计算
设随机变量s和δ服从对数正态分布，即它们对数lns和lnδ服从 正态分布，它们的均值和标准差分别为：
z y 1y
f (z)
y0.8
则当y＝0时 z y
0.6
F (zR)
令
zRyy
y
0.4
-6
s
2s2
-4
0
-2
zR
0y y
zR 2
4
R
1
z2
2 y yexp2][d
z1 ( y y)
1 (zR) (zR)
13
zRyy
s 2s2
将应力分布参数、强度分布参数和可靠度三者联系起来了， 故称为联结方程，它是可靠性设计的基本公式，zR称为可 靠性因数或可靠性指标。
s 、 和 s 、 分别是变量S和δ的均值和标准差，
9
载荷统计和 概率分布
几何尺寸分布和 其他随机因素
材料机械性能 统计和概率分布
应力计算
干涉模型
强度计算
应力统计和 概率分布
强度统计和 概率分布
机械强度 可靠性设计
机械强度可靠性设计过程框图 10
下面要解决的三个问题
1）知道了零件的应力和强度的分布后，如何 求零件的可靠度。
2）一般的安全系数与可靠度意义下的安全系 数的区别。
7
实际工程中的应力和强度都是呈分布状态的随机变量， 把应力和强度的分布在同一坐标系中表示
零件的强度值与应力值的离散性，使应力-强度两概率密 度函数曲线在一定的条件下可能相交，这个相交的区域 就是产品或零件可能出现故障的区域，称为干涉区。
这种根据应力和强度干涉情况，计算干涉区内强度小于 应力的概率（失效概率）的模型，称为应力——强度干 涉模型。
注意产品的维修性和使用操作问题。
4
机械产品可靠性工作特点
在产品研制过程中重视可靠性试验对保证产品 可靠性的作用
必要时需进行现场可靠性试验，或收集使用现场 的失效信息
对于复杂的机械产品由于体积大、成本高、费用 高等原因不能进行可靠性试验，这时可采用较低 层次（子系统、部件、组件或零件）的可靠性试 验，然后综合试验结果、应力分析结果和类似产 品的可靠性数据及产品现场使用的情况，对其可 靠性进行综合评价。
注重失效模式分析，以防止出现失效为设计宗旨。 对可靠性关键件和重要件进行概率设计
根据经验数据或FMEA方法确定产品的可靠性关键件和重 要件及其相应的失效模式，然后针对其主要失效模式进 行概率设计，如静强度概率设计、疲劳和断裂概率设计、 磨损和腐蚀概率分析设计等，确保关键件和重要件的可 靠性达到设计要求。
5
应力-强度分布干涉理论
应力-强度分布干涉理论是以应力-强度分布干 涉模型为基础的，该模型可清楚地揭示机械 零件产生故障而有一定故障率的原因和机械 强度可靠性设计的本质。
应力：产品的工作值，如应力、压力、力、 载荷、变形量、磨损量、温度等，常用s表示。
强度：产品能承受这些工作值的能力，用δ表 示。
14
讨论
4
f (s)
f(y)f(s)
3
0.02
0.015 2
f ( ) 0.01
1
0.005
0
0
-80 -60 -40 -20
Байду номын сангаас
0
20 40 60 80
0
20
40
60
80
100
120
140
当强度和应力的均值相等时，可靠度等于0.5
0.04 0.03
s 10
f (s)
0.02
f ( ) 0.02
在应力——强度干涉模型理论中，根据可靠度的定义，
强度大于应力的概率可表示为 R t P s P ( s 0 )
8
应力－强度干涉模型
（1）、如图中所示的相 交的区域，即干涉区 域，就是产品可能发 生故障的区域。
（2)、在安全系数大于1 的情况下仍然会存在 一定的不可靠度。
g() f (s)
机械零件的可靠性设计
机械 可 靠 性设计原理
苏州大学城市轨道交通学院 鞠 华
2
机械产品可靠性的特点
机械产品的失效主要是耗损型失效（例如疲劳、老化、磨损、 腐蚀和强度退化等），而电子产品的失效主要是由于偶然因 素造成的。
耗损型失效的失效率随时间增长，所以机械产品的失效率随 时间的变化一般不是恒定值，符合这一特性的分布有正态分 布、威布尔分布、对数正态分布和极值分布等。
应力—强度干涉理论
在机械产品中，零件（部件）是正常还是失效决定 于强度和应力的关系。
当零件（部件）的强度大于应力时，其能够正常工作； 当零件（部件）的强度小于应力时，其发生失效。 因此，要求零件（部件）在规定的条件下和规定的时
间内能够承载，必须满足以下条件 δ> s
机械产品的可靠度可以说成是机械产品的强度大于 施加于该产品的应力的概率。
3）一般机械零件设计的可靠度设计？
11
问题一、知道了应力和强度的分布，求零件的可靠度
特殊情况（公式法）：1.4
1） 应力和强度均为正1.2态分布时的可靠性计算
1
当应力S和强度δ均 0.8 为正态分布时 ，则 0.6
它们的差也是正态分 0.4 F(y) 布，且有
0.2
f ()
P ff(y ( y0 ))2 1 y 0 f e (s)x (y p 2 [ y 2 y)2]dy
yS
y＝ － S
0
-10
0
10
20
y ＝－S
y0 y 0
30
40
S
50
y＝2S2
不可靠度为： F P (y 0 )2 1y 0 ex (y p 2 y 2 [y)2]dy
12
可靠度为 R P (y 0 )2 1y0 ex (y p 2 y 2 [y)2]dy
化成标准正态 分布，令
机械产品的失效模式很多，甚至同一零部件有多种重要的失 效模式。
机械产品的组成零部件多是非标准件，其失效统计值分散， 造成失效数据的统计困难，象电子产品那样预计其失效率很 困难
机械产品的不同失效模式之间往往是相关的，在进行可靠性 分析时需要考虑失效模式相关性。
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机械产品可靠性工作的特点
强调根据以往的工程实践经验为基础制定可靠性设 计准则并指导机械产品的可靠性设计。结合失效模 式分析提出适于某机械产品的可靠性设计准则，供 该产品研制设计时使用。
s 20
f (s) f ()
0.01 0.01
0
0
0 20 40 60 80 100 120 140 160 18
0
20
40
60
80
100 120 140 160 180
当强度均值大于应力的均值时，方差越大，可靠度越小。
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2）当应力和强度均为对数正态分布时可靠性计算
设随机变量s和δ服从对数正态分布，即它们对数lns和lnδ服从 正态分布，它们的均值和标准差分别为：
z y 1y
f (z)
y0.8
则当y＝0时 z y
0.6
F (zR)
令
zRyy
y
0.4
-6
s
2s2
-4
0
-2
zR
0y y
zR 2
4
R
1
z2
2 y yexp2][d
z1 ( y y)
1 (zR) (zR)
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zRyy
s 2s2
将应力分布参数、强度分布参数和可靠度三者联系起来了， 故称为联结方程，它是可靠性设计的基本公式，zR称为可 靠性因数或可靠性指标。
s 、 和 s 、 分别是变量S和δ的均值和标准差，
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载荷统计和 概率分布
几何尺寸分布和 其他随机因素
材料机械性能 统计和概率分布
应力计算
干涉模型
强度计算
应力统计和 概率分布
强度统计和 概率分布
机械强度 可靠性设计
机械强度可靠性设计过程框图 10
下面要解决的三个问题
1）知道了零件的应力和强度的分布后，如何 求零件的可靠度。
2）一般的安全系数与可靠度意义下的安全系 数的区别。
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实际工程中的应力和强度都是呈分布状态的随机变量， 把应力和强度的分布在同一坐标系中表示
零件的强度值与应力值的离散性，使应力-强度两概率密 度函数曲线在一定的条件下可能相交，这个相交的区域 就是产品或零件可能出现故障的区域，称为干涉区。
这种根据应力和强度干涉情况，计算干涉区内强度小于 应力的概率（失效概率）的模型，称为应力——强度干 涉模型。
注意产品的维修性和使用操作问题。
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机械产品可靠性工作特点
在产品研制过程中重视可靠性试验对保证产品 可靠性的作用
必要时需进行现场可靠性试验，或收集使用现场 的失效信息
对于复杂的机械产品由于体积大、成本高、费用 高等原因不能进行可靠性试验，这时可采用较低 层次（子系统、部件、组件或零件）的可靠性试 验，然后综合试验结果、应力分析结果和类似产 品的可靠性数据及产品现场使用的情况，对其可 靠性进行综合评价。
注重失效模式分析，以防止出现失效为设计宗旨。 对可靠性关键件和重要件进行概率设计
根据经验数据或FMEA方法确定产品的可靠性关键件和重 要件及其相应的失效模式，然后针对其主要失效模式进 行概率设计，如静强度概率设计、疲劳和断裂概率设计、 磨损和腐蚀概率分析设计等，确保关键件和重要件的可 靠性达到设计要求。
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应力-强度分布干涉理论
应力-强度分布干涉理论是以应力-强度分布干 涉模型为基础的，该模型可清楚地揭示机械 零件产生故障而有一定故障率的原因和机械 强度可靠性设计的本质。
应力：产品的工作值，如应力、压力、力、 载荷、变形量、磨损量、温度等，常用s表示。
强度：产品能承受这些工作值的能力，用δ表 示。
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讨论
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f (s)
f(y)f(s)
3
0.02
0.015 2
f ( ) 0.01
1
0.005
0
0
-80 -60 -40 -20
Байду номын сангаас
0
20 40 60 80
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当强度和应力的均值相等时，可靠度等于0.5
0.04 0.03
s 10
f (s)
0.02
f ( ) 0.02
在应力——强度干涉模型理论中，根据可靠度的定义，
强度大于应力的概率可表示为 R t P s P ( s 0 )
8
应力－强度干涉模型
（1）、如图中所示的相 交的区域，即干涉区 域，就是产品可能发 生故障的区域。
（2)、在安全系数大于1 的情况下仍然会存在 一定的不可靠度。
g() f (s)
机械零件的可靠性设计
机械 可 靠 性设计原理
苏州大学城市轨道交通学院 鞠 华
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机械产品可靠性的特点
机械产品的失效主要是耗损型失效（例如疲劳、老化、磨损、 腐蚀和强度退化等），而电子产品的失效主要是由于偶然因 素造成的。
耗损型失效的失效率随时间增长，所以机械产品的失效率随 时间的变化一般不是恒定值，符合这一特性的分布有正态分 布、威布尔分布、对数正态分布和极值分布等。