机械零件静强度可靠性设计
机械静强度可靠性设计参数与计算方法
第二章机械静强度可靠性设计参数与计算方法机械强度可靠性设计，是以应力!强度分布干涉理论与可靠度计算为基础。
因此，前一章的内容也应是机械静强度可靠性设计的基本内容。
而本章所介绍的某些方面，也与下一章将要介绍的疲劳强度可靠性设计直接有关。
!"#安全系数与可靠度"#经典意义下的安全系数在机械零件的常规设计中，以强度与应力之比称为零件的安全系数，它是常数。
它来源于人们的直观认识和具体经验总结，具有直观、易懂、使用方便并有一定的实践依据，所以至今仍被机械设计的常规方法广泛采用。
但随着科学技术的发展及人们对客观世界认识的不断深化，发现它有很大的盲目性和保守性，尤其对于那些对安全性要求很高的零部件，采用上述安全系数方法进行设计，显然有很多不合理之处，因为它不能反映事物的客观规律。
其实，只有当材料的强度值和零件的工作应力值离散性非常小时，上述定义的安全系数才有意义。
考虑到应力与强度的离散性，进而又有了平均安全系数与极限应力状态下的安全系数等。
以强度均值!!与应力均值"!之比的安全系数："#!!!（$$"）称为平均安全系数。
强度的最小值!%&’和应力的最大值!%()之比"#!%&’!%()（$$$）则为极限应力与强度状态下的最小安全系数。
常用的安全系数也可定义为"#!!!%()（$$*）上述各定义式也都没有离开经典意义下的安全系数的范畴。
$#可靠性意义下的安全系数w w w.bz f x w.c om如果将设计变量应力与强度的随机性概念引入上述经典意义下的安全系数中，便可得出可靠性意义下的安全系数，这样也就把安全系数与可靠度联系起来了。
例如，假设产品的工作应力随机变量为!，产品材料强度随机变量为!，则产品的安全系数"!!#!也是随机变量。
因可靠度$!%（!"!），故有$&%!!’()#&%（"’#）（$(%）上式表明：安全系数大于#的概率就是产品的可靠度。
大型机械设计中的可靠性分析与优化
大型机械设计中的可靠性分析与优化在现代工业生产中，大型机械的应用越来越广泛。
例如，大型挖掘机、大型起重机、大型轮矿机等，这些大型机械设备不仅要求具备高强度、高刚度、高精度的性能，同时还需要有较高的可靠性和安全性。
因此，在大型机械设计中，可靠性分析和优化是非常重要的。
一、可靠性分析1.1 可靠性定义可靠性是指在特定条件下，物品在规定时间内实现一定功能的能力。
就大型机械而言，可靠性是指机械在运行一定时间内能够保持正常运转状态，并不发生故障。
1.2 可靠性分析方法（1）失效模式和效应分析（FMEA）FMEA方法是在机械设计中非常常用的可靠性分析方法之一，它通过对机械部件结构、材料、制造加工、安装质量等因素进行分析，确定可能出现的失效方式和失效后果，从而采取相应的措施提高其可靠性。
（2）灰色关联分析法此方法通过确定各项指标之间的关联度，将它们转化为数字或符号，找出各因素对机械设备可靠性影响的大小，从而为优化设计提供依据。
（3）可靠性增长模型分析技术可靠性增长模型将完全失效、寿命失效和故障失效模式的数据及分析结果反映在可靠性增长曲线上，为设备操作提供指导依据，可计算一个不断增长的可靠性曲线。
该方法主要适用于大样本、大数据量的可靠性分析和测试。
1.3 可靠性分析应用以挖掘机为例，可靠性分析可以在挖掘机的设计、制造和使用过程中进行。
在设计阶段，可以根据挖掘机在不同工况下的工作状态和负载特点，采用不同的材料和工艺，确保挖掘机在正常工作时性能更加可靠；在制造过程中，可以通过质量控制管理和精细加工工艺等手段，保证关键零部件的精度和质量，从而提高挖掘机的可靠性；在使用过程中，可以定期进行维护和检测，及时发现潜在故障隐患，从而避免故障发生，提高挖掘机的可靠性。
二、可靠性优化2.1 可靠性设计的基本原则（1）关注产品的使用环境，充分考虑设备在工作环境中承受的环境因素（如温度、湿度、压力、振动、冲击等）对设备寿命的影响；（2）强化设计的可维护和可检修功能，充分考虑维修保养的便捷性，缩短维修保养的时间；（3）采用可靠性分析法，结合实际情况进行分析，确定出设备的薄弱环节和易损部位，针对这些问题进行改进或采用更好的结构设计；（4）强化材料的可靠性，鉴别优质原材料，确保设备的稳定性和可靠性。
第四章 机械可靠性设计原理与可靠度计算讲解
机械可靠性设计实质:
(1) 就在于揭示载荷(应力)及零部件的分布规律 (2) 合理地建立应力与强度之间的力学模型,严格 控制失效概率,以满足可靠性设计要求。
4.2.1 应力强度干涉理论
应力S及强度δ本身是某些变量的函数，即
s f s1 , s2, , sn
表4-1 蒙特卡洛 模拟法可 靠度计算 的流程
4.3 机械零件的可靠度计算
4.3.1 应力强度都为正态分布时的可靠度计算
应力S和强度δ均呈正态分布时，其概率密度函数：
2 1 1 S S f (S ) exp (∞ < S < ∞) 2 S S 2
机械可靠性设计与安全系数法:
1) 相同点
都是关于作用在研究对象上的破坏作用与抵抗这种破坏 作用的能力之间的关系。 破坏作用：统称为“应力”。 抵抗破坏作用的能力：统称为“强度
“应力”表示为
S f s1, s2, , sn
其中，
表示影响失效的各种因素。 s1 , s2, , sn
如力的大 小、作用位置、应力的大小和位置、环境因
第4章 机械可靠性设计理论与 可靠度计算
安全系数法与可靠性设计方法 应力强度干涉理论及可靠度 机械零件的可靠度计算及设计
4.1安全系数法与可靠性设计方法
4.1.1 安全系数设计法
在机械结构的传统设计中，主要从满足产品使用要求 和保证机械性能要求出发进行产品设计。在满足这两方面 要求的同时，必须利用工程设计经验，使产品尽可能可靠， 这种设计不能回答所设计产品的可靠程度或发生故障概率 是多少。 安全系数法的基本思想：机械结构在承受外在负荷后，计 算得到的应力小于该结构材料的许用应力，即
第六章-机械可靠性设计原理
S
同样分析方法：
按应力始终小于强度这一条件计算。干涉区内任取
一点δ1，则：
P[(1
d
2
)
(1
d
2
)]
g(1)d
P(S 1)
1 f (S )dS
R P(S ) g( )[ f (S)dS]d
■理论要点:
可靠性设计
• 应力:导致失效的任何因素; 强度:阻止失效发生的任何因素。
• 应力f(s),强度g(δ), 量纲相同，可放在同一坐标系中。
解： 当零件强度标准差为81MPa时
z S 850 380 470 5.1512
2
2 S
422 812 91.2414
R 1(z) 1(5.1512) (5.1512) 0.9999999
当零件强度标准差为120MPa时
可靠性设计
z S 850 380 470 3.6968
2
1
z2
e 2 dz
2
例6－1 已知某零件的工作应力及材料强度均为正态分
布，且应力的均值μS=380MPa,标准差σS=42MPa,材料 强度的均值为850MPa，标准差为81MPa。
可靠性设计
试确定零件的可靠度。另一批零件由于热处理不佳及 环境温度的较大变化，使零件强度的标准差增大至 120MPa。问其可靠度如何？
R
exp
1 2
2s
2 s 2
5
指数
es
正态
N , 2
R 1 exp
1 2
2 s
s2 2
6
指数
es
,
R
1
s
可靠性设计
第三节 机械静强度的可靠性设计
机械可靠性设计
8、确定强度计算公式 9、确定每种失效模式下的强度分布 10、确定每种致命失效模式下与应力分布和强度分布
相关的可靠度 11、确定零件的可靠度 12、确定零件可靠度的置信度 13、按上述步骤求出系统中所有关键零、部件的可靠
度 14、计算子系统和整个系统的可靠度 15、必要时可对某些设计内容进行优化
机械可靠性设计的主要内容
1、研究产品的故障物理和故障模型 2、确定产品的可靠性指标及其等级 3、合理分配产品的可靠性指标值 4、以规定的可靠性指标值为依据对零件进行可靠
性设计
机械可靠性设计的方法
概率设计法 失效树分析法及失效模式、影响及致命度分析法
机械可靠性设计的步骤
1、提出设计任务、规定详细指标 2、确定有关的设计变量及参数 3、失效模式、影响及致命度分析 4、确定零件的失效模式是否是互相独立的 5、确定失效模式的判据 6、得出应力公式 7、确定每种失效模式下的应力分布
i 1
2)对于可以修复的产品，其寿命是指相邻两次故障间的工 作时间。平均寿命即为平均无故障工作时间或称为平均故 障间隔，记为MTBF
MTBF
1
N ni
tij
ni i1 j1
i 1
§1-3 可靠性设计与传统设计之间的异同
机械可靠性设计与传统机械设计方法不同，它具 有以下的基本特点：
1、以应力和强度为随机变量作为出发点 2、应用概率和统计方法进行分析、求解 3、能定量的回答产品的失效概率和可靠度 4、有多种可靠性指标供选择 5、强调设计对产品可靠性的主导作用 6、必须考虑环境的影响 7、必须考虑维修性 8、从整体的、系统的观点出发 9、承认在设计期间及其以后都需要可靠性的增长
联系到可靠度函数看 失效率的定义：表示 系统、机器、设备等 产品一直到某一时刻t 为止尚未发生故障的 可靠度R(t)在下一个 单位时间内可能发生 故障的条件概率。
机械零件的可靠性设计
R2 1
X XS
2
2 S
1
350 310 302 102
1 (1.26) 1 0.1038 0.8962
28
（3）“R3σ”可靠性含义下的安全系数：
50000 30000
1.67
R1 1(ZR ) 1
S
2＋
2 S
1
50000 30000 10002 30002
1.000
R2 1
S
2＋
2 S
1
50000 30000 120002 30002
0.947
27
例2 某汽车零件，其强度和应力均服从正态分布，强度的均
17
例题1
当强度的标准差增大到120MPa时，
z s 850 380 470 3.6968
2
2 S
422 1202 127.1377
查标准正态分布值，得R=0.999 89.
18
2、概率密度函数联合积分法（一般情况）
g()
f (s)
应力s0处于ds区间内的概率为
f (s0 )
f ( )
f (s)
1 2
y
0 exp[
(
y
y
2
2 y
)2
]dy
y S
y＝－S
0
-10
0
10
20
y ＝－S
y0 y0
30
40
S
50
y＝
2
2 S
不可靠度为： F P ( y 0)
1
2 y
0
exp[
(
y
y
机械可靠性设计6
3.修正名义强度 修正名义强度 考虑尺寸系数、 表面质量系数、 考虑尺寸系数 、 表面质量系数 、 应力集中 系数等对强度的影响。 系数等对强度的影响。 4.确定强度公式中每一修正系数的分布； 确定强度公式中每一修正系数的分布； 确定强度公式中每一修正系数的分布 5.确定强度分布 确定强度分布 如代数法、矩法、蒙特卡罗法。 如代数法、矩法、蒙特卡罗法。
选定可靠度R=0.999 解：⑴ 选定可靠度 ⑵ 计算零件发生强度破坏的概率 F=1-R=1-0.999=0.001 查正态函数表， ⑶ 由F查正态函数表，Z=-3.09，则ZR=3.09 查正态函数表 ， ⑷ 强度分布参数
r − N ( 667 , 25 . 3
2
)
⑸ 列出应力表达式
P s= A uA = ,
ZR = ur − us
σ r2 + σ s2
求截面尺寸。 求截面尺寸。
§6.3.2受拉零件的静强度可靠性 6.3.2受拉零件的静强度可靠性 设计
例：要设计一园柱拉杆，所承受的拉力: 要设计一园柱拉杆，所承受的拉力: P ~ N (u p ,σ 2 ) = N (4000012002 )N , p 强度为： 拉杆材料 45 # 钢，强度为： r ~ N (u r , σ r2 ) = N (667,25.32 )mpa 园直径的公差 ± ∆ d = ± 0 .03 u d ，求拉杆的直 径 。
§6.2.2 强度分布参数的近似计算
1.材料的静强度指标 材料的静强度指标 金属材料的抗拉强度和屈服极限能近似或 较好地符合正态分布。 较好地符合正态分布。 2.材料的变异系数 材料的变异系数 金属材料拉伸强度极限：变异系数 金属材料拉伸强度极限：变异系数0.05～0.1 ～ 常用0.05 常用 金属材料屈服极限：变异系数 金属材料屈服极限：变异系数0.05～0.1 ～ 用0.07 常
可靠性设计大全
（1）零部件上的设计应力s是一个随机变量，其遵循某一分布规 律，设应力的概率密度函数为g(s)。
在此与应力有关的参数如载荷、零件的尺寸以及各种影响因素等 都是属于随机变量，它们都是服从各自的特定分布规律，并经分布间 的运算可以求得相应的应力分布。
（2）零件的强度参量c也是一个随机变量，设其概率密度函数为 f(c)。
（1）零件的重要性 对失效后将引起严重事故的重要零件，则应选用较高的 [R]值； 否则，可选用相对低些值，具体可见机械可靠性手册。
在可靠性设计中，由于强度c 和应力s 都是随机变量，因此，一个 零件是否安全可靠，就以强度c 大于应力s 的概率大小来判定。
这一设计准则可表示为
R (t)P (cs)[R ]
（3-43）
式中，[R] 为设计要求的可靠度。
现设应力s 和强度c 各服从某种分布，并以 g(s)和 f(c)分别表示应 力和强度的概率密度函数。对于按强度条件式(3-42)设计出的属于安 全的零件或构件，具有如图3-11所示的几种强度-应力关系。
c
1 n
n i 1
ci
c
1 n 1
n i1
(ci
c )2
(3-55)
但在大多数情况下，这样的数据是难于取得的。为了实用起见，可 采用如下近似计算公式确定：
（１）对静强计算
对塑性材料： 对脆性材料：
c
c
1 2
s
0.1c
0.1(12)s
c
c
1 2
b
0.1c
0.1(12)b
（3-58） （3-59）
（3-66）
再由式（3-53）便可求出零件强度的可靠度 R 值。。
考虑到确定载荷和应力等现行计算方法的一定误差，并计及计算零 件的重要性，故应使 ZR 具有一定的强度储备，这样
机械静强度可靠性设计
机械静强度可靠性设计简介机械设备的静强度可靠性设计是为了保证设备在正常工作条件下不发生破坏或失效。
静强度是指在静力作用下，材料或结构承受力的能力。
静强度可靠性设计则是在设计机械设备时考虑其静强度，通过一系列设计措施和经验公式，最大限度地保证设备的安全运行。
设计原则机械静强度可靠性设计的基本原则如下：1. 安全系数设计安全系数是指在设计过程中，对设备强度要求进行放大的倍数。
通过使用适当的安全系数，可在设计中考虑到材料的变异、设备使用环境的不确定性等因素，以提高设备的安全性和可靠性。
2. 材料选择在设计机械设备时，应根据设备的工作条件和所需的强度要求选择适当的材料。
常见的材料选择包括钢材、铝合金、塑料等。
不同材料的强度和特性有所差异，设计者应结合具体情况做出合理选择。
3. 结构设计机械设备的结构设计也是保证其静强度可靠性的重要因素。
合理的结构设计可以避免应力集中和疲劳破坏，提高设备的强度和寿命。
在结构设计中，常采用优化设计等方法，以满足设备的静强度要求。
4. 设备监测与维护静强度可靠性设计不仅限于设备的初期设计，还包括设备的监测与维护。
通过定期检查设备的工作状态和使用环境，及时发现和修复潜在的问题，可以有效提高设备的可靠性和使用寿命。
设计步骤机械静强度可靠性设计的一般步骤如下：1. 确定设计要求和工作条件在开始进行静强度可靠性设计前，需要明确设备的设计要求和所处的工作条件。
这包括设备的使用环境、工作负载、所需的静强度等。
2. 计算荷载及合力条件根据设备的工作条件和静强度要求，计算设备所受的荷载及合力条件。
荷载包括静力荷载、动力荷载等。
合力条件是指设备所受荷载的方向和大小，通过合力条件的计算可以确保设备在工作条件下的稳定性和安全性。
3. 材料选择根据设备的工作条件和所需的静强度要求，选择合适的材料。
在材料选择过程中，需要考虑材料的强度、刚性、耐腐蚀性等因素。
4. 结构设计根据设备的工作条件和所选材料的特性，进行结构设计。
机械设计基础学习如何进行强度和刚度分析
机械设计基础学习如何进行强度和刚度分析机械设计是一门综合性较强的学科，其中的强度和刚度分析是机械设计中非常重要的部分。
在机械设计中，强度和刚度分析可以帮助工程师评估零件或设备在工作条件下的承载能力和变形情况。
本文将介绍机械设计中的强度和刚度分析的基本知识和方法。
1. 强度分析强度是指材料在外力作用下不发生破坏的能力。
在机械设计中，强度分析主要涉及两个方面：静态强度和疲劳强度。
1.1 静态强度分析静态强度分析是指对机械零件或装置在外力作用下的承载能力进行评估。
这种分析通常使用应力-应变关系来计算零件或装置的变形和破坏情况。
常用的应力-应变关系包括胡克定律和屈服准则等。
通过对零件或装置进行静态强度分析，可以确定其是否满足设计要求，并进行必要的优化。
1.2 疲劳强度分析疲劳强度分析是指对机械零件或装置在循环加载下可能发生疲劳破坏的情况进行评估。
在机械设计中，疲劳破坏是一个非常重要的问题，因为循环加载可能导致零件或装置出现裂纹并最终破坏。
通过疲劳强度分析，可以确定零件或装置的疲劳寿命，并采取相应的措施来延长其使用寿命。
2. 刚度分析刚度是指材料或结构在外力作用下发生变形的能力。
在机械设计中，刚度分析主要涉及两个方面：静态刚度和动态刚度。
2.1 静态刚度分析静态刚度分析是指对机械零件或装置在外力作用下的变形情况进行评估。
这种分析通常使用位移-力或位移-应力关系来计算零件或装置的变形情况。
通过静态刚度分析，可以确定零件或装置在工作条件下的变形量，从而确保其满足设计要求。
2.2 动态刚度分析动态刚度分析是指对机械零件或装置在振动或冲击载荷下的变形情况进行评估。
振动或冲击载荷可能导致零件或装置产生共振或过大的变形，从而影响机械系统的正常工作。
通过动态刚度分析，可以确定零件或装置的共振频率和响应情况，并进行必要的优化以消除共振或减小变形。
3. 强度和刚度分析的方法在机械设计中，强度和刚度分析可以使用各种方法进行，包括解析法、经验法和数值模拟法等。
机械零件的强度和设计准则
• 减轻振动的一般措施：
（1）尽量采用对称结构（如花键联接）、减少悬臂长度、缩短中心距等； （2）对转动零件进行平衡，尽量满足动、静平衡条件；（3）采用阻尼 作用消耗引起振动的能量，比如设置滑动轴承的油膜阻尼器、液压缸端部 的阻尼孔等；（4）设置隔振零件，比如加装弹簧、橡胶垫、隔振层等都 具有减振作用。
复习思考题
1、何谓零件的失效？常见形式有哪些？ 2、载荷、应力各如何分类？基本变应力有哪几种？用哪些参数描述变应 力？ 3、如何判断零件受力类型？ 4、两种判断零件强度的方式是什么？ 5、安全系数如何选择？其大小会产生什么影响？ 6、提高零件强度有哪些措施？ 7、表面强度有哪几种？如何计算挤压和磨损强度？ 8、何谓刚度和柔度？刚度不足会产生什么影响？影响刚度的因素有哪些？ 9、根据冲击模型推导解释冲击载荷的危害及如何缓和冲击作用。 10、何谓振动、共振及失稳？稳定性计算的准则是什么？减轻振动的措 施有哪些？ 11、什么是可靠度？
✓静应力是指不随时间变化或变化缓慢的应力，它只能由静载荷产生；
✓变应力是指随时间变化的应力，变应力可由变载荷产生，也能由静载荷产生;
✓变应力可以归纳为三种基本的类型:对称循环变应力、非对称循环变应力、脉动 循环变应力;
✓五个参数中任意取出两个就可以准确地描述一个应力的性质。 。
（1）横坐标以上为拉伸应力， 数值为正，横坐标以下为压缩应 力，数值为负。对于剪切应力， 则可以自行规定一个方向为正值 ，另一个方向为负值。（2）根
•
严格把控质量关，让生产更加有保障 。2020 年12月 上午3时 36分20 .12.200 3:36De cember 20, 2020
机械产品可靠性设计规范
机械产品可靠性设计规范一、引言机械产品可靠性设计是现代工程领域中的重要内容，它关乎产品的性能、寿命和稳定性。
在实际生产和应用中，机械产品的可靠性设计规范起着至关重要的作用。
本文将从可靠性设计的定义、目标和方法等方面，探讨机械产品可靠性设计的规范。
二、可靠性设计的定义与目标可靠性设计是指通过合理的设计手段，使机械产品在规定的使用条件下达到预期的功能要求，并在规定的寿命内不发生故障。
其目标是提高产品的稳定性、耐久性和安全性，提升产品的信誉和市场竞争力。
三、机械产品可靠性设计的方法1. 可靠性评估可靠性评估是评估机械产品在特定使用条件下的故障概率和寿命，以确定可靠性设计要求的过程。
该过程包括可靠性指标的选择、可靠性分析和可靠性验证。
2. 故障模式与影响分析（FMEA）故障模式与影响分析是一种定量化分析方法，旨在发现潜在故障，评估其对产品性能和安全性的影响，并采取相应的措施进行改进。
通过FMEA分析，不仅可以减少故障的概率，还可以提升产品在故障发生后的恢复能力。
3. 可靠性增长分析（RGA）可靠性增长分析是通过实验和测试，对机械产品在运行过程中逐步发生故障的数据进行统计和分析，以评估产品的故障概率和寿命变化趋势。
通过对RGA的分析，可以预测产品的可靠性增长趋势，并采取相应措施降低故障概率。
4. 可靠性设计规范可靠性设计规范是将可靠性设计原则和方法经验总结成的一套规范和标准，指导工程师进行可靠性设计。
规范内容包括但不限于设计参数的选择、材料强度与耐久性的要求、工艺工程与装配要求、产品测试与验证等。
四、机械产品可靠性设计规范的要求1. 合理的设计参数选择在机械产品的可靠性设计中，设计参数的选择是关键。
需要综合考虑产品功能要求、材料属性、使用环境及可靠性指标要求等因素，合理确定设计参数的数值范围。
2. 材料强度与耐久性要求对于机械产品的材料强度与耐久性，可靠性设计规范要求科学合理地选用材料，并进行材料特性测试与评估。
扭转轴的静强度可靠性设计
如图 ２所示 ， 力值 Ｓ 落于宽度为 ｄ 应 。 Ｓ的小区间内 的概率
ｚ ａ ： 二， ：一 、 二旦王 一 Ｉ 旦 — ／ ．
（３ １）
等 于该 小区间所决定 的单元 面积 Ａ ， 。即
ＰＳ ） ｓ （＋ ｝） （） ＝ 。 【。 ｝ ≤ ≤ Ｓ 】 Ｓｄ Ａ （一 Ｓ
性 设 计 是 以应 力 一 强 度分 布 干 涉 理 论 为 基 础 的 。
【 文章 编号 】１０ — ６ ３２ ０ ）８ ０ ４ — ２ ０ ３ ２ ７ （０ ７０ — ０ ６ ０
由应力一强度干涉模型 的分析 还可知 ， 械零 件的可靠度 机
主要取决于应力一强度分布 曲线干涉的程度 。 如果应力与强度 的概率分布 曲线 已知 ， 就可 以根据其干涉模 型计算 该零件 的可 靠度 。 图 １ 如 所示 ， 应力 与强 度的概率 分布曲线 不发生干涉 ， 且 最大可能的工作 应力都要小于最小 可能的极限应力 （ 即强度 的 下 限值 ） 。这时 ， 工作应力大 于零件强度是不 可能事件 。即工作 应力大于零件强度的概率 等于零。 即
式 中 一
工作应力 ；
６ — 虽 。 － 度
具有这样的应力 一强度模型 的机械零件 是安全 的， 不会发生故
障。
当应力与强度的概率分布 曲线 发生干涉时 ， 虽然工作应力 的平均值 ｕ 仍远小 于极 限应力 （ ． 强度 ） 的平均值 ｕ 但不 能绝 ， 对保证工作应力 在任 何情 况下都不大于极限应力。即工作应力 大于零件强度的概率 大于零 ：
一（ ）８ － 争 ２） Ａ ｇｄ ： （６
ｐｓ ）Ｏ （＞６＝ （） Ｉ
２ 应 力一 强度分 布干 涉理 论与 可靠 度 的一 般表 达式
机械静强度可靠性设计
机械静强度可靠性设计
4.2 可靠性设计方法与步骤
v 六十年代初期由D.Kececioglu教授提出的方法：
p 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。
静强度可靠性设计举例
机械静强度可靠性设计
静强度可靠性设计举例
机械静强度可靠性设计
静强度可靠性设计举例
机械静强度可靠性设计
静强度可靠性设计举例
机械静强度可靠性设计
静强度可靠性设计举例
机械静强度可靠性设计
静强度可靠性设计举例
机械静强度可靠性设计
静强度可靠性设计举例
机械静强度可靠性设计
静强度可靠性设计举例
机械静强度可靠性设计
可靠性设计步骤（3步 ）
v 3）进行失效模式、影响及危害性分析（FMECA）
p 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。
p 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。
p 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。
v 15）系统优化综合
p 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。
机械静强度可靠性设计
静强度可靠性设计举例
机械静强度可靠性设计
静强度可靠性设计举例
可靠性工程6-12(8放假)-可靠性设计-yjg
1 2
1
nR1ZR(V21VZs2R 2V 2ZR 2V2Vs2)2
不同分布的可靠安全系数与联结系数的关系
应力和强度都服从对数正态分布时
ZR
s 2s2
lnnR
nR 2
2
2 s
1 2
其中，
1
ZRV2Vs2 2
n e e R
注意使用环境的影响
机械可靠性设计与传统机械设计方法主要 不同之处
强度：前者将应力、强度看成是变量。 后者将构件中的应力、强度均视为定值。
安全系数：前者是保证可靠度。 后者是按标准取安全系数。
可靠性设计的统计数据
可靠性数据的分类 (1) 原始数据 (2) 经过统计分析处理的数据
可靠性数据的三种来源 (1) 产品使用和维修中的统计资料 (2) 来自可靠性试验 (3) 可靠性分析计算和预测
应力与强度分布干涉理论
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。
强度在可靠性设计中为随机变量，呈分布状态。 （材料的性能、尺寸、表面质量等均为随机变量 ）
工作应力在可靠性设计中为随机变量，呈分布状态。 （载荷工况，应力集中，工作温度、润滑状况等都是 随机变量 ）
应力－强度分布曲线
应力和强度均为正态分布时的可靠度计算
随机变量 y 的概率密度函数为
h(y)y12exp1 2([y yy)2]
y
s 产品可靠，其可靠度 R为
RP (y0 )0 y12 ex 1 2 p(y [ y y)2]dy
令 Z y y y
也是标准正态分布
8
VE
E E
6180.0 20600
3
4FLd 2E 1 410 0100 01 00 220 6 1 00
机械可靠性设计方法ppt课件
可靠性设计与传统设计的区别
可靠性设计
– 载荷、强度、结构、尺寸、工况等都具有变动性和随机 性。
– 将应力和强度视为随机变量 – 用概率和统计方法求解 – 用可靠度表达设计结果
• 传统设计
– 将应力和强度视为一个确定值 – 用安全系数表达设计结果
➢8
机械可靠性设计的目的和方法
可靠性设计目的
420 350 18 2 50 2
1.317
R ZR 1.317 0.9054
• 结论：由于材料强度标准差增加，数据更为分散， 导致零件可靠度从99.7%下降到90.54%
➢27
常用概率分布的可靠度计算公式
➢28
常用概率分布的可靠度计算公式
➢29
安全系数与平均安全系数
• 安全系数 – 强度与应力之比 n
影响强度的因素
材料的机械性能、尺寸、表面质量、工艺方法 ➢25
例：已知某机械零件的工作应力和材料强度均为正态分布，其
工作应力的均值 350 M，P标a准差 s 1而8M材P料a,强度
的均值
，42标0准M差Pa
靠度。若该零件材料的标准差为
。 试 1确8定MP该a零件的可 则其 可50靠M度Pa又为多
– 常规设计中，安全系数S为常数
– 由于强度和应力具有随机性，因此带有盲目性和经验性 一般偏于保守
平均安全系数
强度均值与应力均值的比值
n0
s
不能确切的反映零部件的可靠性，具有一定盲目性
➢30
可靠安全系数
可靠安全系数
最小强度与最大应力之比
nk
min
Smax
强度与应力服从正态分布时，最小强度和最大应力为
把规定的可靠性指标直接设计到产品中去，从而保证产品达到目 标可靠性
机械工程中的紧固件设计与强度分析
机械工程中的紧固件设计与强度分析导语：在机械工程中，紧固件是一类非常重要的零件，用于连接和固定机械设备中的各个部分。
紧固件的质量和设计的合理性直接影响着机械设备的性能和可靠性。
本文将讨论紧固件设计与强度分析的相关问题。
一、紧固件的类型和性能特点紧固件主要可分为螺栓、螺母、垫圈和销钉等几类。
螺栓和螺母是其中最常见的一种，主要用于将零件连接在一起，并通过施加预紧力来保证连接的牢固。
垫圈则用于增加接触面积，分散载荷并防止紧固件破坏螺孔。
销钉则多用于固定轴承和齿轮等。
不同类型的紧固件具有不同的性能特点。
螺栓是一种可拆卸的连接件，可以在零件之间施加高预紧力，具有良好的阻挡能力。
螺母则通过与螺栓配合，实现零件的连接和固定。
垫圈，则可通过选择不同材料和厚度来实现不同的功能，如防止裂纹、锁紧效果等。
销钉则因其具有固定性能，在某些特殊情况下能够有效避免紧固件的松动。
二、紧固件设计的基本原则在紧固件设计过程中，需要考虑以下几个基本原则。
1. 强度原则：紧固件必须具有足够的强度，能够承受零件之间的预紧力和工作载荷，防止松动和断裂。
因此，应根据连接的特点和工作环境选择合适的材料，并进行强度计算，确保紧固件的安全性能。
2. 刚度原则：紧固件的刚度对于连接的稳定性和可靠性非常重要。
过松或过紧的紧固件都会导致连接失效。
因此，在设计过程中，需要综合考虑紧固件的预紧力和工作载荷之间的关系，以保证连接的稳定性和工作性能。
3. 防松原则：紧固件在工作中容易受到振动和冲击的影响，容易发生松动。
为了防止紧固件的松动，可以选择一些专门的防松装置，如锁紧螺母、垫圈和涂层等。
三、紧固件强度分析的方法为了评估紧固件的强度和稳定性，可以采用静态强度分析和疲劳强度分析两种方法。
1. 静态强度分析：静态强度分析是指在设计过程中，根据紧固件所承受的预紧力和工作载荷，计算紧固件的强度是否满足要求。
静态强度分析的方法主要包括应力分析、应变分析和变形分析等。
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・ 机械研究与应用 ・
3
机械零件静强度可靠性设计
童团刚 ,张华全 ,谢崇全 ,杨学锋
(中国工程物理研究院 机械制造工艺研究所 ,四川 绵阳 621900)
摘 要 : 分析了零部件可靠性设计与传统设计方法的不同 ,介绍了机械零件强度设计的应力 - 强度干涉理论 ,给出了 机械零件强度可靠度计算的一般表达式 ,并通过机械零件可靠度设计的工程实例分析 ,说明可靠性设计的可 行性与实用性 。 关键词 : 可靠性设计 ; 正态分布 ; 概率 ; 静强度 中图分类号 : TH13 文献标识码 : A 文章编号 : 1006 - 4414 ( 2009 ) 03 - 0089 - 02
Abstract: In this paper, the difference idea betw een tradition and reliability desiged is analyzed, the interfere theory of stress and strength and its reliability formula for mechanical parts are also studied, the reliablility design step s by an examp le are in2 troduced. The result p roves that this reliability design method is feasible and app lied. Key words: reliability design; normal distribution; p robability; static strength
( 18 ) ( 19 )
(下转第 94 页 )
所以可靠度为 : ) > 0 ] = P ( y > 0) R = P [ (S - δ ∞ 1 y -珋 y 2 dy 1 = e 2 σy 0 σy 2 π σy 将式 ( 11 )标准化 ,令 Z = ( y - 珋 y) /
∫
( 11 ) ( 12 )
( 7) σ π 2 δ 根据式 ( 1 ) ,可靠度就是强度 S 大于应力 δ 的概 δ 率 , 令 y = S - , 则 y 也是正态分布的随机变量 , 其均 值μ y 和标准差 σy 分别为 : μ ( 8) y =珔 S -δ 珋 y =珋
e
2 σy = σ2 ( 9) δ S +σ 随机变量 y ( - ∞ < y < ∞)的概率密度函数为 : 1 y -珋 y 2 1 ( 10 ) f ( y) = e 2 σy σy 2 π
2 零件静强度可靠性设计一般步骤
在机械设计中 , 如果零件上载荷的波动很小 , 一 般可按静强度问题处理 。由于零件上的载荷和零件 材料的强度均为随机变量 , 且一般呈正态分布 , 所以 静强度可靠性设计一般步骤如下 。 ( 1 ) 选定可靠度 R。 ( 2 ) 计算零件发生强度破坏的概率 F = 1 - R。 ( 3) 由 F 值查标准正态分布表 ,取 z值 , zR = - z。 ( 4 ) 确定零件材料强度得分布参数 μ δ ,σ δ , 在未 给定又无统计资料的情况下 ,可用近似计算式 对塑性材料 : μ ε ε δ = ( 1 / 2 )σS
0
则 : d y =σy d Z 当 y = 0 时 , Z 的下限为 : 0 -珋 y 珔 S -δ 珋 Z = = 2 σy σ2 δ S +σ 当 y = +∞ 时 , Z 的上限也是 + ∞。 将式 ( 12 ) 、 式 ( 13 )带入式 ( 11 )得 :
・ 机械研究与应用 ・
P ( S >δ 0 ) = f ( S ) dS ∫
∞
δ 0
= A2
( 3)
考虑到式 ( 2 ) 、 式 ( 3 )是两个独立的随机事件 ,根 据两种独立事件概率的“ 乘法定理 ” 可知 , 它们同时 发生概率等于两个事件单独发生概率的乘积 ,此概率 是应力为 δ 0 时 ,不失效的概率 ,即 ,可靠度 ,则 : δ dR = A 1 A2 = f (δ ・δ f ( S ) dS 0 ) d
[1] [2]
) = f (δ
1
1 - 2
δ-δ 珋2 σ δ
: ( 16 )
式中 :ε ;ε 1 为转化系数 2 为零件质量影响系数 , 对 锻件和轧制件取 ε 2 = 1. 1,对铸件取 ε 2 = 1. 3;σ S 为材 料的屈服极限值 。 σ μ ( 17 ) δ = 0. 1 δ 对脆性材料 : μ ε ε δ = ( 1 / 2 )σb 式中 :σb 为材料的强度极限值 。 σ μ δ = 0. 1 δ
∫
∞
( 4)
1
因为零件的可靠度包括所有可能的应力值 δ i均 小于强度值的整个概率 ,所以需对上式积分 ,有 :
R ( t) =
π 2
Z
e dZ ∫
2
∞ Z2
( 15 )
∫
-∞
∞
) [ δ dR = f (δ f ( S ) dS ] d δ
∫
∞
( 5)
式 ( 5 )为可靠度计算得一般表达式 。可以看出 , 为了计算机械零件的可靠度 ,首先应确定应力分布和 强度分布 。
・ 机械研究与应用 ・
复杂精细的零件模型 。之后 ,利用 Solidworks的装配 功能 ,把各零件模型按照一定的配合和约束关系 , 组 装成完整的微型转子发动机 ,如图 9 所示 。
results of s mall - scale rotary Engine [ C ]. Proc. 2001 International mechanical engineering congress and exposition ( I M ECE ) , New York, 2001, ( 11) : 11 - 16. [ 4 ] K . Fu, A. Knob loch, F. Martinez, et al . Design and Fabrication of a silicon - Based MEMS Rotary Engine[ C ]. Proc. 2001 Interna2 tional Mechanical Engineering Congress and Exposition ( I M ECE) , New York, 2001, ( 11) : 11 - 16. [5] 钟晓晖 ,王小雷 , 马重芳 , 等 . 微型三角转子发动机的研制与实
3 收稿日期 : 2009 - 04 - 20
图 2 是图 1 所示强度 - 应力概率分布曲线发生 干涉时的局部放大图形 ,求可靠度就是求强度大于应 力情况发生的概率 : (1) R = P [ ( S - δ) > 0 ] δ 在干涉区取以应力值 δ ,则 0 为中心的微单元 d δ δ 0 值落在 d 区间的概率为 : δ δ d d ) = f (δ δ=A1 (2) P (δ ≤δ≤δ 0 0 + 0 ) d 2 2 式中 : A1 表示矩形面积 。 强度 S 大于应力值 δ 0 的概率为 :
σy ) 是标准正态分布变量 。至 显然 , Z = ( y - 珋 y/ 此 ,就把强度大于应力的概率问题转化为式 ( 14 ) 求 标准正态分布的相应可靠度 R 值的问题 (由图 3 可 知 ) ,该 R 值可通过查阅标准正态分布表得到 。 式 ( 14 )将应力分布参数 、 强度分布参数和可靠 度三者联系起来 ,称为联结方程 。该式是可靠性设计 [2] 的基本公式 。若已知正态分布的应力 、 强度的均 ( ) 值和标准差 ,则可根据式 14 求得可靠度 。
Reli a b ility design about sta tic strength of machen ica s parts Tong Tuan - gang, Zhang Hua - quan, Xie Chong - quan, Yang Xue - feng
(M echan ics m anufactu re technology reserch institu te, Ch ina academ y eng ineering physis, M ianyang S ichuan 621900, Ch ina )
它们在同一坐标系中绘出 ,如图 1 所示 。强度与应力 概率分布曲线干涉区的面积 , 就是零件失效的概率 。 它的面积越小 ,零件的可靠度越高 。可以看出 , 由于 干涉的存在 ,任一设计都存在着故障或失效的概率 , 可靠性设计就是要搞清楚零件的应力与强度的分布 规律 ,严格控制发生故障的概率 ,以满足设计要求 。
・90・
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设计与制造
可靠性理论及方法是以电子元件及系统为对象 发展起来的 ,相应的方法及模型也不同程度地应用到 [1] 了机械零件与机械系统中 。机械产品的可靠性包 括结构 、 性能等许多方面的内容 , 其中结构强度的可 靠性是机械设计中首先涉及到的问题 。 机械可靠性设计仍然是以常规机械设计的设计 原理 、 准则 、 计算方法及计算公式为基础 ,不同的是在 [2] 对相关参数的处理上 。可靠性设计是将材料性 能、 强度 、 零部件尺寸等与设计有关的参数 、 变量认为 是服从某种规律的随机变量 ,并运用概率论与数理统 计方法和强度理论 ,推导出在给定的设计条件下零件 具有一定可靠度的计算公式 。应用这种公式即可在 给定可靠度条件下确定零件的参数和结构尺寸 ,或在 已知零件参数及结构尺寸的条件下确定其可靠度及 安全寿命 。事实上 ,正是因为考虑了这些参数的离散 性和随机性 ,所以较科学地反应了这些物理量的实际 情况 ,设计所得结果更具有真实性 。