机械静强度可靠性设计

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p 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。
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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
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静强度可靠性设计举例
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静强度可靠性设计举例
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静强度可靠性设计举例
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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。
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静强度可靠性设计举例
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静强度可靠性设计举例
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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?
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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,
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可靠性设计步骤(8 ~ 9步 )
v 8)确定强度公式
p 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。
v 9)确定每个失效模式下的强度分布
p 将试件的强度与每个强度修正系数综合起来,便可得到 零件的强度分布。最好用实验方法直接得出零部件的强 度分布数据。
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
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可靠性设计步骤(11步 )
p 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
所以:
静强度可靠性设计举例
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。
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静强度可靠性设计举例
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2020/11/18
机械静强度可靠性设计
第四章 设计方法与静强度可靠性设计
v 4.1 机械零件设计应考虑的问题 v 4.2 可靠性设计方法与步骤 v 4.3 静强度可靠性设计 v 4.4 小结 v 4.5作业
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4.1 机械零件设计应考虑的问题
v 研制费用问题
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静强度可靠性设计举例
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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
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可靠性设计步骤(10步 )
v 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。
p 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。
p 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。
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机械零件设计应考虑的问题
v 解决主要问题与主要矛盾
p 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 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 (Pareto Law),这600多个零件称为主要少数,其余 30000多个称为次要多数。

p 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。
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可靠性设计步骤(12步 )
v 12)确定零件可靠度的置信度
p 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。
p 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。
p 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。
p 可靠度计算结果与目标可靠度比较,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。
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可靠性设计步骤(6 ~ 7步 )
v 6)确定应力公式
p 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。
v 7)确定每个失效模式下的应力分布
p 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。
❖ 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
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静强度可靠性设计举例
查标准正态分布表得可靠性系数:
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静强度可靠性设计举例
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p 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。
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可靠性设计步骤(13~15步 )
v 13)计算各个零件的可靠度
p 对于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。
v 14)计算系统的可靠度(具有迭代性)
p 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。
4.3 静强度可靠性设计
❖ 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”
其他常用概率分布的可靠度计算公式参见表3-1。
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静强度可靠性设计
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可靠性设计步骤(2步 )
v 2)确定有关的设计变量和参数
p 这些设计变量和参数应当是: l (1)对设计任务是有意义的; l (2)唯一的和不重复的; l (3)在试验前后和进行期间都能度量的。
p 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。
p 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。
静强度可靠性设计举例
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静强度可靠性设计举例
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可靠性设计步骤(包括15个步骤 )
v 1)确定设计的问题及任务剖面
p 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。
p 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。
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可性设计步骤(4步 )
v 4)确定零件的失效模式是独立的还是相关的
p 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。
p 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。
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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。
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可靠性设计步骤(5步 )
v 5)确定涉及到的每种失效模式的判据
比较常用的判据有: p (1)最大正应力; p (2)最大剪应力; p (3)最大变形能; p (4)最大应变能; p (5)最大应变; p (6)最大变形; p (7)疲劳情况下的变形能; p (8)疲劳情况下的最大总应变; p (9)最大许用腐蚀量; p (10)最大许用磨损量; p (11)最大许用振幅; p (12)最大许用蠕变,等等。
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 ?
机械静强度可靠性设计
p 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。
p 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。
p 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。
p 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。
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机械零件设计应考虑的问题
v 一些参考
p 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,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。
p 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:
p (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;
p (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。
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