机械产品可靠性设计分析方法

工作环境
• 环境介质与零件失效 • 环境介质包括气体、液体、液体金属、射线辐照、固体磨料和润滑 剂等。 • 对于某一零件失效原因的准确判断，必须充分考虑环境介质的影响 。 • 环境温度与零件失效 • 环境温度可能引起的零件失效形式及分析思路列于图2中。
材料性能与生产情况
• 生产中的随机因素非常多 • 如毛坯生产中产生的缺陷和残余应力、热处理过程中材质的均匀性 难保一致、机械加工对表面质量的影响等，装配、搬运、储存和堆 放等，质量控制、检验的差异等，以上因素构成了影响应力和强度 的随机因素。
满足以下条件
S s 或 S s 0
• S——零件（部件）的强度； • s——零件（部件）的应力。
应力－强度干涉模型
• 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
的分布在同一座标系中表示（如下图所示） • 当强度的均值大于应力的均值时，在图中阴影部分表示的应力和强度 “干涉区”内就可能发生强度小于应力——即失效的情况
• 弯曲载荷——垂直于零件轴线的载荷（有时还有力偶），它使零件
产生弯曲变形
• 在弯曲载荷作用下，零件横截面上的主应力分布的规律是：从表面应力最
大改变到中性轴线处应力为零。并且，中性轴线一侧为拉伸应力，另一侧 为压缩应力。
载荷
• 载荷类型 • 扭转载荷——作用在垂直于零件轴线平面内的力偶，它使零件发生 扭转变形。
应力－强度干涉理论 stress-strength interference
• 应力－强度干涉模型 • 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
• 机械产品的失效主要是耗损型失效，而电子产品的失效主 • • •
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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。 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，其失效统计值很分 散。 机械产品不同失效模式之间往往是相关的，在可靠性分析 是需要考虑其相关性。 由于机械零件的复杂性需要从机 理分析机械产品的可靠性
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• 在扭转载荷作用下，横截面上切应力的分布规律是：从表面最大到横截面
中心处为零（这里讲的“中心点”，是指扭转中心轴线与横截面的交点）
• 剪切载荷——使零件内相邻两截面发生相对错动的作用力。
• 在剪切载荷作用下，力大小沿平行于最小切应力的横截面上均匀的。
载荷
• 载荷类型 • 接触载荷——两个零件表面间的接触有点接触、线接触和面接触。 零件受载后在接触部位的正交压缩载荷称为接触载荷
• 影响强度的因素 • 影响强度的主要因素有材料的机械性能、工艺方法和使用环境等
基本随机变量
• 载荷 • 机械产品所承受的载荷大都是一种不规则的、不能重复的随机性载 荷 ，例如
• 自行车因人的体重和道路的情况差别等原因，其载荷就是随机变量。 • 飞机的载荷不仅与载重量有关，而且飞机重量、飞行速度、飞行状态、气
设计与几何形状及尺寸
• 由于制造（加工、装配）误差是随机变量，所以零、构件
的尺寸也是随机变量 • 设计方案的合理性和设计考虑因素不周到是零件失效的重 要原因之一。例如：
• 轴的台阶处直角形过度，过小的内圆角半径，尖锐的棱边等造成应
力集中，这些应力集中处，有可能成为零件破坏的起源地
• 选材不当是导致失效的另一重要原因 • 设计者仅根据材料的常规性能指标做出决定，而这些指标根本不能 反映材料对所发生的那种类型的失效的抗力
• 零件的失效原因还与材料的内在质量以及机械制造工艺质
量有关。
• 冶金质量 • 机械制造工艺缺陷
使用维护情况
• 主要指使用中的环境影响和操作人员和使用维护的影响 • 如工作环境中的温度、湿度、沙尘、腐蚀液（气）等的影响，操作 人员的熟练程度和维护保养的好坏等。 • 机器的使用和维修状况也是失效分析必须考虑的一个方面 • 机器在使用过程中超载使用，润滑不良，清洁不好，腐蚀生锈，表 面碰伤，在共振频率下使用，违反操作规程，出现偶然事故，没有 定期维修或维修不当等，都会造成零件的早期破坏。
象及驾驶员操作有关。
• 零件的失效通常是由于其所承受的载荷超过了零件在当时状态下的
极限承载能力的结果。 • 零件的受力状况包括：载荷类型、载荷性质，以及载荷在零件中引 起的应力状态。
载荷
• 载荷类型 • 轴向载荷——力在作用在零件的轴线上，大小相等，方向相反，包 括轴向拉伸和轴向压缩载荷
• 在轴向载荷作用下，应力沿横截面的分布式均匀的。
• 例如，滚动轴承工作时，滚子与滚道之间，齿轮传动中轮齿与轮齿之间的
压力都是接触载荷。 • 在接触载荷作用下，主应力与最大切应力之比是不定。
载荷
• 载荷性质 • 载荷的性质可以分为以下几种： • 静载荷——缓缓地施加于零件上的载荷，或恒定的载荷。 • 冲击载荷——以很大速度作用于零件上的载荷，冲击载荷往往表现 为能量载荷。 • 交变载荷——载荷的大小、方向随时间变化的载荷，其变化可以是 周期性的，也可以是无规则的。
和可靠性相关的基本随机变量
• 载荷 • 设计与几何形状及尺寸 • 工作环境 • 材料性能与生产情况 • 使用维护情况
应力和强度
• 应力、强度定义： • 在机械产品中，广义的应力是引起失效的负荷 • 强度是抵抗失效的能力 • 由于影响应力和强度的因素具有随机性，所以应力和强度具有分散 特性
• 影响应力的因素 • 影响应力的主要因素有所承受的外载荷、结构的几何形状和尺寸， 材料的物理特性等
机械产品可靠性设计分析方法
内容提要
• 基本随机变量
• 应力－强度干涉理论 • 应力－强度干涉模型 • 可靠度的一般表达式
• 应力分布的确定 • 强度分布的确定 • 用矩法确定应力和强度的分布 • 一维随机变量 • 多维随机变量 • 可靠度的计算方法 • 应力和强度均为正态分布 • 其它分布类型
机械可靠性的特点