可靠性工程第14讲第五章 机械零件可靠性设计简介.ppt
可靠性工程第十四讲,College of Nuclear Science and Technology Harbin Engineering University,2007年10月18日,第五章 机械零件可靠性设计简介,第五章 机械零件可靠性设计简介,一、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。,5.1 概述,第五章 机械零件可靠性设计简介,耗损型失效的失效率随事件增长，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 极值分布,第五章 机械零件可靠性设计简介,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。 损坏型：如断裂、变形、塑性变形、裂纹； 退化型：如老化、腐蚀、磨损； 松脱型：如松动、脱焊； 失调型：间隙不当、行程不当、压力不当； 堵塞或渗漏型：如堵塞、漏油、漏气； 功能型：如性能不稳、下降或不正常等。,第五章 机械零件可靠性设计简介,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，造成失效数据的统计困难，像电子产品那样预计其失效率也非常困难。 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。如转动件的过度磨损往往是间隙不当造成的。,第五章 机械零件可靠性设计简介,二、机械产品可靠性工程的特点,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。 长期积累 条理化、规范化 结合失效模式分析提出产品可靠性设计准则,第五章 机械零件可靠性设计简介,注重失效模式分析，以防止出现失效为设计宗旨。通过对失效模式、失效机理的研究，采用改进措施，防止失效的发生，使设计的产品达到预定的可靠性要求。 对可靠性关键件和重要件进行概率设计，确保关键件和重要件的可靠性达到设计要求。,第五章 机械零件可靠性设计简介,注意产品的维修性和使用操作问题。机械产品进入耗损失效阶段时，失效率急剧上升，此时产品的可靠性由提供的维修情况决定。因此，机械产品设计时应考虑使失效容易发现、易于检查、便于维修。 产品的可靠性预计。在相似产品以往可靠性信息的基础上，经分析后选用（失效模式、载荷条件、环境条件和使用条件的差异比较）。,第五章 机械零件可靠性设计简介,在产品研制过程中需重可靠性实验，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，由于其体积大、成本高、费用高等原因不能进行可靠性试验，可采用较低层次（子系统、部件、组件或零件）的可靠性试验，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情况，对其可靠性进行综合评价。,第五章 机械零件可靠性设计简介,5.2 应力强度干涉理论,一、基本概念,结构：是具有某种适用性的，能够承受和传递力的工程构造。 应力-强度模型：考虑到结构承力的特点，从结构失效的物理原因着手，运用概率和统计理论，得出结构可靠性的计算公式。,5.2.1 概述,第五章 机械零件可靠性设计简介,应力：是指对结构功能有影响的各种外界因素，是作用于结构上的外力或载荷（如力、力矩、过载、温度、湿度、冲击、振动、腐蚀和噪声，这些因素倾向于使结构产生破坏）。 在分析计算时，力学中所定义的应力亦然适用，但本质上这种应力是结构对输入量的响应。 结构强度：是指结构承受应力的能力。,第五章 机械零件可靠性设计简介,结构可靠度:结构强度大于施加在它上面的应力的概率。或者说，当施加于结构上的应力大于结构强度时，结构失效。,在结构可靠性问题中，凡是能够应用应力强度模型描述其失效的一切产品统称为结构。这样，可以把应力强度模型推广到机电产品和电子产品。,第五章 机械零件可靠性设计简介,二、基本假设,应力为一非负的随机变量或随机过程。用 或 表示。 强度为一非负的随机变量或随机过程。用 或 表示。 当应力不超过结构强度时，结构被认为是可靠的，否则认为结构失效（故障或破坏）。,第五章 机械零件可靠性设计简介,结构的失效仅由于应力作用而发生。 计算应力和强度的一切公式依然适用，但公式中的确定量均视为随机变量或随机过程。,优点：把应力和强度看作随机变量或随机过程时，能更精确反映出应力和强度本身的客观不确定性、离散性和随时间变化的随机性，从而可用概率统计的方法对结构可靠度或失效概率进行求解。,第五章 机械零件可靠性设计简介,三、应力强度的结构可靠性计算模型分类,应力强度随机变量模型。其中，应力S和强度均为随机变量。 应力强度半随机过程模型。其中，应力S和强度之一为随机过程，而另一个为随机变量。 应力强度全随机过程模型。在该模型中，应力S和强度均以随机过程概率模型描述。,第五章 机械零件可靠性设计简介,静态模型：通常把应力强度随机变量模型称为结构可靠性的静态模型。 忽略了时间因素，认为应力和强度不随时间变化； 是结构可靠性的理想化情况，或者认为应力具有瞬态性质仅对结构产生一次性作用情况。,第五章 机械零件可靠性设计简介,动态模型：半随机过程模型和全随机过程模型通称为结构可靠性的动态模型。 考虑到应力和强度随时间变化，是静态模型的一种扩展； 更为真实地描述了整个寿命期的结构可靠性； 但使结构可靠性的分析计算变得更为复杂。,第五章 机械零件可靠性设计简介,5.2.2 应力强度干涉理论,一、基本概念,结构功能：指结构的负荷能力、适用性能、耐久性能等。 临界状态：结构功能通常以极限状态为标志，结构到达它不能完成预定功能前的一种特殊状态，或称为结构的极限状态。一般分为：承载能力极限状态和正常使用极限状态。,第五章 机械零件可靠性设计简介,对于结构的各种极限状态，均应规定明确的标志及限值。一旦作出了规定之后，这种极限状态便可用结构的功能函数予以精确描述，即,其中， 为描述结构状态的基本变量，诸如材料的力学性质、尺寸、单位质量及环境载荷等，它们在结构计算中是最基本的量。,二、功能函数,第五章 机械零件可靠性设计简介,结构功能函数的取值严格地把结构区分为三种不同的状态：可靠状态、极限状态和失效状态。并定义： ，则结构处于可靠状态； ，则结构处于极限状态； ，则结构处于失效状态；,第五章 机械零件可靠性设计简介,三、结构可靠度数学模型,结构可靠度：通常，描述结构的基本变量为随机变量或随机过程，对静态可靠性模型，取其为随机变量，这样，结构可靠度可描述为结构处于可靠状态的概率，其表达式为：,第五章 机械零件可靠性设计简介,结构的不可靠度或结构的失效概率：,结构处于极限状态的概率为 ：,第五章 机械零件可靠性设计简介,结构可靠度的二态模型：在大多数情况下，描述结构状态的基本变量为连续型随机变量，因此可以认为：功能函数 也是一连续型随机变量，在这种情况下有 ，即只考虑结构的二种状态（可靠状态和失效状态），所以得：,或,第五章 机械零件可靠性设计简介,四、安全余量方程,一般而言，描述结构状态的基本变量按其属性，可归结为二个变量，即强度变量和应力变量。有：,其中， 是与结构强度有关的基本变量，如结构尺寸，材料性质等。,第五章 机械零件可靠性设计简介,是与应力有关的基本变量，如压力、温度、过载等。 此时，结构功能函数可简单表示为：,取简单形式：,功能函数Z表达了结构强度对应力的富裕程度，故称安全余量。上式称为安全方程。,第五章 机械零件可靠性设计简介,五、干涉模型,假设应力和强度是两个独立的连续随机变量，且服从一定的分布。应力的概率密度函数为 ，强度的概率密度函数为 ，则结构可靠度为：,第五章 机械零件可靠性设计简介,应力强度干涉图,干涉区,第五章 机械零件可靠性设计简介,两曲线的重叠区，称为应力和强度的干涉区。 干涉区的存在，表明结构存在失效的可能性，即有一定的失效概率。 干涉区的面积越小，结构的失效概率越低，结构可靠度越高；反之，面积越大，失效概率越高，可靠度越低。但是阴影面积不是失效概率的数值度量。,第五章 机械零件可靠性设计简介,应力强度干涉理论：根据干涉区进行结构可靠度计算的理论称为应力强度干涉理论，这种模型称为干涉模型。,第五章 机械零件可靠性设计简介,设有一应力 施加于结构，在该应力的邻域内，取一宽度为 的小区间，则应力出现在该区间内的概率等于应力概率密度函数下这一区间的面积，即,强度大于定值应力 的概率为：,第五章 机械零件可靠性设计简介,由于假设应力和强度相互独立，可知两独立事件同时发生的概率等于：,即处在 邻域 区间内，有应力强度干涉引起的结构可靠概率。,第五章 机械零件可靠性设计简介,对应应力的所有可能值，强度大于应力的概率为：,结构的失效概率为：,其中， 为强度的分布函数。,第五章 机械零件可靠性设计简介,另外，结构可靠度也可表述为应力小于强度，可推导出：,此时，结构的失效概率为：,其中， 为应力S的分布函数。,第五章 机械零件可靠性设计简介,以上公式推导中，运用了,虽然与概率论的基本原理不一致，但符合所作的基本假设，即随机变量 和 仅在 区间内取值，因而在结构可靠度的计算中，以上公式完全正确。,第五章 机械零件可靠性设计简介,有时候，可以根据功能函数Z直接计算结构的可靠度和失效概率。由于应力和强度是随机变量，功能 也是随机变量，称为功能随机变量或干涉随机变量。利用卷积公式，求出Z的概率密度函数为 ：,当 时，,第五章 机械零件可靠性设计简介,当 时，,式中，积分取Z是为了保证强度为非负随机变量的基本假设。,利用Z的密度函数计算结构的可靠度为：,相应的结构失效概率为：,第五章 机械零件可靠性设计简介,在某些计算中，以强度和应力之比的形式给出功能随机变量Z更为方便，此时有：,根据概率论中随机变量商的分布知识，易知Z的概率密度函数应为：,第五章 机械零件可靠性设计简介,此时，,则结构可靠,则结构处于极限状态,则结构失效,则得出结构可靠度的表达式为：,相应的失效概率表达式为：,第五章 机械零件可靠性设计简介,在结构可靠性问题中，只要应力和强度相互独立，以上公式均可使用，原则上，应选择计算简单和方便的。 大多数情况下，应力和强度看作是相互独立的随机变量是正确的，它使问题变得简单，又与工程实际相符。,第五章 机械零件可靠性设计简介,当应力和强度不能互视为相互独立的随机变量时，（如结构的重量和由重量引起的自重应力），应考虑它们之间的相关性。 设应力和强度的联合密度函数为 ， 则得出结构可靠度的普遍表达式：,相应的失效概率表达式为：,The End,
