可靠性设计-概述、机械强度可靠性、疲劳强度可靠性.ppt

机 械 可 靠 性 设 计,一、可靠性设计概述和基本理论 、可靠性概念 可靠性指产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力,、可靠性相关学科 ）可靠性物理产品失效原因和机理 ）可靠性数学可靠性计算分析方法 ）可靠性工程可靠性分析、设计、试验、使用与维护,、产品可靠性的内涵 ）性能可靠产品性能不会超出设计所规定的范围 ）结构可靠产品在设计所规定的载荷范围内不会出现断裂破损 ）使用可靠产品可稳定按设计所规定的方法和操作步骤实现自身功能 ）寿命可靠产品可在设计所规定的时间周期内稳定运行并按时报废,、可靠性的作用和价值,可靠性是产品质量的一项重要指标,重要关键产品的可靠性问题突出，如航空航天产品；,量大面广的产品，可靠性与经济性密切相关，如洗衣机等；,高可靠性产品，市场竞争力强,产品质量,功能,有效性,可靠性,维修性,固有可靠性,使用可靠性,环境适应性,性能可靠,结构可靠,）可靠性预测根据产品失效数据分 析预测产品在对应所规定条件下、规定时 间内完成规定功能的概率 ）可靠性分配如何依据产品的可靠 性需求和指标，安排其内部零部件的可靠 性，保证产品可靠性达标,、可靠性设计的内容,、可靠性设计的必要性,1）产品复杂密集程度日益提高对产品本身安全性提出更高要求 2）产品责任法使企业必须考虑产品故障所造成的损失，以及由此而引起的法律责任 3）市场竞争全球化，必须重视产品的可靠性。 4）产品维护保养成本随人工费用日益提高。,、可靠性设计相关基本概念和指标,）可靠度 ）失效率（故障率） ）失效模式 ）平均寿命（平均失效时间） ）有效寿命 ）维修度 ）有效度 ）重要度,）、可靠度R(t)：产品在规定条件下和规定的时间内完成规定功能的概率,可靠度记为：R()；R()=P,其中：T为产品寿命；为规定的时间,有下列三个含义： 产品在时间内完成规定的功能 产品在时间内无故障 产品的寿命大于,若N个零件在同样条件下工作，在规定时间内有Nf个失效，剩下Nt个仍继续工作，则 可靠度R(t)为：,失效概率Q(t)为：,显然：,）失效率(t)：产品在规定条件下工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率。,n(t): N件产品t时刻的失效数,n(t+t): N件产品tt时刻的失效数,N:产品总数,失效率简化定义：产品在t时刻后单位时间内失效数与仍可工作产品数的比值,其中，f(t)称故障概率密度函数，是产品失效概率的时间导数.,失效率计算公式,故障概率密度函数与可靠度的关系,因Q（t）=1-R（t） 所以,由,）产品失效模式,产品失效率曲线 浴盆曲线,（2）偶然失效 原因：由非预期的过载、误操作、意外天灾等偶然因素造成。 特点：失效率稳定，恒定,（1）早期失效 原因：设计制造、贮存运输及调试、跑合、起动不当等导致的产品缺陷 特点：失效率递减迅速下降,(3) 功能失效（耗损失效） 原因：产品疲劳老化磨损腐蚀等引起 特点：失效率递增,不同失效模式下失效率的概率分布,早期失效模式的可靠度和失效概率,产品因材料疲劳和强度破坏所导致的失效基于韦布尔分布可以准确描述,失效率：,可靠度：,失效概率：,:形状参数,:尺度参数,产品在试运行阶段失效率呈韦布尔分布,偶然失效模式的可靠度和失效概率,失效率(t)为常数: (t)= ,失效概率密度函数,可靠度,失效概率,产品因偶然因素所导致的失效 可基于指数分布准确描述,产品在稳定运行阶段失效率呈指数分布,功能失效模式的可靠度和失效概率,失效率：,可靠度：,失效概率：,产品因老化所导致的失效可基于正态分布加以描述,产品在功能失效阶段失效率呈正态分布,）、平均寿命（MTBF） 产品失效的平均时间间隔；即产品平均无故障工作时间。,正态分布：,指数分布：,韦布尔分布：,咖 吗 函 数,）有效寿命,产品有效寿命t0,t1,产品偶然失效期失效都是因误操作等偶然因素造成，故该阶段产品可有效工作，这段时间称为产品的有效寿命,）维修度产品可修复概率,产品在规定时间内按照规定程序方法维修，保持或恢复到能完成规定功能状态的概率 , 它成指数分布,）有效度可靠度、维修度的综合 在考虑维修和可修复基础上的产品在某时刻具有和维持其功能的概率,）重要度,概念：产品某单元失效引起产品故障的次数与各单元失效总次数的比值 作用： 产品因某单元失效出现故障的概率 产品某单元对产品可靠性的影响度,可靠性设计的随机变量,1）载荷：产品所承受载荷不是固定不变的，而是依某种规律变化的随机变量。 2）几何尺寸 3）材料机械性能：如强度等多数呈正态分布，有的呈对数正态分布或韦布尔分布。 4）工况变化：环境与工作条件的变化 5）其他不确定因素：如设计方法的改变，假设的变更，用户需求变更,随机变量统计数据的来源 1）真实情况的实测、观察 特点：真实，但耗费人、财、物力 2）真实情况的模拟测试 特点：数据真实性稍差，经济性则比第一种好，但仍然耗费很大。 3）对样件的专门试验 特点：数据不能完全反映真实情况需要修正。,）参考手册等相关文献的数据,二、机械强度可靠性设计 、概念 针对机械产品强度问题，基于可靠性理论，通过对载荷(应力)及强度概率分布规律的研究, 利用满足强度的概率来分析计算产品强度，控制失效概率而形成的设计方法。 、作用和价值 基于载荷(应力)及强度的概率分布规律可以实现对产品强度失效概率的严格控制,保证其满足设计要求。,、传统强度设计方法及不足,安全系数法（许用应力法）,不足： ）安全系数凭经验给定，未准确考虑产品疲劳及偶然因素对强度的影响 ）设计存在误差，安全系数过小导则产品易疲劳损坏，过大则形成结构庞大以及材料和性能浪费,、机械强度可靠性设计方法,）原理：基于强度大于应力的“概率分布规律”分析确定产品的强度可靠性,强度概率计算法,）基本出发点：认为强度是概率密度为g()的随机变量，工作应力是概率密度为f()的随机变量。通过对的概率分析计算得到产品的强度可靠度，进而可衡量产品是否强度可靠。,f()工作应力概率密度函数,工作应力平均值,材料强度的强度平均值,g()材料强度概率密度函数,）强度概率计算法的基本原理,因产品强度可靠必满足 z= 0,则产品强度可靠度可表示为： R=P( z0)= P( - 0),产品的强度可靠度就是 的概率 P( - 0 ),设应力和强度均为随机变量，则 z= - 也为随机变量。,4）应力-强度均正态分布的可靠度计算,当应力与强度均为正态分布时，应力与强度的概率密度函数分别为：,令y=-,根据可靠度定义，可知强度大于应力的概率就是P(y0)。 因，均正态分布，故y也正态分布 ，其概率密度函数为：,对应的可靠度为：,在上式中令,当y=0,则,当y=,可转化为正态分布的标准型,其中,ZR称可靠度指数,通过对ZR的计算，依据ZR的取值通过对标准正态分布表的查询可以得到对应的可靠度,5）应力-强度均为对数正态分布的可靠度,依据应力-强度呈正态分布时，可靠性计算方法，对于应力-强度呈对数正态分布的情况可用类似方法得到其可靠度指数,6）应力为指数分布，强度为正态分布的可靠度,其余应力-强度分布情况的可靠度计算公式见课本页,例：某零件强度 =180MPa，S=22.5MPa， 工作应力 =130MPa；S=13MPa， 且强度和应力均服从正态分布，计算零件失效概率与可靠度。 解：计算可靠度指数,产品的强度可靠度就是 的概率P( - 0 ),因为实际中存在强度和应力在概率分布上存在重叠的情况，既强度和应力之间存在干涉,对于所有情况都适合吗？,X,产品强度概率分布会随使用周期增长而向低偏移，出现强度和应力干涉,应力-强度干涉模型,在干涉区（两概率密度曲线有重叠部分）虽然工作应力平均值远小于 强度平均值，但不能保证工作应力始终不大于极限应力,干涉区,考虑应力强度干涉的强度可靠性分析,对于干涉区中的点，以及其邻域 d/2, +d/2 ,应力出现在区间 d/2, +d/2, 内的概率为：,（- d/2） (d/2)=f()d,同时强度大于的概率为,如果，相互独立，则在干涉区且强度大于应力的概率为上述两概率乘积,若可随机取值则可对应得到可靠度为：,对应的失效概率为：,机械强度可靠性设计过程,疲劳强度可靠性设计,一、疲劳失效的机理,疲劳失效指产品工作一段时间后发生破坏而失效,产品在交变应力的循环作用下逐渐断裂、破损,二、疲劳失效的特点 1）工作应力最大值小于产品屈服强度 2）失效在产品工作一段时间后发生 3）失效周期与应力大小有关，应力大，失效周期短；应力小，失效周期长 4）破坏断面上有光滑区和粗糙区,三、疲劳强度影响因素,1) 零件外形结构上的应力集中 在疲劳强度的分析计算中通过效应 力集中系数k加以体现 K=q(-1)+1 :理论应力集中系数 q：材料敏感系数,2)零件尺寸 在疲劳强度的分析计算中认为它符合正态分布，用尺寸系数来度量, a+b Z a :尺寸的平均值 b ：尺寸的标准方差 Z ：与零件尺寸所呈现的正态分布对应的正态分布标准变量,3) 表面加工质量,由于产品的表面粗糙度因加工方法不同而不同,因此，在疲劳强度的分析计算中用表面质量系数来加以考虑,如果循环应力为剪应力，将上述公式中的正应力换为剪应力即可。,4) 表面强度 因为产品经表面经过处理后疲劳强度有所改善，因此，在疲劳强度的分析计算中用用零件的强化系数来加以度量,的取值可以经过查手册获得,概念： 随时间作周期性变化的应力,四、疲劳失效的循环应力,应力循环:应力每重复变化一次称作一次循环。,应力循环次数:应力重复变化的次数,应力循环曲线:应力与时间的关系曲线,循环应力术语及相关参数,平均应力m：,应力幅a ：,应力循环特征r：, max-最大应力； min-最小应力,循环 应力,稳定循环应力,非稳定循环应力,脉动循环应力,对称循环应力,非对称循环应力,规律性非稳定循环应力,随机性非稳定循环应力,循环应力分类,对称循环应力 r = -1; max- min,脉动循环应力 r =0; min=0,五、疲劳强度可靠性相关概念 1)疲劳强度： 产品无故障所能承受的最大循环应力。,2)疲劳强度可靠性： 产品在规定的寿命内和规定的使用条件下，不发生疲劳破坏的概率。,3)疲劳极限：指产品经过无穷多次应力循环而不发生破坏时的最大应力.,六、N 疲劳曲线,N试件的应力总循环次数,r N 与试件寿命对应的极限应力,疲劳曲线基于点N0分为两个区域： 有限寿命区NN0 的部分 无限寿命区NN0的部分,1、任务和目标： 在规定的寿命内和规定的使用条件下，保证产品不发生疲劳破坏的概率在给定值（可靠度）以上。,八、疲劳强度可靠性设计,2、方法原理： 由于疲劳强度和工作应力都呈正态分布，因此可以依据疲劳强度工作应力的原则通过对如下概率的计算得到产品的可靠度,R = P（s）,具体就是采用与强度可靠性计算类似的方法，通过对可靠度指数Zr的计算，得到可靠度。,因工作应力和疲劳强度都服从正态分布因此，通过计算强度和应力的可靠性指数Z