应力强度干涉理论ppt课件

第三章干涉理论和可靠性计算，基本随机变量应力-强度干涉理论应力-强度干涉模型可靠性的一般方程应力分布确定强度分布通过强度分布确定力矩法确定应力和强度分布一维随机变量可靠性计算方法应力和强度均为正态分布其他分布类型，1，基本随机变量， 载荷类型载荷特性设计和几何形状和大小工作环境介质和零件故障保持环境温度和零件故障材料性能和生产使用，2，定义基本随机变量、应力、强度：在机械产品中，广义应力是导致故障的载荷，强度是抵抗故障的能力。 影响应力和强度的因素是随机性的，因此应力和强度具有方差特性。要确定应力和强度的随机特性，首先必须了解影响应力和强度随机性的因素。影响应力的因素影响应力的主要因素包括外部载荷、结构的几何形状和大小、材料的物理特性等影响强度的因素材料的机械特性、技术方法和使用环境等3、基本随机变量、载荷机械产品施加的载荷大部分是不规则的、不可重复的随机载荷，例如自行车取决于人的体重和道路情况，其中载荷是概率变量。飞机载荷不仅与载重有关，还与飞机重量、飞行速度、飞行状态、天气和驾驶员操作有关。零件发生故障通常是因为零件承受的负载超出了当时的极限支撑力。零件的应力状态包括载荷类型、载荷特性和零件中载荷引起的应力状态。4，载荷，载荷类型轴载荷力作用于零件的轴上，大小相同，方向相反的轴向拉伸和轴向压缩(表3-1(a)载荷在轴向载荷下沿横截面分布均匀应力。零件的主应力和最大剪切应力是弯曲载荷垂直于零件轴的载荷(有时还有力对)，它会使零件弯曲变形。弯曲载荷下零件横截面的主应力分布是从表面应力最大变化到中性轴的应力为零的规律。中性轴一侧为拉伸应力，另一侧为压缩应力。5，负载，负载类型扭转负载是互垂于零件轴线平面的力对，可扭转零件并使其变形。扭转负载下，断面的剪应力分布为零，从曲面的最大大小到断面的中心(其中中心点是扭转中心轴线与断面的交点)。剪切载荷是对零件内两个相邻截面产生相对故障的作用力。表3-1(d)表示螺栓在连接接头处剪切，与连接孔壁相互压力。螺钉仍然弯曲，但是如果每个接头面贴合在一起，则可能不会考虑。剪切载荷下，力大小沿与最小剪切应力平行的横截面均匀。6，负载，负载类型接触负载两个零件曲面之间的接触点接触、线接触和面接触。零件负载后，接触部分中的垂直压缩负载称为接触负载(表格3-1(e)。例如，滚动轴承工作时，滚子和滚子之间的齿轮传动中齿和齿轮齿之间的压力都是接触载荷，主应力与接触载荷下最大剪切应力的比率不确定。7，载荷，表3-1载荷基本类型，8，载荷，载荷特性载荷的特性可以分为静态载荷3354慢慢应用于零件的载荷或恒定载荷。冲击载荷以较大速度作用于零件，冲击载荷通常表示为能量载荷。交变载荷载荷的大小，沿时间方向的载荷，其变化可以是周期性的，也可以是不规则的。9，载荷，载荷的特性交变应力的形状对称循环应力等效交变拉伸、压缩和剪切应力(图3-1(a)。如图3-1(b)所示，波动周期应力是应力值从0变化到最大值的单向应力。不对称周期应力应力值从最小变更为最大，最小应力可以是正值(图3-2(c)，也可以是负值。随机循环应力实际操作机器，服务条件可能发生变化，10，载荷，图3-1交变应力的类型，11，设计和几何和大小是制造(加工，装配)误差为随机变量，0，零部件的大小也是随机变量设计方案的合理性和设计注意事项不足的零件失败的重要原因例如：轴上的楼梯过度垂直，内部圆角半径太小、尖锐边等导致应力集中，此类应力集中错误地估计了零件可能成为零件损坏起点的工作条件。例如，作业的超载估计不足、导致错误选取的零件轴承容量不足等失败的另一个重要原因是设计者仅根据材料的一般效能指标做出决定。这些指标完全没有反映材料对所发生类型故障的抵抗力。12、工作环境、环境介质和零件故障环境介质包括气体、液体、液体金属、辐射调查、固体磨料和润滑剂等。这可能导致的部件损坏如表3-2所示。对特定部件故障原因的准确判断必须充分考虑环境介质的影响。环境温度和部件故障环境温度可能导致的部件故障形式和分析思路如图3-2所示。13，工作环境，表3-2环境介质和部件故障，14，工作环境，图3-2温度相关部件故障的分析思路，15，材料性能和生产情况，毛坯生产中产生的缺陷和残余应力，热处理过程中材料的均匀性难度，机械加工对表面质量的影响零件失败的原因还与材料的内部质量和机械制造工艺质量有关。冶金质量指机器制造工艺缺陷，16，使用维护，主要是工作环境中温度、湿度、灰尘、腐蚀液(气体)等的使用和维护影响，以及工人的熟练程度和维护好坏。机器的使用和维修情况也是故障分析需要考虑的一个方面。使用过程中超载使用机器，润滑不良，清洗不好，腐蚀生锈，表面碰撞使用，在谐振频率上使用，违反操作规定，发生偶然性事故，没有定期维修或不当维修等，将导致部件的早期破坏。17，应力-强度干涉理论，应力-强度干涉模型机械产品中零件(组合)是正常还是失败，决定强度和应力的关系。零件(组合)的强度大于应力时，工作正常。如果零件(组合)的强度小于应力，则失败。因此，零件(组合)必须能够在规定的条件和规定的时间内搬运，并且必须满足下一条件S零件(组合)的强度。S零件(组合)中的应力。18，应力-强度干涉模型，实际工程中的应力和强度是分布状态的随机变量，在同一坐标系中表示应力和强度的分布(参见图3-3)，当强度的平均值大于应力的平均值时，在图中阴影部分表示的应力和强度“干涉区域”中可能发生小于应力的强度。这是根据应力和强度干涉情况计算干涉区域中小于应力的概率(失败概率)的模型，称为应力强度干涉模型。在应力强度干涉模型理论中，根据可靠性的定义，可以计算强度大于应力的概率，19，应力-强度干涉模型，图3-3应力-强度干涉模型，20，稳定性的正则表达式，计算干涉区域中强度大于应力的概率可靠性。如图3-4所示，在应力为的情况下，强度大于应力的概率为强度分布密度函数应力在区间内的概率为应力分布密度函数。，21，可靠性的正则表达式，图3-4概率密度函数联合积分查找可靠性，22，可靠性的正则表达式假定为两个独立的随机事件，这两个独立事件同时发生的概率考虑了整个应力区内发生的情况，因为向上应力区内的随机值，强度大于应力的概率(可靠性)、23、确定应力分布、使用FMEA确定需要可靠性计算的重要故障模式，例如静态强度破坏、屈服、不稳定性、过度变形、疲劳、磨损、腐蚀等。确定各种故障模式(例如最大正应力、最大剪切应力、最大变形能量、最大变形、最大磨损等)的相应故障标准。应用相关专业知识，如材料力学、弹塑性理论、有限元分析、断裂力学和实验应力分析等，进行应力分析计算。适当修改计算的标称应力，并确定用于取得相应应力元件最大值的修改系数。常用的应力修正系数包括应力集中系数、负载系数、温度系数、表面处理等。计算主应力或复合应力，并确定通过概率运算、力矩或蒙特卡罗方法获得相应应力分布的应力方程的每个参数和系数的分布。24，应力分析计算，25，确定强度分布，建立与失败应力准则相对应的强度准则，常用的强度准则为最大正应力强度准则、最大剪应力强度准则和最大变形能量强度准则。确定名义强度。公称强度表示在标准测试条件下确定的诗篇强度，通常为强度极限、屈服极限、疲劳极限、变形、应变能和磨损(腐蚀)量。用适当的修正系数修正标称强度，通常考虑的修正系数包括大小系数、曲面质量系数、应力集中系数等。确定通过概率运算、力矩法或蒙特卡洛下落法获得其强度分布的强度方程的所有参数和系数的分布。26，用矩法确定应力和强度的分布参数，通过泰勒级数展开，用矩法近似随机变量函数的均值和标准差。分为一维随机变量和多维随机变量两种情况。3.5.1一维随机变量将y设置为正态分布随机变量x的函数，x的均值和方差使用泰勒级数展开近似y的均值和方差。现在这里的展开是通过力矩法确定应力和强度的分布参数，对自下而上的两边取数学期望值，对线性近似解，28，应力和强度的分布参数用力矩法确定，如果很小的话。自下而上在两侧分布，并采取线性近似解决方案。因为是常数，所以用矩法确定应力和强度的分布参数，多维随机变量将y设置为正态分布随机变量x的函数，知道x的均值和方差，用泰勒级数展开近似解y的均值和方差。现在这里的展开是，如果将应力和强度的分布参数设定为力矩法，对上下两边取数学期望值，取线性近似值，小的话。取上侧分布，取线性近似解，31，矩法确定应力和强度的分布参数，例如圆柱杠杆，已知外力载荷的平均值，标准差：杆截面面积，标准差寻找应力的平均值和标准差。解决方案：应力平均值：32，通过力矩法确定应力和强度的分布参数，应力分布：应力标准偏差：33，可靠性计算方法，应力和强度均使用正态分布的强度应力干涉理论，可靠性定义为大于应力的强度的概率：应力和强度均为正态因为应力和强度都是正态分布，所以正态分布的总和和差(差)仍然根据正态分布的特性，安全裕度正态分布。，34，可靠性计算方法，中：可靠性：标准正态分布格式，自下而上，35，中：可靠性计算方法，(3-1)表明，如果已知应力和强度的分布参数，则可以在正态分布表中验证