第七章机械结构可靠性设计-1

《第七章机械结构可靠性设计-1》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、2可靠性的研究起源于电子设备，因为电子设备比较容易出现故障，但是电子设备发生的故障不一定都会造成后果。机械结构虽然不容易出现故障，但是也可能发生罕见的故障从而造成灾难性的后果。例如大型压力贮罐破裂，锅炉爆炸，飞机失事等，如一九八六年元月二十八日美国“挑战者”号航天飞机点火升空73秒后焚毁，机上七名宇航员全部遇难之事。造成这次悲剧的原因并不是电子设备的故障，而是固体火箭助推器的密封环的可靠性出了问题。3有人可能会认为在进行机械结构设计中使用安全系数就是已经考虑了产品的可靠性。这种想法起码是不全面的，诚然在设计某一种产品时，

2、当选用材料、加工工艺、使用条件完全相同时，设计选用的安全系数越大该产品的可靠性越高。但选用安全系数并不能代替可靠性设计。因为传统设计使用的安全系数是根据经验确定的某一常数。而仅根据安全系数是不能确定产品的可靠度，因此,即使安全系数选得很大也不敢保险产品可靠。4在产品的生产中可能出现两种现象：(1)由於安全系数选的过大，使设计的产品过重，不但浪费材料，还使某些产品如新设计的飞机不能飞行；(2)使采同一安全系数的某一产品上各零件使用寿命的长短相差过大，因此一旦产品产生故障不论淘汰还是维修都是很不经济的。另外，如果需要你提供某

3、机械结构的可靠性，你应采集什么信息？5因此，工程技术人员都应掌握机械结构的可靠性设计方法。机械结构不可靠，即机械结构失效或俗称破坏，常有以下几种情况：1.静强度破坏，2.疲劳强度破坏，3.刚度破坏，4.磨损破坏等。四种情况各有其可靠性设计理论和方法。为了便于大家了解可靠性设计的理论和与传统功能设计的区别。重点介绍机械结构静强度的可靠性设计。6机械结构静强度的可靠性设计既常用又是基础，在了解它的基础上便于学习和掌握其他情况的可靠性设计。§7-1可靠性设计理论传统的设计方法,把零部件的工作载荷,以及尺寸、工作环境、材料强度、

4、加工工艺、结构形式等因素都看成是固定不变的。即把零部件实际承受的载荷x（应力）l和允许承受的应力(强度)x均作为常量。s7可用下图表示：xxxxlsl,s传统的工程设计认为：当x≤x时,零件lS能正常工作，当x>x时,零件工件失效。可靠lS性设计不这样认为，它有着一套自己的科学系统的理论。8一、可靠性设计的两个假设1.零部件在设计中的应力参数如载荷、尺寸及工作环境影响等因素，都不是一个常量，而是遵循某一分布规律的随机变量。如图7-1所示为汽车车架承受的载荷随时间的变化，而不是图7-1常数值。9如材料的机械性能、加工工艺、

5、工作环境等使应力降低的因素都是随机变量，因此,当已知它们的分布时，也可求得合成的失效应力的分布。若该失效的应力符合正态分布，则失效应力的概率密度函数f(x)，见图7-4所示。其图1L中μ为失效应力随机变量X的均值（理想值或LL数学期望）。102.零部件的强度参数各种材料的机械性能(强度)也不是一个常数，而是随机变量，如图7-2所示。图7-2应力—应变曲线波动11可见材料的机械性能、加工工艺、工作环境等使强度降低的因素(同应力)也都是随机变量，因此当已知它们的分布时，也可求得合成的失效强度的分布。若该失效的强度符合正态分布

6、，则失效强度的概率密度函数f(x)，见图7-4所2S示。其图中μ为失效强度随机变量X的SS均值（理想值或数学期望）。12实际上，在工程中以上各失效应力和失效强度都不是一个理想值，而一组离散的随机变量。在工程中常见的分布为正态分布，因此,以上的这两个可靠性设计的假设才是符合实际情况的，见图7-3。图7-3结构可靠性的变化13二、可靠性设计的安全系数传统的设计认为：只要保证加在零件上的失效应力μ小于或等于其失效强度μ即保证LS被设计的零件不失效。工程中为了保险，在设计中不仅取μ＜Lμ而且还将μ和μ之间的距离拉大，即取S，LS

7、μ安全系数C==s1.5Ｃ。如取，则在数轴上不仅使μL得μ在μ的右边，且使它们之间的距离拉大到SL下图中所示的程度。01015xxLSμμLS14但是由于工程中实际存在以上两个假设(应力和强度为随机变量)，因此只考虑拉开合成应力μ点和合成强度点μLs的距离，即盲目加大安全系数Ｃ,也不能保证零部件完全不失效。如图7-4所示，反映了安全系数的相同,但R不同的四种情况。图7-415由图可见：图(a)、(b)是安全的，特别是图(a)安全系数还可以小一些，也可保证零件不失效。图(b)是安全系数选择地刚使零件不失效的情况；图(c)、

8、(d)出现一部分零件的失效（其x、x落在阴lS影部分的零件）。16因此可见，可靠性设计选择的安全系数不仅决定于理想的合成失效应力μ和失效强度Lμ，还决定于它们的离散程度σ和σ。SLS如表7-1中所示，传统的安全系数大的不一定可靠性就高，如序号8和10。表7-117工程设计问题中用安全系数如何根据μ、μ、σ、σ和允许的