可靠性設(shè)計-概述、機械強度可靠性、疲勞強度可靠性

上傳人:san****019 文檔編號:20300413 上傳時間:2021-03-05 格式:PPT 頁數(shù):69 大?。?70.60KB
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1、機 械 可 靠 性 設(shè) 計 一 、 可靠性設(shè)計概述和基本理論 、 可靠性概念 可靠性指 產(chǎn)品 在 規(guī)定條件下 和 規(guī) 定時間 內(nèi)完成 規(guī)定功能 的能力 、可靠性相關(guān)學(xué)科 )可靠性物理 產(chǎn)品失效原因和機理 )可靠性數(shù)學(xué) 可靠性計算分析方法 )可靠性工程 可靠性分析、設(shè)計、試 驗、使用與維護 、產(chǎn)品可靠性的內(nèi)涵 )性能可靠 產(chǎn)品性能不會超 出設(shè)計所規(guī)定的范圍 )結(jié)構(gòu)可靠 產(chǎn)品在設(shè)計所規(guī) 定的載荷范圍內(nèi)不會出現(xiàn)斷裂破損 )使用可靠 產(chǎn)品可穩(wěn)定按設(shè) 計所規(guī)定的方法和操作步驟實現(xiàn)自身功能 )壽命可靠 產(chǎn)品可在設(shè)計所 規(guī)定的時間周期內(nèi)穩(wěn)定運行并按時報廢 、可靠性的作用和價值 可靠性是產(chǎn)品質(zhì)量的一項重要指標

2、 重要關(guān)鍵產(chǎn)品的可靠性問題突出,如 航空航天產(chǎn)品; 量大面廣的產(chǎn)品,可靠性與經(jīng)濟性密 切相關(guān),如洗衣機等; 高可靠性產(chǎn)品,市場競爭力強 產(chǎn)品質(zhì)量 功能 有效性 可靠性 維修性 固有可靠性 使用可靠性 環(huán)境適應(yīng)性 性能可靠 結(jié)構(gòu)可靠 ) 可靠性預(yù)測 根據(jù)產(chǎn)品失效數(shù)據(jù)分 析預(yù)測產(chǎn)品在對應(yīng)所規(guī)定條件下、規(guī)定時 間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率 ) 可靠性分配 如何依據(jù)產(chǎn)品的可靠 性需求和指標,安排其內(nèi)部零部件的可靠 性,保證產(chǎn)品可靠性達標 、可靠性設(shè)計的內(nèi)容 、可靠性設(shè)計的必要性 1)產(chǎn)品復(fù)雜密集程度日益提高對產(chǎn)品 本身安全性提出更高要求 2)產(chǎn)品責(zé)任法使企業(yè)必須考慮產(chǎn)品故 障所造成的損失,以及由此而引起的

3、法律責(zé)任 3)市場競爭全球化,必須重視產(chǎn)品的 可靠性。 4)產(chǎn)品維護保養(yǎng)成本隨人工費用日益 提高。 、可靠性設(shè)計相關(guān)基本概念和指標 )可靠度 )失效率(故障率) )失效模式 )平均壽命(平均失效時間) )有效壽命 )維修度 )有效度 )重要度 )、可靠度 R(t): 產(chǎn)品在規(guī)定條件 下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率 可靠度記為: R( ); R( )=P 其中: T為產(chǎn)品壽命; 為規(guī)定的時間 有下列三個含義: 產(chǎn)品在時間內(nèi)完成規(guī)定的功能 產(chǎn)品在時間內(nèi)無故障 產(chǎn)品的壽命大于 若 N個零件在同樣條件下工作,在規(guī)定時 間內(nèi)有 Nf個失效,剩下 Nt個仍繼續(xù)工作,則 可靠度 R(t)為: N Nf

4、N NfN N NttR 1)( 失效概率 Q(t)為: )(1)( tRNNftQ 1)()( tQtR顯然: )失效率 (t): 產(chǎn)品在規(guī)定條件下 工作到某時刻尚未失效的產(chǎn)品,在該時 刻后單位時間內(nèi)發(fā)生失效的概率。 n(t): N件產(chǎn)品 t時刻的失效數(shù) n(t+ t): N件產(chǎn)品 t t時刻的失效數(shù) N:產(chǎn)品總數(shù) 失效率簡化定義: 產(chǎn)品 在 t時刻后單位時 間內(nèi) 失效數(shù) 與仍 可工作產(chǎn)品數(shù) 的 比值 )( )()( tR tft 其中, f(t)稱故障概率密度函數(shù),是 產(chǎn)品失效概率的時間導(dǎo)數(shù) . 失效率計算公式 )()()( tQtd dtf 故障概率密度函數(shù)與可靠度的關(guān)系 因 Q( t)

5、 =1-R( t) 所以 由 t tftQ 0 )()( t tftR )()( )產(chǎn)品失效模式 產(chǎn)品失效率曲線 浴盆曲線 ( 2)偶然失效 原因:由非預(yù)期的過載、誤操作、意 外天災(zāi)等偶然因素造成。 特點:失效率穩(wěn)定,恒定 ( 1)早期失效 原因:設(shè)計制造、貯存運輸及調(diào)試、 跑合、起動不當(dāng)?shù)葘?dǎo)致的產(chǎn)品缺陷 特點:失效率遞減迅速下降 (3) 功能失效(耗損失效) 原因:產(chǎn)品疲勞老化磨損腐蝕等引起 特點:失效率遞增 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 產(chǎn)品因材料疲勞和強度破壞所導(dǎo)致的 失效基于 韋布爾 分布可以準確描述 失效率: 可靠度: 失效概率: )(1)( tet

6、Q )()(1)( t etQtR 1)()(/)()( tbtRtft :形狀參數(shù) :尺度參數(shù) 產(chǎn)品在試運行階段失效率呈韋布爾分布 偶然失效模式的可靠度和失效概率 tetR )( 失效率 (t)為常數(shù) : (t)= tetRtRttf )()()()( 失效概率密度函數(shù) 可靠度 失效概率 tetRtQ 1)(1)( 產(chǎn)品因偶然因素所導(dǎo)致的失效 可基于指數(shù)分布準確描述 產(chǎn)品在穩(wěn)定運行階段失效率呈指數(shù)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: dtetQ tt 2)(21 2 1)( dtetQtR t t 2 )(21 2 1)(1)( dteetRtft t tt

7、2)( 2 12)( 2 1 /)(/)()( 產(chǎn)品因老化所導(dǎo)致的失效可基于 正態(tài)分布加以描述 產(chǎn)品在功能失效階段失效率呈正態(tài)分布 )、 平均壽命( MTBF) 產(chǎn)品失效的平均時間間隔;即產(chǎn)品 平均無故障工作時間。 0 )( dttRM T B F 正態(tài)分布: 指數(shù)分布: 韋布爾分布: d t d teM T B F t 2)( 2 1 0 0 2 1 /1M TBF 咖 嗎 函 數(shù) )有效壽命 產(chǎn)品有效壽命 t0,t1 產(chǎn)品偶然失效期失效都是因誤操作 等偶然因素造成,故該階段產(chǎn)品可有效 工作,這段時間稱為產(chǎn)品的有效壽命 )維修度 產(chǎn)品可 修復(fù)概率 產(chǎn)品在規(guī)定時間內(nèi)按照規(guī)定程序方 法維修,保持

8、或恢復(fù)到能完成規(guī)定功能 狀態(tài)的概率 , 它成指數(shù)分布 )有效度 可靠度、維修度的綜合 在考慮維修和可修復(fù)基礎(chǔ)上的產(chǎn) 品在某時刻具有和維持其功能的概率 )重要度 概念: 產(chǎn)品某單元失效引起產(chǎn)品故障 的次數(shù)與各單元失效總次數(shù)的比值 作用: 產(chǎn)品因某單元失效出現(xiàn)故障的概率 產(chǎn)品某單元對產(chǎn)品可靠性的影響度 可靠性設(shè)計的隨機變量 1) 載荷: 產(chǎn)品所承受載荷不是固定不變 的 , 而是依某種規(guī)律變化的隨機變量 。 2) 幾何尺寸 3) 材料機械性能: 如強度等多數(shù)呈正態(tài) 分布 , 有的呈對數(shù)正態(tài)分布或韋布爾分布 。 4) 工況變化: 環(huán)境與工作條件的變化 5) 其他不確定因素: 如設(shè)計方法的改變 , 假設(shè)

9、的變更 , 用戶需求變更 隨機變量統(tǒng)計數(shù)據(jù)的來源 1) 真實情況的實測 、 觀察 特點:真實 , 但耗費人 、 財 、 物力 2) 真實情況的模擬測試 特點:數(shù)據(jù)真實性稍差 , 經(jīng)濟性則比 第一種好 , 但仍然耗費很大 。 3) 對樣件的專門試驗 特點:數(shù)據(jù)不能完全反映真實情況需 要修正 。 )參考手冊等相關(guān)文獻的數(shù)據(jù) 二、機械強度可靠性設(shè)計 、 概念 針對機械 產(chǎn)品強度 問題 , 基于 可靠性理 論 , 通過對 載荷 (應(yīng)力 )及 強度概率分布 規(guī)律 的研究 , 利用 滿足強度的概率 來分析計算產(chǎn) 品強度 , 控制失效概率而形成的設(shè)計方法 。 、 作用和價值 基于載荷 (應(yīng)力 )及強度的概率

10、分布規(guī)律可 以實現(xiàn)對產(chǎn)品強度失效概率的嚴格控制 ,保 證其滿足設(shè)計要求 。 、傳統(tǒng)強度設(shè)計方法及不足 安全系數(shù)法(許用應(yīng)力法) n安全系數(shù) 材料極限應(yīng)力許用應(yīng)力工作應(yīng)力 lim 不足 : )安全系數(shù)憑 經(jīng)驗 給定,未準確考 慮產(chǎn)品 疲勞 及 偶然因素 對強度的影響 )設(shè)計存在 誤差 ,安全系數(shù) 過小 導(dǎo) 則產(chǎn)品易 疲勞損壞 , 過大 則形成 結(jié)構(gòu)龐 大 以及 材料和性能浪費 、機械強度可靠性設(shè)計方法 )原理 : 基于 強度大于應(yīng)力 的 “概率 分布規(guī)律” 分析確定產(chǎn)品的強度可靠性 強度概率計算法 ) 基本出發(fā)點 : 認為 強度 是概率 密度為 g()的隨機變量 , 工作應(yīng)力 是概率 密度為 f

11、()的隨機變量 。 通過對 的概 率 分析計算得到產(chǎn)品的 強度可靠度 , 進而 可衡量產(chǎn)品是否強度可靠 。 f()工作應(yīng)力概率密度函數(shù) 工作應(yīng)力平均值 材料強度的強度平均值 g() g() , f() f() g()材料強度概率密度函數(shù) )強度概率計算法的基本原理 因產(chǎn)品強度可靠必滿足 z= 0 則產(chǎn)品強度可靠度可表示為: R=P( z 0)= P( - 0) 產(chǎn)品的強度可靠度就是 的概率 P( - 0 ) 設(shè)應(yīng)力 和強度 均為隨機變量,則 z= - 也為隨機變量。 4) 應(yīng)力 -強度均正態(tài)分布的可靠度計算 2 2 1 e x p 2 1 )( SS f 2 2 1 e x p 2 1 )(

12、SS g 當(dāng)應(yīng)力與強度均為正態(tài)分布時,應(yīng) 力與強度的概率密度函數(shù)分別為: 令 y=-,根據(jù)可靠度定義 , 可知強 度 大于應(yīng)力 的概率就是 P(y0)。 因 , 均正態(tài)分布 , 故 y也正態(tài)分 布 , 其概率密度函數(shù)為: 2 2 1 e x p 2 1 )( y y y S y S yh y 222 sss y 對應(yīng)的可靠度為: dy S y S yPR y y y 0 2 2 1 e x p 2 1 )0( dy S y S yPR y y y 0 2 2 1 e x p 2 1 )0( 在上式中令 y y S yz zyy dsd 當(dāng) y=0 則 y y Sz 當(dāng) y= z 可轉(zhuǎn)化為正態(tài)分

13、布的標準型 yy su Rzdz zyPR )( 2 e x p 2 1)0( 2 其中 22 ssS z y y R Z R稱可靠度指數(shù) 通過對 ZR的計算 , 依據(jù) ZR的取值通 過對標準正態(tài)分布表的查詢可以得到對 應(yīng)的可靠度 5)應(yīng)力 -強度均為對數(shù)正態(tài)分布的可靠度 2222 CCSS Z LL LL LL R RZR 依據(jù) 應(yīng)力 -強度呈 正態(tài)分布時 , 可靠 性計算方法 , 對于 應(yīng)力 -強度呈對數(shù) 正 態(tài)分布的情況可用類似方法得到其可靠 度指數(shù) 6) 應(yīng)力為指數(shù)分布 , 強度為正態(tài)分 布的可靠度 222 2 12 11 S e S S S R 其余應(yīng)力 -強度分布情況的可靠度 計算

14、公式見課本頁 例:某零件強度 =180MPa, S=22.5MPa, 工作應(yīng)力 =130MPa; S=13MPa, 且強度和應(yīng)力均服從正態(tài)分布 , 計算零件失效概率與可靠度 。 解:計算可靠度指數(shù) 924.1135.22 130180 2222 SSZ R 9 7 2 8.09 2 4.1 RZ:R, 可得查正態(tài)分布表 產(chǎn)品的強度可靠度就是 的概率 P( - 0 ) 因為實際中存在強度和應(yīng)力在概率 分布上存在重疊的情況,既 強度 和 應(yīng)力 之間存在 干涉 對于所有情況都適合嗎? X 產(chǎn)品強度概率分布會隨使用周期增長而 向低偏移,出現(xiàn)強度和應(yīng)力干涉 應(yīng)力 -強度干涉模型 在干涉區(qū)( 兩概率密度曲

15、線有重疊部分 ) 雖然工作應(yīng)力平均值 遠小于 強度平均值 , 但不能保證工作應(yīng)力始終不大于極限應(yīng)力 干涉區(qū) 考慮應(yīng)力強度干涉的強度可靠性分析 對于干涉區(qū)中的點 ,以及其鄰域 d/2, +d/2 應(yīng)力 出現(xiàn)在區(qū)間 d/2, +d/2, 內(nèi)的概率為: ( - d/2) ( d/2)=f()d 同時強度 大于 的概率為 dgPR )( 如果 , 相互獨立,則 在 干涉區(qū) 且 強度 大于 應(yīng)力 的概率為 上述兩概率 乘積 dgdf )()( 若 可隨機取值則可對應(yīng)得到可靠度為: ddgfPR )()()( 對應(yīng)的失效概率為: ddfg ddfdg PR )(1)( )()( )( 機械強度可靠性設(shè)計過

16、程 疲勞強度可靠性設(shè)計 一、疲勞失效的機理 疲勞失效指產(chǎn)品工作一段時間 后發(fā)生破壞而失效 產(chǎn)品在交變應(yīng) 力的循環(huán)作用下逐漸斷裂、破損 二、疲勞失效的特點 1)工作應(yīng)力最大值小于產(chǎn)品屈服強度 2)失效在產(chǎn)品工作一段時間后發(fā)生 3)失效周期與應(yīng)力大小有關(guān),應(yīng)力大, 失效周期短;應(yīng)力小,失效周期長 4)破壞斷面上有光滑區(qū)和粗糙區(qū) 三 、 疲勞強度影響因素 1) 零件外形結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力集中 在疲勞強度的分析計算中通過效應(yīng) 力集中系數(shù) k 加以體現(xiàn) K =q( -1)+1 :理論應(yīng)力集中系數(shù) q:材料敏感系數(shù) kr drK )( )( 件的持久限同尺寸有應(yīng)力集中的試 的持久限無應(yīng)力集中的光滑試件 2)零件

17、尺寸 在疲勞強度的分析計算中認為它符合正 態(tài)分布,用尺寸系數(shù) 來度量 , a+b Z a :尺寸的平均值 b :尺寸的標準方差 Z :與零件尺寸所呈現(xiàn)的正態(tài)分布 對應(yīng)的正態(tài)分布標準變量 3) 表面加工質(zhì)量 由于產(chǎn)品的表面粗糙度因加工方法不 同而不同 ,因此,在疲勞強度的分析計算中 用表面質(zhì)量系數(shù) 來加以考慮 dr r )( )( 光滑試件持久限 構(gòu)件持久限 如果循環(huán)應(yīng)力為剪應(yīng)力,將上述公式中 的正應(yīng)力換為剪應(yīng)力即可。 4) 表面強度 因為產(chǎn)品經(jīng)表面經(jīng)過處理后疲勞強 度有所改善,因此,在疲勞強度的分析 計算中用用零件的強化系數(shù) 來加以 度量 的取值可以經(jīng)過查手冊獲得 概念: 隨時間作周期性變化的

18、應(yīng)力 四、疲勞失效的循環(huán)應(yīng)力 應(yīng)力循環(huán) :應(yīng)力每重復(fù)變化一次稱作一 次循環(huán)。 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) :應(yīng)力重復(fù)變化的次數(shù) 應(yīng)力循環(huán)曲線 :應(yīng)力與時間的關(guān)系曲線 循環(huán)應(yīng)力術(shù)語及相關(guān)參數(shù) 平均應(yīng)力 m: 應(yīng)力幅 a : 應(yīng)力循環(huán)特征 r: max-最大應(yīng)力; min-最小應(yīng)力 循環(huán) 應(yīng)力 穩(wěn)定循 環(huán)應(yīng)力 非穩(wěn)定循 環(huán)應(yīng)力 脈動循環(huán)應(yīng)力 對稱循環(huán)應(yīng)力 非對稱循環(huán)應(yīng)力 規(guī)律性非穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力 隨機性非穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力 循環(huán)應(yīng)力分類 對稱循環(huán)應(yīng)力 r = -1; max - min 脈動循環(huán)應(yīng)力 r =0; min=0 五 、 疲勞強度可靠性相關(guān)概念 1)疲勞強度: 產(chǎn)品 無故障所能承受的最大循環(huán)應(yīng)力 。 2)疲勞強

19、度可靠性 : 產(chǎn)品在規(guī)定的壽命內(nèi)和規(guī)定的使用 條件下,不發(fā)生疲勞破壞的概率。 3)疲勞極限 : 指 產(chǎn)品 經(jīng)過無窮多次應(yīng) 力循環(huán)而不發(fā)生破壞時的最大應(yīng)力 . 六、 N 疲勞曲線 N 試件的應(yīng)力總循環(huán)次數(shù) r N 與試件壽命對應(yīng)的極限應(yīng)力 疲勞曲線基于點 N0分為兩個區(qū)域: 有限壽命區(qū) NN0 的部分 無限壽命區(qū) NN0的部分 1、任務(wù)和目標: 在規(guī)定的壽命內(nèi)和規(guī)定的使用條 件下,保證產(chǎn)品不發(fā)生疲勞破壞的概 率在給定值(可靠度)以上。 八、疲勞強度可靠性設(shè)計 2、方法原理: 由于疲勞強度和工作應(yīng)力都呈正態(tài) 分布,因此可以依據(jù) 疲勞強度工作應(yīng)力 的原則通過對如下概率的計算得到產(chǎn)品的 可靠度 R =

20、 P( s) 具體就是采用與強度可靠性計算類 似的方法,通過對 可靠度指數(shù) Zr的計 算,得到可靠度。 .304 3 8 ,4 5 035 3 010 10.: 1 11 5 5 M PaM Pa ,P M PaSM Pa ,N NSR。, NNSR, c cc 應(yīng)力為該軸危險斷面上的彎曲 處 曲線查得由試計算其可靠度處不產(chǎn)生疲勞失效 要求在曲線實驗測得該軸的有一鋼質(zhì)心軸例 M PaSM Pa: 30,438: 工作應(yīng)力解 M P a ,c 5 3 0: 1 疲勞強度 M PaS cc 67.2645031 11 M P aS cc 4 5 03 11 由 29.214.40 9267.263

21、0 43 853 0 2222 1 1 SSZ c c R %9.989 8 9.029.2 R 因工作應(yīng)力和疲勞強度都服從正態(tài) 分布因此,通過 計算強度和應(yīng)力的可靠 性指數(shù) Zr既可獲得對應(yīng)的可靠度 22 ssS z y y R 22 1 1 SSZ c c R 查表 九、提高疲勞強度的措施 盡可能降低產(chǎn)品的應(yīng)力集中,這是提 高零件疲勞強度的首要措施。 在不可避免地要產(chǎn)生較大應(yīng)力集中 的結(jié)構(gòu)處,可采用減載槽來降低應(yīng)力 集中的作用 。 在綜合性能要求和經(jīng)濟性后,采用具 有 高疲勞強度 的材料,并配以適當(dāng)?shù)?熱處理 和各種 表面強化處理 。 適當(dāng) 提高表面質(zhì)量 ,特別是提高有 應(yīng) 力集中部位的表面加工質(zhì)量 ,必要時 表面作適當(dāng)?shù)姆雷o處理 。 盡可能減少或消除產(chǎn)品表面 初始裂紋 的尺寸 ,對于延長零件的疲勞壽命有 著比提高材料性能更為顯著的作用 。

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