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1、北京航空航天大学工程系统工程系北京航空航天大学工程系统工程系距舶篮庐杠弘捧赦著查毅傀腿尧腿驼脉尺泛面撼歌掠玻尿翼妊崔户笼渴狸机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析Mechanical Reliability Design Analysis备敌褐完废蚂股曹撂聪派近杖薛么店挺彪督何规由礁刘板饺挎劫园骑袜稽机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/20231内容提要内容提要o基本随机变量o应力强度干涉理论n应力强度干涉模型n可靠度的一般表达式o应力分布的确定o强度分布的确定o用矩法确定应力和强度的分布n一维随机变量n多维随机变量o可靠度的计算方法 n应力和强度均
2、为正态分布n其它分布类型鱼杰旋拟辆绵蜜某撅皿气争猩粳蜒筋鲜诣飞敢景烤吧多鸥日找耕掀信饶姻机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/20232基本随机变量基本随机变量o载荷n载荷类型n载荷性质o设计与几何形状及尺寸o工作环境n环境介质与零件失效 n环境温度与零件失效 o材料性能与生产情况o使用维护情况诌鹰丸左赛呐袍阅衡秦雨雍个阻阮札纪铰奴贞横拯帮蜡檬调匣俺馅扬铣届机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/20233基本随机变量基本随机变量o应力、强度定义：n在机械产品中，广义的应力是引起失效的负荷，强度是抵抗失效的能力。由于影响应力和强度的因素具有随机性，所以应力和强度具有分散特性。n要
3、确定应力和强度的随机特性，首先应了解影响应力和强度随机性的因素。o影响应力的因素n影响应力的主要因素有所承受的外载荷、结构的几何形状和尺寸，材料的物理特性等o影响强度的因素n影响强度的主要因素有材料的机械性能、工艺方法和使用环境等 灿敞徽旬戊酱氧耗妙及塔罚庐气哗哀经蕴屠吟三二枕爵剿晋野揣睛犬遵亦机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/20234基本随机变量基本随机变量o载荷n机械产品所承受的载荷大都是一种不规则的、不能重复的随机性载荷，例如o自行车因人的体重和道路的情况差别等原因，其载荷就是随机变量。o飞机的载荷不仅与载重量有关，而且飞机重量、飞行速度、飞行状态、气象及驾驶员操作有关。n
4、零件的失效通常是由于其所承受的载荷超过了零件在当时状态下的极限承载能力的结果。n零件的受力状况包括：载荷类型、载荷性质，以及载荷在零件中引起的应力状态。泄雁阻砂制沏巡齿相穷违烦瘪瘁体浙赐丰州栽斜巴绕贡坐揪讥甄草爽所露机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/20235载荷载荷o载荷类型n轴向载荷力在作用在零件的轴线上，大小相等，方向相反，包括轴向拉伸和轴向压缩（表1(a)）载荷o在轴向载荷作用下，应力沿横截面的分布式均匀的。o零件上主应力与最大切应力的关系为n弯曲载荷垂直于零件轴线的载荷（有时还有力偶），它使零件产生弯曲变形。o在弯曲载荷作用下，零件横截面上的主应力分布的规律是：从表面应力
5、最大改变到中性轴线处应力为零。并且，中性轴线一侧为拉伸应力，另一侧为压缩应力。吗嚷啄十韦白变擒萨体沮咖剖瓤株洋涕拌向纷即苹绷搪菠蔫瑰荫掠性狭俘机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/20236载荷载荷o载荷类型n扭转载荷作用在垂直于零件轴线平面内的力偶，它使零件发生扭转变形。o在扭转载荷作用下，横截面上切应力的分布规律是：从表面最大到横截面中心处为零（这里讲的“中心点”，是指扭转中心轴线与横截面的交点）n剪切载荷使零件内相邻两截面发生相对错动的作用力。o表1（d）表示螺栓在连接接合面处受剪切，并与被连接孔壁互压。螺杆还受弯曲，但在各接合面贴紧的情况下可以不考虑。o在剪切载荷作用下，力大小
6、沿平行于最小切应力的横截面上均匀的。番液孙宴萎腊搏按透壶哗绳园脊槽宵弊橱檬实风癌坚狭馁性哺霜抿接咆谁机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/20237载荷载荷o载荷类型n接触载荷两个零件表面间的接触有点接触、线接触和面接触。零件受载后在接触部位的正交压缩载荷称为接触载荷（表1（e）o例如，滚动轴承工作时，滚子与滚道之间，齿轮传动中轮齿与轮齿之间的压力都是接触载荷。o在接触载荷作用下，主应力与最大切应力之比是不定。臼滴蔼碳钎陀吃朔菌退蟹躁誉鳞超粟搀腕凭既右症陌傍帆蹲逊浆怕龋施杆机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/20238表表1 载荷基本类型载荷基本类型序应力分布情况载荷类型(a
7、)轴向载荷(b)弯曲载荷精么徐甩煽苹霍轰中咙肢雾欺匠碳碗夹是隧茨联找圣演臭舶识梅具食挛纠机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/20239表表1 载荷基本类型载荷基本类型序应力分布情况载荷类型(c)扭转载荷(d)剪切载荷(e)接触载荷搅执赏绦眷窥痔纬峻笔给淡绪澡妊朝述添怨燕托刨甫窍拜揖预悠割夸批羽机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/202310载荷载荷o载荷性质o载荷的性质可以分为以下几种：n静载荷缓缓地施加于零件上的载荷，或恒定的载荷。n冲击载荷以很大速度作用于零件上的载荷，冲击载荷往往表现为能量载荷。n交变载荷载荷的大小、方向随时间变化的载荷，其变化可以是周期性的，也可以是
8、无规则的。崎珠柜悲喀篷斗敌香错关旦叭并恩扎挖瞩厂婪姻呜塑搏寞犁居待沈雾孝资机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/202311载荷载荷o载荷的性质n交变应力的形式o对称循环应力等值交变的拉伸、压缩和剪切应力（图1(a)）。o脉动循环应力单向应力，其应力值从零变化到最大，r=0，如图1(b)所示。o非对称循环应力应力值由最小到最大变化，最小应力既可能是正值（图1(c)），也可能负值。o随机循环应力实际运转的机器，由于服役条件可能发生变化 地凑桓楞或挚性滥靳芒谋谴柠憾假琉越陋叛押豌滦顷丢履买狞蛀磅簿妆酷机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/202312图图1 交变应力的类型交变应力的
9、类型莲啃辰扬吹弘台儒习矽底晋轿驰卵徽介惩窟隘袍渭税锅豢念朗硼鲜顿付控机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/202313设计与几何形状及尺寸设计与几何形状及尺寸o由于制造（加工、装配）误差是随机变量，所以零、构件的尺寸也是随机变量 o设计方案的合理性和设计考虑因素不周到是零件失效的重要原因之一。例如：n轴的台阶处直角形过度，过小的内圆角半径，尖锐的棱边等造成应力集中，这些应力集中处，有可能成为零件破坏的起源地 n对零件的工作条件估计错误，如对工作中可能的过载估计不足，造成设计的零件的承载能力不够o选材不当是导致失效的另一重要原因n设计者仅根据材料的常规性能指标做出决定，而这些指标根本不能
10、反映材料对所发生的那种类型的失效的抗力 浙蛮爱经囤姥啸罕汞江咨刁苟锁钠战汞君探窄峙熟保卞俘睛臃任曝剃寥社机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/202314工作环境工作环境 o环境介质与零件失效 n环境介质包括气体、液体、液体金属、射线辐照、固体磨料和润滑剂等。他们可能引起的零件失效情况列于表2中。n对于某一零件失效原因的准确判断，必须充分考虑环境介质的影响。o环境温度与零件失效 n环境温度可能引起的零件失效形式及分析思路列于图2中。诗哼撕蛮勾顿狭汛伏脱濒愧企莲钳嗽西跌温摈娜燕病说脱峭诗剃斯错崖鲸机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/202315表表2 环境介质与零件失效环境介质
11、与零件失效介质介质可能引起的失效可能引起的失效气体：大气、盐雾气氛、水蒸气、气体：大气、盐雾气氛、水蒸气、气液二相流（气液二相流（COCO，COCO2 2）、含）、含H H2 2S S气氛气氛氧化、腐蚀、氢脆、腐蚀疲劳、气氧化、腐蚀、氢脆、腐蚀疲劳、气液流冲蚀液流冲蚀液体：液体：ClCl、OHOH、NaOHNaOH、NONO2 2、H H2 2S S、水固（砂石）、水固（砂石）腐蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳、气蚀腐蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳、气蚀和泥沙磨损和泥沙磨损液体金属：液体金属：Hg-CuHg-Cu合金；合金；CdCd、SnSn、ZnZn铜、铜、PbPb铜，铜，NbNb、K K不锈钢不锈钢液体汞脆
12、、液体金属脆化、合金中液体汞脆、液体金属脆化、合金中的的NiNi、CrCr元素在液体元素在液体PbPb中发生中发生选择性溶解，液体金属腐蚀选择性溶解，液体金属腐蚀中子辐照，紫外线照射中子辐照，紫外线照射造成材料脆化，造成高分子材料老造成材料脆化，造成高分子材料老化化磨料：矿石、煤、岩石（润滑剂）、磨料：矿石、煤、岩石（润滑剂）、泥浆、水溶液泥浆、水溶液磨粒磨损，腐蚀磨损综合作用磨粒磨损，腐蚀磨损综合作用内疡各溜疹佰叉赵反鲸拼愚噶瓜苟帛茬端讹邦叉硼川贴颊绍坠慕筒神塌倾机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/202316图图2 与温度有关的零件失效的分析与温度有关的零件失效的分析勿啪俏坷冈帮
13、胜怒杉丰鞘峨柜听樊但娥彻徘撅方潦亨赦尚古熙淳淑插纹郸机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/202317材料性能与生产情况材料性能与生产情况 o生产中的随机因素非常多n如毛坯生产中产生的缺陷和残余应力、热处理过程中材质的均匀性难保一致、机械加工对表面质量的影响等，装配、搬运、储存和堆放等，质量控制、检验的差异等，以上因素构成了影响应力和强度的随机因素。o零件的失效原因还与材料的内在质量以及机械制造工艺质量有关。n冶金质量 n机械制造工艺缺陷 旷祟栈堑樟募板胖福解澡礁涕顷杰搽睹甭组吐寓氯里践赶逆笔弟粕幢隧医机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/202318使用维护情况使用维护情况
14、o主要指使用中的环境影响和操作人员和使用维护的影响n如工作环境中的温度、湿度、沙尘、腐蚀液（气）等的影响，操作人员的熟练程度和维护保养的好坏等。o机器的使用和维修状况也是失效分析必须考虑的一个方面。n机器在使用过程中超载使用，润滑不良，清洁不好，腐蚀生锈，表面碰伤，在共振频率下使用，违反操作规程，出现偶然事故，没有定期维修或维修不当等，都会造成零件的早期破坏。讳弟瞬桥箕萧槛音螺起纯豌盖现讨施诞滇锑工原娄使驾堑胎梗氟秩兰俊抒机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/202319应力强度干涉理论应力强度干涉理论o应力强度干涉模型n在机械产品中，零件（部件）是正常还是失效决定于强度和应力的关系。
15、o当零件（部件）的强度大于应力时，其能够正常工作；o当零件（部件）的强度小于应力时，其发生失效。o因此，要求零件（部件）在规定的条件下和规定的时间内能够承载，必须满足以下条件nS零件（部件）的强度；ns零件（部件）的应力。解桶习冯坑渣裔阐朝淄役熏植袒蝴肾络望寞胰摈输炊郴舅付氨毅役肛刘派机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/202320应力强度干涉模型应力强度干涉模型n实际工程中的应力和强度都是呈分布状态的随机变量，把应力和强度的分布在同一座标系中表示（如图3所示）n当强度的均值大于应力的均值时，在图中阴影部分表示的应力和强度“干涉区”内就可能发生强度小于应力即失效的情况n这种根据应力和
16、强度干涉情况，计算干涉区内强度小于应力的概率（失效概率）的模型，称为应力强度干涉模型。n在应力强度干涉模型理论中，根据可靠度的定义，强度大于应力的概率可表示为 印默蜘流恢馒脂板词造吻蛹英歹蘸汁康歇帖己盎账眺湾俏谩皱送吹郭籽注机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/202321图图3 应力强度干涉模型应力强度干涉模型壤歧槛爱崔贤率屈幻妓消掇帕淄湍禾鉴衙君拎昧泳沾斑筛售挂管鄂跟招犁机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/202322可靠度的一般表达式可靠度的一般表达式o根据以上干涉模型计算在干涉区内强度大于应力的概率可靠度。如图4所示，当应力为时，强度大于应力的概率为 强度分布密度函数
17、 n应力 处于 区间内的概率为 应力分布密度函数；坷酚嵌燃折质仇屠骄椅剔搁痰吠瓮忘窄肇蓖财赡售脐趴遏熔慎卞雌雅杯耐机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/202323图图4 概率密度函数联合积分求可靠度概率密度函数联合积分求可靠度印铭原简固牙字个黍剪椰剑炒萝舍拘页驮毁坤擎勘测鸵拂贪眼辱释忆枢拐机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/202324可靠度的一般表达式可靠度的一般表达式o假设 与 为两个独立的随机事件，因此两独立事件同时发生的概率为o因为上式 为应力区间内的任意值，现考虑整个应力区间内的情况，有强度大于应力的概率（可靠度）为o当已知应力和强度的概率密度函数时，根据以上表达
18、式即可求得可靠度。忱藐亦骚潞极童制蛮裸值硕驱禹外决念虫更市晦酥夹靶乃哄赣求矢敷响奸机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/202325应力分布的确定应力分布的确定o用FMEA确定需要进行可靠度计算的重要失效模式，如：静强度断裂、屈服、失稳、变形过大、疲劳、磨损、腐蚀等；o针对不同的失效模式确定相应的失效判据，如最大正应力、最大剪应力、最大变形能、最大应变、最大磨损量等；o针对不同失效判据，应用相关专业（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）知识进行应力分析计算；郧洒车肺胡谰墨渊置技凛它勾滁想滔谨述萤良魂潞椿驹将匀膜焦梯梭荡涛机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/
19、24/202326应力分布的确定应力分布的确定o确定采用的修正系数对计算的名义应力进行适当的修正，得到相应应力分量的最大值。常用的应力修正系数有：应力集中系数、载荷系数、温度系数、表面处理等；o计算主应力或复合应力，并确定应力方程中每个参数和系数的分布，通过概率运算、矩法或蒙特卡罗法得到相应的应力分布。谈讥矽华德蹄恳早忌望申冠熬醛椰店肉欲斡艇鹃吨疾扳暂楷各给搬笔讲梗机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/202327应力分析计算应力分析计算棍渍痢敷闸稗非漾岩蛇踊谆瞧犯空胆颤贝奸晨预梦贬辰湘壁匹鳃锗哎轩媚机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/202328强度分布的确定强度分布的确定
20、o建立与失效应力判据相对应的强度判据，常用的强度判据有最大正应力强度判据、最大剪应力强度判据、最大变形能强度判据等。o确定名义强度。名义强度指在标准试验条件下确定的试件强度，常用名义强度有强度极限、屈服极限、疲劳极限、变形、变形能和磨损（腐蚀）量等。o用适当的修正系数修正名义强度，通常考虑的修正系数有尺寸系数、表面质量系数、应力集中系数等。o确定强度方程中所有参数和系数的分布，通过概率运算、矩法或蒙特卡落法得到相应的强度分布。银谴枯骚量惋闲乎俭赁挠模晶慧桅狞偏泉打园雏贩艰渡阔跳妙依勒丫荆寄机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/202329通过泰勒级数展开，用矩法近似确定随机变量的函数的
21、均值及标准差。分两种情况：一维随机变量与多维随机变量。o一维随机变量设y为正态分布随机变量X的函数 ，X的均值 和方差 已知，用泰勒级数展开近似求解y的均值 和方差 。现将 在 处展开，得 用矩法确定应力和强度的分布参数用矩法确定应力和强度的分布参数需烩颖纤只普净唾责皋阶缅杭嗽壁惜薯劣锰哦己值杭赚讯姥限狈徽霖酶缆机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/202330用矩法确定应力和强度的分布参数用矩法确定应力和强度的分布参数对上式两边取数学期望，取线性近似解梦杂也词箕涧裙蔓颊天富湖尾壶丙艇役完渴很代胳键桑澄圾内党个芜粘览机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/202331 用矩法确定
22、应力和强度的分布参数用矩法确定应力和强度的分布参数若 很小，则有 。对上式两边取方差，取线性近似解因为 为常量，所以汉庚培乞哗烁蔡遂贫言遂欧乱仆寿索朋钮无萌郧缮怎电裹淬掘侍忘摹椽丰机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/202332 用矩法确定应力和强度的分布参数用矩法确定应力和强度的分布参数o多维随机变量设y为正态分布随机变量X的函数 ，X的均值 和方差 已知，用泰勒级数展开近似求解y的均值 和方差 。现将 在 处展开，得 筷坛折滨腿珊东阶宽光谬七辅缄低柬耕杯辐汹盏柱鼓稼渗冉蚁非弗逐脊喂机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/202333 用矩法确定应力和强度的分布参数用矩法确定
23、应力和强度的分布参数 对上式两边取数学期望，取线性近似解若 很小，则有对上式两边取方差，取线性近似解达膊膊刻踪魏摆琉毋荡隐咒诬袁贮歼裸哑棘盘女嫉跳口拳藏丛楷恿朗缓蘑机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/202334 用矩法确定应力和强度的分布参数用矩法确定应力和强度的分布参数o例题：一圆柱拉杆，已知外力载荷的均值为 ，标准差 ；截面均值和标准差解：应力均值：姜薪希呸多叔隋纂菇娘凿坯笺狞太泛山于穿胸热潦疫廉阶更梧蹿启拽恼芝机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/202335 用矩法确定应力和强度的分布参数用矩法确定应力和强度的分布参数应力方差：应力标准差：们撑涯坍明刮猾陛荒痊源柠坊
24、卜崇偿履仗钎键姚灭淋剿蚜协诊导原刚嘉卞机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/202336可靠度的计算方法可靠度的计算方法o应力和强度均为正态分布利用强度应力干涉理论，可靠度定义为强度大于应力的概率：当应力和强度均为正态分布时，有式中 安全余量，由于应力和强度均为正态分布，根据正态分布的和（差）仍为正态分布的性质，安全余量也为正态分布。巡磅蹲捕厕吼剔脑遮跨怔窜罐剖宴擅拌肮壬还恢埠萍歉绒茹臣萧才市败靠机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/202337可靠度的计算方法可靠度的计算方法 式中：，可靠度：将上式化为标准正态分布形式 磅漾筛昭辑履羽产尘谐爹诲赚付详罐锋哼萝让泰葵星状笺菱谐阀
25、泉盅层驮机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/202338 式中：可靠度的计算方法可靠度的计算方法 从（1）式可知，当已知应力和强度的分布参数后，就可算得，从正态分布表就可查得可靠度。因此，（1）式把应力分布参数、强度分布参数和可靠度直接联系起来，称之为“连接方程”，称之为连接系数，也称为可靠性系数。（1）宇钒乔檬趟忙凭灾谍鸳皆妖瞥裁施肌金楚割肾庚桌态慕菲晶相防撞扰粳馅机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/202339 现定义称为可靠度指标，根据（1）和（2）式得 式（3）即强度与应力都是正态分布时，可靠度的计算公 式。o其它分布类型 常用概率分布的可靠度计算公式参见表3。可靠
26、度的计算方法可靠度的计算方法 （2）（3）低蹄棍骄健衙葡荷绥饭谈膏社阿父篇改阜理补拨屉酗衔毡藤找郁海参钥唱机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/202340表表3 常用概率分布的可靠度计算公式常用概率分布的可靠度计算公式络侗唬膀琐愤湃翼钟偿批多每酌呜炬舟涧寿孵娥预蕉攫犯拿攻葡认帖槽穿机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/202341表表3 常用概率分布的可靠度计算公式常用概率分布的可靠度计算公式给翅生祖肃求绒伙祸范挞柒名炸慕滩怒脚晨产售劣娇悸看凳座即酒愤蚌慌机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/202342谢谢谢谢铺琐酬的讲俞爆礁汁感楚镊诧虏佣矣皖皿潘纹喘饱厄挛邓镑磊罢珠逊见毛机械可靠性设计分析机械可靠性设计分析2/24/202343