可靠性工程第14讲

《可靠性工程第14讲》由会员分享，可在线阅读，更多相关《可靠性工程第14讲（42页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、-1-College of Nuclear Science and Technology可靠性工程可靠性工程第十四讲第十四讲张志俭张志俭College of Nuclear Science and TechnologyHarbin Engineering University-2-College of Nuclear Science and Technology2007年年10月月18日日第五章第五章 机械零件可靠性设计机械零件可靠性设计简介简介-3-College of Nuclear Science and Technology第五章第五章 机械零件可靠性设计简介机械零件可靠性设计简介一、

2、机械产品可靠性的特点一、机械产品可靠性的特点n 机械产品的失效主要是耗损型失效（例如疲劳、机械产品的失效主要是耗损型失效（例如疲劳、老化、磨损和强度退化等），而电子产品的失效主老化、磨损和强度退化等），而电子产品的失效主要是由于偶然因素造成。要是由于偶然因素造成。5.1 概述概述-4-College of Nuclear Science and Technology第五章第五章 机械零件可靠性设计简介机械零件可靠性设计简介n 耗损型失效的失效率随事件增长，所以机械产耗损型失效的失效率随事件增长，所以机械产品的失效率随时间的变化一般不是恒定值，符合这品的失效率随时间的变化一般不是恒定值，符合这一

3、特性的分布有：一特性的分布有：正态分布正态分布 威布尔分布威布尔分布 对数正态分布对数正态分布 极值分布极值分布-5-College of Nuclear Science and Technology第五章第五章 机械零件可靠性设计简介机械零件可靠性设计简介n 机械产品的失效模式很多，甚至同一零部件有机械产品的失效模式很多，甚至同一零部件有多种重要的失效模式。多种重要的失效模式。损坏型：如断裂、变形、塑性变形、裂纹；损坏型：如断裂、变形、塑性变形、裂纹；退化型：如老化、腐蚀、磨损；退化型：如老化、腐蚀、磨损；松脱型：如松动、脱焊；松脱型：如松动、脱焊；失调型：间隙不当、行程不当、压力不当；失调

4、型：间隙不当、行程不当、压力不当；堵塞或渗漏型：如堵塞、漏油、漏气；堵塞或渗漏型：如堵塞、漏油、漏气；功能型：如性能不稳、下降或不正常等。功能型：如性能不稳、下降或不正常等。-6-College of Nuclear Science and Technology第五章第五章 机械零件可靠性设计简介机械零件可靠性设计简介n 机械产品的组成零部件多是非标准件，其失效机械产品的组成零部件多是非标准件，其失效统计值很分散，造成失效数据的统计困难，像电子统计值很分散，造成失效数据的统计困难，像电子产品那样预计其失效率也非常困难。产品那样预计其失效率也非常困难。n 机械产品的不同失效模式之间往往是相关的，

5、机械产品的不同失效模式之间往往是相关的，在进行可靠性分析时需要考虑失效模式相关性。如在进行可靠性分析时需要考虑失效模式相关性。如转动件的过度磨损往往是间隙不当造成的。转动件的过度磨损往往是间隙不当造成的。-7-College of Nuclear Science and Technology第五章第五章 机械零件可靠性设计简介机械零件可靠性设计简介二、机械产品可靠性工程的特点二、机械产品可靠性工程的特点n 强调根据以往的工程实践经验为基础，制定可强调根据以往的工程实践经验为基础，制定可靠性设计准则，并指导机械产品的可靠性设计。靠性设计准则，并指导机械产品的可靠性设计。长期积累长期积累 条理化、

6、规范化条理化、规范化 结合失效模式分析提出产品可靠性设计准则结合失效模式分析提出产品可靠性设计准则-8-College of Nuclear Science and Technology第五章第五章 机械零件可靠性设计简介机械零件可靠性设计简介n 注重失效模式分析，以防止出现失效为设计宗注重失效模式分析，以防止出现失效为设计宗旨。通过对失效模式、失效机理的研究，采用改进旨。通过对失效模式、失效机理的研究，采用改进措施，防止失效的发生，使设计的产品达到预定的措施，防止失效的发生，使设计的产品达到预定的可靠性要求。可靠性要求。n 对可靠性关键件和重要件进行概率设计，确保对可靠性关键件和重要件进行概

7、率设计，确保关键件和重要件的可靠性达到设计要求。关键件和重要件的可靠性达到设计要求。-9-College of Nuclear Science and Technology第五章第五章 机械零件可靠性设计简介机械零件可靠性设计简介n 注意产品的维修性和使用操作问题。机械产品注意产品的维修性和使用操作问题。机械产品进入耗损失效阶段时，失效率急剧上升，此时产品进入耗损失效阶段时，失效率急剧上升，此时产品的可靠性由提供的维修情况决定。因此，机械产品的可靠性由提供的维修情况决定。因此，机械产品设计时应考虑使失效容易发现、易于检查、便于维设计时应考虑使失效容易发现、易于检查、便于维修。修。n 产品的可靠

8、性预计。在相似产品以往可靠性信产品的可靠性预计。在相似产品以往可靠性信息的基础上，经分析后选用（失效模式、载荷条件、息的基础上，经分析后选用（失效模式、载荷条件、环境条件和使用条件的差异比较）。环境条件和使用条件的差异比较）。-10-College of Nuclear Science and Technology第五章第五章 机械零件可靠性设计简介机械零件可靠性设计简介n 在产品研制过程中需重可靠性实验，必要时需在产品研制过程中需重可靠性实验，必要时需进行现场可靠性试验，或收集使用现场的失效信息。进行现场可靠性试验，或收集使用现场的失效信息。对于复杂的机械产品，由于其体积大、成本高、费对于复

9、杂的机械产品，由于其体积大、成本高、费用高等原因不能进行可靠性试验，可采用较低层次用高等原因不能进行可靠性试验，可采用较低层次（子系统、部件、组件或零件）的可靠性试验，综（子系统、部件、组件或零件）的可靠性试验，综合试验结果、应力分析结果和类似产品的可靠性数合试验结果、应力分析结果和类似产品的可靠性数据及产品现场使用情况，对其可靠性进行综合评价。据及产品现场使用情况，对其可靠性进行综合评价。-11-College of Nuclear Science and Technology第五章第五章 机械零件可靠性设计简介机械零件可靠性设计简介5.2 应力强度干涉理论应力强度干涉理论一、基本概念一、基

10、本概念n 结构：是具有某种适用性的，能够承受和传递结构：是具有某种适用性的，能够承受和传递力的工程构造。力的工程构造。n 应力应力-强度模型：考虑到结构承力的特点，从结强度模型：考虑到结构承力的特点，从结构失效的物理原因着手，运用概率和统计理论，得构失效的物理原因着手，运用概率和统计理论，得出结构可靠性的计算公式。出结构可靠性的计算公式。5.2.1 概述概述-12-College of Nuclear Science and Technology第五章第五章 机械零件可靠性设计简介机械零件可靠性设计简介n 应力：是指对结构功能有影响的各种外界因素，应力：是指对结构功能有影响的各种外界因素，是作

11、用于结构上的外力或载荷（如力、力矩、过载、是作用于结构上的外力或载荷（如力、力矩、过载、温度、湿度、冲击、振动、腐蚀和噪声，这些因素温度、湿度、冲击、振动、腐蚀和噪声，这些因素倾向于使结构产生破坏）。倾向于使结构产生破坏）。在分析计算时，力学中所定义的应力亦然适用，在分析计算时，力学中所定义的应力亦然适用，但本质上这种应力是结构对输入量的响应。但本质上这种应力是结构对输入量的响应。n 结构强度：是指结构承受应力的能力。结构强度：是指结构承受应力的能力。-13-College of Nuclear Science and Technology第五章第五章 机械零件可靠性设计简介机械零件可靠性设计

12、简介n 结构可靠度结构可靠度:结构强度大于施加在它上面的应力结构强度大于施加在它上面的应力的概率。或者说，当施加于结构上的应力大于结构的概率。或者说，当施加于结构上的应力大于结构强度时，结构失效。强度时，结构失效。在结构可靠性问题中，凡是能够应用应力强度模在结构可靠性问题中，凡是能够应用应力强度模型描述其失效的一切产品统称为结构。这样，可以型描述其失效的一切产品统称为结构。这样，可以把应力强度模型推广到机电产品和电子产品。把应力强度模型推广到机电产品和电子产品。-14-College of Nuclear Science and Technology第五章第五章 机械零件可靠性设计简介机械零件

13、可靠性设计简介二、基本假设二、基本假设n 应力为一非负的随机变量或随机过程。用应力为一非负的随机变量或随机过程。用 或或 表示。表示。n 强度为一非负的随机变量或随机过程。用强度为一非负的随机变量或随机过程。用或或 表示。表示。n 当应力不超过结构强度时，结构被认为是可靠当应力不超过结构强度时，结构被认为是可靠的，否则认为结构失效（故障或破坏）。的，否则认为结构失效（故障或破坏）。SS(t)(t-15-College of Nuclear Science and Technology第五章第五章 机械零件可靠性设计简介机械零件可靠性设计简介n 结构的失效仅由于应力作用而发生。结构的失效仅由于应

14、力作用而发生。n 计算应力和强度的一切公式依然适用，但公式计算应力和强度的一切公式依然适用，但公式中的确定量均视为随机变量或随机过程。中的确定量均视为随机变量或随机过程。优点：优点：把应力和强度看作随机变量或随机过程时，把应力和强度看作随机变量或随机过程时，能更精确反映出应力和强度本身的客观不确定性、能更精确反映出应力和强度本身的客观不确定性、离散性和随时间变化的随机性，从而可用概率统计离散性和随时间变化的随机性，从而可用概率统计的方法对结构可靠度或失效概率进行求解的方法对结构可靠度或失效概率进行求解。-16-College of Nuclear Science and Technology第

15、五章第五章 机械零件可靠性设计简介机械零件可靠性设计简介三、应力强度的结构可靠性计算模型分类三、应力强度的结构可靠性计算模型分类 n 应力强度随机变量模型。其中，应力应力强度随机变量模型。其中，应力S S和强度和强度均为随机变量。均为随机变量。n 应力强度半随机过程模型。其中，应力应力强度半随机过程模型。其中，应力S S和强和强度度之一为随机过程，而另一个为随机变量。之一为随机过程，而另一个为随机变量。n 应力强度全随机过程模型。在该模型中，应力应力强度全随机过程模型。在该模型中，应力S S和强度和强度均以随机过程概率模型描述。均以随机过程概率模型描述。-17-College of Nucle

16、ar Science and Technology第五章第五章 机械零件可靠性设计简介机械零件可靠性设计简介静态模型：静态模型：通常把应力强度随机变量模型称为结构通常把应力强度随机变量模型称为结构可靠性的静态模型。可靠性的静态模型。n 忽略了时间因素，认为应力和强度不随时间变化；忽略了时间因素，认为应力和强度不随时间变化；n 是结构可靠性的理想化情况，或者认为应力具有是结构可靠性的理想化情况，或者认为应力具有瞬态性质仅对结构产生一次性作用情况。瞬态性质仅对结构产生一次性作用情况。-18-College of Nuclear Science and Technology第五章第五章 机械零件可靠

17、性设计简介机械零件可靠性设计简介动态模型：动态模型：半随机过程模型和全随机过程模型通称半随机过程模型和全随机过程模型通称为结构可靠性的动态模型。为结构可靠性的动态模型。n 考虑到应力和强度随时间变化，是静态模型的一考虑到应力和强度随时间变化，是静态模型的一种扩展；种扩展；n 更为真实地描述了整个寿命期的结构可靠性；更为真实地描述了整个寿命期的结构可靠性；n 但使结构可靠性的分析计算变得更为复杂。但使结构可靠性的分析计算变得更为复杂。-19-College of Nuclear Science and Technology第五章第五章 机械零件可靠性设计简介机械零件可靠性设计简介5.2.2 应力

18、强度干涉理论应力强度干涉理论一、基本概念一、基本概念n 结构功能：指结构的负荷能力、适用性能、耐结构功能：指结构的负荷能力、适用性能、耐久性能等。久性能等。n 临界状态：结构功能通常以极限状态为标志，临界状态：结构功能通常以极限状态为标志，结构到达它不能完成预定功能前的一种特殊状态，结构到达它不能完成预定功能前的一种特殊状态，或称为结构的极限状态。一般分为：承载能力极限或称为结构的极限状态。一般分为：承载能力极限状态和正常使用极限状态。状态和正常使用极限状态。-20-College of Nuclear Science and Technology第五章第五章 机械零件可靠性设计简介机械零件可

19、靠性设计简介n 对于结构的各种极限状态，均应规定明确的标对于结构的各种极限状态，均应规定明确的标志及限值。一旦作出了规定之后，这种极限状态便志及限值。一旦作出了规定之后，这种极限状态便可用结构的功能函数予以精确描述，即可用结构的功能函数予以精确描述，即),.,(21nxxxgZ 其中，其中，为描述结构状态的基本变量，为描述结构状态的基本变量，诸如材料的力学性质、尺寸、单位质量及环境载荷诸如材料的力学性质、尺寸、单位质量及环境载荷等，它们在结构计算中是最基本的量。等，它们在结构计算中是最基本的量。),.,2,1(nixi二、功能函数二、功能函数-21-College of Nuclear Sci

20、ence and Technology第五章第五章 机械零件可靠性设计简介机械零件可靠性设计简介结构功能函数的取值严格地把结构区分为三种不同结构功能函数的取值严格地把结构区分为三种不同的状态：可靠状态、极限状态和失效状态。并定义：的状态：可靠状态、极限状态和失效状态。并定义：，则结构处于可靠状态；，则结构处于可靠状态；，则结构处于极限状态；，则结构处于极限状态；，则结构处于失效状态；，则结构处于失效状态；0),.,(21nxxxgZ0),.,(21nxxxgZ0),.,(21nxxxgZ-22-College of Nuclear Science and Technology第五章第五章 机械

21、零件可靠性设计简介机械零件可靠性设计简介三、结构可靠度数学模型三、结构可靠度数学模型n 结构可靠度：通常，描述结构的基本变量为随结构可靠度：通常，描述结构的基本变量为随机变量或随机过程，对静态可靠性模型，取其为随机变量或随机过程，对静态可靠性模型，取其为随机变量，这样，结构可靠度可描述为结构处于可靠机变量，这样，结构可靠度可描述为结构处于可靠状态的概率，其表达式为：状态的概率，其表达式为：)0(ZpR-23-College of Nuclear Science and Technology第五章第五章 机械零件可靠性设计简介机械零件可靠性设计简介n 结构的不可靠度或结构的失效概率：结构的不可靠

22、度或结构的失效概率：)0(ZpPfn 结构处于极限状态的概率为结构处于极限状态的概率为 ：)0(ZpPl-24-College of Nuclear Science and Technology第五章第五章 机械零件可靠性设计简介机械零件可靠性设计简介n 结构可靠度的二态模型：在大多数情况下，描结构可靠度的二态模型：在大多数情况下，描述结构状态的基本变量为连续型随机变量，因此可述结构状态的基本变量为连续型随机变量，因此可以认为：功能函数以认为：功能函数 也是一连续型也是一连续型随机变量，在这种情况下有随机变量，在这种情况下有 ，即只考虑结，即只考虑结构的二种状态（可靠状态和失效状态），所以得：

23、构的二种状态（可靠状态和失效状态），所以得：),.,(21nxxxgZ 1fPR或或 RPf10lR-25-College of Nuclear Science and Technology第五章第五章 机械零件可靠性设计简介机械零件可靠性设计简介四、安全余量方程四、安全余量方程n一般而言，描述结构状态的基本变量按其属性，一般而言，描述结构状态的基本变量按其属性，可归结为二个变量，即强度变量和应力变量。有：可归结为二个变量，即强度变量和应力变量。有：),.,(21mXXX),.,(21skssXXXSS 其中，其中，是与结构强度有关的基本变是与结构强度有关的基本变量，如结构尺寸，材料性质等。量

24、，如结构尺寸，材料性质等。miX,2,1,i -26-College of Nuclear Science and Technology第五章第五章 机械零件可靠性设计简介机械零件可靠性设计简介 是与应力有关的基本变量，如压力、是与应力有关的基本变量，如压力、温度、过载等。温度、过载等。此时，结构功能函数可简单表示为：此时，结构功能函数可简单表示为：kiXs,2,1,j ),(SgZ取简单形式：取简单形式：SZ功能函数功能函数Z Z表达了结构强度对应力的富裕程度，故表达了结构强度对应力的富裕程度，故称安全余量。上式称为安全方程。称安全余量。上式称为安全方程。-27-College of Nuc

25、lear Science and Technology第五章第五章 机械零件可靠性设计简介机械零件可靠性设计简介五、干涉模型五、干涉模型n 假设应力和强度是两个独立的连续随机变量，假设应力和强度是两个独立的连续随机变量，且服从一定的分布。应力的概率密度函数为且服从一定的分布。应力的概率密度函数为 ，强度的概率密度函数为强度的概率密度函数为 ，则结构可靠度为：，则结构可靠度为：)(Sfs)(f)()0()0(SpSpZpR-28-College of Nuclear Science and Technology第五章第五章 机械零件可靠性设计简介机械零件可靠性设计简介,S)()(fSfs)(Sf

26、s)(f0应力强度干涉图应力强度干涉图干涉区干涉区-29-College of Nuclear Science and Technology第五章第五章 机械零件可靠性设计简介机械零件可靠性设计简介n 两曲线的重叠区，称为应力和强度的干涉区。两曲线的重叠区，称为应力和强度的干涉区。干涉区的存在，表明结构存在失效的可能性，即有干涉区的存在，表明结构存在失效的可能性，即有一定的失效概率。一定的失效概率。n 干涉区的面积越小，结构的失效概率越低，结干涉区的面积越小，结构的失效概率越低，结构可靠度越高；反之，面积越大，失效概率越高，构可靠度越高；反之，面积越大，失效概率越高，可靠度越低。但是阴影面积不

27、是失效概率的数值度可靠度越低。但是阴影面积不是失效概率的数值度量。量。-30-College of Nuclear Science and Technology第五章第五章 机械零件可靠性设计简介机械零件可靠性设计简介n 应力强度干涉理论：根据干涉区进行结构可靠应力强度干涉理论：根据干涉区进行结构可靠度计算的理论称为应力强度干涉理论，这种模型称度计算的理论称为应力强度干涉理论，这种模型称为干涉模型。为干涉模型。,S)()(fSfs)(Sfs)(f00Ssd)(f)(0Sfs-31-College of Nuclear Science and Technology第五章第五章 机械零件可靠性设计

28、简介机械零件可靠性设计简介设有一应力设有一应力 施加于结构，在该应力的邻域内，施加于结构，在该应力的邻域内，取一宽度为取一宽度为 的小区间，则应力出现在该区间内的小区间，则应力出现在该区间内的概率等于应力概率密度函数下这一区间的面积，的概率等于应力概率密度函数下这一区间的面积，即即 dsSfdsSSdsSps)()2121(0000Sds强度大于定值应力强度大于定值应力 的概率为：的概率为：0S0)()(0SdfSp-32-College of Nuclear Science and Technology第五章第五章 机械零件可靠性设计简介机械零件可靠性设计简介由于假设应力和强度相互独立，可知

29、两独立事件同由于假设应力和强度相互独立，可知两独立事件同时发生的概率等于：时发生的概率等于：0)()(0SsdfdsSf即处在即处在 邻域邻域 区间内，有应力强度干涉引起区间内，有应力强度干涉引起的结构可靠概率。的结构可靠概率。0Sds-33-College of Nuclear Science and Technology第五章第五章 机械零件可靠性设计简介机械零件可靠性设计简介对应应力的所有可能值，强度大于应力的概率为：对应应力的所有可能值，强度大于应力的概率为：dsSFSfdsSFSfdsdfSfSpRssSs)()(1)(1 )()()()(000结构的失效概率为：结构的失效概率为：d

30、sSFSfRSpPsf)()(1)(0其中，其中，为强度的分布函数。为强度的分布函数。)(F-34-College of Nuclear Science and Technology第五章第五章 机械零件可靠性设计简介机械零件可靠性设计简介另外，结构可靠度也可表述为应力小于强度，可推另外，结构可靠度也可表述为应力小于强度，可推导出：导出：dFfddsSffSpRss)()()()()(000此时，结构的失效概率为：此时，结构的失效概率为：dsFfddsSffSpPssSf)()(1)()()(00其中，其中，为应力为应力S S的分布函数。的分布函数。)(sF-35-College of Nuc

31、lear Science and Technology第五章第五章 机械零件可靠性设计简介机械零件可靠性设计简介以上公式推导中，运用了以上公式推导中，运用了 0)0(F虽然与概率论的基本原理不一致，但符合所作的基虽然与概率论的基本原理不一致，但符合所作的基本假设，即随机变量本假设，即随机变量 和和 仅在仅在 区间区间内取值，因而在结构可靠度的计算中，以上公式完内取值，因而在结构可靠度的计算中，以上公式完全正确。全正确。0)0(SF1)(0dsSfS1)(0dfS),0(-36-College of Nuclear Science and Technology第五章第五章 机械零件可靠性设计简介

32、机械零件可靠性设计简介有时候，可以根据功能函数有时候，可以根据功能函数Z Z直接计算结构的可靠直接计算结构的可靠度和失效概率。由于应力和强度是随机变量，功能度和失效概率。由于应力和强度是随机变量，功能 也是随机变量，称为功能随机变量或干涉也是随机变量，称为功能随机变量或干涉随机变量。利用卷积公式，求出随机变量。利用卷积公式，求出Z Z的概率密度函数的概率密度函数为为 ：SsZdsSfSZfZf)()()(当当 时，时，0)()()(dsSfSZfZfsZ0ZSZ-37-College of Nuclear Science and Technology第五章第五章 机械零件可靠性设计简介机械零件

33、可靠性设计简介当当 时，时，0ZZsZdsSfSZfZf)()()(式中，积分取式中，积分取Z Z是为了保证强度为非负随机变量是为了保证强度为非负随机变量的基本假设。的基本假设。利用利用Z Z的密度函数计算结构的可靠度为：的密度函数计算结构的可靠度为：000)()()()0(dsdZSfSZfdZZfZpRsZ相应的结构失效概率为：相应的结构失效概率为：0)()()()0(ZsoZfdsdZSfSZfdZZfZpp-38-College of Nuclear Science and Technology第五章第五章 机械零件可靠性设计简介机械零件可靠性设计简介在某些计算中，以强度和应力之比的形

34、式给出功能在某些计算中，以强度和应力之比的形式给出功能随机变量随机变量Z Z更为方便，此时有：更为方便，此时有：SSgZ),(根据概率论中随机变量商的分布知识，易知根据概率论中随机变量商的分布知识，易知Z Z的概的概率密度函数应为：率密度函数应为：0)()()(dsSfZSSfZfsz-39-College of Nuclear Science and Technology第五章第五章 机械零件可靠性设计简介机械零件可靠性设计简介此时，此时，1Z则结构可靠则结构可靠 1Z则结构处于极限状态则结构处于极限状态 1Z则结构失效则结构失效 则得出结构可靠度的表达式为：则得出结构可靠度的表达式为：dZ

35、dsSfZSSfdZZfZpRSZ)()()()1(101 相应的失效概率表达式为：相应的失效概率表达式为：dZdsSfZSSfdZZfZppSZf)()()()1(101-40-College of Nuclear Science and Technology第五章第五章 机械零件可靠性设计简介机械零件可靠性设计简介n 在结构可靠性问题中，只要应力和强度相互独在结构可靠性问题中，只要应力和强度相互独立，以上公式均可使用，原则上，应选择计算简单立，以上公式均可使用，原则上，应选择计算简单和方便的。和方便的。n 大多数情况下，应力和强度看作是相互独立的大多数情况下，应力和强度看作是相互独立的随机

36、变量是正确的，它使问题变得简单，又与工程随机变量是正确的，它使问题变得简单，又与工程实际相符。实际相符。-41-College of Nuclear Science and Technology第五章第五章 机械零件可靠性设计简介机械零件可靠性设计简介n 当应力和强度不能互视为相互独立的随机变量当应力和强度不能互视为相互独立的随机变量时，（如结构的重量和由重量引起的自重应力），时，（如结构的重量和由重量引起的自重应力），应考虑它们之间的相关性。应考虑它们之间的相关性。设应力和强度的联合密度函数为设应力和强度的联合密度函数为 ，则得出结构可靠度的普遍表达式：则得出结构可靠度的普遍表达式：),(,SfSSSdsdSfSpR),()(,相应的失效概率表达式为：相应的失效概率表达式为：SSfdsdSfSpp),()(,-42-College of Nuclear Science and TechnologyThe End