機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)(工信培訓(xùn))

1、1機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)20140323啟示v道者，人之所蹈，使萬物不知其所由。v大而八方之表，小而芒芥之內(nèi)，何適而非道也？仁不足以名，故仁者見之謂之仁，智不足以盡，故智者見之謂之智，百姓不足以見，故曰用而不知也。2理念vWHATvWHYvWHOvHOW vWHENvWHEREv3F技術(shù)應(yīng)用 、三化設(shè)計(jì)與NDI指標(biāo)認(rèn)知v傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的局限性v機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的特殊性v能否用安全系數(shù)表征產(chǎn)品可靠性水平v無肉眼可見缺陷的技術(shù)要求是否合理v產(chǎn)品專用設(shè)計(jì)技術(shù)的適應(yīng)性與局限性v影響產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵要素5應(yīng)用分類定義應(yīng)用分類定義1. 在標(biāo)準(zhǔn)條件下，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中采用的元在標(biāo)準(zhǔn)條件下，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中采用的元器件和材料、及由此

2、形成的設(shè)備整機(jī)中器件和材料、及由此形成的設(shè)備整機(jī)中能控制的故障事件所達(dá)到的水平。能控制的故障事件所達(dá)到的水平。2. 用于描述元器件和整機(jī)的制造水平。用于描述元器件和整機(jī)的制造水平。1. 指應(yīng)用可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)在綜合考慮產(chǎn)指應(yīng)用可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)在綜合考慮產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造安裝環(huán)境、維修策略和品設(shè)計(jì)、制造安裝環(huán)境、維修策略和修理等因素后，產(chǎn)品所達(dá)到的水平；修理等因素后，產(chǎn)品所達(dá)到的水平；2. 用于描述產(chǎn)品在計(jì)劃的環(huán)境中使用的用于描述產(chǎn)品在計(jì)劃的環(huán)境中使用的可靠性水平。可靠性水平。6關(guān)注點(diǎn)與度量指標(biāo)關(guān)注點(diǎn)與度量指標(biāo)1. 考慮要求保障的所有故障的影響，用考慮要求保障的所有故障的影響，用于度量產(chǎn)品無需保障的工作

3、能力，包于度量產(chǎn)品無需保障的工作能力，包括與維修和供應(yīng)有關(guān)的可靠性括與維修和供應(yīng)有關(guān)的可靠性2. 通常用通常用MTBF表示。表示。1. 僅考慮造成任務(wù)失敗的故障影響，用于僅考慮造成任務(wù)失敗的故障影響，用于描述產(chǎn)品完成任務(wù)的能力；描述產(chǎn)品完成任務(wù)的能力；2. 常用任務(wù)可靠度（常用任務(wù)可靠度（MR）和致命性故障）和致命性故障間隔任務(wù)時(shí)間（間隔任務(wù)時(shí)間（MTBCF）來度量。）來度量。7可靠性設(shè)計(jì)可靠性設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)范1. EMC設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)規(guī)范2. 熱設(shè)計(jì)規(guī)范熱設(shè)計(jì)規(guī)范3. 降額設(shè)計(jì)規(guī)范降額設(shè)計(jì)規(guī)范4. 結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)規(guī)范結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)規(guī)范5. 環(huán)境設(shè)計(jì)規(guī)范環(huán)境設(shè)計(jì)規(guī)范6. 防爆設(shè)計(jì)規(guī)范防爆設(shè)計(jì)規(guī)范7.

4、 可靠性測試技術(shù)規(guī)范可靠性測試技術(shù)規(guī)范8. 物料編碼管理及物料圖物料編碼管理及物料圖文檔工具軟件文檔工具軟件9. 1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本準(zhǔn)則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本準(zhǔn)則2.防腐蝕設(shè)計(jì)準(zhǔn)則防腐蝕設(shè)計(jì)準(zhǔn)則3.鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則4.焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則5.符合公差原則要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則符合公差原則要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則6.遵循力學(xué)原理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則遵循力學(xué)原理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則7.軸支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則軸支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則8.塑料件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則塑料件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則9.切削件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則切削件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則10. 鍛件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則鍛件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則11. 陶瓷件設(shè)計(jì)準(zhǔn)則陶瓷件設(shè)計(jì)準(zhǔn)則12. 熱脹冷縮的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

5、熱脹冷縮的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則13. 薄板件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則薄板件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則14. 可靠性要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則可靠性要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則15. 符合裝配要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則符合裝配要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則8可靠性數(shù)據(jù)可靠性數(shù)據(jù)1. 數(shù)據(jù)的質(zhì)與量數(shù)據(jù)的質(zhì)與量2. 真實(shí)性（對產(chǎn)品故障的描述、故障發(fā)生真實(shí)性（對產(chǎn)品故障的描述、故障發(fā)生的時(shí)機(jī)、原因、故障現(xiàn)象及造成的影響的時(shí)機(jī)、原因、故障現(xiàn)象及造成的影響均應(yīng)有明確地記錄；均應(yīng)有明確地記錄；3. 連續(xù)性（產(chǎn)品在工作中所有事件發(fā)生的連續(xù)性（產(chǎn)品在工作中所有事件發(fā)生的時(shí)間記錄及過程的描述）時(shí)間記錄及過程的描述）4. 完整性（故障產(chǎn)品本身的使用情況及該完整性（故障產(chǎn)品本身的使用

6、情況及該產(chǎn)品的歷史及送修、報(bào)廢等應(yīng)盡可能清產(chǎn)品的歷史及送修、報(bào)廢等應(yīng)盡可能清楚楚9產(chǎn)品故障失效殘骸及 斷口處理程序與保護(hù)準(zhǔn)則 v故障現(xiàn)場v失效殘骸v醋酸纖維脂斷口保護(hù)v斷口形貌v能譜v失效部位v樣品保管10不同載荷環(huán)境作用的不同載荷環(huán)境作用的失效特征、模式與機(jī)理探討失效特征、模式與機(jī)理探討 v時(shí)間特征,形貌特征,標(biāo)本特征,獨(dú)立特征,關(guān)聯(lián)特征,檢測特征,影響特征等v宏觀破壞,局部損傷,功能下降,功能完全喪失v過載,超壓,疲勞,蠕變,老化,腐蝕變質(zhì)等第一章第一章 機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)基本依據(jù)機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)基本依據(jù)v1.1干涉模型v1.2大數(shù)定律與中心極限定理v1.3基本載荷形式v1.4綜合作用類型v1.

7、5主要失效模式v1.6系統(tǒng)功能關(guān)系11121.1干涉模型v廣義強(qiáng)度載荷干涉模型p0強(qiáng)強(qiáng)度度應(yīng)應(yīng)力力失效失效131.2大數(shù)定律與中心極限定理v事件發(fā)生的的頻率具有穩(wěn)定性，即隨著試驗(yàn)次數(shù)的增加，事件發(fā)生的頻率逐漸穩(wěn)定于某個(gè)常數(shù)，在實(shí)踐中人們還意識到大量測量的算術(shù)平均值也具有穩(wěn)定性這種穩(wěn)定性就是大數(shù)定律的客觀背景。v定理一：契比雪夫定理的特殊形式 設(shè)隨機(jī)變量相互獨(dú)立，且具有相同的有限數(shù)學(xué)期望和方差：，作前n個(gè)隨機(jī)變量的算術(shù)平均則對任意整數(shù)有。14定理1v公式11limlim11kknnnXnPYP15定理1v定理一表明，當(dāng)n很大時(shí)，隨機(jī)變量的算術(shù)平均接近于數(shù)學(xué)期望，這種接近是概率意義上的接近。通俗地

8、說，在定理的條件下，n個(gè)隨機(jī)變量的算術(shù)平均，當(dāng)n無限增加時(shí)將幾乎變成一個(gè)常數(shù)。v定理二：貝努利定理 設(shè)是n次獨(dú)立試驗(yàn)中事件A發(fā)生的次數(shù)，p是事件A在每次試驗(yàn)中發(fā)生的概率，則對于任意正數(shù)有：16定理2v公式0li1nlipnnmpnPmAnAn或17伯奴里定律v貝努利定理表明，事件發(fā)生的頻率依概率收斂于事件概率p,這個(gè)定理以嚴(yán)格的數(shù)學(xué)形式表達(dá)了頻率的穩(wěn)定性。就是說當(dāng)n很大時(shí)，事件發(fā)生的頻率與概率有較大偏差的可能性很小，由實(shí)際推斷原理，在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)試驗(yàn)次數(shù)很大時(shí)，便可以用事件發(fā)生的頻率代替事件概率。18中心極限定理中心極限定理v在客觀實(shí)踐中有許多隨機(jī)變量，他們是由大量的相互獨(dú)立的隨機(jī)因數(shù)的綜合

9、影響所形成的，而其中每一個(gè)別因數(shù)在總的影響中所起的作用都是微小的，這種隨機(jī)變量往往近似地服從正態(tài)分布，這種現(xiàn)象就是中心極限定理的客觀背景。19定理三 v同分布的中心極限定理 設(shè)隨機(jī)變量相互獨(dú)立，服從同一分布，且具有有限的數(shù)學(xué)期望和方差： ，則隨機(jī)變量 的分布函數(shù)對于任意x，滿足 : , 2 , 102kkXDXEk，nnXYnkkn1 xnkknnndtexnnXPxF21121limlim20定理四 v李雅普諾夫定理 設(shè)隨機(jī)變量 v相互獨(dú)立且具有有限的數(shù)學(xué)期望和方差：v 記v若存在正數(shù)，使得當(dāng) v則隨機(jī)變量 v的分布函數(shù)對于任意x，滿足 :，n21,XXX, 2 , 102kkXDXEk，n

10、kkB122n01n122nnkkkXEB時(shí)，nnknkkkBXZ11nxtnnknkkknnndtexxBXPxF211221limlim21說明v定理表明，在定理的條件下，隨機(jī)變量 v當(dāng)n很大時(shí)，近似服從正態(tài)分布（0，1）。由此， 當(dāng)n 很大時(shí) v近似服從正態(tài)分布: v這就是說，無論隨機(jī)變量具有怎樣的分布，只要滿足定理?xiàng)l件，那么他們的和當(dāng)n很大時(shí)，就近似服從正態(tài)分布。 nnknkkkBXZ11nnknkknkZBX11n21,nnkkBN1.3基本載荷形式v軸向載荷v彎曲載荷v扭轉(zhuǎn)載荷v剪切載荷v接觸載荷2223載荷作用機(jī)械產(chǎn)品所承受的載荷大都是一種不規(guī)則的、不能重復(fù)的隨機(jī)性載荷 ；零件的

11、失效通常是由于其所承受的載荷超過了零件在當(dāng)時(shí)狀態(tài)下的極限承載能力的結(jié)果；零件的受力狀況包括：載荷類型、載荷性質(zhì)，以及載荷在零件中引起的應(yīng)力狀態(tài)。24載荷類型軸向載荷力作用在零件的軸線上，大小相等，方向相反，包括軸向拉伸和軸向壓縮（表1(a)）載荷v在軸向載荷作用下，應(yīng)力沿橫截面的分布式均勻的。v零件上主應(yīng)力與最大切應(yīng)力的關(guān)系為彎曲載荷垂直于零件軸線的載荷（有時(shí)還有力偶），它使零件產(chǎn)生彎曲變形。 v在彎曲載荷作用下，零件橫截面上的主應(yīng)力分布的規(guī)律是：從表面應(yīng)力最大改變到中性軸線處應(yīng)力為零。并且，中性軸線一側(cè)為拉伸應(yīng)力，另一側(cè)為壓縮應(yīng)力。 2）最大切應(yīng)力（）主應(yīng)力（25載荷類型扭轉(zhuǎn)載荷作用在垂直于

12、零件軸線平面內(nèi)的力偶，它使零件發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。 v在扭轉(zhuǎn)載荷作用下，橫截面上切應(yīng)力的分布規(guī)律是：從表面最大到橫截面中心處為零（這里講的“中心點(diǎn)”，是指扭轉(zhuǎn)中心軸線與橫截面的交點(diǎn)）剪切載荷使零件內(nèi)相鄰兩截面發(fā)生相對錯(cuò)動的作用力。v表1（d）表示螺栓在連接接合面處受剪切，并與被連接孔壁互壓。螺桿還受彎曲，但在各接合面貼緊的情況下可以不考慮。v在剪切載荷作用下，力大小沿平行于最小切應(yīng)力的橫截面上均勻的。 26載荷類型接觸載荷兩個(gè)零件表面間的接觸有點(diǎn)接觸、線接觸和面接觸。零件受載后在接觸部位的正交壓縮載荷稱為接觸載荷（表1（e）v例如，滾動軸承工作時(shí)，滾子與滾道之間，齒輪傳動中輪齒與輪齒之間的壓力都是接

13、觸載荷。v在接觸載荷作用下，主應(yīng)力與最大切應(yīng)力之比是不定。27表1 載荷基本類型序應(yīng)力分布情況載荷類型(a)軸向載荷(b)彎曲載荷28表1 載荷基本類型序應(yīng)力分布情況載荷類型(c)扭轉(zhuǎn)載荷(d)剪切載荷(e)接觸載荷29載荷性質(zhì)v載荷的性質(zhì)可以分為以下幾種： 靜載荷緩緩地施加于零件上的載荷，或恒定的載荷。沖擊載荷以很大速度作用于零件上的載荷，沖擊載荷往往表現(xiàn)為能量載荷。交變載荷載荷的大小、方向隨時(shí)間變化的載荷，其變化可以是周期性的，也可以是無規(guī)則的。 30載荷的性質(zhì)v 交變應(yīng)力的形式v對稱循環(huán)應(yīng)力等值交變的拉伸、壓縮和剪切應(yīng)力（圖1(a)）。 v脈動循環(huán)應(yīng)力單向應(yīng)力，其應(yīng)力值從零變化到最大，r

14、=0，如圖1(b)所示。v非對稱循環(huán)應(yīng)力應(yīng)力值由最小到最大變化，最小應(yīng)力既可能是正值（圖1(c)），也可能負(fù)值。v隨機(jī)循環(huán)應(yīng)力實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)器，由于服役條件可能發(fā)生變化 31圖1 交變應(yīng)力的類型32交變載荷作用的疲勞可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則v 變應(yīng)力和變載荷的類型及疲勞強(qiáng)度 p-S-N曲線的內(nèi)涵 疲勞壽命可靠性預(yù)計(jì) 1.4綜合作用類型v熱力聯(lián)合v載荷-腐蝕復(fù)合作用v振動-熱v熱-濕33 1.5主要失效模式v疲勞v斷裂v龜裂v快速斷裂v腐蝕斷裂v結(jié)構(gòu)干涉v性能退化3435產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可靠性失效摸式產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可靠性失效摸式1.應(yīng)力疲勞損傷與疲勞破壞應(yīng)力疲勞損傷與疲勞破壞2.應(yīng)變疲勞破壞應(yīng)變疲勞破壞3.白點(diǎn)與氫脆白點(diǎn)

15、與氫脆4.應(yīng)力腐蝕斷裂應(yīng)力腐蝕斷裂5.高溫疲勞高溫疲勞6.熱疲勞與龜裂熱疲勞與龜裂7.蠕變與老化蠕變與老化8.剝離剝離9.雷擊損傷雷擊損傷10.接觸疲勞與微動磨損接觸疲勞與微動磨損11.靜載破壞與結(jié)構(gòu)失穩(wěn)靜載破壞與結(jié)構(gòu)失穩(wěn)12.安全裂紋尺寸與裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展安全裂紋尺寸與裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展36常見故障常見故障從故障統(tǒng)計(jì)來看，主要表現(xiàn)在早期故障和責(zé)任故障兩類從故障統(tǒng)計(jì)來看，主要表現(xiàn)在早期故障和責(zé)任故障兩類1. 電子器件、電氣設(shè)備、液壓系統(tǒng)的故障都基本屬于單元電子器件、電氣設(shè)備、液壓系統(tǒng)的故障都基本屬于單元級帶到系統(tǒng)的早期故障；級帶到系統(tǒng)的早期故障；2. 控制系統(tǒng)屬于責(zé)任故障，也存在一些設(shè)計(jì)故障控制系統(tǒng)屬于

16、責(zé)任故障，也存在一些設(shè)計(jì)故障37故障判據(jù)故障判據(jù)產(chǎn)品或其中一部分不能或?qū)⒉荒芡瓿深A(yù)定功能的事件或狀態(tài)稱為故障；產(chǎn)品或其中一部分不能或?qū)⒉荒芡瓿深A(yù)定功能的事件或狀態(tài)稱為故障；38典型的典型的故障模式故障模式1.緊固件的松動、結(jié)構(gòu)件和電路板的變形、破裂及失效緊固件的松動、結(jié)構(gòu)件和電路板的變形、破裂及失效2.聯(lián)結(jié)器、繼電器、傳感器、閥門及開關(guān)的瞬間斷開聯(lián)結(jié)器、繼電器、傳感器、閥門及開關(guān)的瞬間斷開3.電子器件、固定電路、微電子元件的引線、管腳和導(dǎo)線的磨電子器件、固定電路、微電子元件的引線、管腳和導(dǎo)線的磨損和折斷損和折斷4.電子插件的性能下降、電器功能下降、粘層、鍵合點(diǎn)斷開、電子插件的性能下降、電器功能

17、下降、粘層、鍵合點(diǎn)斷開、電路瞬間短路和斷路電路瞬間短路和斷路5.陀螺漂移增大、精度降低、甚至發(fā)生故障陀螺漂移增大、精度降低、甚至發(fā)生故障6.控制失靈、結(jié)構(gòu)損傷控制失靈、結(jié)構(gòu)損傷39結(jié)構(gòu)故障結(jié)構(gòu)故障1. 管路系統(tǒng)異常、電纜拉斷、結(jié)構(gòu)失效；管路系統(tǒng)異常、電纜拉斷、結(jié)構(gòu)失效；2. 管路系統(tǒng)的故障形式是泄露和堵塞；管路系統(tǒng)的故障形式是泄露和堵塞；泄漏（焊縫破裂、焊縫缺陷導(dǎo)致強(qiáng)度降低、密封部位缺陷導(dǎo)泄漏（焊縫破裂、焊縫缺陷導(dǎo)致強(qiáng)度降低、密封部位缺陷導(dǎo)致密封缺陷、過熱破壞等）致密封缺陷、過熱破壞等）堵塞（燃?xì)怆s質(zhì)沉積過多或管路有多余物）堵塞（燃?xì)怆s質(zhì)沉積過多或管路有多余物）40故障分析的兩個(gè)模型故障分析的

18、兩個(gè)模型1. 物論性模型：關(guān)注發(fā)生故障的部位、形式及其成因，手段是從物論性模型：關(guān)注發(fā)生故障的部位、形式及其成因，手段是從物理、化學(xué)和材料等方面，從微觀角度進(jìn)行機(jī)理的模式；物理、化學(xué)和材料等方面，從微觀角度進(jìn)行機(jī)理的模式；2. 概率論模型：注重故障和時(shí)間的關(guān)系，用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，研概率論模型：注重故障和時(shí)間的關(guān)系，用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，研究其故障時(shí)間的概率分布，是宏觀模式。究其故障時(shí)間的概率分布，是宏觀模式。41故障的影響故障的影響1.1.工作能力下降或功能的喪失工作能力下降或功能的喪失2.2.昂貴的保障費(fèi)用昂貴的保障費(fèi)用3.3.安全問題安全問題4.4.高頻發(fā)生故障高頻發(fā)生故障5.5.對有冗余設(shè)計(jì)

19、和替代工作模式的設(shè)計(jì)對有冗余設(shè)計(jì)和替代工作模式的設(shè)計(jì)需要考慮雙重故障模式的影響，如應(yīng)需要考慮雙重故障模式的影響，如應(yīng)急裝置同時(shí)急裝置同時(shí)故障造成的后果故障造成的后果42主次分析主次分析1.主次分析是用統(tǒng)計(jì)的方法找出所分析對象影響最大的主次分析是用統(tǒng)計(jì)的方法找出所分析對象影響最大的因素因素2.從故障頻數(shù)、故障原因、故障后果、責(zé)任、發(fā)現(xiàn)時(shí)間從故障頻數(shù)、故障原因、故障后果、責(zé)任、發(fā)現(xiàn)時(shí)間等進(jìn)行分析；等進(jìn)行分析；3.故障頻數(shù)：組成產(chǎn)品的各系統(tǒng)，按主次排列，找出故故障頻數(shù)：組成產(chǎn)品的各系統(tǒng)，按主次排列，找出故障最多的系統(tǒng)，以系統(tǒng)為對象，按故障頻數(shù)做主次分障最多的系統(tǒng)，以系統(tǒng)為對象，按故障頻數(shù)做主次分析，

20、找出故障最多的分系統(tǒng)；依次逐級分析，直到找析，找出故障最多的分系統(tǒng)；依次逐級分析，直到找出故障頻數(shù)最多的設(shè)備和單元；確定薄弱環(huán)節(jié)。出故障頻數(shù)最多的設(shè)備和單元；確定薄弱環(huán)節(jié)。4.通過主次分析找到影響產(chǎn)品故障的主要原因和責(zé)任；通過主次分析找到影響產(chǎn)品故障的主要原因和責(zé)任；將故障影響后果與發(fā)生頻數(shù)綜合一起得到主次分析結(jié)將故障影響后果與發(fā)生頻數(shù)綜合一起得到主次分析結(jié)果，可以確定故障頻數(shù)并非最高但造成的影響卻很大果，可以確定故障頻數(shù)并非最高但造成的影響卻很大的關(guān)鍵系統(tǒng)和設(shè)備的關(guān)鍵系統(tǒng)和設(shè)備43故障影響層次故障影響層次1.自身影響：產(chǎn)品有故障征候，產(chǎn)品功能下自身影響：產(chǎn)品有故障征候，產(chǎn)品功能下降，到產(chǎn)品功

21、能完全喪失；降，到產(chǎn)品功能完全喪失；2.對上一級的影響：無影響，由故障征候，對上一級的影響：無影響，由故障征候，系統(tǒng)功能下降，到系統(tǒng)功能完全喪失；系統(tǒng)功能下降，到系統(tǒng)功能完全喪失；3.最終影響：影響執(zhí)行任務(wù)，一般等級事故最終影響：影響執(zhí)行任務(wù)，一般等級事故到嚴(yán)重等級事故。到嚴(yán)重等級事故。44關(guān)系可靠性控制的故障關(guān)系可靠性控制的故障1.1. 應(yīng)當(dāng)計(jì)入系統(tǒng)可靠性評估的故障包括組應(yīng)當(dāng)計(jì)入系統(tǒng)可靠性評估的故障包括組成系統(tǒng)后發(fā)生的一切故障；成系統(tǒng)后發(fā)生的一切故障；2.2. 可控故障是可靠性控制的主要對象；可控故障是可靠性控制的主要對象；3.3. 可靠性控制設(shè)計(jì)的目標(biāo)是把故障水平和可靠性控制設(shè)計(jì)的目標(biāo)是把

22、故障水平和轉(zhuǎn)移概率控制到系統(tǒng)能接受的水平。轉(zhuǎn)移概率控制到系統(tǒng)能接受的水平。451.1. 指數(shù)分布：具有恒定故障率的部件和設(shè)備，無指數(shù)分布：具有恒定故障率的部件和設(shè)備，無余度的復(fù)雜系統(tǒng)，經(jīng)老練試驗(yàn)并經(jīng)定期維修的余度的復(fù)雜系統(tǒng)，經(jīng)老練試驗(yàn)并經(jīng)定期維修的部件和設(shè)備部件和設(shè)備2.2. 威布爾分布：某些電容、繼電器、開關(guān)、斷路威布爾分布：某些電容、繼電器、開關(guān)、斷路器、電子管、電位計(jì)、陀螺、電動機(jī)、電纜、器、電子管、電位計(jì)、陀螺、電動機(jī)、電纜、電池、材料疲勞、滾珠軸承等電池、材料疲勞、滾珠軸承等3.3. 對數(shù)正態(tài)分布：電機(jī)繞組絕緣、半導(dǎo)體器件、對數(shù)正態(tài)分布：電機(jī)繞組絕緣、半導(dǎo)體器件、晶體管、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和金

23、屬疲勞晶體管、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和金屬疲勞4.4. 正態(tài)分布：輪胎磨損、機(jī)械產(chǎn)品等正態(tài)分布：輪胎磨損、機(jī)械產(chǎn)品等符合典型分布的產(chǎn)品類型符合典型分布的產(chǎn)品類型返回目錄返回目錄故障模式及影響分析表初始約定層次 任務(wù) 審核 第 頁 共 頁約定層次 分析人員 批準(zhǔn) 填表日期 代號產(chǎn)品或功能標(biāo)志功能故障模式故障原因任務(wù)階段與工作方式故障影響故障檢測方法補(bǔ)償措施嚴(yán)酷度類別故障概率或故障率數(shù)據(jù)源故障模式頻數(shù)比故障影響概率工作時(shí)間故障模式危害度備注局部影響高一層影響最終影響 1.6系統(tǒng)功能關(guān)系v獨(dú)立故障v關(guān)聯(lián)故障v致命故障4748第二章第二章 基于載荷環(huán)境的材料工藝準(zhǔn)則基于載荷環(huán)境的材料工藝準(zhǔn)則v2.1廣義載荷v2.2

24、環(huán)境類形v2.3材料類型v2.4毛坯工藝v2.5加工準(zhǔn)則492.1廣義載荷v靜載v交變載荷v隨機(jī)載荷v熱負(fù)荷v電磁力v腐蝕應(yīng)力50 2.2環(huán)境類形常溫高溫低溫潮濕電磁環(huán)境其它腐蝕 2.3材料類型v金屬材料v非金屬材料v復(fù)合材料512.4毛坯工藝v鑄造v鍛造v焊接v擠壓成型v纏繞v編織v粉末冶金52目標(biāo)與現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)可靠性：設(shè)計(jì)可靠性是工藝可靠性的上游，是工藝可靠性工作的保證依據(jù)，設(shè)計(jì)可靠性確定了產(chǎn)品固有可靠性指標(biāo) 設(shè)計(jì)可靠性的成果反映在圖紙和技術(shù)文件上,并主要集中在設(shè)計(jì)階段工藝可靠性：工藝可靠性是設(shè)計(jì)可靠性的延續(xù)，是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)可靠性的基礎(chǔ)，工藝可靠性決定了產(chǎn)品實(shí)際能夠達(dá)到的可靠性水平 工藝可靠性的成

25、果不僅反映在工藝文件上,而且還表現(xiàn)在具體產(chǎn)品可靠性上，不僅在設(shè)計(jì)階段，而且在以后的各個(gè)批次生產(chǎn)中根據(jù)批量、周期、資源條件變化作相應(yīng)的更改和完善。人、機(jī)、料、法、計(jì)量與測試、環(huán)境 2.5加工準(zhǔn)則u可靠夾緊準(zhǔn)則 u最小加工量準(zhǔn)則 u一次夾便于退刀準(zhǔn)則 u便利切削準(zhǔn)則 u減少缺口效應(yīng)準(zhǔn)則 u避免斜面開孔準(zhǔn)則 u貫通孔優(yōu)先準(zhǔn)則 u孔周邊條件相近準(zhǔn)則5455 第三章第三章 結(jié)構(gòu)可靠性技術(shù)準(zhǔn)則結(jié)構(gòu)可靠性技術(shù)準(zhǔn)則v3.1優(yōu)化設(shè)計(jì)v3.2余度設(shè)計(jì)v3.3防錯(cuò)設(shè)計(jì)v3.4環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)v3.5維修性設(shè)計(jì) 3.1優(yōu)化設(shè)計(jì)v從失效模式和機(jī)理入手，確定機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的準(zhǔn)則5657系統(tǒng)可靠性串聯(lián)模型和并聯(lián)模型

26、系統(tǒng)可靠性串聯(lián)模型和并聯(lián)模型導(dǎo)通為正常導(dǎo)通為正常截流為正常截流為正常583、偶然出現(xiàn)偶然出現(xiàn)的外界應(yīng)力造的外界應(yīng)力造成失效成失效1、失效件的設(shè)計(jì)、材失效件的設(shè)計(jì)、材料、工藝、檢驗(yàn)。失效料、工藝、檢驗(yàn)。失效的性質(zhì)是個(gè)別（偶然的）的性質(zhì)是個(gè)別（偶然的）的還是批次性（可再現(xiàn)）的還是批次性（可再現(xiàn)）的？的？2、誤用是不按、誤用是不按規(guī)定條件使用產(chǎn)規(guī)定條件使用產(chǎn)品引起的失效；品引起的失效；占的比例較大占的比例較大4、供應(yīng)商出廠供應(yīng)商出廠檢驗(yàn)合格，客戶檢驗(yàn)合格，客戶篩選入庫驗(yàn)收時(shí)篩選入庫驗(yàn)收時(shí)卻不合格，可能卻不合格，可能的原因是客戶在的原因是客戶在入檢過程篩選中入檢過程篩選中將產(chǎn)品損壞將產(chǎn)品損壞 3.2余

27、度設(shè)計(jì)（裕度準(zhǔn)則 ）v安全系數(shù)方法，通常加大構(gòu)件尺寸，工程上很多因素自身并無一個(gè)絕對的數(shù)值，而是一個(gè)分布范圍，裕度設(shè)計(jì)是解決問題的根本。v斷裂破壞、熱應(yīng)力破壞等因材料特性引起的問題，在構(gòu)件尺寸上加強(qiáng)裕度設(shè)計(jì)無效 3.3防錯(cuò)設(shè)計(jì)v接口顯著差異準(zhǔn)則v標(biāo)志標(biāo)識v明確操作規(guī)程v編制細(xì)則v雙崗制及三檢制60 3.4環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)1.材料選擇2.優(yōu)化環(huán)境3.應(yīng)力控制4.環(huán)境試驗(yàn) 3.5維修性設(shè)計(jì)u經(jīng)濟(jì)合理準(zhǔn)則u空間可達(dá)性準(zhǔn)則u安全閥、保險(xiǎn)絲、可更換零件方便拆卸準(zhǔn)則 軸承安裝拆裝準(zhǔn)則l不能將軸承安裝途徑處的直徑設(shè)計(jì)的大于軸承座處的直徑l配合公差不能太緊l采用剖分式軸承座、可分離軸承l(wèi)軸軸邊開槽，利用拉拔工具

28、l軸承座斷面開孔，用螺拴旋擠l需液壓擠撐拆裝，要留液壓通道 3.6簡單準(zhǔn)則u最少數(shù)量、最簡形狀、最少工藝步驟、最簡加工裝配工藝、最普通材料、最簡工具、最簡拆卸步驟u結(jié)合零部件特點(diǎn)，設(shè)定量化評估指標(biāo)65第四章第四章 機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型 4.1應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型v4.2靜載荷作用的可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則v4.3交變載荷作用的疲勞可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則v4.4壓力容器的可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則v4.5交變溫度作用的熱負(fù)荷可靠性準(zhǔn)則v4.6腐蝕與磨損條件下構(gòu)件可靠性準(zhǔn)則v66 4.1應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型v 原理介紹 v 應(yīng)力強(qiáng)度確定方法v 常見分布的可靠度計(jì)算公式 v 數(shù)值積分的可靠度計(jì)算67應(yīng)力強(qiáng)度干涉理

29、論v應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型在機(jī)械產(chǎn)品中，零件（部件）是正常還是失效決定于強(qiáng)度和應(yīng)力的關(guān)系。v當(dāng)零件（部件）的強(qiáng)度大于應(yīng)力時(shí)，其能夠正常工作；v當(dāng)零件（部件）的強(qiáng)度小于應(yīng)力時(shí)，其發(fā)生失效。v因此，要求零件（部件）在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)能夠承載，必須滿足以下條件vS零件（部件）的強(qiáng)度；s零件（部件）的應(yīng)力。 0sSsS或68應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型實(shí)際工程中的應(yīng)力和強(qiáng)度都是呈分布狀態(tài)的隨機(jī)變量，把應(yīng)力和強(qiáng)度的分布在同一座標(biāo)系中表示（如圖3所示） 當(dāng)強(qiáng)度的均值大于應(yīng)力的均值時(shí)，在圖中陰影部分表示的應(yīng)力和強(qiáng)度 “干涉區(qū)”內(nèi)就可能發(fā)生強(qiáng)度小于應(yīng)力即失效的情況這種根據(jù)應(yīng)力和強(qiáng)度干涉情況，計(jì)算干涉區(qū)內(nèi)強(qiáng)度小于應(yīng)力的

30、概率（失效概率）的模型，稱為應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型。 在應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型理論中，根據(jù)可靠度的定義，強(qiáng)度大于應(yīng)力的概率可表示為 )0(sSPsSPtR69圖3 應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型70可靠度的一般表達(dá)式v根據(jù)以上干涉模型計(jì)算在干涉區(qū)內(nèi)強(qiáng)度大于應(yīng)力的概率可靠度。如圖4所示，當(dāng)應(yīng)力為時(shí)，強(qiáng)度大于應(yīng)力的概率為 強(qiáng)度分布密度函數(shù) 應(yīng)力 處于 區(qū)間內(nèi)的概率為 應(yīng)力分布密度函數(shù)； 00sdSSfsSP SfS dssfdsssdssP22000sds sfs71圖4 概率密度函數(shù)聯(lián)合積分求可靠度72可靠度的一般表達(dá)式v假設(shè) 與 為兩個(gè)獨(dú)立的隨機(jī)事件，因此兩獨(dú)立事件同時(shí)發(fā)生的概率為v因?yàn)樯鲜?為應(yīng)力區(qū)間內(nèi)的任意值，現(xiàn)考

31、慮整個(gè)應(yīng)力區(qū)間內(nèi)的情況，有強(qiáng)度大于應(yīng)力的概率（可靠度）為v當(dāng)已知應(yīng)力和強(qiáng)度的概率密度函數(shù)時(shí)，根據(jù)以上表達(dá)式即可求得可靠度。 0sS 2200dsssdss 00sdSSfdssfdR0s dsdSSfsfdRRs73 4.2靜載荷作用的可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則u 受拉應(yīng)力的靜強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì) u 受轉(zhuǎn)矩的靜強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)u 受彎扭聯(lián)合作用的靜強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)u 受彎剪聯(lián)合作用的靜強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)74應(yīng)力分析計(jì)算75應(yīng)力分布的確定v用FMEA確定需要進(jìn)行可靠度計(jì)算的重要失效模式，如：靜強(qiáng)度斷裂、屈服、失穩(wěn)、變形過大、疲勞、磨損、腐蝕等 ；v針對不同的失效模式確定相應(yīng)的失效判據(jù)，如最大正應(yīng)力、最大剪應(yīng)力、最大變形

32、能、最大應(yīng)變、最大磨損量等；v針對不同失效判據(jù)，應(yīng)用相關(guān)專業(yè)（如材料力學(xué)、彈塑性理論、有限元分析、斷裂力學(xué)和實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析等）知識進(jìn)行應(yīng)力分析計(jì)算；76應(yīng)力分布的確定v確定采用的修正系數(shù)對計(jì)算的名義應(yīng)力進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?，得到相?yīng)應(yīng)力分量的最大值。常用的應(yīng)力修正系數(shù)有：應(yīng)力集中系數(shù)、載荷系數(shù)、溫度系數(shù)、表面處理等；v計(jì)算主應(yīng)力或復(fù)合應(yīng)力，并確定應(yīng)力方程中每個(gè)參數(shù)和系數(shù)的分布，通過概率運(yùn)算、矩法或蒙特卡羅法得到相應(yīng)的應(yīng)力分布。77強(qiáng)度分布的確定v建立與失效應(yīng)力判據(jù)相對應(yīng)的強(qiáng)度判據(jù)，常用的強(qiáng)度判據(jù)有最大正應(yīng)力強(qiáng)度判據(jù)、最大剪應(yīng)力強(qiáng)度判據(jù)、最大變形能強(qiáng)度判據(jù)等。v確定名義強(qiáng)度。名義強(qiáng)度指在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下確

33、定的試件強(qiáng)度，常用名義強(qiáng)度有強(qiáng)度極限、屈服極限、疲勞極限、變形、變形能和磨損（腐蝕）量等。 v用適當(dāng)?shù)男拚禂?shù)修正名義強(qiáng)度，通?？紤]的修正系數(shù)有尺寸系數(shù)、表面質(zhì)量系數(shù)、應(yīng)力集中系數(shù)等。v確定強(qiáng)度方程中所有參數(shù)和系數(shù)的分布，通過概率運(yùn)算、矩法或蒙特卡落法得到相應(yīng)的強(qiáng)度分布。78通過泰勒級數(shù)展開，用矩法近似確定隨機(jī)變量的函數(shù)的均值及標(biāo)準(zhǔn)差。 分兩種情況： 一維隨機(jī)變量與多維隨機(jī)變量。o 一維隨機(jī)變量設(shè)y為正態(tài)分布隨機(jī)變量X的函數(shù) ，X的均值 和方差 已知，用泰勒級數(shù)展開近似求解y的均值 和方差 ?，F(xiàn)將 在 處展開，得 Xfy XXy Xfy X y 22!XyfXfXff用矩法確定應(yīng)力和強(qiáng)度的分布

34、參數(shù)79用矩法確定應(yīng)力和強(qiáng)度的分布參數(shù)對上式兩邊取數(shù)學(xué)期望，取線性近似解 XDfffXEXEffXEfXEfEXfEyE 2121!22280 用矩法確定應(yīng)力和強(qiáng)度的分布參數(shù) XD fyE fXDfDXfDyD f 2fXDXfDyD若 很小，則有 。對上式兩邊取方差，取線性近似解因?yàn)?為常量，所以81 用矩法確定應(yīng)力和強(qiáng)度的分布參數(shù) iniinXDXffyEXX1222121,iXD nfyE,21 iniiXDXfyD21XX 對上式兩邊取數(shù)學(xué)期望，取線性近似解若 很小，則有對上式兩邊取方差，取線性近似解(1)雨流法依據(jù)v塑性的存在是疲勞損傷的必要條件v塑性性質(zhì)表現(xiàn)為應(yīng)力-應(yīng)變遲滯回線v一

35、個(gè)大的變程所引起的損傷,不受為完成一個(gè)小的遲滯回線而截?cái)嗟挠绊?可逐次將構(gòu)成較小遲滯回線的較小循環(huán)從整個(gè)應(yīng)變時(shí)間歷程中提出出來(2)雨流法構(gòu)想v取時(shí)間為縱坐標(biāo),垂直向下,載荷-時(shí)間歷程型如一寶塔屋頂v根據(jù)雨滴流動的的跡線,確定載荷循環(huán)(3)雨流圖v雨流圖0acbbaedf(4)操作要點(diǎn)v首先從某點(diǎn)0開始,凡起始于波谷的雨流遇到比它更低的谷值便停止。例如起始于波谷0的雨流止于波谷f的水平線，因?yàn)椴ü萬的谷值比波谷0的谷值更低。v凡起始于波峰的雨流遇到比它更高的峰值便停止，例如起始于a的雨流止于波峰e(cuò)的水平線v在雨滴流動過程中，凡遇到上面流下來的雨滴時(shí)也就停止，例如起始于波峰c的雨流止于b, 起始

36、于波谷d的雨流止于a86可靠度的計(jì)算方法v應(yīng)力和強(qiáng)度均為正態(tài)分布利用強(qiáng)度應(yīng)力干涉理論，可靠度定義為強(qiáng)度大于應(yīng)力的概率：00ZPsSPR 當(dāng)應(yīng)力和強(qiáng)度均為正態(tài)分布時(shí)，有sSZ式中 安全余量， 由于應(yīng)力和強(qiáng)度均為正態(tài)分布，根據(jù)正態(tài)分布的和（差）仍為正態(tài)分布的性質(zhì)，安全余量也為正態(tài)分布。 22121ZZZZeZf87可靠度的計(jì)算方法 式中： ， 可靠度：sSZ2122sSZ 0212210dZeZPRZZZZ將上式化為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布形式 0010zdzzdZZfRz88 式中： 可靠度的計(jì)算方法 22121zezZZZz21220sSsSZZz 從（1）式可知，當(dāng)已知應(yīng)力和強(qiáng)度的分布參數(shù)后，就可算得，

37、從正態(tài)分布表就可查得可靠度。因此，（1）式把應(yīng)力分布參數(shù)、強(qiáng)度分布參數(shù)和可靠度直接聯(lián)系起來，稱之為“連接方程”，稱之為連接系數(shù)，也稱為可靠性系數(shù)。 （1） 89定義稱為可靠度指標(biāo)，根據(jù)（1）和（2）式得式（3）即強(qiáng)度與應(yīng)力是正態(tài)分布時(shí)，可靠度的計(jì)算式。o 其它分布類型 常用概率分布的可靠度計(jì)算公式參見表3?？煽慷鹊挠?jì)算方法22sSsSZZ 0dZZfR （2） （3） 90表3 常用概率分布的可靠度計(jì)算公式91表3 常用概率分布的可靠度計(jì)算公式4.3交變載荷作用的疲勞可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則v載荷譜測量v疲勞強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)v有限壽命設(shè)計(jì)v應(yīng)變疲勞準(zhǔn)則v無限壽命設(shè)計(jì)v應(yīng)力疲勞準(zhǔn)則v工藝強(qiáng)化抗疲勞準(zhǔn)則924.4壓

38、力容器的可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則v韌性材料準(zhǔn)則v幾何止裂準(zhǔn)則v平面應(yīng)力準(zhǔn)則93 4.5交變溫度作用的熱負(fù)荷可靠性準(zhǔn)則v控制溫度梯度v冷卻設(shè)計(jì)v材料抗熱疲勞準(zhǔn)則v熱應(yīng)力設(shè)計(jì)準(zhǔn)則94 4.6腐蝕與磨損條件下構(gòu)件可靠性準(zhǔn)則v防護(hù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則v配合面準(zhǔn)則v潤滑劑準(zhǔn)則v環(huán)境匹配準(zhǔn)則v表面技術(shù)9596 第五章第五章 機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則v5.1基于材力三大假設(shè)的靜載設(shè)計(jì)v5.2基于交變載荷或譜載荷作用的抗疲勞設(shè)計(jì)v5.3基于當(dāng)量初始缺陷分布的概率斷裂控制v5.4基于壓力容器快速斷裂控制的損傷容限v5.5基于交變溫度作用的熱疲勞特性v5.6構(gòu)件防腐蝕和耐磨損設(shè)計(jì)97 5.1傳統(tǒng)靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及其局限性傳統(tǒng)

39、靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及其局限性 v圣維南原理：如果把物體的一小部分邊界上的面里,變換為分布不同但靜力等效的面力(主矢量相同,對于同一點(diǎn)的主矩也相同),那么,近處的應(yīng)力分布將有顯著的改變,但是遠(yuǎn)處所受的影響可以不計(jì).v注意:圣維南原理絕不能離開“靜力等效” 幾何、物理、相容98四個(gè)強(qiáng)度理論v第一類強(qiáng)度理論(斷裂破壞理論)v第一強(qiáng)度理論最大拉應(yīng)力理論v第二強(qiáng)度理論最大伸長線應(yīng)變理論11xd3212dx99四大強(qiáng)度理論v第二類強(qiáng)度理論:流動破壞理論v第三強(qiáng)度理論:最大剪應(yīng)力理論v第四強(qiáng)度理論:形狀改變比能理論314xd213232221421xd100平面應(yīng)力yxxE1YXxE21XYYE1XYYE21Y

40、XZE10ZGXYXY0YZXZXYXYG0YZXZ 101平面應(yīng)變v當(dāng)應(yīng)變發(fā)生在一個(gè)應(yīng)力為0的正交平面時(shí),發(fā)生平面應(yīng)變ZYxxEEYXXE1211YXYYEEXYYE12110ZYXZE211GXYXY0YZXZXYXYG0YZXZ 102一般三維空間應(yīng)力狀態(tài)v一般應(yīng)力狀態(tài)ZYXXEEZYXXE1211ZXYYEEZXYYE1211YXZZEEYXZZE1211GXYXYGXZXZGYZYZXYXYGXZXZGYZYZG 1035.2基于交變載荷或譜載荷作用的抗疲勞設(shè)計(jì)不同載荷形式疲勞問題v對稱彎曲疲勞v拉壓疲勞v扭轉(zhuǎn)疲勞v熱疲勞v高溫疲勞v腐蝕疲勞1041055.3基于當(dāng)量初始缺陷分布的概

41、率斷裂控制v基于初始缺陷的斷裂分析v斷裂韌性分布特征v應(yīng)力強(qiáng)度應(yīng)子分布形式v概率斷裂控制5.4基于壓力容器快速斷裂控制的損傷容限v壓力容器v平面應(yīng)力設(shè)計(jì)v平面應(yīng)變實(shí)驗(yàn)條件v損傷容限v張開形斷裂控制v剪切形斷裂控制v反平面剪切斷裂控制106107齒輪斷裂控制1085.5基于交變溫度作用的熱疲勞特性v散熱設(shè)計(jì)v溫度梯度控制v幾何連續(xù)性準(zhǔn)則v熱疲勞失效模式v熱強(qiáng)性材料v均勻變形準(zhǔn)則109 力熱聯(lián)合作用與高溫疲勞110 5.6構(gòu)件防腐蝕和耐磨損設(shè)計(jì)v電偶序及其相容性準(zhǔn)則v表面防護(hù)準(zhǔn)則v潤滑油匹配準(zhǔn)則v校核準(zhǔn)則v綜合試驗(yàn)v熱/化學(xué)/氣候復(fù)合環(huán)境下工作的構(gòu)件,使用壽命和服役期間,應(yīng)不出現(xiàn)影響其良好工作狀態(tài)

42、的腐蝕,損傷,磨蝕坑,應(yīng)力腐蝕裂紋,剝蝕等5.6.1 避免大面積疊焊準(zhǔn)則是否存在大面積的疊焊、縫隙中的殘留物可能導(dǎo)致零件生銹確認(rèn)腐蝕環(huán)境條件：兩個(gè)不同電化學(xué)位勢的電極分別是什么？兩個(gè)電極通過何方式實(shí)現(xiàn)電接觸？浸泡兩電極的電解質(zhì)是什么？如何形成的？確定是面腐蝕還是點(diǎn)腐蝕如果是面腐蝕，選擇增加板的厚度，按照預(yù)期設(shè)計(jì)壽命留出板厚余量。選擇其中一種防護(hù)層工藝方法：電鍍、噴涂、浸漬上漆、滲透、滾壓、化學(xué)轉(zhuǎn)換等v金屬濃度不同，間隙內(nèi)腐蝕產(chǎn)物經(jīng)水解化作用酸化，氧氣擴(kuò)散困難，發(fā)生間隙腐蝕的可能性大得多，例如支承結(jié)構(gòu)、鋼架結(jié)構(gòu)、點(diǎn)焊、單側(cè)焊、容器襯板中。1.避免間隙結(jié)構(gòu)出現(xiàn)；2.將間隙密封，使腐蝕性物質(zhì)無法進(jìn)入

43、；3.將狹窄空間設(shè)計(jì)成較大空間，不停的對流使電解質(zhì)平衡。5.6.2 避免間隙腐蝕準(zhǔn)則1.不同金屬是否有電接觸？2.通過加絕緣措施使不同金屬沒有電接觸；3.有電接觸的不同金屬，哪是賤金屬，哪是貴金屬？如有螺栓、螺釘連接的結(jié)構(gòu)4.確定賤金屬是不是要保護(hù)的防腐蝕部件（賤金屬充當(dāng)陽極被腐蝕），如果是則采取系列措施，如果不是，則貴金屬是被保護(hù)部件，犧牲賤金屬（陽極）被腐蝕，保護(hù)貴金屬（陰極），則不必作技術(shù)處理5.金屬是否被電解質(zhì)包圍；5.6.3 避免局部微觀腐蝕環(huán)境準(zhǔn)則v結(jié)構(gòu)上保證停車期間，管道中的介質(zhì)能空干，否則溫度下降，殘留介質(zhì)在器壁上濃縮結(jié)殼，再啟動后壁受熱，粘結(jié)在器壁上的結(jié)殼成為應(yīng)力裂紋腐蝕源5

44、.6.4 防止流體通道淤積原則 1.防止大的溫度和濃度梯度，否則會引起沉淀物、冷凝物、局部勢差；2.高溫度、高濃度也會加速腐蝕過程；3.局部高溫引起結(jié)殼，結(jié)殼反過來加劇局部過熱；4.局部低溫會導(dǎo)致冷凝5.6.5 避免大溫度和濃度梯度差準(zhǔn)則5.6.6 防止高速流體準(zhǔn)則 常出現(xiàn)在高湍流區(qū)；確認(rèn)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)里是否存在高湍流區(qū)？1、結(jié)構(gòu)改進(jìn)，增大彎管彎曲半徑；2、過濾和離心分離流體，消除固體粒子和氣泡；3、陰極保護(hù)或加防腐劑；4、在危險(xiǎn)壁面電鍍或加涂層；5、選擇具有堅(jiān)硬保護(hù)層不易腐蝕的材料。v對腐蝕速率較慢、均勻的面腐蝕適用；腐蝕速率和設(shè)備的設(shè)計(jì)壽命確定壁厚5.6.7 腐蝕裕度準(zhǔn)則 v在容積相等的前提下，

45、使受腐蝕的表面最小，比表面積=表面積/體積v六面體正方體圓柱體橢圓體球體5.6.8 最小比表面積準(zhǔn)則某儲液罐，10立方米容積，是用一個(gè)大罐還是用十個(gè)小罐減少腐蝕更好一點(diǎn)？ 不能通過結(jié)構(gòu)措施消除的腐蝕損壞，可設(shè)計(jì)上為后續(xù)更換腐蝕部件或加防護(hù)措施提供便利1、易于觀察腐蝕損壞；2、易于更換腐蝕嚴(yán)重的構(gòu)件；3、易于上涂層，易于電鍍5.6.9 便利后繼措施準(zhǔn)則 5.6.10 良好力學(xué)狀態(tài)準(zhǔn)則1. 類似于焊接件里的強(qiáng)度要求設(shè)計(jì)規(guī)范，讓焊縫處于較好的受力狀態(tài)；2. 拉應(yīng)力會加劇腐蝕；3. 裂紋應(yīng)力同時(shí)存在時(shí)，可能產(chǎn)生應(yīng)力裂紋腐蝕124 第六章第六章 機(jī)械可靠性應(yīng)用準(zhǔn)則機(jī)械可靠性應(yīng)用準(zhǔn)則v6.1沖擊載荷與霍普

46、金圣效應(yīng)v6.2 各態(tài)遍歷的隨機(jī)振動v6.3隨機(jī)振動試驗(yàn)準(zhǔn)則v6.4沖擊載荷作用的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則v6.5結(jié)構(gòu)柔性與變形協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則v6.6壓力容器與動載作用設(shè)計(jì)準(zhǔn)則v6.7振動環(huán)境作用的可靠性準(zhǔn)則v6.8復(fù)合載荷環(huán)境材料匹配準(zhǔn)則第六章第六章 機(jī)械可靠性應(yīng)用準(zhǔn)則機(jī)械可靠性應(yīng)用準(zhǔn)則v6.9載荷環(huán)境毛坯匹配準(zhǔn)則v6.10減振器與結(jié)構(gòu)阻尼準(zhǔn)則v6.11潤滑與降噪準(zhǔn)則v6.12表面技術(shù)與潤滑匹配準(zhǔn)則v6.13 箱座、支架類零部件材料阻尼準(zhǔn)則v6.14鑄件減震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則v6.15鍛件、焊接件抗沖擊設(shè)計(jì)準(zhǔn)則1251266.1沖擊載荷與霍普金圣效應(yīng)v吊索、吊具v霍普金森實(shí)驗(yàn)v宏觀運(yùn)動v振動響應(yīng)v局部效應(yīng)6.10減振器

47、與結(jié)構(gòu)阻尼準(zhǔn)則1276.2減振降噪準(zhǔn)則 v機(jī)械振動分析v流體噪聲分析v減振設(shè)計(jì)v降噪原理設(shè)計(jì)1286.3沖擊載荷作用的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則v半正弦沖擊:適用于普通碰撞及發(fā)動機(jī)點(diǎn)火過程的沖擊描述v作用時(shí)間v幅值v控制精度v沖擊響應(yīng)譜:適用于爆炸、分離等作用過程的環(huán)境描述1296.4結(jié)構(gòu)柔性與變形協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則有沖擊載荷的情況下，加大柔性，避免沖擊，但快速響應(yīng)特性會下降。載荷特征、失效模式、作用機(jī)理、宏觀形態(tài)、微觀損傷、細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)與協(xié)調(diào)準(zhǔn)則柔性準(zhǔn)則的措施：1.增加等截面桿的長度；2.避免截面突變；3.安裝緩沖器；4.選用彈性模量小的材料。1306.5變形協(xié)調(diào)準(zhǔn)則變形協(xié)調(diào)準(zhǔn)則 v在力的傳遞中，構(gòu)件會發(fā)生變形，變形不

48、對稱、接觸面變形不匹配等都會引起走偏、應(yīng)力集中等問題； 設(shè)計(jì)案例剖析1316.6壓力容器與動載作用設(shè)計(jì)準(zhǔn)則v靜強(qiáng)度v傳力路徑v損傷容限（案例剖析）v耐久性與剩余壽命vPHM管理vKYKIC1326.7振動環(huán)境作用的可靠性準(zhǔn)則v模態(tài)控制v激勵(lì)控制v減振控制v聲源控制133簡諧振動v運(yùn)動方程:v通解:0 KxxM titieCeCx21tCxcosMK134有阻尼振動v運(yùn)動方程v通解:v臨界阻尼 :02rteKDrMr02KDrMrMKMDDr242042 KMDMDr2MDCex2135有阻尼周期振動v通解tMDKMCextMD24cos22MDKMD242MDKMt242136強(qiáng)迫振動v運(yùn)動方

49、程v通解:v當(dāng)發(fā)生共振時(shí) v避免共振: 或qtFKxxMcos qtqMFtCxcoscos22q22q22q137有阻尼強(qiáng)迫振動v運(yùn)動方程:v通解:v問題:qtFKxxDxMcos qtCqtBtMDKMAexMDsincos24cos22DqFCBq, 0,時(shí)138一般系統(tǒng)v示意圖自由振動自由振動當(dāng)當(dāng)q=時(shí)的強(qiáng)迫振動時(shí)的強(qiáng)迫振動xt01396.8復(fù)合載荷環(huán)境材料匹配準(zhǔn)則v齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)主要受力部分主要受力部分是是輪齒輪齒，齒面承受，齒面承受接觸應(yīng)力和摩擦力接觸應(yīng)力和摩擦力，要求輪齒表面有，要求輪齒表面有足夠的足夠的強(qiáng)度和硬度強(qiáng)度和硬度v同時(shí)，同時(shí)，齒根部分齒根部分要承受要承受彎曲應(yīng)力

50、彎曲應(yīng)力v齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)過程中有時(shí)還受到齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)過程中有時(shí)還受到?jīng)_擊力沖擊力，因此齒，因此齒輪本體要有輪本體要有一定的強(qiáng)度和韌性一定的強(qiáng)度和韌性140續(xù)v一般一般中小型齒輪中小型齒輪應(yīng)選用綜合機(jī)械性能良好的應(yīng)選用綜合機(jī)械性能良好的中碳結(jié)構(gòu)鋼中碳結(jié)構(gòu)鋼，重重要的齒輪要的齒輪應(yīng)選用應(yīng)選用合金滲碳鋼合金滲碳鋼。其毛坯生產(chǎn)方法。其毛坯生產(chǎn)方法采用型材經(jīng)鍛采用型材經(jīng)鍛造造而而結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型齒輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型齒輪，其毛坯可用，其毛坯可用鑄鋼或球墨鑄鐵鑄鋼或球墨鑄鐵鑄造鑄造而成而成v在在單件生產(chǎn)的條件單件生產(chǎn)的條件下，也可用下，也可用焊接焊接方法制造方法制造大型齒輪大型齒輪的毛坯的毛坯v低速運(yùn)轉(zhuǎn)受力不大的齒輪低速

51、運(yùn)轉(zhuǎn)受力不大的齒輪，可用，可用灰鑄鐵件灰鑄鐵件為毛坯為毛坯v高速輕載的普通小齒輪高速輕載的普通小齒輪，為減小噪聲也可用，為減小噪聲也可用非金屬材料非金屬材料(如如尼龍等尼龍等)制造制造v對對要求傳動精確、結(jié)構(gòu)小巧的儀表齒輪要求傳動精確、結(jié)構(gòu)小巧的儀表齒輪，可用，可用板料沖裁板料沖裁而成而成v有些齒輪有些齒輪也可用也可用壓鑄、粉末冶金等方法壓鑄、粉末冶金等方法制成制成1416.9載荷環(huán)境毛坯匹配準(zhǔn)則v載荷類型v環(huán)境特征v工件形狀v結(jié)構(gòu)尺寸規(guī)模1426.10減振器與結(jié)構(gòu)阻尼準(zhǔn)則v減振器諧振特性及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量、阻尼決定的儀器、設(shè)備動力學(xué)常數(shù)v運(yùn)動方程v通解:v臨界阻尼 :02rteKDrMr

52、02KDrMrMKMDDr242042 KMDMDr2MDCex21436.11潤滑與降噪準(zhǔn)則1446.12表面技術(shù)與潤滑匹配準(zhǔn)則齒面嚴(yán)重膠合現(xiàn)象145A 金屬化學(xué)處理v鋼鐵的化學(xué)氧化（0.51.5m）v有色金屬的化學(xué)氧化(0.54 m)v鋁及鋁合金的陽極氧化可控制在幾十幾百微米(鋁自然氧化膜層厚0.0100.015 m)v磷化處理(520 m)v鉻酸鹽膜(0.82 m)146磷化v磷化所形成的磷化膜是一層穩(wěn)定的不導(dǎo)電的隔離層，使金屬表面由優(yōu)良導(dǎo)體變?yōu)椴涣紝?dǎo)體，抑制了微電池形成，有效地阻止涂層腐蝕。 v磷化常用的方法按處理溫度分為高溫磷化（7090 ），中溫磷化（5070 ）和常溫磷化（203

53、0 ）。v磷化膜一般是黑色的。147b 表面改性技術(shù)準(zhǔn)則v表面形變強(qiáng)化（噴丸等）v表面熱處理（感應(yīng)、火焰、浴爐、電解液及高密度能量表面淬火）v表面化學(xué)熱處理（滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲金屬）v等離子體表面處理v激光、電子束、高密度太陽能表面處理v離子注入表面改性148c 配合偶件腐蝕防護(hù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 v保護(hù)層v緩蝕劑v鈍化v經(jīng)重鉻酸鹽處理的硫酸陽極化膜層v電火花涂附v硬度匹配準(zhǔn)則v電化學(xué)防護(hù)準(zhǔn)則1496.13 箱座、支架類零部件材料阻尼準(zhǔn)則v根據(jù)這類零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用要求，通常根據(jù)這類零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用要求，通常采用采用鑄鐵以鑄造鑄鐵以鑄造方法制成毛坯方法制成毛坯v鑄鐵能制造結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的

54、毛坯，具有良好鑄鐵能制造結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的毛坯，具有良好的耐壓、耐磨和減振性，價(jià)格便宜的耐壓、耐磨和減振性，價(jià)格便宜v對對受力大、復(fù)雜的零件受力大、復(fù)雜的零件毛坯，則采用毛坯，則采用鑄鋼鑄鋼件件v在在單件生產(chǎn)或工期緊迫單件生產(chǎn)或工期緊迫時(shí)，也可采用時(shí)，也可采用焊接件焊接件制造毛坯，它的優(yōu)點(diǎn)可減輕零件重量，但減制造毛坯，它的優(yōu)點(diǎn)可減輕零件重量，但減振性不如鑄鐵件振性不如鑄鐵件1506.14鑄件減震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則v根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用要求，通常采用根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用要求，通常采用鑄鐵以鑄造鑄鐵以鑄造方法方法制成毛坯制成毛坯v鑄鐵能制造結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的毛坯，具有良好的耐壓、耐磨和鑄鐵能制造結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜

55、的毛坯，具有良好的耐壓、耐磨和減振性，價(jià)格便宜減振性，價(jià)格便宜v對對受力大、復(fù)雜的零件受力大、復(fù)雜的零件毛坯，則采用毛坯，則采用鑄鋼鑄鋼件件v在在單件生產(chǎn)或工期緊迫單件生產(chǎn)或工期緊迫時(shí)，也可采用時(shí)，也可采用焊接件焊接件制造毛坯，它的制造毛坯，它的優(yōu)點(diǎn)可減輕零件重量，但減振性不如鑄鐵件優(yōu)點(diǎn)可減輕零件重量，但減振性不如鑄鐵件v有些異形斷面或彎曲軸線的軸有些異形斷面或彎曲軸線的軸，如凸輪軸、曲軸等，材料采，如凸輪軸、曲軸等，材料采用球墨鑄鐵，其毛坯選用用球墨鑄鐵，其毛坯選用鑄造鑄造成形方法。成形方法。v在某些情況下，零件毛坯成形方法可選用在某些情況下，零件毛坯成形方法可選用鍛鍛-焊、鑄焊、鑄-焊結(jié)合

56、焊結(jié)合的的方法方法v例如：汽車排氣閥零件，可將合金耐熱鋼的閥帽與普通碳素例如：汽車排氣閥零件，可將合金耐熱鋼的閥帽與普通碳素鋼的閥桿焊成一體，以節(jié)約耐熱鋼材料。有些大型軸桿類零鋼的閥桿焊成一體，以節(jié)約耐熱鋼材料。有些大型軸桿類零件的毛坯，例如我國自行設(shè)計(jì)制造的件的毛坯，例如我國自行設(shè)計(jì)制造的12000 t水壓機(jī)的立柱，水壓機(jī)的立柱，即采用鑄焊結(jié)構(gòu)；該立柱長即采用鑄焊結(jié)構(gòu)；該立柱長18m，直徑，直徑1m，壁厚，壁厚0.3m，重，重80t，采用，采用ZG270500，分六段鑄造，以焊接方法焊成整體，分六段鑄造，以焊接方法焊成整體毛坯毛坯1516.15鍛件、焊接件抗沖擊設(shè)計(jì)準(zhǔn)則v一般的軸類零件一般的

57、軸類零件若各段臺階若各段臺階直徑相差不大直徑相差不大，可，可直接直接選用型材選用型材；若；若直徑相差較大直徑相差較大，則可，則可采用鍛件采用鍛件。v大型零件大型零件只能采用只能采用自由鍛件、砂型鑄件或焊接件自由鍛件、砂型鑄件或焊接件。v軸桿類零件一般都是軸桿類零件一般都是重要的受力和傳動零件重要的受力和傳動零件v用于中等載荷或一般要求的軸，主要選用中碳調(diào)質(zhì)用于中等載荷或一般要求的軸，主要選用中碳調(diào)質(zhì)鋼鋼v用于重載、沖擊及耐磨的軸，主要選用合金結(jié)構(gòu)鋼用于重載、沖擊及耐磨的軸，主要選用合金結(jié)構(gòu)鋼v用這類材料制造的軸，其毛坯均采用用這類材料制造的軸，其毛坯均采用鍛造成形鍛造成形加工加工方法方法152

58、 第七章第七章 受熱結(jié)構(gòu)影響因素受熱結(jié)構(gòu)影響因素v7.1總體熱慣性與最高溫度v7.2比熱容與高溫持續(xù)時(shí)間v7.3表面輻射系數(shù)v7.4熱阻與熱循環(huán)周期數(shù)v7.5熱絕緣部位v7.6耐熱限制v7.7主動冷卻技術(shù) 1537.1 熱負(fù)荷分類設(shè)計(jì)準(zhǔn)則v熱循環(huán)v熱沖擊v熱力學(xué)疲勞v氧化性和腐蝕性氣體v脆性（吸氫）v侵蝕性燃料1547.2受熱結(jié)構(gòu)失效模式v高溫蠕變v熱疲勞v高溫疲勞v裂紋擴(kuò)長斷裂（玻璃及陶瓷基耐熱材料）v粘接開裂（纖維與基體界面）v高溫脆性破壞v老化失效（密封件與電子器件）1557.3結(jié)構(gòu)散熱與冷卻控制v自然冷卻v強(qiáng)風(fēng)冷卻v液體冷卻v蒸發(fā)冷卻v熱電冷卻v熱管傳熱v耗散的熱量決定系統(tǒng)的穩(wěn)升，即設(shè)

59、備的工作溫度1567.4受熱結(jié)構(gòu)選材準(zhǔn)則v顆粒增強(qiáng)性材料v晶須增強(qiáng)性材料v高性能金屬合金v彌散增強(qiáng)v凈尺寸成型工藝與準(zhǔn)凈尺寸成型工藝v超塑性成型和擴(kuò)散焊接（鈦合金復(fù)雜構(gòu)型）v樹脂或溶膠、凝膠工藝（陶瓷符合材料）v氣相沉積1577.5高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則v載荷特征v失效機(jī)理v選材準(zhǔn)則v材料宏觀特征與微觀結(jié)構(gòu)v熱強(qiáng)性,熱硬性v熱疲勞設(shè)計(jì)準(zhǔn)則v零部件間熱膨脹系數(shù)及其差異v連接準(zhǔn)則v配合耦件配合準(zhǔn)則v組裝準(zhǔn)則v密封準(zhǔn)則v受力準(zhǔn)則1587.6熱平衡與熱電模擬v即將熱流量（功耗）模擬為電流、溫差模擬為電壓、熱阻模擬為電阻、傳導(dǎo)模擬為電導(dǎo)v熱沉等效于大地v這種模擬方法使用于各種傳熱方式，尤其是導(dǎo)熱的傳熱v對流換

60、熱的模擬比傳導(dǎo)要困難一些v輻射換熱模擬誤差會更大一些1597.7溫度測量和高溫試驗(yàn)設(shè)備v一次儀表：熱電偶、熱電阻、變色涂料等v二次儀表：變換器、放大器、溫度補(bǔ)償、熱像儀v數(shù)據(jù)采集記錄與處理設(shè)備v測試電纜v供電電源等1607.8材料耐熱性能分析v合理布局開孔形狀v避免出現(xiàn)多重應(yīng)離集中v合理的過度圓角和凸臺半徑v避免結(jié)構(gòu)偏心v避免在缺口敏感材料和高應(yīng)力區(qū)打檢驗(yàn)印1617.9結(jié)構(gòu)耐熱設(shè)計(jì)v傅立葉傳熱基本定律v牛頓對流換熱基本定律v任意物體輻射能力v自然對流換熱準(zhǔn)則v強(qiáng)迫對流換熱準(zhǔn)則v兩物體間輻射換熱1627.10 雙層結(jié)構(gòu)散隔熱結(jié)構(gòu)準(zhǔn)則v為防止內(nèi)蒙皮鼓動及殘余變形,設(shè)計(jì)時(shí)在內(nèi)蒙皮與框連接處,要采用補(bǔ)