15第七章机械结构可靠性设计介绍01.ppt

第七章　机械结构的可靠性设计（1） （静强度设计） 第一节 应力与强度的分布-------------------------------（5） 一、基本概念 -------------------------------（5） 二、应力和强度的概率分布-------------（9） 三、基于统计分析的安全系数-----------（31） 第二节 安全系数与可靠性-------------------------------（11） 一、传统的安全系数---------------------（12） 二、应力强度干涉理论-------------------（15） 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。 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严重后果。 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。 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。 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，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。 (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； 在产品的生产中可能出现两种现象： (2) 即使采用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，如果需要你提供某机械结构的可靠性，你应采集什么信息？ 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： 因此 ，工程技术人员都应掌握机械结构的可靠性设计方法。 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。 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。 第一节 应力与强度的分布 一、基本概念 1. 应力的含义 从可靠性的角度考虑，“应力”不仅仅是指机械结构所承受的载荷，还应包括各种环境因素，如温度、湿度的变化，腐蚀作用，粒子辐射等等。 传统的工程设计认为：当 xL≤ xS 时,零件能正常工作，当 xL xS 时,零件工件失效。可靠性设计不这样认为，它有着一套自己的科学系统的理论。 可用下图表示： 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、加工工艺、结构形式等因素都看成是固定不变的常数值。 即把零部件实际承受的载荷 xL（应力）和允许承受的应力(强度) xS 均作为常量。 如图7-1所示为汽车车架承受的载荷随时间的变化，而不是常数值。 图7-1 汽车车架的载荷时间曲线 实际上应力（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。 2. 强度的含义 例如5个同型标准试件，在材料试验机上进行拉伸试验，得到的应力—应变曲线如图7-2所示。由图可见，它是一组离散数值。 图7-2 应力—应变曲线波动情况 强度是指机械结构承受应力（载荷）的能力，凡是能阻止结构或零件失效的因素，统称为强度。 强度除了通常所说的材料机械性能（屈服极限、强度极限、疲劳极限、断裂韧性等）外，还包括加工精度，表面粗糙度等。 在传统设计中，往往把材料强度当作不变的常数值。其实不符合实际，它是一个随机变量。 另外随着机械运转或者存放时间的增加，由于疲劳、磨损或老化变质等因素的作用，应力和强度分布的相对位置也在变化(见图7-3)。 图7-3 结构可靠性的变化 强度的下降对对机械结构可靠性的影响如图7-3所示： ① t=0时，强度f(s)f(l)机械结构完全可靠。 ② t = ti