可靠性理論和方法在機(jī)械設(shè)計中應(yīng)用

—可靠性理論和方法在機(jī)械設(shè)計中應(yīng)用引言牢靠性理論是近幾十年發(fā)展起來的一門新興學(xué)科，從6020XX年X月開頭，漸漸進(jìn)入機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域，使機(jī)械設(shè)計及機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計發(fā)生了前所未有的改變，特別是近一、二十年間，國內(nèi)外一些有代表性的機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計方面的著作增加了牢靠性技術(shù)方面的內(nèi)容。在這些科學(xué)的理論指導(dǎo)下，設(shè)計、制造出來的機(jī)械類產(chǎn)品，平均無故障工作時間提高了3倍，產(chǎn)品缺陷大大降低了，很好地維護(hù)了用戶和社會效益，牢靠性設(shè)計方法現(xiàn)已逐步成為現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計方法的一個重要組成部門，它比常規(guī)設(shè)計方法更能反映事物的本質(zhì)。1牢靠性理論1.1常規(guī)的機(jī)械設(shè)計中，通常采納安全系數(shù)法或許用應(yīng)力法，它的動身點(diǎn)是使作用在危險截面上的工作應(yīng)力S小于或等于其許用應(yīng)力[S]，而[S]是由極限應(yīng)力S除以大于1的安全系數(shù)n而得到的；也可以使機(jī)械零件的計算安全系數(shù)n大于預(yù)期的許用安全系數(shù)[n]。即：S≤[S]=S/nn=S/n≥[n]這種常規(guī)設(shè)計方法沿用了很多年，只要安全系數(shù)選用恰當(dāng)，是一種可行的設(shè)計方法，但是伴著產(chǎn)品日趨冗雜，對其牢靠性要求愈來愈高，常規(guī)方法就顯得不夠完善。首先，大量的試驗說明，現(xiàn)實的設(shè)計變量如截荷、極限應(yīng)力以及材料硬度、尺寸等都是隨機(jī)變量，都呈現(xiàn)或大或小的離散性，都應(yīng)當(dāng)依概率取值，不考慮這一點(diǎn)，設(shè)計出來的結(jié)果難免與實際脫節(jié)。其次，常規(guī)設(shè)計方法的關(guān)鍵是選取安全系數(shù)，過大，造成鋪張，過小，影響正常運(yùn)用，但在選取安全系數(shù)經(jīng)常常沒有準(zhǔn)確的選擇尺度，其結(jié)果是使設(shè)計極易受局部經(jīng)驗所影響。所以為了使設(shè)計更符合實際，應(yīng)當(dāng)在常規(guī)方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行概率設(shè)計。概率設(shè)計的主要特點(diǎn)是：第一，概率設(shè)計與常規(guī)設(shè)計的關(guān)系不是對立的，而是繼承和發(fā)展的，在概率設(shè)計中同樣用到各種符合實際的力學(xué)模型、系數(shù)和經(jīng)驗公式，但是，概率設(shè)計所運(yùn)用的數(shù)據(jù)是以統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，要在統(tǒng)計分布的基礎(chǔ)上觀看全部設(shè)計變量。比方在選用材料時，只有均值高、標(biāo)準(zhǔn)差又得到掌握的才是好材料。第二，概率設(shè)計用平均安全裕度（平均安全系數(shù)）和牢靠度作為設(shè)計目標(biāo)，尤以后者更為重要。由于牢靠度綜合考慮了各設(shè)計變量的統(tǒng)計分布特性，定量地用概率表達(dá)所設(shè)計產(chǎn)品的牢靠程度，因此更能反映實際情況。第三，概率設(shè)計重視搜集和積累各種牢靠性數(shù)據(jù)，特別留意信息反應(yīng)，從而在客觀上形成了良性循環(huán)，并能使設(shè)計和管理工作有機(jī)結(jié)合。最終使概率設(shè)計逐步走上適用化的道路。1.2應(yīng)力--強(qiáng)度干預(yù)模型概率設(shè)計所依據(jù)的模型主要是應(yīng)力--強(qiáng)度干預(yù)模型。在常規(guī)設(shè)計中，將強(qiáng)度γ和應(yīng)力S都視為常量，然而，零件本身的固有強(qiáng)度要受很多偶然因素的影響。比方，零件材料和金相不勻稱、零件外表光滑度具有離散性、零件尺寸加工具有隨機(jī)誤差等等，因此實際中強(qiáng)度是一個隨機(jī)變量。當(dāng)然工作應(yīng)力由于溫度、載荷、濕度及振動等偶然因素的影響，在實際中也是一個隨機(jī)變量。這樣機(jī)械零件的強(qiáng)度和工作應(yīng)力在實際中都聽從肯定的概率分布，兩者的pdf曲線通常都部分重疊或稱干預(yù)。如圖1所示。其重疊程度或干預(yù)面積直接反映了牢靠度的大小，應(yīng)用應(yīng)力與強(qiáng)度的干預(yù)模型提出的一種概率設(shè)計理論是進(jìn)行概率設(shè)計的根本依據(jù)。圖1應(yīng)力—強(qiáng)度干預(yù)模型2應(yīng)用實例由常規(guī)設(shè)計得到圖2所示的轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)，其危險截面的參數(shù)如表1所示。軸的材料為45鋼。由手冊查得σ=650N/mm，σ=300N/mm，試按牢靠度R=0.999來設(shè)計I—I截面的軸徑（按正態(tài)分布計算）。圖2轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)表1轉(zhuǎn)軸危險截面的主要參數(shù)解：①工作應(yīng)力計算，由于軸徑d未知，只計算V取V=0.13，V=0.12由變差系數(shù)公式得V==0.11②計算極限應(yīng)為。暫取綜合影響系數(shù)K=3.5，V=0.04，Vσ=0.06則σ===85.71N/mmV=V+V+V·V）=（0.06+0.04+0.06X0.04）=0.087tgθ=·==2.20XX6p===5420.05σ=－p=－5420.05=38.84N/mmσ=·σ=93.83N/mm③計算R=0.999下軸能承受的工作應(yīng)為σ。此時取V=Vσ=0.087，由于R=0.999查表得β=Φ（R）=3.090，故β=1－βV=1－3.090X0.087=0.92773β=1－βV=1－3.090X0.11=0.88447σ=ι==61.15N/mm④設(shè)計軸徑d=（）=（·）=67.94mm若取d=68mm，或70mm可以保證R=0.9993結(jié)論應(yīng)用干預(yù)理論進(jìn)行的概率設(shè)計是為了保證所設(shè)計的產(chǎn)品的牢靠性而采納一系列分析與設(shè)計技術(shù)，