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可靠性理论和方法在机械设计中的应用可靠性理论和方法在机械设计中的应用引言引言可靠性理论是近几十年发展起来的一门新兴学科，从 60 年代开始，逐渐进入机电产品设计领域，使机械设计及机电产品设计发生了前所未有的变化，特别是近一、二十年间，国内外一些有代表性的机电产品设计方面的著作增添了可靠性技术方面的内容。在这些科学的理论指导下，设计、制造出来的机械类产品，平均无故障工作时间提高了 3倍，产品缺陷大大降低了，很好地维护了用户和社会效益，可靠性设计方法现已逐步成为现代机械产品设计方法的一个重要组成部门，它比常规设计方法更能反映事物的本质。1 1 可靠性理论可靠性理论1.1 常规的机械设计中，通常采用安全系数法或许用应力法，它的出发点是使作用在危险截面上的工作应力 S 小于或等于其许用应力S，而S是由极限应力 S 除以大于 1 的安全系数 n 而得到的；也可以使机械零件的计算安全系数 n 大于预期的许用安全系数n。即：SS=S/n n=S/nn这种常规设计方法沿用了许多年，只要安全系数选用适当，是一种可行的设计方法，但是随着产品日趋复杂，对其可靠性要求愈来愈高，常规方法就显得不够完善。首先，大量的实验表明，现实的设计变量如截荷、极限应力以及材料硬度、尺寸等都是随机变量，都呈现或大或小的离散性，都应该依概率取值，不考虑这一点，设计出来的结果难免与实际脱节。其次，常规设计方法的关键是选取安全系数，过大，造成浪费，过小，影响正常使用，但在选取安全系数时常常没有确切的选择尺度，其结果是使设计极易受局部经验所影响。所以为了使设计更符合实际，应该在常规方法的基础上进行概率设计。概率设计的主要特点是：第一，概率设计与常规设计的关系不是对立的，而是继承和发展的，在概率设计中同样用到各种符合实际的力学模型、系数和经验公式，但是，概率设计所使用的数据是以统计数据为基础，要在统计分布的基础上观察所有设计变量。比如在选用材料时，只有均值高、标准差又得到控制的才是好材料。第二，概率设计用平均安全裕度（平均安全系数）和可靠度作为设计目标，尤以后者更为重要。因为可靠度综合考虑了各设计变量的统计分布特性，定量地用概率表达所设计产品的可靠程度，因而更能反映实际情况。第三，概率设计重视收集和积累各种可靠性数据，特别注意信息反馈，从而在客观上形成了良性循环，并能使设计和管理工作有机结合。最终使概率设计逐步走上实用化的道路。1.2 应力-强度干涉模型概率设计所依据的模型主要是应力-强度干涉模型。在常规设计中，将强度和应力 S 都视为常量，然而，零件本身的固有强度要受许多偶然因素的影响。比如，零件材料和金相不均匀、零件表面光洁度具有离散性、零件尺寸加工具有随机误差等等，因此实际中强度是一个随机变量。当然工作应力由于温度、载荷、湿度及振动等偶然因素的影响，在实际中也是一个随机变量。这样机械零件的强度和工作应力在实际中都服从一定的概率分布，两者的 pdf 曲线通常都部分重叠或称干涉。如图 1 所示。其重叠程度或干涉面积直接反映了可靠度的大小，应用应力与强度的干涉模型提出的一种概率设计理论是进行概率设计的基本依据。图 1 应力强度干涉模型