浅析机械强度的可靠性设计

．７２．祝掰２∞４年第３１卷增刊

浅析机械强度的可靠性设计

崔斌，张庆功

（长庆油田公司油气田规划所，陕西长庆７１００２１）

摘要：概述了机械强度可靠性设计多种方法的应用状况，就可靠性理论在机械设计中的应用提出了一些探讨性意见。关键词：机械强度；概率；模糊；可靠性

刖罱

随着科学技术的发展，人们对产品的性能、质量和可靠性等方面的要求越来越高。可靠性已经成为产品竞争的焦点，日益引起各国的重视。美国有专家声称今后世界产品竞争的焦点是可靠性，而日本人把可靠性列为企业的主要目标。在机械设计领域广泛使用优化设计技术和可靠性技术，使得零部件的结构朝着小型化、高可靠性方向发展。

本文以可靠度为讨论目标，将论述多种设计方法的优劣及其在工程中的实用性。

所谓可靠性是指系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。如果用”概率”来量度这一”能力”，就是可靠度，用尺（ｆ）表示。

累积失效概率是指机械产品在规定的条件下和规定的时间内失效的概率，常用一表示。

ｌ机械强度的传统可靠性设计

回顾漫长的机械设计史，传统的设计是将长期经验得到的故障教训反映在设计上，根据各种机械设计的具体情况制定出具体的标准。遵循这些设计标准设计出来的机械产品，其可靠性可得到间接保证。所谓设计计算标准，是由材料的选择、结构形式、许用应力和安全系数所决定的。这种设计方法的特点是负荷及强度是确定的，而一些不能确定的因素总的由安全系数去考虑，从而是凭经验的。保

守的设计者，总是取较大的安全系数以达到提高可靠性的目的，但这种做法在大多数情况下，会造成机械重量、尺寸及成本的增加，这有背于可靠性优化设计的目标。

２机械强度的现代可靠性设计

随着科学技术的发展与进步，人们对机械产品提出了新的和更高的要求。现代机械种类繁多、结构复杂，但从实现系统功能的角度看，机械系统主要包括下列一些子系统：动力系统、传动系统、执行系统、操作系统及控制系

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方数据本来机械零件的材料强度、外载荷和加工尺寸等都是应力强度干涉模型（见图１），将设计参数作为随机变力Ｓ的概率。

ｏ

ｕ

Ｈｄ

ｓ．６ＭＰ

图ｌ应力．强度干涉模型

脚¨＞０）＝！去ｅｘｐ（一譬ｋ刺㈣

零件的可靠度Ｒ（ｆ）需要由可靠度系数ｚ查标准正态表ｚ＝‰叫牖

／ｔｏ：＋ｄ：

（２）…

然而在许多新型复杂系统及工程项目的实施运用中，统。每个子系统又可根据需要继续分解为更小的若干个子系统。同时，现代机械系统中。广泛采用新技术、新材料

和新工艺，因缺乏实际经验，很难求得适应现有条件的安全系数。因使用条件的变化大，总想靠过去那种安全系数来获得可靠性，不但越来越困难，有时甚至做不到。

有偏差的，存在离散性，有可能出现达不到预期而失效的情况。因此，希望将出现这种失效情况的概率限制在一定的范围之内，即不再象传统的那样在安全系数作为可靠性依据的设计方式中把它们（材料强度、外载荷和加工尺寸）当作确定值来处理，而是需要把它们以概率变数来处理。２．１概率可靠性应力．强度干涉理论

量，用零件应力和强度不发生干涉的概率反映强度和寿命的可靠度，物理意义非常明确，是机械可靠性设计基本模

型。设影响零件正常工作的两个因素：应力Ｓ和强度巧均服从正态分布，综合应力Ｓ的均值‰，标准差％；综合强度的均值％，标准差％，则零件的可靠度为强度占大于应得到；积分上限ｚ叫做可靠度系数，由联接方程表示

概率可靠性理论与工程实践的矛盾日益突出．问题在于某

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些零部件的载荷及材料强度的概率分布尚未获得，缺乏概强度可靠性问题，所用的模糊变量隶属度是由应力和强度率分析所必须的大量实验数据。实际工程中，结构强度失分布决定的。因此，应取分布密度形式，当分布未知，仅效的发生通常是一个逐渐发展的过程。因此，结构强度从获得实验数据时，用频率统计方法获得隶属度；若为小子安全到失效之间应有一个中间过渡，在此中间过渡阶段，样，可以用经验公式或由专家、权威给出约定的隶属度。

结构的状态表现为既安全又不安全的模糊性。所以，结构模糊随机可靠度的计算方法考虑了失效准则的模糊安全规定确定的边界有失合理性，可靠性实际上是一个模性，但计算过于复杂，难以应用。为了克服这一缺点，我糊事件。针对常规可靠性设计仅考虑事件的随机性而忽略们提出了一个全新的理论和方法：具有“安全一中介一失了普遍存在的模糊性，将模糊集理论与常规可靠性设计方效”三级工作模式的可靠性分析方法。它考虑失效准则的法相结合形成了模糊可靠性设计，该设计方法同时考虑了模糊性，又简便、实用，并且合理，是一种新的模糊随机事件的随机性和模糊性，与工程实际更接近，更科学，更

可靠性的计算方法。

合理。

２．３具有“安全一中介一失效”三级工作模式的可靠性分

２．２模糊贴近度应力．强度可靠性模型

析方法

零件应力是载荷和结构特性的函数，应力的模糊性来具有“安全一中介一失效”三级工作模式的构件（单自载荷和结构特性的不确定性，设模糊综合应力的隶属度约束模式）的工作状态为

函数；零件强度是材料各质量特性的函数，强度的模糊性安全状态：ｓ≤Ｊ

５

（５）

来自材料及生产加工质量特性的不确定性，设模糊综合强中介状态：占５＜ｓ＜ｄ／。（６）度的隶属度函数，如图２所示。

失效状态：Ｓ≥ｄ７

（７）

式中，ｓ为载荷应力；６５为构件安全的强度上限；ｄ，为构件安全的强度下限。

１

０

图２应力和强度隶属度关系函数分布

应力大于强度是零件失效的根本原因，可以用应力和强度失效概率密度曲线干涉区的面积大小来表示（不可靠０

度），亦可用应力和强度隶属函数曲线的贴近度来度量，安全区中介区失效区

即应力与强度两个模糊集的接近程度。用贴近度反映干涉程度，不限于应力、强度为正态分布，应力和强度可以是图３三级工作模式构件安全程度

任意的模糊分布。强度大于应力的可靠性，与强度和应力图３反映了三级工作模式构件的安全程度（安全隶属的差值有直接的关系，所以选用模糊距离贴近度计算方度）。图３中“宜争（固表示应力为Ｓ时构件的安全隶属度，法。若用Ｈａｍｍｉｎｇ距离贴近度，则模糊可靠性

显然０≤“尘令（研≤ｌ。当“宣卡（研＝ｌ时，式（５）成立，表明构

尺。＝１一盯ｌ（彳占，彳。）＝ｉ二一ｆ｜彳占Ｇ）一彳。ｂ淞ｋ

件处于安全状态；当”宣夸＝０时，式（７）成立，表明构件处（３）

￡，一“哪

于失效状态；当ｏ≤“宜今（两≤ｌ时，式（６）成立，表明构件当和用实验的离散数据给出时，则

处于中介状态。

＇

盯

尺。＝ｌ一仃ｔ（彳艿，４）＝÷∑ｐ占Ｇ）一４Ｇ枷

（４）

与这种三级工作模式对应的可靠性分析就是求构件“『－ｌ

（单约束模式）工作期间处于各种工作状态的概率：

式中：如为用模糊贴近度表示的模糊可靠性；爿缸）为模糊安全概率玮＝ＪＰ｛ｓ≤萨｝

（８）综合强度隶属度函数；一如）为模糊综合应力隶属度函数；中介概率户沪尸｛萨＜ｓ＜ｄ，＝（９１口为模糊综合强度下限；６为模糊综合应力上限。

失效概率砟砷｛ｓ≥ｄ，｝

（１０）

正确地获取、构造隶属度是模糊可靠性研究得以工程这种三级工作模式也是一种考虑失效准则（极限状应用的前提，有待于资料的统计和经验的积累。有关机械态）模糊性的可靠性分析方法，但在处理方式上与模糊随零部件可靠性隶属度函数，迄今为止已有许多研究，并仍机可靠性完全不同。求出了构件工作期间处于各种工作状在探讨中。用于表示“失效”的隶属度常用半升或半降正态的概率，即安全概率厅，中介概率丹和失效概率厚后，

态分布、柯西分布及梯形分布形式。用贴近度研究应力和

（下转第７６页）

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方数据

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件可以派生该零件族的任何一个零件，零件可以继承复合零件的全部特征或部分特征。之后，在三维零件样板的基础上确定一组设计参数来控制模型的形状和拓扑关系，并建立零件族设计参数的系列尺寸。最后，通过选择不同系列尺寸来自动生成零件的三维模型，从而实现三维零件库

的创建。

４．２生成三维零件样板

利用ｕＧＮｘ的Ｐａｎｆａｍｉｌｉｅｓ工具可以方便的定义零

件主要参数生成系列化零件数据库。进入ＴｏｏＩｓ一）ＰａｒｔｆａｍｉＩｉｅｓ．选取表达式中的Ｄ、，，ｌ、ｓ作为提取参数，设置好保存目录，选择ｃｒｅａ＿ｔｅ命令进入Ｅｘｃｅｌ工作表。在Ｅｘｃｅｌ里面，根据标准零件系列尺寸或标准件的标准规格尺寸录入零件控制参数的值。如图５所示。保存族并退出Ｐａｒｔｆａｍｉｌｉｅｓ。带Ｅｘｃｅｌ参数表的三维零件样板生成。

鲫ａｎ㈣ｅｓ中录入数据…Ｉ入样柞

轧瓣黧燃燮黧入兰型黑竺：套竺萎黧窑麓嬲薹鬈嚣曩纛有规格，选择需要的规格加入，这样零件生成。如图７。

竺苎列黧要塞寰凳篓Ｅ翌三竺苎，薏竺所

图７根据样本生成的系列零件

５结论

利用ｕＧＮｘ提供的强大相关参数化建模功能，能够方便编辑修改，加速设计进程。在相关参数化模型基础上，借助零件族的Ｅｘｃｅｌ工作表，可以快速准确地创建标准件、

通用零件及产品系列化设计的三维模型库。本文提出的建

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方数据扔掰２００４年第３１卷增刊

库方法简单，不需要编程，不涉及复杂的数据库技术，很适合产品设计和开发人员。

参考文献：

【ｌ】【美】．ｕｎｉｇｒ印ｈｉｃｓ

ｓ０１ｕｔｉｏｎｓ

ｌｎｃ．等．ｕＧ相关参数化搜计培训教程

［Ｍ】．北京：清华大学出版社，２００２．

【２】马秋成．等．ｕＧ实用教程ｃＡＤ篇【Ｍ】．北京：机械工业出版社，

２００１．

（上接第７３页）

将它们联合起来组成可靠性向量｛昧，％，ＰＦ｝。这

样，就给出了关于结构工作状态随机性的更全面的估计，有利于工程的设计和决策。其次，在该方法的分析过程中，具体计算全部使用常规（即“安全一失效”二级工作模式）的计算方法，因此没有带来任何新的困难。

３结束语

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磊－爻蔷蕃：萎磊＿妥ｉ茹：一”“““””…８

…………～……一。

参考文献：

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ｆ２】牟致忠，朱文予．机械可靠性没计【Ｊ】．北京：机械工业出版社．

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【３】邬华芝．基于模糊分析的机械强度可靠性方法【Ｊ】机械科学与技

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【５】郑晓，孙国正等．基于系统强度可靠度的磨棍牟电过盈联接模糊可

靠性设计【Ｊ】．机械科与技术，２００２（３）．

浅析机械强度的可靠性设计

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

崔斌， 张庆功

长庆油田公司油气田规划所,陕西,长庆,710021机械

MACHINERY2004,31(z1)

参考文献(5条)

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5.郑晓;孙国正 基于系统强度可靠度的磨棍轴过盈联接模糊可靠性设计[期刊论文]-机械科学与技术 2002(03)

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4. 江涛.陈建军.胡太彬.姜培刚.JIANG Tao.CHEN Jian-jun.HU Tai-bin.JIANG Pei-gang 任意有界论域的模糊变量转化成随机变量的方法[期刊论文]-安全与环境学报2005,5(3)

5. 李阳星.李光煜 机械强度的模糊可靠度计算方法研究[期刊论文]-煤矿机械2004(4)6. 何英.韩秀杰 随机变量和模糊变量组合时的模糊可靠性设计[会议论文]-2005

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