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結構可靠性設計與分析方法有哪些?


摘要:

文章來源:嘉峪檢測網 







關鍵詞:

結構可靠性







案例正文

機械可靠性一般可分為結構可靠性和機構可靠性。結構可靠性主要考慮機械結構的強度以及由于載荷的影響使之疲勞、磨損、斷裂等引起的失效;機構可靠性則主要考慮的不是強度問題引起的失效,而是考慮機構在動作過程由于運動學問題而引起的故障。

 

結構可靠性設計方法

 

機械可靠性設計可分為定性可靠性設計和定量可靠性設計。所謂定性可靠性設計就是在進行故障模式影響及危害性分析的基礎上,有針對性地應用成功的設計經驗使所設計的產品達到可靠的目的。所謂定量可靠性設計就是充分掌握所設計零件的強度分布和應力分布以及各種設計參數的隨機性基礎上,通過建立隱式極限狀態函數或顯式極限狀態函數的關系設計出滿足規定可靠性要求的產品。

 

機械可靠性設計方法是常用的方法,是目前開展機械可靠性設計的一種最直接有效的方法,無論結構可靠性設計還是機構可靠性設計都是大量采用的常用方法。嘉.峪檢測網認為可靠性定量設計雖然可以按照可靠性指標設計出滿足要求的恰如其分的零件,但由于材料的強度分布和載荷分布的具體數據目前還很缺乏,加之其中要考慮的因素很多,從而限制其推廣應用,一般在關鍵或重要的零部件的設計時采用。

 

機械可靠性設計由于產品的不同和構成的差異,可以采用的可靠性設計方法有:

 

1.預防故障設計

 

機械產品一般屬于串聯系統.要提高整機可靠性,首先應從零部件的嚴格選擇和控制做起。例如,優先選用標準件和通用件;選用經過使用分析驗證的可靠的零部件;嚴格按標準的選擇及對外購件的控制;充分運用故障分析的成果,采用成熟的經驗或經分析試驗驗證后的方案。 

 

2.簡化設計

 

在滿足預定功能的情況下,機械設計應力求簡單、零部件的數量應盡可能減少,越簡單越可靠是可靠性設計的一個基本原則,是減少故障提高可靠性的最有效方法。但不能因為減少零件而使其它零件執行超常功能或在高應力的條件下工作。否則,簡化設計將達不到提高可靠性的目的。 

 

3.降額設計和安全裕度設計

 

降額設計是使零部件的使用應力低于其額定應力的一種設計方法。降額設計可以通過降低零件承受的應力或提高零件的強度的辦法來實現。工程經驗證明,大多數機械零件在低于額定承載應力條件下工作時,其故障率較低,可靠性較高。為了找到最佳降額值,需做大量的試驗研究。

 

當機械零部件的載荷應力以及承受這些應力的具體零部件的強度在某一范圍內呈不確定分布時,可以采用提高平均強度(如通過大加安全系數實現)、降低平均應力,減少應力變化(如通過對使用條件的限制實現)和減少強度變化(如合理選擇工藝方法,嚴格控制整個加工過程,或通過檢驗或試驗剔除不合格的零件)等方法來提高可靠性。對于涉及安全的重要零部件,還可以采用極限設計方法,以保證其在最惡劣的極限狀態下也不會發生故障。 

 

4.余度設計

 

余度設計是對完成規定功能設置重復的結構、備件等,以備局部發生失效時,整機或系統仍不致于發生喪失規定功能的設計。當某部分可靠性要求很高,但目前的技術水平很難滿足。

 

比如采用降額設計、簡化設計等可靠性設計方沙土,還不能達到可靠性要求,或者提高零部件可靠性的改進費用比重復配置還高時,余度技術可能成為較好的一種設計方法,例如采用雙泵或雙發動機配置的機械系統,但應該注意,余度設計往往使整機的體積、重量、費用均相應增加。嘉.峪檢測網認為余度設計提高了機械系統的任務可靠度,但基本可靠性相應降低了,因此采用余度設計時要慎重。 

 

5.耐環境設計

 

耐環境設計是在設計時就考慮產品在整個壽命周期內可能遇到的各種環境影響,例如裝配、運輸時的沖擊,振動影響,貯存時的溫度、濕度、霉菌等影響,使用時的氣候、沙塵振動等影響。

 

因此,必須慎重選擇設計方案,采取必要的保護措施,減少或消除有害環境的影響。具體地講,可以從認識環境、控制環境和適應環境三方面加以考慮。認識環境指的是:不應只注意產品的工作環境和維修環境,還應了解產品的安裝、貯存、運輸的環境。

 

在設計和試驗過程中必須同時考慮單一環境和組合環境兩種環境條件;不應只關心產品所處的自然環境,還要考慮使用過程所誘發出的環境??刂骗h境指的是:在條件允許時,應在小范圍內為所設計的零部件創造一個良好的工作環境條件,或人為地改變對產品可靠性不利的環境因素。適應環境指的是:在無法對所有環境條件進行人為控制時,在設計方案、材料選擇、表面處理、涂層防護等方面采取措施,以提高機械零部件本身耐環境的能力。 

 

6.人機工程設計

 

人機工程設計的目的是為減少使用中人的差錯,發揮人和機器各自的特點以提高機械產品的可靠性。當然,人為差錯除了人自身的原因外,操縱臺、控制及操縱環境等也與人的誤操作有密切的關系。因此,人機工程設計是要保證系統向人傳達的住處的可靠性。

 

例如,指示系統不僅顯示器靠,而且顯示的方式、顯示器的配置等都使人易于無誤地接受;二是控制、操縱系統可靠,不僅儀器及機械有滿意的精度,而且適于人的使用習慣,便于識別操作,不易出錯,與安全有關的,更應有防誤操作設計;三是設計的操作環境盡量適合于人的工作需要,減少引起疲勞、干擾操作的因素,如溫度、濕度、氣壓、光線、色彩、噪聲、振動、沙塵、空間等。 

 

7.健壯性設計

 

健壯性設計最有代表性的方法是日本田口玄一博士創立的田口方法,即所謂的一個產品的設計應由系統設計、參數設計和容差設計的三次設計來完成,這是一種在設計過程中充分考虛影響其可靠性的內外干擾而進行的一種優化設計。這種方法已被美國空軍制定的RM2000年中作為一種抗變異設計以及提高可靠性的有效方法。

 

8.概率設計法

 

概率設計法是以應力一強度干涉理論著基礎的,應力一強度干涉理論將應力和強度作為服從一定分布的隨機變量處理。

 

9.權衡設計

 

權衡設計是指在可靠性、維修性、安全性、功能重量、體積、成本等之間進行綜合權衡,以求得最佳的結果。

 

10.模擬方法設計

 

隨著計算機技術的發展,模擬方法日趨完善,它不但可用于機械零件的可靠性定量設計,也可用于系統級的可靠性定量設計。當然,機械可靠性設計的方法絕不能離開傳統的機械設計和其它的一些優化設計方法,如機械計算機輔助設計、有限元分析等。

 

機械/結構可靠性分析步驟

 

結構可靠性分析步驟:

(1)確定結構可靠性目標,如可靠度或可靠度指數等;

(2)確定所有可能的故障模式;

(3)確定各故障模式的故障判據,并建立相應的極限狀態函數;

(4)確定所要考慮的隨機變量及其分布參數;

(5)計算各故障模式的失效概率或可靠度;

(6)分析設計方案是否符合可靠性目標,若不符合,則考慮修改之;

(7)進行概率靈敏度分析,確定主要的隨機變量;

(8)給出設計改進建議。

 

結構可靠性分析主要優點如下(不限于):

(1)可以對設計參數的不確定性進行更多的考慮和分析;

(2)可以進行設計參數的概率靈敏度分析;

(3)可以在設計階段對不同設計方案的可靠性水平進行評估和對比;

(4)可以進行關鍵結構或系統的可靠性評估;

(5)可以識別關鍵的故障模式或影響因素。

 

結構可靠性分析主要缺點如下(不限于):

(1)設計參數的不確定性很難量化,相關的數據(如變異系數等)很難獲??;

(2)復雜故障的極限狀態函數難以建立;

(3)可靠性分析過程復雜,需要較多的理論知識;

(4)可靠度或失效概率結果本身參考意義不大。

 

簡介

MTT(美信檢測)是一家從事材料及零部件品質檢驗、鑒定、認證及失效分析服務的第三方實驗室,網址:www.markangulo.com,聯系電話:400-118-1002。




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