机械强度的可靠性设计分析

机械强度的可靠性设计分析

范志远

黑龙江清霖机械配件技术开发有限公司 黑龙江 哈尔滨 150000

摘要：机械强度的可靠性对相关机械设备的使用有非常大的影响，因此在进行机械设计时，必须完成机械强度的可靠性分析。针对这种情况，本文对机械强度在进行可靠性设计时所采用的多种方法的应用情况进行了分析，并根据与可靠性有关的理论在机械设计当中的应用，提出一些参考意见，对机械强度的可靠性设计分析有一定帮助。

关键词：机械强度；可靠性设计；分析；机械设备

0引言

随着相关技术的不断进步，人们的产品使用观念逐渐转变，导致人们对产品的质量与可靠性等方面的要求越来越严格。现阶段，可靠性已经成为同等产品之间竞争十分关键的要点，世界各国都越来越重视产品的可靠性。美国有专家认为可靠性将是未来全球产品进行竞争的核心，而日本的相关企业则将可靠性作为企业进一步发展的主要目标。通过在机械设计环节应用优化设计技术与可靠性技术，能够使机械产品的零部件变得更小，同时可靠性更强，并且随着技术的发展，这个趋势会逐步加大。

可靠性具体是指系统在规定条件与时间下完成规定功能的能力。如果对“能力”采用“概率”来进行衡量，其实就是可靠度。而累积失效概率指的是机械设备在规定的时间与条件下发生失效的可能性。本文选择可靠性作为主要的研究内容，对不同的可靠性设计方法进行分析，对比不同方法之间的优劣以及不同的方法在实际工程中的实用性如何，从而指导机械设计相关工作的进行。

1传统的机械强度可靠性设计

纵观机械设计发展的历史，传统的机械设计是在多年积累的经验的基础上进行的，根据以前的经验得到的相关教训，从而使机械设计能够避免这些问题，同时按照不同机械设计的不同情况有针对性的制定具体的设计标准。在进行机械设计时按照这些设计标准来进行，从而使设计出的机械产品在可靠性方面能够获得间接的保证。

计算设计标准通常由多种因素决定，具体包括许用应力、安全系数、结构形式等。选用这种方法进行机械设计时，其强度与负荷是能够确定的，而不能够确定的因素则通过安全系数进行解决，因此更多的是靠经验。一些设计者为了保证设计的机械产品具体较高的可靠性，通常都会选择较大的安全系数，不过如果这么做会导致设计出来的机械设备重量较高、尺寸较大，并且相应的制造成本也会有不小的增加，而这些与机械产品的可靠性优化设计是背道而驰的。因此传统的机械强度可靠性设计对于目前的机械产品设计已经有较多的不适合的方面，所以需要选择能够兼顾可靠性与优化设计的现代机械强度可靠性设计。

2现代机械强度的可靠性设计

伴随着工业生产的发展以及社会运转的需求，机械产品被赋予了更多的用处，因此机械产品在相关方面的要求也就越来越高。现代机械类型多、结构复杂，不过从能够实现的系统功能来看，机械系统主要由五个子系统组成，具体为动力系统、传动系统、执行系统、操作系统、控制系统，不同的子系统根据具体的情况有包括其他的子系统。在当下的机械系统中，引入了更多的新技术、新材料以及新工艺，因此缺少相应的应用经验，不能够确定相关的安全系数，从而使得传统的机械强度可靠性设计的适应性较差。因为实际的应用条件发生了改变，安全系数的可靠性已经得不到保证，此外机械零件材料的强度、实际施加的载荷以及具体的加工尺寸等都是存在一定的偏差的，因此可能会发生没有达到预期效果就失效的现象。因此，需要将出现失效情况的概率控制在一定范围之内，采用概率变数进行处理，从而不会像传统的可靠性分析通过使用安全系数从而将材料的强度等作为确定的数值进行计算。

2.1概率可靠性应力-强度干涉理论

参考应力强度干涉模型，选择设计参数当做随机变量，通过利用零件应力与强度不发生干涉的概率对零件的强度以及寿命的可靠性进行表示。不过，在一些复杂的系统当中以及工程项目的运用当中，发现概率可靠性理论与工程实践间存在较大的矛盾。主要是因为得不到一些零部件的载荷以及材料强度的概率分布，从而因为没有实验数据导致概率分析无法进行。在实际的工程当中，结构强度的失效不是突然发生的，而是有一个循序渐进的过程，而当处于的中间过渡阶段时，机械结构的状态介于安全与不安全之间，存在一定的模糊性。可靠性从本质上来说属于一个模糊事件，因此结构安全规定所确定的边界有一定的不合理性。在进行常规可靠性设计时，只是单纯的考虑了事件的随机性，而没有对普遍存在的模糊性进行考虑，而模糊可靠性设计则将模糊集理论与常规的可靠性设计方法结合在一起，对事件的随机性与模糊性都进行了考虑，从而保证最终的分析结果更加接近实际的工程应用效果，并且更加的科学与合理。

2.2 模糊贴近度应力-强度可靠性模型

零件应力是载荷和结构特性的函数，而结构与载荷特性的不确定性则会导致应力的模糊性。机械零件的强度是材料间不同质量特性的函数，机械强度的模糊性与材料的不确定性以及加工质量的不确定性有直接关系，可以得到模糊综合强度的隶属度函数，根据函数中的内容，可以得到应力与函数隶属度关系的函数分布情况。

因为导致机械零件失效的最核心原因是应力超过强度，因此能够借助应力与强度失效概率密度曲线干涉区的面积大小对不可靠度进行表示，或者还可以使用应力与强度隶属函数曲线的贴近程度来进行衡量。通过采用贴近度对干涉的程度进行表示时，应力与强度呈模糊分布也可以。如果机械零件的强度可靠性比零件的可靠性高，那么强度和应力的差值是有直接的关系的，因此使用模糊距离贴近度的方法进行计算。

如果想要保证模糊可靠性的研究能够在工程实践中顺利应用，正确的获取、构造隶属度是非常重要的基础工作，而这需要大量的资料的统计和经验的积累。与机械零部件有关的可靠性隶属度函数目前已经有较多的研究，并且还在不断的深入当中。失效的隶属度通常采用半升或者半降正态分布、柯西分布等形式。对应力以及强度的可靠性问题进行分析时，如果采用的贴近度进行研究，则其使用的模糊变量隶属度是通过应力和强度的分布决定的。所以，应该选择分布密度的形式，如果分布不知道，只有相关的实验数据时，通过采用频率统计的方法确定隶属度。如果子样较小，则隶属度的确定可以通过经验公式或者权威专家进行确定。

在对模糊随机可靠度进行计算时，对失效准则的模糊性进行了考虑，但计算过程麻烦。应用向较差，因此提出新的理论与方法。

2.3具有“安全－中介－失效”三级工作模式的可靠性分析方法

具有“安全－中介－失效”三级工作模式的构件工作状态为：

安全状态： （1）

中间状态： （2）

失效状态： （3）

上式中：S表示载荷应力， 、 分别表示构件安全的强度上限与下限。

图1三级工作模式构件安全程度

在上图中，u_安全（S）表示当应力是S时构件的安全隶属度。u_安全（S）=1，构件安全；u_安全（S）=0，构件失效；0≤u_安全（S）≤1，构件为中介状态。

而三级工作模式下不同工作状态的概率为：

安全概率 （4）

中介概率 （5）

失效概率

将上式联立便得到了可靠性向量 ,从而能够对结构的工作状态进行更为全面的估计，并且这种方法在实际应用的过程中，计算更加的方便，可行性更高。

3结语

本文对机械强度的可靠性设计的具体方法进行了系统的分析，通过对比多种方法的优势劣势，从而为实际的机械设计以及工程的应用提供参考。

参考文献

1. 崔斌, 张庆功. 浅析机械强度的可靠性设计[J]. 机械, 2004.

2. 张庆功, 罗钢强, 朱占林. 浅析机械强度的可靠性设计方法[J]. 机械研究与应用, 2003, 016(002):7-8,11.