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本课件从机械零件的常见失效形式出发，说明整体断裂、过大残余变形、表面破坏及破坏正常工作条件四类失效，对应给出强度、刚度、寿命、振动稳定性与可靠性准则，并简介现代设计方法与可靠性设计的基本理论。
机械零件的设计方法简介封面
第三章机械零件的设计方法简介
3.1 机械零件的常见主要失效形式
和设计准则机械零件常见的失效形式有：整体断裂、过大的残余变形、零件的表面破坏以及破坏正常工作条件引起的失效等。
（一）整体断裂整体断裂是指零件在载荷作用下，其危险截面的应力超过零件的强度极限而导致的断裂，或在变应力作用下，危险截面发生的疲劳断裂。
齿轮轮齿断裂轴承内圈断裂
机械零件的主要失效形式
（二）过大的残余变形当作用于零件上的应力超过了材料的屈服极限，零件将产生残余变形。
齿轮齿面塑形变形轴承外圈塑性变形
机械零件的主要失效形式
（三）零件的表面破坏零件的表面破坏主要是腐蚀、磨损和接触疲劳（点蚀）。
齿面接触疲劳轴瓦磨损
机械零件的主要失效形式
（四）破坏正常工作条件引起的失效有些零件只有在一定的工作条件下才能正常的工作，如：液体摩擦的滑动轴承，只有在存在完整的润滑油膜时才能正常工作。
带传动只有在传递的有效圆周力小于临界摩擦力时才能正常工作。
高速转动的零件，只有在转速与转动件系统的固有频率避开一个适当的间隔才能正常工作。
零件在工作时会发生那一种失效，这与零件的工作环境、载荷性质等很多因素有关。
有统计结果表明，一般机械零件的失效主要是由于疲劳、磨损、腐蚀等因素引起。
3.2 设计机械零件
时应满足的基本要求机器是由各种各样的零部件组成的，要使所设计的机器满足基本要求，就必须使组成机器的零件满足以下要求：O避免在预定寿命期内失效的要求应保证零件有足够的强度、刚度、寿命。
O结构工艺性要求设计的结构应便于加工和装配。
O经济性要求零件应有合理的生产加工和使用维护的成本。
O质量小的要求质量小则可节约材料，质量小则灵活、轻便。
O可靠性要求应降低零件发生故障的可能性（概率）。
机械零件的设计准则设计零件时
首先应根据零件的失效形式确定其设计准则以及相应的设计计算方法。
一般来讲，有以下几种准则：强度准则：确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形，是最基本的设计准则。
刚度准则：确保零件不发生过大的弹性变形。
寿命准则：通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关。
振动稳定性准则：高速运转机械的设计应注重此项准则。
可靠性准则：当计及随机因素影响时，仍应确保上述各项准则。
机械零件的设计方法机械零件的设
计方法通常分为常规设计方法和现代设计方法两大类。
常规设计方法是指采用一定的理论分析和计算，结合人们在长期的设计和生产实践中总结出的方法、公式、图表等进行设计的方法。
它又可分为：理论设计经验设计模型实验设计现代设计方法是指在近二、三十年发展起来的更为完善、科学、计算精度高、设计与计算速度更快的机械设计方法。
如机械优化设计、机械可靠性设计、计算机辅助设计等等。
机械零件设计的一般步骤选择零件类型
结构机械零件的设计一般要经过以下几个步骤：计算零件上的载荷确定计算准则选择零件的材料确定零件的基本尺寸结构设计校核计算画出零件工作图写出计算说明书
机械零件材料的选用原则非金属材料铁
灰铸铁、球墨铸铁…(如：TH300QT500-5)钢：低碳钢、中碳钢、高碳钢、合金钢…(如：08F45601Cr18）有色金属：铝(LY12)、铜(ZCuSn10P1)…...高分子材料：塑料、橡胶、合成纤维陶瓷：强如钢、轻如铝、硬如金刚石复合材料：强度高、弹性模量大、质量轻材料的经济性零件的尺寸及重量零件的结构及加工性一、常用材料黑色金属金属材料二、机械零件材料的选用原则载荷及应力的大小和性质零件的工作情况
机械零件设计中的标准化国际标准如
ISO国家标准行业标准企业标准等GBJB、HBQB国标分为：强制标准和推荐标准强制性国家标准：代号为GB××××(为标准序号)－××××(为批准年代)强制性国标必须严格遵照执行，否则就是违法。
推荐性国家标准：代号为GB／T××××－××××，这类标准占整个国标中的绝大多数。
如无特殊理由和特殊需要，必须遵守这些国标，以期取得事半功倍的效果。
标准化就是要通过对零件的尺寸、结构要素、材料性能、设计方法、制图要求等，制定出大家共同遵守的标准。
标准化的益处：标准化有利于保证产品质量，减轻设计工作量，便于零部件的互换和组织专业化的大生产，以降低生产成本。
与设计有关的标准
3.3 机械现代设计方法简介
机械现代设计方法通常是相对传统的设计方法而言的。
现代设计方法从总体上概括为力求运用现代应用数学、应用力学、微电子学及信息科学等方面的最新成果与手段实现下列转换：O以动态的取代静态的─如机器结构动力学计算。
O以定量的取代定性的─如有限元计算。
O以随机量取代确定量─如可靠性设计。
O以优化设计取代可行性设计─如优化设计。
O并行设计取代串行设计─如并行设计。
O微观的取代宏观的─如微－纳米摩擦学设计。
O系统工程法取代分部处理法─如系统工程。
O自动化设计取代人工设计的转化─如计算机辅助设计。
3.5 机械零件的动态性能设计方法
可靠性问题的提出
可靠度分类等级及应用用途可靠度R
2、可靠度分类等级及应用用途可靠度R等级不重要处，失效后果可以不考虑<0.90低高不很重要处，失效后果损失不大≥0.91重要处，随重要程度增大，可靠度等级增高，如高速机械、重要设施、航空器、大型建筑物、桥梁等≥0.992≥0.9993≥0.99994失效后会造成灾难性后果，如核设施、大型水电工程≥0.999995
保证高可靠度的措施1故障预分析
3、保证高可靠度的措施1故障预分析，找薄弱环节，首先保障；
2提高基础数据的准确性（破坏性实验，综合国力）3重要处，备用系统UPS,副油箱等；
4核设施等异常后果的处理
可靠度R设试件总数为N个
N4、可靠性的几个基本指标(1)可靠度R设试件总数为N个,经时间t后有Nf(t)个失效,有Ns(t)个仍在正常工作.则R(t)=Ns(t)=N−Nf(t)=1−F(t)NN式中:F(t)指产品至时刻t的累积失效概率.F(t)=Nf(t)
失效率
(2)失效率λ(t)指产品工作到某一时刻t时单位时间内发生故障零件数与安全工作零件数的比值,通常用λ(t)表示.设在t~t+△t时间间隔内失效产品数为△Nf(t),则11dtNs(t)=dNf(t)×ΔtNs(t)Δt→0λ(t)=limΔNf(t)×
失效密度
(3)失效密度f(t)指时间t附近单位时间内失效的零件数与总数之比值.通常用f(t)表示.即f(t)=dNf(t)×1dtNF(t)=∫tf(t)dt0
失效率时间t跑合偶然失效使用寿命功能
失效典型机械零部件的失效率曲线失效率时间t功能失效修复点使用寿命
机械静强度可靠性设计
对正态分布的应力和强度
其密度函数分别为:1ssse2σ22πσ(s−us)2−f(S)=1rrre2σ22πσ(s−ur)2−f(r)=
密度函数
f(x)自变量xfs(s)fr(r)原fr(r)us干涉区ur强度-应力干涉模型
由可靠度定义可知
R=P(r>s)=P[(r−s)>0]现定义:y=r-s,则y同样为正态分布,按正态分布代数法则,有:2s2ryuy=ur−us=σ+σσdyey02σ212πσy(y−uy)2−∞∫>0)=R=P(y
根据标准正态分布的对称性
上式还可等效写成:1212dt∫∫∫−∞−t2−∞−∞−t2e2dt=−t2e2dt=R=RersyZur−usuy2π2π1πσ2+σ2σ
与可靠度R一一对应
将R、S、r(即可靠度、应力和强度)三者联合起来,称为“连接方程”或“耦合方程”(CouplingEquation)或可靠度方程,ZR称为连接系数或可靠性系数.在计算结构的可靠度时可根据ZR值查ZR—R表,在按R设计结构参数时，可根据R值查R—ZR表得ZR.2s2ryRσσ+σur−usZ==uy
可靠度方程存在下列三种取值情况
(1)当ur>us时,ZR>0,R>0.5;
若ur-us为恒值,此时R值将随σr及σs的值增大而减小.根据传统设计中安全系数Sn的概念:Sn=ur/us>1,此时Sn不变,而R却随σr、σs在变化;
(2)当ur-us=0时,ZR=0,R≡0.5,σr、σs对R无影响;
(3)当ur-us<0时,ZR<0,R<0.5,且σr、σs增大,R将朝着减小的方向变化，此时Sn<1,这种情况在用安全系数法设计时是不允许的.由此可见,安全系数设计法存在不合理现象,没有考虑强度及应力的离差σr、σs的影响.
例:图10所示为一受拉圆型载面杆
已知力和截面直径服从正态分布,分别为N(uP、σP)、N(ud、σd),屈服强度亦服从正态分布.设可靠度为R,试进行强度可靠性设计(求直径均值和离差)：当R=0.999时，d=?圆杆受拉力N(up,σp)=N(30000,450)N圆杆截面尺寸N(ud,σd)=d±0.015d材料屈服强度N(us,σs)=N(1076,42.2)MPa圆杆受拉的强度可靠性模型
按可靠性求解
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