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上篇 疲劳强度设计 3

第1章 机械零部件疲劳强度与寿命 3

1.1 零部件疲劳失效与疲劳寿命 3

1.1.1 疲劳失效及其特点 3

1.1.2 机械零部件常见疲劳失效形式 3

1.1.3 疲劳设计准则 3

1.1.3.1 名义应力准则 3

1.1.3.2 局部应力应变准则 4

1.1.3.3 损伤容限设计准则 4

1.1.3.4 多轴疲劳准则 4

1.2 疲劳载荷 4

1.2.1 循环应力 4

1.2.2 循环计数法 5

1.2.3 载荷谱编制 6

1.2.3.1 累积频数曲线 7

1.2.3.2 载荷谱编制 7

1.2.3.3 应用举例 8

1.3 材料疲劳性能 8

1.4 疲劳损伤累积效应与法则 9

1.4.1 线性疲劳累积损伤（Miner）法则 9

1.4.2 相对Miner法则 10

第2章 疲劳失效影响因素与提高疲劳强度的措施 10

2.1 应力集中效应 11

2.1.1 应力分布及材料对应力集中的敏感性 11

2.1.2 理论应力集中系数 12

2.1.2.1 带台肩圆角的机械零件的理论应力集中系数 13

2.1.2.2 带沟槽的机械零件的理论应力集中系数 17

2.1.2.3 开孔的机械零件的理论应力集中系数 22

2.1.2.4 其他典型零件的理论应力集中系数 25

2.1.3 有效应力集中系数 26

2.1.3.1 带台肩圆角的机械零件的有效应力集中系数 26

2.1.3.2 带沟槽的机械零件的有效应力集中系数 28

2.1.3.3 开孔的机械零件的有效应力集中系数 31

2.1.3.4 其他常用零件的有效应力集中系数 32

2.2 尺寸效应 36

2.3 表面状态效应 38

2.3.1 表面精度影响 38

2.3.2 表面强化效应 38

2.4 载荷影响 40

2.4.1 载荷类型影响 40

2.4.2 载荷频率影响 40

2.4.3 平均应力影响 41

2.5 环境因素 43

2.5.1 腐蚀环境 43

2.5.1.1 载荷频率的影响 43

2.5.1.2 腐蚀方式的影响 44

2.5.1.3 腐蚀介质的影响 44

2.5.1.4 结构尺寸与形状的影响 44

2.5.2 温度的影响 46

2.5.2.1 低温的影响 46

2.5.2.2 高温的影响 47

2.6 提高零件疲劳强度的方法 57

2.6.1 合理选材 57

2.6.2 材料改性 57

2.6.3 改进结构 57

2.6.4 表面强化 59

2.6.4.1 表面喷丸 59

2.6.4.2 表面辊压 60

2.6.4.3 内孔挤压 62

2.6.4.4 表面化学热处理 62

2.6.4.5 表面淬火 65

2.6.4.6 表面激光处理 65

第3章 高周疲劳强度设计方法 67

3.1 材料的常规疲劳性能数据 67

3.1.1 材料疲劳极限 67

3.1.2 材料的S-N曲线 74

3.1.3 疲劳安全系数 88

3.2 无限寿命设计 91

3.2.1 单向应力状态下的无限寿命设计 91

3.2.1.1 计算公式 91

3.2.1.2 设计实例 92

3.2.2 复杂应力状态下的无限寿命设计 93

3.2.3 连接件的疲劳寿命估算——应力严重系数法 93

3.3 有限寿命设计 95

3.3.1 计算公式 95

3.3.2 寿命估算 95

3.3.3 设计实例 95

第4章 低周疲劳强度设计方法 97

4.1 材料低周疲劳性能 97

4.2 循环应力-应变曲线 99

4.2.1 滞回线 99

4.2.2 循环硬化与循环软化 100

4.2.3 循环应力-应变曲线 100

4.3 应变-寿命曲线 103

4.3.1 应变-寿命方程 103

4.3.2 四点法求应变-寿命曲线 105

4.3.3 通用斜率法 106

4.4 低周疲劳的寿命估算 106

4.4.1 直接法 106

4.4.2 裂纹形成寿命估算方法 107

4.4.2.1 局部应力-应变分析 108

4.4.2.2 裂纹形成寿命估算方法 110

4.4.2.3 设计实例 111

第5章 裂纹扩展寿命估算方法 114

5.1 应力强度因子与断裂韧性 114

5.1.1 应力强度因子 114

5.1.2 断裂韧度 114

5.2 裂纹扩展特性与裂纹扩展速率 124

5.2.1 裂纹扩展过程 124

5.2.2 裂纹扩展门槛值△Kth 125

5.2.3 裂纹扩展速率da/dN 127

5.3 疲劳裂纹扩展寿命估算方法 1138

5.4 算例 138

5.5 损伤容限设计 139

5.5.1 损伤容限设计概念 139

5.5.2 损伤容限设计的内容 140

5.5.2.1 确定关键件 140

5.5.2.2 材料选择 140

5.5.2.3 结构细节设计的控制 141

5.5.3 结构设计 141

5.5.4 缺陷假设 142

5.5.4.1 初始裂纹尺寸 142

5.5.4.2 连续损伤假设 142

5.5.4.3 剩余结构损伤 143

5.5.4.4 使用中检查后损伤假设 143

5.5.5 剩余强度 143

5.5.5.1 剩余强度概念 143

5.5.5.2 多途径传力结构剩余强度曲线 144

5.5.6 损伤检查 146

5.5.6.1 可检查度 147

5.5.6.2 检查能力评估方法 147

5.5.6.3 检查间隔 149

第6章 疲劳实验与数据处理 152

6.1 疲劳试验机 152

6.1.1 疲劳试验机的种类 152

6.1.2 疲劳试验加载方式 152

6.1.3 疲劳试验控制方式 152

6.1.4 疲劳试验数据采集 153

6.2 疲劳试样及其制备 153

6.2.1 试样 153

6.2.1.1 光滑试样 153

6.2.1.2 缺口试验 154

6.2.1.3 低周疲劳试样 154

6.2.1.4 疲劳裂纹扩展试样 155

6.2.2 试样制备 156

6.2.2.1 取样 156

6.2.2.2 机械加工 156

6.2.2.3 热处理 157

6.2.2.4 测量、探伤与储存 157

6.3 疲劳试验方法 157

6.3.1 S-N曲线试验 157

6.3.1.1 单点试验法 157

6.3.1.2 成组试验法 158

6.3.2 疲劳极限试验 159

6.3.3 ε-N曲线试验 160

6.3.4 应力-应变曲线试验 161

6.3.5 裂纹扩展速率（da/dN曲线）试验 162

6.3.6 断裂韧性试验 162

6.4 疲劳试验数据处理 163

6.4.1 可疑观测值的取舍 163

6.4.2 S-N曲线拟合 164

6.4.3 ε-N曲线拟合 165

6.4.4 应力-应变曲线拟合 166

6.4.5 da/dN曲线拟合 166

6.4.6 断裂韧性试验数据处理 168

参考文献 170

下篇 可靠性设计 173

第1章 机械失效与可靠性 173

1.1 机械零部件的典型失效形式 173

1.1.1 静载失效 173

1.1.2 疲劳失效 173

1.1.3 腐蚀失效 173

1.1.4 磨损失效 174

1.1.5 冲击失效 174

1.1.6 振动失效 174

1.2 机械零部件的力学性能与失效影响因素 174

1.2.1 静载拉伸特性 174

1.2.2 静强度性能 175

1.2.3 疲劳性能 176

1.3 安全设计准则 177

1.3.1 静强度准则 177

1.3.2 疲劳强度准则 177

1.3.3 断裂准则 178

1.3.4 磨损设计准则 178

1.3.5 振动稳定性准则 179

1.4 可靠性及其指标 179

1.4.1 产品质量 179

1.4.2 产品的可靠性 179

1.4.3 产品可靠性与全寿命周期费用 180

1.4.4 寿命均值与方差 180

1.4.5 平均无故障工作时间 181

1.4.6 产品寿命分布与可靠度 181

1.4.7 失效率 181

1.4.8 可靠寿命与特征寿命 183

1.4.9 维修度 183

1.4.10 有效度 183

第2章 可靠性设计流程 185

2.1 可靠性目标及其分解 185

2.2 可靠性设计流程 185

2.3 设计各阶段的可靠性工作内容 186

2.3.1 方案设计阶段 186

2.3.2 系统设计阶段 187

2.3.3 详细设计阶段 187

2.3.4 设计评审阶段 187

第3章 可靠性数据及其统计分布 187

3.1 可靠性数据采集 188

3.1.1 可靠性设计与评估数据要求 188

3.1.2 可靠性数据来源与采集方法 188

3.2 可靠性数据统计内容及方法 189

3.2.1 可靠性数据统计内容 189

3.2.2 可靠性数据统计分析基本方法 189

3.3 载荷分布与强度分布 190

3.3.1 正态分布 190

3.3.2 极值分布 191

3.3.3 次序统计量及其分布 192

3.4 载荷作用次数分布及故障次数分布 193

3.4.1 二项分布 193

3.4.2 泊松（Poisson）分布 193

3.5 寿命分布 193

3.5.1 指数分布 193

3.5.2 威布尔（Weibull）分布 194

3.5.3 对数正态分布 196

第4章 故障模式、效应及危害度分析 196

4.1 基本概念与方法步骤 197

4.1.1 基本概念 197

4.1.2 FMECA的层次与分析过程 198

4.1.3 FMECA的实施步骤 198

4.2 危害度分析 200

4.2.1 定性分析 200

4.2.2 定量分析 201

4.3 FMECA应用示例 202

第5章 故障树分析 212

5.1 基本概念与基本符号 212

5.1.1 故障树基本概念 212

5.1.2 故障树基本符号 213

5.1.3 割集与路集 214

5.2 故障树建树与分析方法 214

5.2.1 建立故障树的方法与步骤 214

5.2.2 故障树定性分析 215

5.2.3 故障树定量分析 217

5.3 故障树分析实例 219

第6章 机械系统可靠性设计 225

6.1 系统可靠性设计的内容 225

6.2 系统可靠性模型 225

6.2.1 串联系统可靠性模型 225

6.2.1.1 独立失效系统可靠性模型 225

6.2.1.2 一般串联系统可靠性模型 226

6.2.2 并联系统可靠性模型 227

6.2.2.1 独立失效系统可靠性模型 227

6.2.2.2 一般并联系统可靠性模型 227

6.2.3 串-并联系统可靠性模型 228

6.2.4 并-串联系统可靠性模型 228

6.2.5 表决系统可靠性模型 228

6.2.6 储备系统可靠性模型 229

6.2.7 复杂系统可靠性分析方法 230

6.3 参数化形式的系统可靠性模型 231

6.4 系统可靠性预测 231

6.4.1 数学模型法 232

6.4.2 上下限法 232

6.4.3 组合预测 233

6.5 可靠性分配方法 233

6.5.1 等分配法 234

6.5.2 再分配法 234

6.5.3 比例分配法 234

6.5.4 综合评分分配法 236

6.5.5 动态规划分配法 236

6.5.5.1 串联系统 237

6.5.5.2 并联系统 237

6.6 可靠性预测实例 238

第7章 机构可靠性设计 241

7.1 机构可靠性模型及评价指标 241

7.1.1 机构可靠性建模方法 241

7.1.2 机构工作过程分解 242

7.1.3 功能可靠性 242

7.2 曲柄滑块机构运动可靠性 242

7.2.1 机构运动误差 242

7.2.2 理想状态下机构运动关系 243

7.2.3 机构可靠性模型 243

7.2.3.1 考虑尺寸误差的计算模型 243

7.2.3.2 考虑运动副间隙误差的计算模型 244

第8章 零件静强度可靠性设计 247

8.1 基本原理 247

8.1.1 安全系数及可靠性参数 247

8.1.2 可靠性设计计算基本原理 248

8.2 应力分布和强度分布影响因素 249

8.2.1 载荷 249

8.2.2 材料性能 249

8.2.3 制造工艺 249

8.2.4 几何形状及尺寸 249

8.3 随机变量函数的均值和标准差计算方法 249

8.3.1 计算分布参数的矩方法 249

8.3.2 常用随机变量函数均值与标准差公式 250

8.4 零件可靠度计算的应力-强度干涉模型 250

8.4.1 应力-强度干涉模型 250

8.4.1.1 基本概念 250

8.4.1.2 零件可靠度基本表达式 251

8.4.2 载荷多次作用下的可靠性模型 251

8.5 典型应力／强度分布的零件可靠度计算 253

8.5.1 应力与强度均为正态分布时可靠度计算 253

8.5.2 应力与强度均服从对数正态分布时可靠度计算 253

8.6 静强度可靠性设计 254

8.6.1 零件静强度可靠性设计的主要内容与步骤 254

8.6.2 静强度可靠性设计举例 255

8.7 断裂可靠性设计 255

8.7.1 断裂力学的基本概念 255

8.7.2 断裂可靠性设计 256

8.8 可靠性设计计算的蒙特卡罗方法 257

8.8.1 蒙特卡罗法求解可靠度的原理 257

8.8.2 随机数的产生 257

8.8.3 随机变量抽样方法 258

8.8.3.1 逆变换法 258

8.8.3.2 舍选抽样法 259

8.8.3.3 变换抽样法 260

8.8.4 重要抽样法 261

8.8.5 离散随机变量抽样 261

8.8.6 应用举例——发动机轮盘可靠性仿真 261

8.9 典型机械零件可靠性设计举例 264

8.9.1 螺纹连接可靠性设计 264

8.9.2 过盈连接的可靠性设计 266

第9章 零部件动强度可靠性设计 268

9.1 疲劳强度可靠性设计 268

9.1.1 疲劳可靠性设计基本原理 268

9.1.2 概率疲劳等寿命图 268

9.1.3 疲劳强度可靠性设计计算 269

9.2 疲劳强度可靠性设计的递推法 271

9.3 随机恒幅循环载荷疲劳可靠度的统计平均算法 271

9.3.1 疲劳可靠度计算的载荷统计加权平均模型 271

9.3.2 疲劳寿命分布与循环应力水平之间的关系 272

9.4 磨损可靠性 272

9.4.1 磨损的基本概念 272

9.4.2 给定寿命下的磨损可靠度计算 273

9.4.3 给定磨损可靠度时的可靠寿命计算 273

第10章 可靠性评价 275

10.1 零件可靠性评价 275

10.1.1 复杂载荷工况可靠性评价 275

10.1.2 强度退化规律 275

10.1.3 存在强度退化时的可靠性模型 276

10.1.4 离散化的可靠性模型 276

10.2 系统可靠性评价 278

10.2.1 系统可靠性评价方法 278

10.2.2 行星齿轮系可靠度计算 278

第11章 可靠性试验与数据处理 278

11.1 可靠性试验 280

11.1.1 可靠性试验类型 280

11.1.2 可靠性试验数据类型 280

11.2 可靠性数据分布类型检验 281

11.2.1 X2检验法 281

11.2.2 K-S检验法 282

11.2.3 回归分析检验法 283

11.3 参数估计 284

11.3.1 矩估计 284

11.3.2 极大似然估计 285

11.4 指数分布假设检验与参数估计 285

11.4.1 拟合性检验 285

11.4.2 参数估计 286

11.5 正态分布统计检验与参数估计 287

11.5.1 拟合性检验 287

11.5.2 正态分布参数估计 288

附录 290

附录Ⅰ 可靠性标准 290

Ⅰ-1 中国国家可靠性标准 290

Ⅰ-2 中国电子行业可靠性标准 292

Ⅰ-3 中国机械行业可靠性标准 293

附录Ⅱ 概率分布表 295

Ⅱ-1 标准正态分布表 295

Ⅱ-2 X2分布表 296

Ⅱ-3 t分布表 298

Ⅱ-4 F分布表 299

Ⅱ-5 Γ函数表 304

参考文献 306