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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△Kth125

5.2.3 裂纹扩展速率da/dN127

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