第28篇 疲劳强度设计 第1章机械零部件疲劳强度与寿命 1.1零部件疲劳失效与疲劳寿命28-3 1.1.1疲劳失效及其特点28-3 1.1.2机械零部件常见疲劳失效形式28-3 1.1.3疲劳设计准则28-3 1.1.3.1名义应力准则28-3 1.1.3.2局部应力应变准则28-4 1.1.3.3损伤容限设计准则28-4 1.1.3.4多轴疲劳准则28-4 1.2疲劳载荷28-4 1.2.1循环应力28-4 1.2.2循环计数法28-5 1.2.3载荷谱编制28-6 1.2.3.1累积频数曲线28-7 1.2.3.2载荷谱编制28-7 1.2.3.3应用举例28-8 1.3材料疲劳性能28-8 1.4疲劳损伤累积效应与法则28-9 1.4.1线性疲劳累积损伤（Miner）法则28-9 1.4.2相对Miner法则28-10 1.5平均应力修正28-10 第2章疲劳失效影响因素与提高疲劳强度的措施 2.1应力集中效应28-11 2.1.1应力分布及材料对应力集中的敏感性28-11 2.1.2理论应力集中系数28-11 2.1.3有效应力集中系数28-12 2.1.3.1带台肩圆角的机械零件的有效应力集中系数28-12 2.1.3.2带沟槽的机械零件的有效应力集中系数28-14 2.1.3.3开孔的机械零件的有效应力集中系数28-17 2.1.3.4其他常用零件的有效应力集中系数28-18 2.2尺寸效应28-22 2.3表面状态效应28-24 2.3.1表面精度影响28-24 2.3.2表面强化效应28-24 2.4载荷影响28-26 2.4.1载荷类型影响28-26 2.4.2载荷频率影响28-26 2.4.3平均应力影响28-27 2.5环境因素28-29 2.5.1腐蚀环境28-29 2.5.1.1载荷频率的影响28-29 2.5.1.2腐蚀方式的影响28-30 2.5.1.3腐蚀介质的影响28-30 2.5.1.4结构尺寸与形状的影响28-30 2.5.2温度的影响28-32 2.5.2.1低温的影响28-32 2.5.2.2高温的影响28-33 2.6提高零件疲劳强度的方法28-43 2.6.1合理选材28-43 2.6.2材料改性28-43 2.6.3改进结构28-43 2.6.4表面强化28-45 2.6.4.1表面喷丸28-45 2.6.4.2表面辊压28-46 2.6.4.3内孔挤压28-48 2.6.4.4表面化学热处理28-48 2.6.4.5表面淬火28-51 2.6.4.6表面激光处理28-51 第3章高周疲劳强度设计方法 3.1材料的常规疲劳性能数据28-53 3.1.1材料疲劳极限28-53 3.1.2材料的S-N曲线28-60 3.1.3疲劳**系数28-74 3.2无限寿命设计28-77 3.2.1单向应力状态下的无限寿命设计28-77 3.2.1.1计算公式28-77 3.2.1.2设计实例28-78 3.2.2复杂应力状态下的无限寿命设计28-79 3.2.3连接件的疲劳寿命估算——应力严重系数法28-79 3.3有限寿命设计28-81 3.3.1计算公式28-81 3.3.2寿命估算28-81 3.3.3设计实例28-81 3.4频域疲劳寿命分析方法28-82 3.4.1随机过程基本理论28-82 3.4.1.1信号傅里叶变换28-82 3.4.1.2信号采样定理28-83 3.4.1.3平稳随机过程28-83 3.4.1.4平稳随机过程谱参数28-84 3.4.2频域疲劳寿命分析方法28-84 3.4.2.1窄带随机载荷疲劳寿命分析28-84 3.4.2.2宽带随机载荷疲劳寿命分析28-84 3.4.3算例28-84 第4章低周疲劳强度设计方法 4.1材料低周疲劳性能28-86 4.2循环应力-应变曲线28-88 4.2.1滞回线28-88 4.2.2循环硬化与循环软化28-89 4.2.3循环应力-应变曲线28-89 4.3应变-寿命曲线28-92 4.3.1应变-寿命方程28-92 4.3.2四点法求应变-寿命曲线28-94 4.3.3通用斜率法28-95 4.4低周疲劳的寿命估算28-95 4.4.1直接法28-95 4.4.2裂纹形成寿命估算方法28-96 4.4.2.1局部应力-应变分析28-97 4.4.2.2裂纹形成寿命估算方法28-99 4.4.2.3设计实例28-100 第5章裂纹扩展寿命估算方法 5.1应力强度因子与断裂韧性28-103 5.1.1应力强度因子28-103 5.1.2断裂韧度28-103 5.2裂纹扩展特性与裂纹扩展速率28-112 5.2.1裂纹扩展过程28-112 5.2.2裂纹扩展门槛值ΔKth28-113 5.2.3裂纹扩展速率da／dN28-115 5.3疲劳裂纹扩展寿命估算方法28-126 5.4算例28-126 5.5损伤容限设计28-127 5.5.1损伤容限设计概念28-127 5.5.2损伤容限设计的内容28-128 5.5.2.1确定关键件28-128 5.5.2.2材料选择28-128 5.5.2.3结构细节设计的控制28-129 5.5.3结构设计28-129 5.5.4缺陷假设28-130 5.5.4.1初始裂纹尺寸28-130 5.5.4.2连续损伤假设28-130 5.5.4.3剩余结构损伤28-131 5.5.4.4使用中检查后损伤假设28-131 5.5.5剩余强度28-131 5.5.5.1剩余强度概念28-131 5.5.5.2多途径传力结构剩余强度曲线28-132 5.5.6损伤检查28-134 5.5.6.1可检查度28-135 5.5.6.2检查能力评估方法28-135 5.5.6.3检查间隔28-137 第6章疲劳试验与数据处理 6.1疲劳试验机28-140 6.1.1疲劳试验机的种类28-140 6.1.2疲劳试验加载方式28-140 6.1.3疲劳试验控制方式28-140 6.1.4疲劳试验数据采集28-141 6.2疲劳试样及其制备28-141 6.2.1试样28-141 6.2.1.1光滑试样28-141 6.2.1.2缺口试验28-142 6.2.1.3低周疲劳试样28-142 6.2.1.4疲劳裂纹扩展试样28-143 6.2.2试样制备28-144 6.2.2.1取样28-144 6.2.2.2机械加工28-145 6.2.2.3热处理28-146 6.2.2.4测量、探伤与储存28-146 6.3疲劳试验方法28-146 6.3.1S-N曲线试验28-146 6.3.1.1单点试验法28-146 6.3.1.2成组试验法28-147 6.3.2疲劳极限试验28-148 6.3.3ε-N曲线试验28-149 6.3.4应力-应变曲线试验28-150 6.3.5裂纹扩展速率（da/dN曲线）试验28-151 6.3.6断裂韧性试验28-151 6.4疲劳试验数据处理28-152 6.4.1可疑观测值的取舍28-152 6.4.2S-N曲线拟合28-153 6.4.3ε-N曲线拟合28-154 6.4.4应力-应变曲线拟合28-155 6.4.5da/dN曲线拟合28-155 6.4.6断裂韧性试验数据处理28-157 参考文献28-159 第29篇 可靠性设计 第1章机械失效与可靠性 1.1机械零部件的典型失效形式29-3 1.1.1静载失效29-3 1.1.2疲劳失效29-3 1.1.3腐蚀失效29-3 1.1.4磨损失效29-3 1.1.5冲击失效29-4 1.1.6振动失效29-4 1.2可靠性及其指标29-4 1.2.1产品质量29-4 1.2.2产品的可靠性29-4 1.2.3产品可靠性与全寿命周期费用29-4 1.2.4寿命均值与方差29-5 1.2.5平均无故障工作时间29-5 1.2.6产品寿命分布与可靠度29-6 1.2.7失效率29-6 1.2.8可靠寿命与特征寿命29-8 1.2.9维修度29-8 1.2.10有效度29-8 第2章可靠性设计流程 2.1可靠性目标及其分解29-9 2.2可靠性设计流程29-9 2.3各设计阶段的可靠性内容29-10 2.3.1方案设计阶段29-10 2.3.2系统设计阶段29-10 2.3.3详细设计阶段29-11 2.3.4设计评审阶段29-11 第3章可靠性数据及其统计分布 3.1可靠性数据采集29-12 3.1.1可靠性设计与评估数据要求29-12 3.1.2可靠性数据来源及采集29-12 3.2可靠性数据统计的内容及方法29-12 3.2.1可靠性数据统计内容29-12 3.2.2可靠性数据统计流程29-13 3.3载荷分布与强度分布29-13 3.3.1正态分布29-13 3.3.2极值分布29-14 3.3.3次序统计量及其分布29-15 3.4载荷作用次数分布及故障次数分布29-15 3.4.1二项分布29-15 3.4.2泊松(Poisson)分布29-15 3.5寿命分布29-16 3.5.1指数分布29-16 3.5.2威布尔(Weibull)分布29-16 3.5.3对数正态分布29-17 第4章故障模式、影响及危害度分析 4.1基本概念与方法步骤29-19 4.1.1基本概念29-19 4.1.2FMECA的层次与分析过程29-19 4.1.3FMECA的实施步骤29-20 4.2危害度分析29-21 4.2.1风险优先数29-21 4.2.2危害度矩阵图29-22 4.2.3综合评分法29-22 4.3FMECA应用示例29-23 第5章故障树分析 5.1基本概念与基本符号29-33 5.1.1故障树基本概念29-33 5.1.2故障树基本符号29-34 5.1.3割集与路集29-35 5.2故障树建树与分析方法29-35 5.2.1建立故障树的方法与步骤29-35 5.2.2故障树定性分析29-36 5.2.3故障树定量分析29-37 5.3故障树分析实例29-39 第6章机械系统可靠性设计 6.1系统可靠性设计内容29-46 6.2系统可靠性模型29-46 6.2.1串联系统可靠性模型29-46 6.2.1.1传统模型29-46 6.2.1.2**模型29-47 6.2.2并联系统可靠性模型29-47 6.2.2.1传统模型29-47 6.2.2.2**模型29-48 6.2.3串-并联系统可靠性模型29-48 6.2.4并-串联系统可靠性模型29-48 6.2.5表决系统可靠性模型29-48 6.3可靠性分配29-49 6.3.1等分配法29-49 6.3.2再分配法29-49 6.3.3比例分配法29-50 6.3.4综合评分分配法29-51 6.3.5动态规划分配法29-52 6.3.5.1串联系统29-52 6.3.5.2并联系统29-53 6.4可靠性预测实例29-53 第7章机构可靠性设计 7.1机构可靠性模型及评价指标29-56 7.1.1机构可靠性建模方法29-56 7.1.2机构工作过程分解29-56 7.1.3机构功能可靠性29-57 7.2曲柄滑块机构运动可靠性29-57 7.2.1机构运动误差29-57 7.2.2理想状态下机构运动关系29-58 7.2.3机构可靠性模型29-58 7.2.3.1考虑尺寸误差的计算模型29-58 7.2.3.2考虑运动副间隙误差的计算模型29-60 第8章零件静强度可靠性设计 8.1基本原理29-62 8.1.1**系数与可靠性参数29-62 8.1.2可靠性设计计算基本原理29-62 8.2应力分布和强度分布影响因素29-64 8.2.1载荷29-64 8.2.2材料性能29-64 8.2.3制造工艺29-64 8.2.4几何形状及尺寸29-64 8.3随机变量函数均值和标准差计算方法29-64 8.3.1计算分布参数的矩方法29-64 8.3.2常用随机变量函数均值与标准差公式29-65 8.4零件可靠度计算的应力-强度干涉模型29-65 8.4.1应力-强度干涉模型29-65 8.4.2载荷多次作用下的可靠性模型29-66 8.5静强度可靠性设计29-67 8.5.1零件静强度可靠性设计的主要内容与步骤29-67 8.5.2静强度可靠性设计举例29-68 8.6断裂可靠性设计29-68 8.6.1断裂力学的基本概念29-68 8.6.2断裂可靠性设计29-69 8.7可靠性设计计算的蒙特卡罗法29-70 8.7.1蒙特卡罗法求解可靠度的原理29-70 8.7.2随机数的产生29-70 8.7.3随机变量抽样方法29-70 8.7.4应用举例——发动机轮盘可靠性仿真29-70 8.8典型机械零件可靠性设计举例29-71 8.8.1螺纹连接可靠性设计29-71 8.8.2过盈连接的可靠性设计29-74 第9章零部件疲劳及磨损可靠性设计 9.1零部件疲劳强度可靠性设计29-76 9.1.1疲劳强度可靠性设计基本原理29-76 9.1.2平均应力效应29-76 9.1.3疲劳强度可靠性设计计算29-76 9.2疲劳强度可靠性递推算法29-77 9.3随机恒幅循环载荷疲劳可靠度的统计平均算法29-78 9.4磨损可靠性29-78 9.4.1磨损的基本概念29-78 9.4.2给定寿命下的磨损可靠度计算29-79 9.4.3给定磨损可靠度时的可靠寿命计算29-80 第10章可靠性评价 10.1零件可靠性评价29-81 10.1.1复杂载荷工况可靠性评价29-81 10.1.2强度退化规律29-81 10.1.3存在强度退化时的可靠性模型29-82 10.1.4离散化的可靠性模型29-82 10.2系统可靠性评价29-84 10.2.1系统可靠性评价方法29-84 10.2.2行星齿轮系可靠度计算29-84 第11章可靠性试验与数据处理 11.1可靠性试验29-86 11.1.1可靠性试验类型29-86 11.1.2可靠性试验数据类型29-86 11.2可靠性数据分布类型检验29-87 11.2.1χ2检验法29-87 11.2.2K-S检验法29-88 11.2.3回归分析检验法29-89 11.3参数估计29-91 11.3.1矩估计29-91 11.3.2极大似然估计29-91 11.4指数分布假设检验与参数估计29-91 11.4.1拟合性检验29-91 11.4.2参数估计29-92 11.5正态分布统计检验与参数估计29-93 11.5.1拟合性检验29-93 11.5.2正态分布参数估计29-94 11.6非参数估计方法29-95 11.6.1基于完全寿命数据的可靠性估计29-95 11.6.2基于截尾寿命数据的可靠性估计29-97 附录 附录Ⅰ可靠性标准29-99 Ⅰ-1中国**可靠性标准29-99 Ⅰ-2中国电子行业可靠性标准29-101 Ⅰ-3中国机械行业可靠性标准29-101 附录Ⅱ概率分布表29-102 Ⅱ-1标准正态分布表29-102 Ⅱ-2χ2分布表29-103 Ⅱ-3t分布表29-105 Ⅱ-4F分布表29-106 Ⅱ-5Γ函数表29-111 参考文献29-113