机械零件的可靠性优化设计

题目：机械零件的可靠性优化设计课程名称：现代设计理论与方法机械零件自从出现机械，就有了相应的机械零件。随着机械工业的发展，新的设计理论和方法、新材料、新工艺的出现，机械零件进入了新的发展阶段。有限元法、断裂力学、弹性流体动压润滑、优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计（CAD）、系统分析和设计方法学等理论，已逐渐用于机械零件的研究和设计。更好地实现多种学科的综合，实现宏观与微观相结合，探求新的原理和结构，更多地采用动态设计和精确设计，更有效地利用电子计算机，进一步发展设计理论和方法，是这一学科发展的重要趋向。机械零件是指直接加工而不经过装配的机器组成单元。机械零件是机械产品或系统的基础，机械产品由若干零件和部件组成。按照零件的应用范围，可将零件分为通用零件和专用零件二类。通用的机械零件包括齿轮、弹簧、轴、滚动轴承、滑动轴承、联轴器、离合器等。机械零件设计就是确定零件的材料、结构和尺寸参数，使零件满足有关设计和性能方面的要求。机械零件除一般要满足强度、刚度、寿命、稳定性、公差等级等方面的设计性能要求，还要满足材料成本、加工费用等方面的经济性要求。机械零件优化设计概述进行机械零件的设计，一般需要确定零件的计算载荷、计算准则及零件尺寸参数。零件计算载荷和计算准则的确定，应当依据机械产品的总体设计方案对零件的工作要求进行载荷等方面的详细分析，在此基础上建立零件的力学模型，考虑影响载荷的各项因素和必要的安全系数，确定零件的计算载荷;对零件工作过程可能出现的失效形式进行分析，确定零件设计或校核计算准则。零件材料和参数的确定，应当依据零件的工作性质和要求，选准适合于零件工作状况的材料;分析零件的应力或变形，根据有关计算准则，计算确定零件的主要尺寸参数，并进行参数的标准化。所谓机械零件优化设计是将零件设计问题描述为数学优化模型，采用优化方法求解一组零件设计参数。机械零件设计中包含了许多优化问题，例如零件设计方案的优选问题、零件尺寸参数优化问题、零件设计性能优化问题等。国内机械设计领域技术人员针对齿轮、弹簧、滚动轴承、滑动轴承、联轴器、离合器等零件优化设计问题开展了大量的工作，解决了齿轮传动比优化分配、各种齿轮参数优化、各种齿轮减速器优化设计、各种齿轮传动的可靠性优化、齿轮传动和减速器多目标优化设计、各种弹簧的优化设计、各种滚动轴承和滑动轴承的优化设计、各种联轴器和离合器的优化设计问题。在齿轮传动方面，国内学者已经解决了双曲柄行星齿轮传动比的优化分配、二级行星齿轮减速器传动比优化分配、二级圆柱齿轮变速器齿数比优化分配、四级圆柱齿轮减速器传动比的优化分配、双圆弧齿轮传动优化设计、喷气织机卷取机构变换齿轮优化选配、曲柄式渐开线行星齿轮传动优化、NGW型行星齿轮传动优化、双级蜗杆减速器传动比分配优化设计等问题。国内有关学者还针对高速铁路机车牵引齿轮、大重合度圆柱斜齿轮、多级齿轮参数、仪表圆弧齿轮、轧机人字齿轮承载能力、齿轮传动的等弯曲强度、低速大输出扭矩齿轮传动啮合参数、塑料谐波齿轮传动、少齿差行星齿轮传动参数、跑合性能的双圆弧齿轮齿形参数、齿轮抗磨损、齿轮变位系数、压辊齿轮变位系数、渐开线齿轮齿根过渡曲线、采煤机摇臂传动齿轮变位系数、NGW型行星齿轮传动角变位参数、渐开线圆柱齿轮变位系数、降低斜齿噪声的齿轮修形参数等设计问题进行了优化设计。在齿轮减速器方面，已经开展了多级平行轴圆柱齿轮减速器、斜齿轮减速器、标准斜齿圆柱齿轮二级展开式减速器、三级齿轮传动减速器、单级圆柱齿轮减速器、双圆弧齿轮减速器、级间等强度圆锥圆柱齿轮减速器、双自由度锥面包络圆柱蜗杆传动系统等优化设计。在机械零件弹簧方面，已经开展了压缩弹簧、碟形弹簧、波形弹簧、板弹簧、片弹簧等的优化设计工作，并针对弹簧用途和种类多的特点，专门开展了矿井提升机盘式制动器碟形弹簧、螺旋形压缩弹簧、受振载荷圆柱螺旋压缩弹簧、汽车悬架系统弹簧、变截面非对称钢板弹簧、圆柱螺旋压缩弹簧、调节弹簧、离合器拉式膜片弹簧、离合器碟形弹簧、矩形截面圆柱螺旋压缩弹簧、拖拉机主离合器弹簧、减振弹簧、实用气阀弹簧、波形弹簧、发动机气门弹簧、抽油泵圆柱弹簧、电器弹簧、非标准碟形弹簧、活塞式压缩机气阀弹簧、锅炉安全阀弹簧、溢流阀调节弹簧等的优化设计。在机械零件轴承方面，先后开展了滚动轴承额定寿命的优化选型、球面轴承结构参数的优化、液体动压润滑轴承的优化设计、传动轴承结构参数的优化设计、螺旋油楔动压轴承的优化设计、空气静压轴承的优化设计、调心滚子轴承的优化设计等方面的工作。机械零件联轴器和离合器方面，先后开展了圆柱螺旋弹簧联轴器的离散优化设计、挠性膜片联轴器优化设计、等刚度直杆弹簧联轴器的离散优化设计、轴向放置叠片弹簧联轴器的离散变量优化设计、直线齿廓蛇形弹簧联轴器优化设计、齿式联轴器齿形优化设计、无螺栓十字轴万向联轴器结构形状优化设计、电磁摩擦离合器的参数优化设计、.多片式摩擦离合器优化设计、空气离心式离合器优化设计、重载机械膜片弹簧离合器优化设计、汽车离合器摩擦片数量选择及其参数优化设计、纺织机械离合器联结方式优化等工作。模糊优化和可靠性优化方法可以应用于机械零件的优化设计。在齿轮传动方面，开展了齿轮传动的可靠性优化设计计算、行星齿轮传动的可靠性优化设计、行星齿轮减速器可靠性优化设计、.行星齿轮传动的模糊优化设计、行星齿轮减速器的模糊多目标优化设计、斜齿圆柱齿轮减速器的概率优化设计、单级圆柱齿轮减速器的概率优化设计、圆柱齿轮啮合参数模糊优化设计、具有可靠度约束的齿轮传动的优化设计、具有可靠度约束的行星齿轮传动稳健优化设计、齿轮变位系数选择的模糊优化设计、齿轮传动最小体积的多目标模糊优化设计、基于模糊综合评判的斜齿轮减速器多目标模糊优化设计、应用灰色聚类的钻床齿轮变速箱优化设计、三级圆锥和圆柱齿轮减速器传动比最优分配多目标模糊优化设计、微线段齿轮滚刀齿廓曲线的多目标优化设计、圆锥齿轮传动模糊优化设计、圆柱齿轮传动的模糊优化设计、直齿圆柱齿轮的模糊优化设计、单级2KH行星齿轮装置的模糊优化设计、NGW型行星齿轮减速器的模糊优化设计、锥齿轮传动的模糊可靠性优化设计、双圆弧齿轮传动的模糊可靠性优化设计、齿轮减速器的模糊可靠性优化设计、具有动态约束的齿轮传动模糊优化设计、基于模糊可靠度约束的准双曲面齿轮优化设计、斜齿圆柱齿轮传动的多目标模糊优化设计、复杂工况下齿轮接触强度的可靠性优化设计、2KH行星齿轮减速器的可靠性优化设计、圆柱蜗杆减速器的可靠性优化设计等工作。针对弹簧、轴承、离合器等零件，开展了钻采机械碟形弹簧句靠性优化设计、碟形弹簧的模糊可靠性优化设计、汽车离合器膜片弹簧的模糊可靠性优化设计、内燃机气门弹簧的模糊优化设计、承受交变载荷的碟形弹簧的可靠性优化设计、圆柱螺旋压缩弹簧的模糊优化设计和模糊可靠性优化设计、发动机气门弹簧的可靠性优化设计、内燃机阀门压缩弹簧模糊优化设计、汽车离合器膜片弹簧的稳健优化设计、铁道车辆螺旋支承弹簧的可靠性优化设计、基于模糊可靠性分析的碟形弹簧优化、圆柱形扭转弹簧的可靠性优化和模糊可靠优化设计、螺旋弹簧可靠性多目标优化设计、膜片弹簧设计的概率优化、拉式膜片弹簧结构参数的模糊优化设计、基于模糊概率的溢流阀调压弹簧的优化设计、变截面钢板弹簧模糊优化设计、扩张式自激超越弹簧离合器强度可靠性优化设计、车辆用板弹簧的可靠性优化设计、双卷螺旋弹簧模糊可靠性优化设计、滑动轴承最小油膜厚度的模糊优化设计、流体动压润滑向心滑动轴承的可靠性优化设计、四旋盖真空封瓶机双万向联轴器的模糊优化设计、牙嵌离合器的可靠性遗传优化设计、楔块式单向超越离合器结构参数的模糊优化设计、扩张式自激超越弹簧离合器强度可靠性优化设计、干式摩擦离合器的模糊优化设计、片式摩擦离合器的模糊优化设计、汽车离合器的模糊优化设计、双频发电机组单向自动离合器工作可靠性的优化设计。机械零件的多目标优化设计方面如齿轮传动、弹簧、离合器、轴承等，许多研究者研究了多目标、多参数的变速器齿轮系优化设计、谐波齿轮传动多目标优化设计、普通圆柱蜗杆传动的多目标模糊优化设计、蜗杆减速机的多目标优化设计、弧面蜗杆传动的多目标优化设计、弧面蜗杆减速器的可靠性多目标优化设计、圆形振动筛减振弹簧的多目标优化设计、增压抽油泵圆柱弹簧的多目标优化设计、压缩弹簧的多目标模糊优化设计、圆柱形螺旋压缩弹簧的模糊多目标优化设计、汽车离合器拉式膜片弹簧结构参数多目标优化设计、螺旋弹簧可靠性多目标优化设计、等厚断面渐变刚度钢板弹簧的优化设计、应用模糊方法的气门弹簧可靠性多目标优化设计、圆锥滚子轴承多目标优化设计、高速仪表轴承的多目标优化设计、液体动压滑动轴承的多目标模糊优化设计、椭圆轴承多目标模糊优化设计、液体动压径向滑动轴承的概率多目标优化设计、滚模糊优化设计、牙嵌式离合器多目标优化设计等研究工作。在机械动态优化设计方面，已进行的研究工作有行星齿轮传动的动态优化设计、圆柱齿轮传动的动态分析及优化设计、舰船用齿轮传动的动态优化设计、多级齿轮传动系统动态性能的优化设计、有频率禁区的齿轮形状优化、内齿行星齿轮传动系统参数动态优化、圆弧齿双曲面齿轮降低噪声的优化设计、静压轴承自控系统动态品质的优化方法、高速柴油机气门弹簧动态优化设计等。机械设计领域的学者还将遗传算法、神经网络等应用于机械零件的优化设计。在齿轮传动、弹簧、离合器、轴承等方面，开展了基于遗传算法的双圆弧齿轮传动的模糊可靠性优化设计、实值编码遗传算法的行星齿轮传动优化、实码遗传算法的直齿圆锥齿轮传动优化设计、门座起重机变幅机构中齿轮齿条的遗传优化、齿轮传动机构人工神经网络辅助优化设计、实数编码遗传算法的斜齿圆柱齿轮传动优化设计、径向基函数神经网络的行星齿轮减速器优化、基于遗传算法的圆锥齿轮传动模糊优化、基于遗传算法的齿轮传动离散.优化设计、遗传算法的齿轮减速器优化设计、基于神经网络的变厚齿轮减速器动态优化设计、基于遗传算法的圆柱齿轮变位系数的优化选择、基于遗传算法的少齿差行星齿轮传动参数优化设计、基于遗传算法的织机变换齿轮组合优化、遗传算法的弹流润滑齿轮传动多目标优化设计、基于遗传算法的发动机气门弹簧的优化设计、基于遗传算法的弹簧的优化设计、时变回归神经网络的弹簧优化设计、汽车悬架扭杆弹簧的遗传算法优化设计、溢流阀调节弹簧遗传优化设计、基于遗传算法的普通圆柱螺旋弹簧模糊优化设计、内燃机阀门压缩弹簧遗传优化设计、基于神经网络的动压轴承优化设计、基于遗传算法的液体动压滑动轴承的优化设计等研究工作。汽车传动轴的可靠性优化设计摘要：以汽车传动轴的可靠性优化设计，说明可靠性优化设计在实际生产中的先进性，和实用性。问题的提出：汽车传动轴多采用双万向节，式传动轴至受扭转而不受弯曲。因此，传动轴工作时应保证有足够的扭转强度和临界转速。传动轴的长度是由总布局决定的，当长度一定时，设计传动轴就是确定截面尺寸。而传动轴的可靠性优化设计，则是在保证预定工作可靠度R的条件下，使传动轴的用料最节省（或重量轻）。汽车传动轴结构图已知参数为：轴长mmL840，传动扭矩mNMM)59,1176(),(，材料屈服极限2/)27,434(),(mmNss，由于传动轴受纯扭转，其剪切强度等于其屈服极限的一半，即2/)5.13,217(,mmNss）（。设所要求的可靠度9999.0R，由标准正态分布函数表可查得1719.3)(1R。分析设计轴的最节省材料的截面尺寸。注原设计中63.5Dmm，58.5dmm，截面积为2479mm。问题的分析：目标函数要求轴的用料最省，实质上就是求截面面积)(422dDA最小，式中d、D——分别为传动轴的内径和外径。约束条件约束条件可根据传动轴的工作可靠性要求，功能要求和结构限制等条件列出。①扭转强度条件根据要求的可靠度水平R，可得到传动轴扭转强度可靠度约束为0)()()(21221ssRxg式中，s，s——材料的剪切强度均值和标准离差；，——工作应力均值和标准离差。现求传动轴的工作应力均值，和标准离差如下：传动轴的扭转模量为34316]1[16KDDdD