两种可靠性设计方法的不同

Posted 2021-04-19 可靠性知识

安全系数法是结构设计中一种常用的方法，是为保证机械零件不发生失效而设置的安全工作限度。结构的实际安全系数不允许超过许用安全系数。一般许用安全系数的选取是根据设计经验来的，不同失效形式下，不同的工艺、材料等情况，许用安全系数的选取也不同。例如对于疲劳强度许用安全系数，当计算精度高，试验数据可靠，工艺质量和材料均匀性良好时，许用安全系数取1.3-1.4，一般情况取1.4-1.7。当计算精度低，没有试验评定，材料不均匀，尤其是大型零件和铸件，取1.7-3.0。

极限状态法是一种基于概率的可靠性设计方法。其优点在于考虑了应力、强度是在一定范围内波动的特性，采用概率论计算应力小于强度的可能，从数学上说更精确了。

举一个形象的例子，你和你的小伙伴们每月的生活费大概是1000元，有的月多点有的月少点。为了防止当月光族，每个月初会预留一笔钱做生活费。

一种方法是，每个人根据自己的经验，有的人留1200，有的人留1100，有的人留1500，这样来保证月底不会花光，这个就叫做安全系数法。

另一种方法，请个精算师来分析，考虑各种因素之后，告诉你，每个月留下1200，月光的概率是十万分之一，这个就叫极限状态法。

许用安全系数的取值是根据经验来的，没有太多的理论做支撑，是苏联学派的做法。通常来说许用安全系数有取得偏大的趋势，偏于保守，当然也有取得偏小的时候。

极限状态法是根据结构的使用情况和极限状态，定义极限状态方程：

Z = R - S

R为强度，S为应力。

当Z>0时，结构是安全的，当Z<0时，结构是危险的。如果仅考虑应力S和强度R两个基本变量，则

Z = g(R，S) = R - S

如果影响R与S的各个参数都是随机变量，如结构尺寸、载荷、材料性能等参数。那么Z自然就是随机变量。而Z<0的概率称为失效概率，Z>0的概率称为可靠度。可用失效概率和可靠度来表征结构可靠不可靠。

我们根据结构的重要性，提出可靠度要求，即目标可靠度。由此可以得到极限状态设计法。

在很多情况下，即使取相同的许用安全系数进行设计，由于参数随机性的影响，用极限状态法计算的结果可能不同。