文档介绍：第 1 期(总第 158 期) 机械工程与自动化 No. 1
2010 年 2 月 MECHANICAL ENGINEER ING & AU TOMATION F eb.
文章编号: 1672-6413(2010) 01-0019-02
基于有限元的机械零件可靠性设计方法*
李刚, 刘混举
(太原理工大学机械工程学院, 山西太原 030024)
摘要: 介绍了有限元分析软件ANSYS 的概率分析功能, 通过可靠性设计的相关理论, 对机械构件进行可靠度
计算。通过一个具体的实例说明了用ANSYS 概率分析功能实现机械构件可靠性分析的可行性, 从而为其他复
杂机械设备的可靠性分析提供了新的方法。
关键词: 有限元分析; ANSYS; 概率分析; 可靠性分析
中图分类号: T H13∶ T B115 文献标识码: A
0 引言流) 方式、交互( GU I) 方式或两者结合进行, 它包括预
任何复杂的机械设备都是由多个不同种类、不同处理模块( / PREP7) 、求解模块( / SOLU ) 、结果提取等
大小的简单零件组成的, 每个零部件的可靠度大小直内容。由于分析程序通过重复执行分析文件来完成可
接或间接影响着整个机器总的可靠度, 关键部位零件靠性分析的循环, 因此必须保证分析文件的正确性、完
的可靠度更是如此, 因此对机械零件的可靠性研究是整性并尽量去掉冗余命令。其中, 预处理模块的主要
整机可靠性研究的基础。在对机械零件模型进行计算工作为设定单元类型、实常数、材质, 构建结构实体
时, 必然要引入外载荷、材料强度、构件尺寸、边界模型并进行网格划分; 在求解模块中定义分析类型及
条件和加工公差等基本变量。由于测量误差等各种随相应选项, 施加载荷, 确定载荷步选项并求解; 求解
机因素的影响, 这些变量的取值只能用随机变量或随结束后, 使用* GET 命令提取计算结果, 将值赋给将
机过程来描述。对影响零件行为的这些不确定因素进被指定为输入变量和输出变量的参数。在可靠性分析
行分析称为可靠性分析, 它是零件计算、设计内容的阶段, 主要工作包括指定可靠性分析文件, 选择和定
重要组成部分。本文利用有限元分析软件 ANSYS 的义输入变量和输出变量之间的相关系数, 确定各输入
概率分析功能建立了零件的概率分析文件, 从而完成变量服从的分布类型和分布函数, 选择蒙特卡罗法。而
了其可靠性分析。后处理阶段则通常包括抽样过程显示, 绘制设计变量
1 相关理论基础取值分布图, 绘制失效概率分布函数, 确定结构可靠
1. 1 ANSYS 的概率分析方法性分析中输入变量和输出变量的相关系数矩阵, 假定
ANSYS 是一个功能非常强大的有限元分析软已知结构的失效概率寻找对应的输入变量, 进行灵敏
件, 其提供的概率分析功能模块可以解决以下问题: 根度分析, 生成分析报告。
据模型中输入参数的不确定性计算待求结果变量的不 1. 2 可靠性的相关理论
确定性; 确定由于输入参数的不确定性导致结构失效可靠性的定义是: 零件在规定的条件下和规定的
的概率数值; 已知容许失效概率确定结构行为的容许时间区间内, 完成规定功能的能力。
范围, 如最大变形、最大应力等; 判断对输出结果和零件的基本变量由