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摘 要：本文对基于随机有限元的机械零件可靠性分析步骤进行了详细介绍，并对其中的失效分析进行了详细描述，总结了机械设备典型机械零件的服役条件、失效方式及材料选择的一般原则，为应用随机有限元分析设备疲劳寿命打下了基础。
关键词：随机有限元；机械零件；疲劳；可靠性分析
随机有限元法是计算确定性结构的强有力的工具，在结构设计当中，建立有限元模型分析各种载荷下的结构相应己成为必不可少的步骤。特别是在大型复杂问题中，有限元解几乎是唯一可运用到实际工程中的解。因此，把有限元计算得到的数据运用到可靠性分析中，对于解决可靠性分析中的随机因素影响有很大的帮助。
1.基于随机有限元的机械零件可靠性分析步骤
常规的有限元公式体系是建立在结构系统为确定性的基础上的，即认为机械结构和零件部件的尺寸、载荷、材料性质和环境等条件是确定性的，在此基础上可以求出给定条件下的相应情况。如果要考虑这些变量的随机性以进行可靠性分析，常规的有限元分析就显得无能为力了。
在现有的关于随机有限元在可靠性分析中运用知识的基础上，总结了基于随机有限元的可靠性分析的步骤为：
（1）功能分析。主要是指对产品进行所应达到或完成制造要求的工作性能指标的分析。机械零件功能分析是可靠度分析过程中一个重要环节，它起着承上启下、传递并生成设计信息、主导创新原理产生的重要作用。近年来，随着人们对计算机辅助概念设计的深人研究，对于功能的抽象化表达、功能分类、功能分解、功能标准化以及设计目录等方面的研究越来越多，如何有机地将这些形式化的设计信息组织在一起，有效地实现从高度抽象化的功能到具有创新性原理解的映射，完备的功能分解是解决问题的前提。当前，功能分解的形式主要有功能块图、功能树和功能结构等。
（2）失效分析。失效是指机械或机械零件在使用过程中（或者是在使用前的试验过程中），由于尺寸、形状、材料的性能或组织发生变化而引起的机械或机械零件部件不能完满地完成指定的功能，或者机械构件丧失了原设计功能的现象。常见的失效形式可分为下列四种：弹性变形失效；塑性变形失效；破断或断裂失效；材料变化引起的失效。机械或机械零部件失效部位可出现如下两种情况：物体内部缺陷引起的失效；物体表面缺陷引起的失效。
（3）建立确定性有限元模型，需要完成的工作有：指定分析标题，定义单元类型，定义材料性能，建立几何结构模型、进行网格划分等。
（4）确定随机因素。由于存在较多的不确定因素，对结构的可靠性设计和分析是必要的。不确定因素主要包括：载荷的不确定性，制造工艺引起的结构尺寸不确定性，材料特性的不确定性，计算模型的不确定性。
机械设备零件的有限元模型的输入变量包括尺寸、材料属性、载荷等，可靠性分析模型中的变量包括循环次数、结构强度、失效概率等，所有这些变量的分布规律都必须用某种概率分布函数来近似模拟。
（5）在各类机械设备零件中，存在着上述诸多不确定的因素的影响。由于人们认识的局限性和它们本身的不确定性，这些因素被描述为空间或时间的随机场函数或随机过程。由于这些随机性因素的影响是不可忽略的，致使结构的行为不再是确定的，而具有了偶然性，表现为随机的场函数或时间函数。目前，对于随机场的离散方法主要有随机场的中心离散、随机场的局部平均、随机场的插值、随机场的局部积分、随机场的加权积分和随机场的正交展开。
2.失效分析
“失效分析”（Failure Analysis）系指产品失效后，通过对产品及其结构，使用和技术文件的系统研究，从而鉴别失效模式，确定失效原因，机理和失效演变的过程[1]。
FMEA即故障模式与失效分析，是工程應用中最常用的可靠性分析方法之一。它以产品的元件、零件或系统为分析对象，通过人员的逻辑思维分析，预测结构元件或零件生产装配中可能发生的问题及潜在的故障，研究问题及故障的原因，以及它们对产品质量影响的严重程度，提出可能采取的预防改进措施，以提高产品的质量和可靠性。
2.1失效分析步骤
失效分析首先要确定失效对象的状态，再分析并确定失效原因，最后做出结论，提出对策，即失效分析的三要素为对象状态、失效原因和结果。失效分析的步骤为：
步骤1收集失效现场数据。弄清楚失效发生的工作条件和环境条件，观察所有特殊的先期失效件、随后失效件或非常规失效件的特征。收集的数据和信息包括：一定量的失效件和破坏件、事故过程、目击者叙述、历史数据、识别性资料、证据记录。
步骤2断口分析。根据工作应力和失效机制造（如腐蚀、疲劳、过载））的情况来确定相应的失效或断裂起始位置和扩展方向以及载荷或应力的类型。
步骤3材料评估及其特性。失效分析时，材料的化学成分应根据规定的极限和允许偏差来验证。显微组织是热处理-机械加工工艺好坏的直接反应，也是所有失效分析研究中有效的手段。全面熟悉金属加工工艺，对于更好地理解工艺对显微组织的作用过程是必要的[2]。
步骤4应力分析。除了外加载荷，还存在内应力。除非内应力大到足以克服材料结合力而引起损坏，否则内应力不会那么引人注意。因为工具钢具有较高的屈服强度，其内应力水平也较高[3]。
步骤5综合分析信息和证据。材料是否满足使用要求？所需的最主要的材料性能指标是什么？推理和试验满足失效模式的程度怎样？断口特征和材料是否与作用应力类型吻合？
步骤6总结。材料满足要求的情况；叙述失效机理；叙述失效根本原因。
步骤7汇总解决问题的方法。改进设计，设计所有的工艺方法；合理选择和使用材料；改进加工、制造技术；增加作业控制措施；改进预防性维修。
2.2失效的分类原则
整机的失效通常是由某个零部件首先损坏而引发的。零件的失效大致有以下几种形式：过量变形，如高温工作条件下的螺丝发生松弛等；磨损或腐蚀造成表面损伤，影响到机构的精度或灵敏度等；断裂事故，往往造成灾难性的后果。根据失效的原因、性质、机理、程度、产生的速度、发生的时间以及失效产生的后果，将失效进行不同的分类，见表1[3]。
表2总结了机械设备典型机械零件的服役条件、失效方式及材料选择的一般原则。
3.小结
随机有限元解决设备可靠性的步骤是应用随机有限元分析设备疲劳寿命的基础，在随机有限元知识和疲劳可靠性分析的基础上，得出了随机有限元解决一般机械零件可靠性的分析步骤，并对其中的步骤进行了解释描述；对步骤中的失效分析进行了详细地描述，总结了机械设备典型机械零件的服役条件、失效方式及材料选择的一般原则。
参考文献：
[1]甘茂治，康建设，高崎.军用装备维修工程学（第二版）[M].北京：国防工业出版社.2005.
[2]濮良贵，纪名刚.机械设计.第七版[M].北京：高等教育出版社.2001.
[3]李维特等.热应力理论分析及其应用[M].北京：中国电力出版社，2004.
[4]王东，陈建康，工启智等.Monte-Carlo随机有限元结构可靠度分析新方法[J].四川大学学报，2008，40（3）：20-26.
关键词：随机有限元；机械零件；疲劳；可靠性分析
随机有限元法是计算确定性结构的强有力的工具，在结构设计当中，建立有限元模型分析各种载荷下的结构相应己成为必不可少的步骤。特别是在大型复杂问题中，有限元解几乎是唯一可运用到实际工程中的解。因此，把有限元计算得到的数据运用到可靠性分析中，对于解决可靠性分析中的随机因素影响有很大的帮助。
1.基于随机有限元的机械零件可靠性分析步骤
常规的有限元公式体系是建立在结构系统为确定性的基础上的，即认为机械结构和零件部件的尺寸、载荷、材料性质和环境等条件是确定性的，在此基础上可以求出给定条件下的相应情况。如果要考虑这些变量的随机性以进行可靠性分析，常规的有限元分析就显得无能为力了。
在现有的关于随机有限元在可靠性分析中运用知识的基础上，总结了基于随机有限元的可靠性分析的步骤为：
（1）功能分析。主要是指对产品进行所应达到或完成制造要求的工作性能指标的分析。机械零件功能分析是可靠度分析过程中一个重要环节，它起着承上启下、传递并生成设计信息、主导创新原理产生的重要作用。近年来，随着人们对计算机辅助概念设计的深人研究，对于功能的抽象化表达、功能分类、功能分解、功能标准化以及设计目录等方面的研究越来越多，如何有机地将这些形式化的设计信息组织在一起，有效地实现从高度抽象化的功能到具有创新性原理解的映射，完备的功能分解是解决问题的前提。当前，功能分解的形式主要有功能块图、功能树和功能结构等。
（2）失效分析。失效是指机械或机械零件在使用过程中（或者是在使用前的试验过程中），由于尺寸、形状、材料的性能或组织发生变化而引起的机械或机械零件部件不能完满地完成指定的功能，或者机械构件丧失了原设计功能的现象。常见的失效形式可分为下列四种：弹性变形失效；塑性变形失效；破断或断裂失效；材料变化引起的失效。机械或机械零部件失效部位可出现如下两种情况：物体内部缺陷引起的失效；物体表面缺陷引起的失效。
（3）建立确定性有限元模型，需要完成的工作有：指定分析标题，定义单元类型，定义材料性能，建立几何结构模型、进行网格划分等。
（4）确定随机因素。由于存在较多的不确定因素，对结构的可靠性设计和分析是必要的。不确定因素主要包括：载荷的不确定性，制造工艺引起的结构尺寸不确定性，材料特性的不确定性，计算模型的不确定性。
机械设备零件的有限元模型的输入变量包括尺寸、材料属性、载荷等，可靠性分析模型中的变量包括循环次数、结构强度、失效概率等，所有这些变量的分布规律都必须用某种概率分布函数来近似模拟。
（5）在各类机械设备零件中，存在着上述诸多不确定的因素的影响。由于人们认识的局限性和它们本身的不确定性，这些因素被描述为空间或时间的随机场函数或随机过程。由于这些随机性因素的影响是不可忽略的，致使结构的行为不再是确定的，而具有了偶然性，表现为随机的场函数或时间函数。目前，对于随机场的离散方法主要有随机场的中心离散、随机场的局部平均、随机场的插值、随机场的局部积分、随机场的加权积分和随机场的正交展开。
2.失效分析
“失效分析”（Failure Analysis）系指产品失效后，通过对产品及其结构，使用和技术文件的系统研究，从而鉴别失效模式，确定失效原因，机理和失效演变的过程[1]。
FMEA即故障模式与失效分析，是工程應用中最常用的可靠性分析方法之一。它以产品的元件、零件或系统为分析对象，通过人员的逻辑思维分析，预测结构元件或零件生产装配中可能发生的问题及潜在的故障，研究问题及故障的原因，以及它们对产品质量影响的严重程度，提出可能采取的预防改进措施，以提高产品的质量和可靠性。
2.1失效分析步骤
失效分析首先要确定失效对象的状态，再分析并确定失效原因，最后做出结论，提出对策，即失效分析的三要素为对象状态、失效原因和结果。失效分析的步骤为：
步骤1收集失效现场数据。弄清楚失效发生的工作条件和环境条件，观察所有特殊的先期失效件、随后失效件或非常规失效件的特征。收集的数据和信息包括：一定量的失效件和破坏件、事故过程、目击者叙述、历史数据、识别性资料、证据记录。
步骤2断口分析。根据工作应力和失效机制造（如腐蚀、疲劳、过载））的情况来确定相应的失效或断裂起始位置和扩展方向以及载荷或应力的类型。
步骤3材料评估及其特性。失效分析时，材料的化学成分应根据规定的极限和允许偏差来验证。显微组织是热处理-机械加工工艺好坏的直接反应，也是所有失效分析研究中有效的手段。全面熟悉金属加工工艺，对于更好地理解工艺对显微组织的作用过程是必要的[2]。
步骤4应力分析。除了外加载荷，还存在内应力。除非内应力大到足以克服材料结合力而引起损坏，否则内应力不会那么引人注意。因为工具钢具有较高的屈服强度，其内应力水平也较高[3]。
步骤5综合分析信息和证据。材料是否满足使用要求？所需的最主要的材料性能指标是什么？推理和试验满足失效模式的程度怎样？断口特征和材料是否与作用应力类型吻合？
步骤6总结。材料满足要求的情况；叙述失效机理；叙述失效根本原因。
步骤7汇总解决问题的方法。改进设计，设计所有的工艺方法；合理选择和使用材料；改进加工、制造技术；增加作业控制措施；改进预防性维修。
2.2失效的分类原则
整机的失效通常是由某个零部件首先损坏而引发的。零件的失效大致有以下几种形式：过量变形，如高温工作条件下的螺丝发生松弛等；磨损或腐蚀造成表面损伤，影响到机构的精度或灵敏度等；断裂事故，往往造成灾难性的后果。根据失效的原因、性质、机理、程度、产生的速度、发生的时间以及失效产生的后果，将失效进行不同的分类，见表1[3]。
表2总结了机械设备典型机械零件的服役条件、失效方式及材料选择的一般原则。
3.小结
随机有限元解决设备可靠性的步骤是应用随机有限元分析设备疲劳寿命的基础，在随机有限元知识和疲劳可靠性分析的基础上，得出了随机有限元解决一般机械零件可靠性的分析步骤，并对其中的步骤进行了解释描述；对步骤中的失效分析进行了详细地描述，总结了机械设备典型机械零件的服役条件、失效方式及材料选择的一般原则。
参考文献：
[1]甘茂治，康建设，高崎.军用装备维修工程学（第二版）[M].北京：国防工业出版社.2005.
[2]濮良贵，纪名刚.机械设计.第七版[M].北京：高等教育出版社.2001.
[3]李维特等.热应力理论分析及其应用[M].北京：中国电力出版社，2004.
[4]王东，陈建康，工启智等.Monte-Carlo随机有限元结构可靠度分析新方法[J].四川大学学报，2008，40（3）：20-26.