高低温低气压试验箱产品耐久性设计分析知识

高低温低气压试验箱主要规格和技术参数：

耐久性是什么？耐久性作为可靠性的一个重要组成部分，人们对两者的关系认识各异。美国军用标准认为耐久性是可靠性的一种特殊情况；俄罗斯国家标准认为广义的可靠性包括*性、耐久性、维修性和存储性，其中的“*性”与美国军用标准的“可靠性”含义相同。但是美国军用标准大多是针对电子产品而言的，而俄罗斯国家标准则多面向机械产品。电子产品以偶然性故障为主，耐久性问题并不突出。而机械产品多以耗损性故障为主，耐久性是不容忽视的。这也正是机械产品可靠性与电子产品可靠性的一个重大区别。我国军用标准也认为耐久性是可靠性的一种特殊情况，因此从本质上讲，耐久性也是可靠性。

耐久性与可靠性的主要区别

1.在对故障(失效)的定义上的不同，或者说所关心的故障(失效)机理的重点不同。耐久性关心的是耗损性故障(失效)，而可靠性涉及到所有的故障(失效)形式。可靠性表述的内涵更广。

2.以机械产品为主的武器装备，其耐久性是可靠性中的重要内容。多年前，耐久性分析就已经用于确定桥梁、飞机机翼以及其他许多机械产品的安全余量。由于大多数机械部件都是可靠的，其使用可靠性与故障频数、维修和耐久性密切相关。对于不可修的简单产品而言，例如紧固件、传动胶带、滚动轴承、电子元器件等，它们的可靠性就是耐久性。

3.耐久性主要是针对有限寿命产品提出的。对于电子系统而言，传统上仅采用可靠性技术进行设计。随着电子系统模块化、集成化和电子封装技术的发展，为设计更加健壮的电子系统，耐久性也开始作为其设计特性之一。

4.耐久性与可靠性的度量方式不同。耐久性由耗损前的寿命来度量，而可靠性以工作寿命(有用寿命)和偶然失效数来量度。两者的区别可用产品的失效率和失效时间的关系曲线(浴盆曲线)来描述。

耐久性设计分析工具软件针对结构疲劳耐久性，以应力寿命、应变寿命、概率断裂力学方法为基础，能够考虑载荷、材料性能等的随机性，建立可靠寿命分析模型，同时预计结构中值寿命、可靠寿命、给定寿命的可靠性度。软件可集成载荷谱分析处理软件，根据用户需求可定制！
耐久性设计准则对于结构，本文主要针对抗疲劳设计（含防腐蚀设计），采用安全寿命设计准则、疲劳/损伤容限设计准则和耐久性/损伤容限设计准则；对于机构，本文主要针对摩擦副（铰链、导轨等）的耐磨损设计，采用磨损安全设计准则。1、安全寿命设计准则1）安全寿命设计应综合考虑材料、应力水平和结构布局等因素，采取抗疲劳设计措施（如合理选择产品材料和加工工艺、减少局部应力集中、进行环境防护设计等）提高结构的抗疲劳能力，延长结构的使用寿命；

2）安全寿命设计根据、（腐蚀环境）或、（腐蚀环境）以及累积损伤理论通过疲劳分析确定产品的使用寿命；

3）根据安全寿命设计准则确定的产品使用寿命就是安全寿命，即结构的无裂纹寿命（出现工程可检裂纹之前的寿命）。安全寿命应不小于（等于或大于）产品的设计使用寿命，以保证产品在一定的使用期限内安全使用。

2、疲劳/损伤容限设计准则

1）疲劳/损伤容限设计应综合考虑材料、应力水平和结构布局等因素，使得结构使用中允许进行常规检查，并且采取抗疲劳设计措施提高结构的抗疲劳和抗裂纹扩展能力，延长结构的使用寿命；

2）疲劳/损伤容限设计根据、（腐蚀环境）或、（腐蚀环境）以及累积损伤理论通过疲劳分析初步确定产品的使用寿命，使其不小于（等于或大于）产品的设计使用寿命；

3）疲劳/损伤容限设计根据裂纹扩展曲线和剩余强度曲线通过损伤容限分析确定产品在设计使用寿命期内能否安全使用，根据安全裂纹扩展寿命确定结构检修周期，综合疲劳分析结果确定结构的使用寿命；

4）结构使用中通过定期检查确定结构裂纹是否已经出现，一旦经检查发现裂纹，则分析和判断当前结构是否能够继续使用（结构剩余强度要求是否满足），如果不能继续使用则使用寿命终止，如果能够继续使用则应对裂纹扩展情况进行严密监控，确保产品在使用寿命周期内安全使用。

3、耐久性/损伤容限设计准则

1）耐久性/损伤容限设计应综合考虑材料、应力水平和结构布局等因素，使得结构使用中允许进行常规检查和实施经济修理，并且采取抗疲劳设计措施提高结构的抗疲劳和抗裂纹扩展能力，延长结构的使用寿命；

2）耐久性/损伤容限设计允许结构进行若干次经济修理，应合理设计修理次数以及每次实施修理时结构疲劳损伤（裂纹长度）的临界值，确保因未能检出的缺陷、裂纹等损伤的扩展导致产品在使用寿命周期内无法安全使用的概率小，并且结构损伤对维修工作和费用造成的影响减至小，从而使得结构兼顾安全性和经济性；3）疲劳/损伤容限设计通过疲劳分析和损伤容限分析确定产品的首翻期和大修间隔期限，其总寿命就是经济寿命。经济寿命应不小于（等于或大于）产品的设计使用寿命；

4）结构使用中通过定期检查确定结构裂纹是否已经出现，一旦经检查发现裂纹，则分析和判断当前结构是否能够继续使用（结构剩余强度要求是否满足），如果不能继续使用则应予以修理或更换，如果能够继续使用则应对裂纹扩展情况进行严密监控，确保产品在使用寿命周期内安全使用。

4、磨损安全设计准则

1）磨损安全设计应综合考虑材料、应力水平和润滑情况等因素，采取耐磨损设计措施（如合理选择产品材料和加工工艺、表面处理、改善机构润滑情况等）提高机构的耐磨损能力，延长机构的磨损寿命；

2）根据机构运行特点，合理设计机构细节，减少磨损的发生，增加磨损安全裕量，同时合理设计机构的承载和运转速度组合，降低磨损速度，以延长机构的磨损寿命；

3）磨损安全设计根据磨损曲线和磨损安全裕量确定产品的磨损安全寿命，使其不小于（等于或大于）产品的设计使用寿命，确保产品在使用寿命期内不会出现超出容许磨损量而导致故障。耐久性设计准则选用原则上述设计准则的选用原则是：1、安全寿命设计准则、疲劳/损伤容限设计准则和耐久性/损伤容限设计准则均适用于具有疲劳耗损特征的结构，可按以下原则选用：

1）安全寿命设计准则主要用于不可检结构。安全寿命设计准则认为结构不存在初始损伤（裂纹），以结构的无裂纹寿命作为设计目标，一旦出现可检裂纹则认为安全寿命终止；

2）疲劳/损伤容限设计准则主要用于可检/不可修结构。疲劳/损伤容限设计准则采用了损伤容限设计，认为结构存在由于材料初始缺陷和制造缺陷等导致的初始损伤（裂纹），损伤容限设计允许结构在使用寿命期内出现损伤（裂纹），但要求损伤（裂纹）必须是可检的，并且在损伤（裂纹）被检出前必须保证结构具有足够的剩余强度，产品能够完成其规定功能；

3）耐久性/损伤容限设计准则主要用于可检/可修结构。耐久性/损伤容限设计准则也采用了损伤容限设计。产品在整个寿命周期内允许进行若干次经济修理，各次大修期（首翻期、大修间隔期限）内依靠检查保证产品的安全使用；

2、安全寿命设计准则也适用于处于腐蚀环境下的具有疲劳耗损特征的结构，但在进行耐久性设计与分析时均须考虑腐蚀环境的影响，如采用涂层等防腐蚀措施对结构进行防护，引入预腐蚀疲劳曲线、环境腐蚀疲劳影响系数估算结构使用寿命等；3、磨损安全设计准则适用于机构中的铰链、导轨等具有一般性质的摩擦副。对于轴承、齿轮和凸轮机构等具有各自特点的摩擦副已形成独立的设计与分析方法，应采用专门方法进行设计与分析。

耐久性设计与分析的基本步骤

1、明确产品的耐久性要求（设计寿命）产品的耐久性要求包括工作寿命（使用寿命、首翻期）和非工作寿命（储存寿命）要求，据此确定产品的使用寿命设计值和储存寿命设计值（即设计寿命）。

2、定义产品的寿命剖面和任务剖面产品的寿命剖面和任务剖面包括使用载荷、温度、湿度、振动以及其他环境参数，由此确定产品的载荷/环境应力及其作用的时间；

3、进行产品的耐久性设计根据选择适当的耐久性设计准则，并据此进行产品的耐久性设计，设计内容包括但不限于结构、材料、尺寸、工艺、连接方法的选择以及腐蚀防护、热防护和磨损防护等；

4、确定产品的材料特性产品选材完成后，如果采用了特殊材料，其材料特性可以根据相近材料的材料特性确定，或进行专门试验确定；

5、确定产品的可能故障部位采用FMEA等方法确定产品的可能故障部位。故障部位通常假定为应用新材料、新产品或新技术的结构或设计，考虑的因素包括严重变形部位、应力水平高及应力集中部位、高温循环部位、高热膨胀材料、腐蚀敏感部位、摩擦副和试验出现的故障部位等；

6、确定产品的耗损故障部位及其耗损特征根据工程经验和FMEA结果，对产品的可能故障部位进行分析，确定其中的耗损故障部位及其耗损特征（疲劳、腐蚀、磨损等）；

7、确定产品的耐久性关键件和非耐久性关键件采用有限元分析（FEA）方法对产品的耗损故障部位进行分析，结合FMEA结果确定产品的耐久性关键件和非耐久性关键件，确定原则如下：

1）耐久性关键件是指必须满足耐久性设计要求的零部件，包括影响产品安全使用的重要零部件，也包括其他一些重要零部件，一般是昂贵的，或更换是不经济的，有可能影响系统或分系统功能的零部件。它主要从功能可靠和经济性来考虑，主要控制1mm以下疲劳裂纹的萌生和扩展；

2）非耐久性关键件的故障对系统或分系统功能造成的经济影响比较轻微，但要求给予维修和（或）修理或更换以保证能够继续执行功能。非耐久性关键件通常在研制、生产过程中不要求给予特别的注意，并可以按修复性维修或预防性维修的方式加以维护；耐久性关键件和非耐久性关键件的选取可以根据下述原则进行综合分析与判断：

a．应力水平的高低与受力情况；b．应力集中严重程度；c．影响结构安全使用的程度；d．修理和更换费用；e．材料的疲劳、断裂性能及抗腐蚀能力；f．在载荷/环境谱作用下疲劳裂纹扩展速率的高低；g．借鉴以往同类产品（结构）的耐久性试验结果以及维修情况记录；h．损伤结构的剩余强度水平；i．损伤对结构功能影响的程度。

8、进行产品的耐久性分析根据选择适合的耐久性分析方法对产品的耐久性关键件和非耐久性关键件进行耐久性分析，得到当前设计方案下的产品寿命（使用寿命、储存寿命）；

9、判断产品是否满足耐久性要求

1）如果当前设计方案下的产品寿命小于设计寿命，则产品在设计寿命周期内将会发生故障，即当前设计方案下的产品不能满足规定的耐久性要求，应改进产品设计并重新进行耐久性分析；

2）如果当前设计方案下的产品寿命大于或等于设计寿命，则产品在设计寿命周期内不会发生故障，即当前设计方案下的产品能够满足规定的耐久性要求；

10、根据耐久性设计与分析结果确定产品寿命如果产品能够满足规定的耐久性要求，则根据耐久性设计与分析结果确定产品寿命（使用寿命、储存寿命）。耐久性设计与分析方法选用原则

1、在产品的不同研制阶段，耐久性设计与分析方法的选用原则

1）在产品研制初期，应采用工程分析方法对产品的耐久性进行初步分析，如果不能满足规定的耐久性要求，则应改进设计，以提高产品的耐久性；

2）在产品研制过程中，确定产品的材料和设计特性后，可以采用安全寿命设计与分析方法、损伤容限设计与分析方法、腐蚀环境下的耐久性设计与分析方法和（或）基于磨损特征的耐久性设计与分析方法对产品的结构和机构进行耐久性分析，判断产品是否已达到耐久性要求，为判断产品耐久性设计成功与否、确定产品寿命、制订维修策略和产品改进计划提供有效的依据；

2、根据产品的耗损特征，耐久性设计与分析方法的选用原则

1）对于具有疲劳耗损特征的产品，应对产品进行抗疲劳设计，并采用工程分析方法、安全寿命设计与分析方法和（或）损伤容限设计与分析方法对其耐久性进行分析。具体的耐久性设计与分析方法的选用原则如下：a.对于耐久性关键件，必须采用安全寿命设计与分析方法和（或）损伤容限设计与分析方法对其进行重点的设计和分析，确定其使用寿命（首翻期、大修间隔期限等）；对于非耐久性关键件，可以采用工程分析方法、安全寿命设计与分析方法和损伤容限设计与分析方法，确定其使用寿命（首翻期、大修间隔期限等）；b.对于不可检/不可修结构，主要采用安全寿命设计与分析方法；对于可检/不可修结构，可以采用安全寿命设计与分析方法，也可以采用损伤容限设计与分析方法；对于可检/可修结构，主要采用损伤容限设计与分析方法；

2）对于处于腐蚀环境下的产品，应对产品进行腐蚀防护设计，并采用腐蚀环境下的耐久性设计与分析对其耐久性进行分析，确定其使用寿命（首翻期、大修间隔期限等）；

3）对于具有磨损特征的产品，应对产品进行耐磨损设计，并采用基于磨损特征的耐久性设计与分析方法对其耐久性进行分析，确定其磨损寿命；

3、根据产品是否为新研产品，耐久性设计与分析方法的选用原则

1）对新研产品，需要综合采用工程分析方法、安全寿命设计与分析方法和损伤容限设计与分析方法，确定其使用寿命（首翻期、大修间隔期限等）。如果产品包含处于腐蚀环境的结构和具有磨损特征的机构，还应采用腐蚀环境下和基于磨损特征的耐久性设计与分析方法进行耐久性设计与分析；

2）对改型产品，其耐久性关键件仍需综合采用工程分析方法、安全寿命设计与分析方法和损伤容限设计与分析方法进行耐久性设计与分析，确定其使用寿命（首翻期、大修间隔期限等）；非耐久性关键件则可参照老品采用工程分析方法进行耐久性设计与分析，确定其使用寿命（首翻期、大修间隔期限等）；

4、产品同时采用几种方法进行耐久性设计与分析的选用原则工程分析结果一般只作为确定产品使用寿命的参考，安全寿命设计与分析、损伤容限设计与分析、腐蚀环境下的耐久性设计与分析和基于磨损特征的耐久性设计与分析的结果才是确定产品使用寿命的重要依据，进行安全寿命设计与分析或损伤容限设计与分析，得到产品的疲劳寿命，制订初步的产品维修大纲；

1）如果产品工作或储存在腐蚀环境，则应考虑腐蚀环境的影响，调整产品的维修大纲，协调疲劳部位和腐蚀部位的检修周期，并制订产品的腐蚀维修大纲；

2）如果产品存在易发生磨损故障的机构，则应考虑机构的磨损寿命，如果该机构不能在产品整个寿命期内安全使用，还需对产品的维修大纲进行修正，确定该机构的维修（含更换）时机，该时机应与产品的检修周期相协调。

注意事项

1、订购方在合同中应明确给出耐久性要求、寿命剖面、任务剖面以及故障判据；

2、进行耐久性设计与分析前，应建立产品的故障模式库，特别是耗损故障，并确定耗损故障的类型，针对不同类型的耗损故障进行设计与分析；

3、进行耐久性设计与分析时，应综合考虑产品在预期的寿命周期内的载荷与应力、结构、材料特性、工艺、故障模式和故障机理等，确定产品的耗损特征及相关的设计与分析问题；

4、进行耐久性设计与分析时，应采用工程分析方法以及FMEA和FEA等方法确定产品的耐久性关键件和非耐久性关键件，以选取适当的方法进行耐久性设计和分析；

5、耐久性设计与分析过程中，当能确定产品的材料和设计特性时，可以采用FEA方法对产品的机械强度和热特性等进行分析和评价，以尽早发现产品的薄弱环节，并及时采取设计改进措施；同时，也为产品故障机理分析和受载情况分析提供手段。FEA一般在初步（初样）设计方案确定之后、详细（正样）设计完成之前进行为有效；

6、对于产品的耐久性关键件应进行重点的分析、试验、生产质量控制和维护，以保证其在整个寿命周期内的安全使用；

7、对采用损伤容限设计的结构，应制订完善的维修大纲，并对结构进行损伤容限分析以验证维修大纲的有效性；

8、对于处于腐蚀环境下的产品，应制订产品的腐蚀维修大纲，腐蚀维修可以在疲劳裂纹维修的同时进行；

9、结构应力集中较严重的细节部位以及结构连接处较易发生由疲劳和（或）腐蚀引起的故障，应对其耐久性进行重点分析；

10、根据耐久性分析结果确定产品寿命时，可以采用安全寿命准则和经济寿命准则。这两种准则属于定寿准则，而非设计准则。本文给出的安全寿命设计与分析方法、腐蚀环境下的耐久性设计与分析方法和基于磨损特征的耐久性设计与分析方法采用安全寿命准则确定使用寿命，设计过程中前两者可以采用安全寿命设计准则，后一种方法采用磨损安全设计准则；损伤容限设计与分析方法则采用经济寿命准则确定使用寿命，设计过程中可以采用疲劳/损伤容限设计准则和耐久性/损伤容限设计准则；

11、随着产品设计过程的进展，耐久性分析应迭代进行。初步（初样）设计或每次改进设计（含详细（正样）设计）完成后，都应进行耐久性分析，如果能够满足规定的耐久性要求则采用适当的耐久性分析方法确定产品的使用寿命（首翻期、大修间隔期限等），否则应改进设计，提高产品的耐久性，并在改进设计完成后重新对产品的耐久性进行分析，直至设计完成的产品能够满足产品的耐久性要求。