本书聚焦机械装备中的零部件可靠性问题，针对机械零部件损伤与系统动力学特性耦合的特点，以工程中的典型机械零部件为研究对象，给出了系统耦合时机械零部件损伤机理模型与可靠性评估方法。本书主要内容为花键疲劳寿命可靠性分析、花键磨损可靠性分析方法研究、缝翼机构齿轮齿条耐久性评估方法、载荷机构关键件可靠性评估方法、阀门密封件可靠性评估方法、传动机构中齿轮和襟翼机构滑轮接触疲劳损伤和寿命分析，以及运动机构铰链磨损及可靠性评估方法等。本书将机械零部件可靠性分析方法和工程应用案例相结合，具有较强的工
程实用性。
本书既可作为高等工科院校可靠性专业师生的教学参考书，也可供相关专业
科研人员和工程人员参考。
前言
机械系统是由零部件按照一定的功能结构关系组成的，其能实现设计功能的前提是零部件满足可靠性要求。传统机械零部件的可靠性评估方法通常将几何尺寸、材料属性、载荷等视为随机变量，在此基础上进行可靠性评估。随着装备功能和组成的复杂性不断提高、运行环境的日益复杂，以及高可靠、长寿命要求的提出，机械系统在长期服役过程中，零部件不可避免地存在各类损伤（如磨损、疲劳裂纹、腐蚀、老化等）。当损伤达到一定程度时，系统的动力学特性随之改变，系统动力学特性的改变反过来又会影响零部件的载荷边界，进一步影响零部件的损伤演化过程，即零部件的损伤与系统的动力学特性相互影响。将载荷视为随机变量无法考虑零部件的载荷随服役时间的动态变化过程，导致可靠性评估结果不够准确。精确评估机械零部件的可靠性，需要在机械系统动力学框架下考虑载荷随服役时间的动态分配过程，开展系统耦合下机械零部件的损伤机理研究。
本书旨在解决载荷动态边界下的机械零部件可靠性评估难题，建立载荷动态边界下的机械零部件可靠性评估模型，为机械零部件的高可靠性设计奠定基础。本书共 10 章：第 1 章为绪论；第 2 章分析了系统耦合下机械零部件的失效特点，构建了考虑损伤的机械系统可靠性评估体系；第 3 章构建了考虑间隙不确定性的花键载荷分配模型，建立了考虑加工误差的花键疲劳寿命评估方法；第 4 章综合考虑平行不对中花键间隙和加工误差，建立了花键磨损可靠性分析方法；第 5 章建立了飞机缝翼系统的多体动力学模型，在此基础上给出了关键件齿轮齿条的疲劳寿命计算方法；第 6 章分别建立了载荷机构中的运动副的磨损可靠性模型和组合弹簧的疲劳可靠性评估模型；第 7 章建立阀门密封件可靠性评估方法；第 8 章建立了传动机构中齿轮接触疲劳损伤和寿命分析方法；第 9 章建立了襟翼机构滑轮接触疲劳损伤和寿命分析方法；第 10 章建立了运动机构铰链磨损及可靠性评估方法。
机械零部件损伤机理模型与可靠性技术
喻天翔撰写第 1、5、6 和 7 章，宋笔锋撰写第 2 章，赵庆岩撰写第 3 章和第 4 章，庄新臣撰写第 8~10 章。喻天翔负责统稿。
特别感谢国家自然科学基金项目（52075443、52105027）和西北工业大学精品学术著作培育项目的资助；感谢课题组的李浩远、龙玉珠、于新水、石宇、王涛等研究生做出的贡献。撰写本书的过程中曾参阅了相关的文献资料，在此谨向文献作者深致谢忱。
由于作者水平、经验以及时间所限，书中疏漏及不妥之处在所难免，敬请广大读者批评指正。
作者
2025 年 12 月
目录
第 1 章 绪论
1.1 机械产品零部件常见失效模式
1.2 机械产品零部件失效机理介绍
参考文献
第 2 章 系统耦合下机械零部件失效特点及可靠性评估方法
2.1 机械系统零部件失效特点
2.1.1 机械系统零部件失效的耦合特性分析
2.1.2 机械系统失效时间演化特性分析
2.2 考虑损伤的机械系统可靠性评估体系
2.3 机械系统可靠性评估关键技术研究
2.3.1 机械系统损伤部位及损伤类型确定方法
2.3.2 机械系统主要失效模式确定及表征方法研究
2.3.3 机械系统失效模式主要影响因素
2.4 小结
参考文献
第 3 章 花键疲劳寿命可靠性分析
3.1 概述
3.1.1 研究背景及意义
3.1.2 国内外研究现状
3.2 考虑间隙不确定性的花键载荷分配模型与计算方法
3.2.1 花键间隙计算方法
3.2.2 花键啮合齿数计算方法
3.2.3 花键名义切向力计算
3.3 考虑间隙不确定性的花键疲劳失效分析
3.3.1 花键齿根应力计算分析
3.3.2 花键疲劳寿命计算分析
3.4 案例分析
3.4.1 花键齿根弯曲应力计算方法
3.4.2 花键的 S-N 曲线
3.4.3 平均应力修正
3.4.4 花键疲劳寿命计算结果
3.5 小结
参考文献
第 4 章 花键磨损可靠性分析方法研究
4.1 概述
4.1.1 研究背景及意义
4.1.2 国内外研究现状
4.2 花键磨损模型及磨损计算流程
4.2.1 磨损定义及其分类
4.2.2 花键磨损基础模型及计算流程
4.3 考虑平行不对中花键间隙计算方法
4.4 平行不对中花键相对滑移速度计算方法
4.5 平行不对中花键接触应力计算方法
4.6 平行不对中花键磨损深度计算方法
4.7 案例分析
4.7.1 花键磨损分析
4.7.2 磨损影响因素分析
4.7.3 花键磨损可靠性分析
4.8 小结
参考文献
第 5 章 缝翼机构齿轮齿条耐久性评估方法
5.1 概述
5.1.1 研究背景及意义
5.1.2 国内外研究现状
5.2 缝翼齿轮齿条传动机构失效模式分析
5.2.1 缝翼齿轮齿条传动机构形式特点分析
5.2.2 缝翼齿轮齿条主要失效模式
5.2.3 齿轮疲劳寿命计算方法
5.3 缝翼系统多体动力学模型
5.3.1 缝翼收放系统多体模型
5.3.2 缝翼翼面有限元模型
5.3.3 翼面气动载荷等效合力计算
5.3.4 缝翼气动载荷工况选取
5.3.5 缝翼翼面气动载荷加载
5.3.6 仿真结果分析
5.4 缝翼齿轮齿条疲劳寿命分析
5.4.1 齿轮齿条有限元模型
5.4.2 齿轮齿条接触分析结果
5.4.3 齿轮齿条疲劳寿命计算
5.5 小结
参考文献
第 6 章 载荷机构关键件可靠性评估方法
6.1 概述
6.1.1 研究背景及意义
6.1.2 国内外研究现状
6.2 载荷机构失效机理分析
6.2.1 基于失效机理的机构可靠性分析方法及流程
6.2.2 载荷机构功能原理介绍及失效机理分析
6.3 考虑运动副磨损的载荷机构运动可靠性分析
6.3.1 考虑运动副磨损的曲柄摇杆机构运动可靠性分析
6.3.2 考虑运动副磨损的摆动推杆盘形凸轮机构运动可靠性分析
6.3.3 考虑运动副磨损的载荷机构运动可靠性定量分析
6.3.4 考虑运动副磨损的载荷机构可靠性仿真分析
6.4 组合弹簧的疲劳可靠性定量分析
6.4.1 基于解析算法的弹簧疲劳寿命预测
6.4.2 基于仿真的弹簧疲劳寿命预测
6.4.3 基于疲劳寿命的弹簧可靠性定量分析
6.5 小结
参考文献
第 7 章 阀门密封件可靠性评估方法
7.1 概述
7.1.1 研究背景及意义
7.1.2 国内外研究现状
7.2 端面密封结构功能与失效分析
7.2.1 端面密封结构功能分析
7.2.2 端面密封结构失效分析
7.3 端面密封结构关键零部件退化规律研究
7.3.1 关键零部件退化机理
7.3.2 弹簧退化模型
7.3.3 弹簧应力松弛试验
7.4 端面密封结构仿真分析
7.4.1 端面密封结构力学模型
7.4.2 仿真结果分析
7.5 端面密封结构可靠性分析
7.5.1 密封影响因素随机性分析
7.5.2 密封可靠性分析
7.5.3 密封可靠性分析结果
7.6 小结
参考文献
第 8 章 传动机构中齿轮接触疲劳损伤和寿命分析
8.1 概述
8.1.1 研究背景及意义
8.1.2 国内外研究现状
8.2 齿轮接触应力数值计算方法
8.2.1 直齿圆柱齿轮啮合状态分析
8.2.2 直齿圆柱齿轮传动动力学模型
8.2.3 轮齿变形及受力分析
8.3 齿轮受力计算及参数影响分析
8.3.1 轮齿受力计算实例
8.3.2 齿轮受力影响因素分析
8.4 齿轮接触应力有限元计算
8.4.1 直齿圆柱齿轮有限元建模
8.4.2 直齿圆柱齿轮接触应力计算结果
8.4.3 有限元与理论计算结果对比分析
8.5 齿轮接触疲劳寿命计算
8.5.1 接触疲劳裂纹萌生寿命预测方法
8.5.2 接触疲劳裂纹扩展寿命预测方法
8.5.3 载荷谱和应力谱的绘制
8.5.4 接触疲劳寿命计算
8.6 小结
参考文献
第 9 章 襟翼机构滑轮接触疲劳损伤和寿命分析
9.1 概述
9.1.1 研究背景及意义
9.1.2 国内外研究现状
9.2 滑轮滑轨收放机构疲劳失效模式分析
9.2.1 襟翼滑轮滑轨收放机构运动原理分析
9.2.2 襟翼运动机构主要失效模式分析
9.2.3 襟翼滑轮滑轨收放机构试验故障描述
9.3 滑轮滑轨接触疲劳寿命分析方法
9.3.1 疲劳分析的基本流程
9.3.2 滑轮滑轨机构疲劳载荷谱编制方法
9.3.3 滑轮滑轨滚动接触疲劳分析基本方法
9.3.4 疲劳寿命的统计特性
9.4 滑轮滑轨收放机构多体动力学建模与仿真参数确定
9.4.1 滑轮滑轨收放机构的多体动力学建模
9.4.2 仿真分析参数的确定
9.4.3 襟翼收放模型的驱动 / 载荷仿真
9.4.4 滑轮滑轨收放机构多体动力学仿真结果分析
9.4.5 滑轮滑轨机构的刚柔耦合模型
9.4.6 滑轮滑轨机构有限元仿真试验结果分析
9.5 滑轮接触疲劳载荷谱分析
9.5.1 雨流计数法的程序实现
9.5.2 滑轮应力载荷谱的编制
9.5.3 滑轮应力载荷谱的等寿命变换
9.6 基于线性疲劳累积损伤的滑轮疲劳寿命可靠性分析
9.6.1 滑轮材料的 p-S-N 曲线
9.6.2 基于 Miner 线性准则的滑轮疲劳寿命可靠性分析
9.6.3 滑轮的疲劳寿命可靠性分析结果
9.7 小结
参考文献
第 10 章 运动机构铰链磨损及可靠性评估方法
10.1 概述
10.1.1 研究背景及意义
10.1.2 国内外研究现状
10.2 铰链非均匀磨损预测
10.2.1 含铰链间隙的多体动力学方程
10.2.2 铰链非均匀磨损预测方法
10.3 非均匀间隙变量的表征
10.4 基于蒙特卡罗仿真的含非均匀铰链间隙机构的运动精度可靠性评估方法
10.5 基于混合乘法降维的含非均匀铰链间隙机构的运动精度可靠性评估方法
10.5.1 不规则间隙下机构运动输出的分数矩估计
10.5.2 机构运动输出的概率密度函数重构及运动精度可靠性评估
10.6 案例分析
10.6.1 磨损预测方法的验证
10.6.2 非均匀间隙下曲柄滑块机构的可靠性评估
10.7 小结
参考文献
书单推荐
