抗疲劳设计（共12篇）
抗疲劳设计 篇1
一、前言
飞机结构寿命的长短主要取决于重要结构细节的抗疲劳开裂能力。现代飞机结构设计基础中的疲劳、损伤容限、耐久性设计三者之间虽然在实际原理、设计方法和设计目标有本质的不同;但就提高结构细节的抗疲劳能力而言, 三者的要求基本上是一致的。这是因为飞机的使用统计和研究表明, 因疲劳开裂而引起的结构破坏的概率很高, 飞机结构灾难性的疲劳破坏大多数就是由于重要受力构件或连接杆存在着高的应力集中引起的。
二、影响结构细节的抗疲劳性的因素
影响飞机结构细节的抗疲劳性的因素主要依赖如下几个主要因素:
1结构材料本质。不同材料其内部的化学成分、金相组织、纤维方向、内部缺陷等不一样, 其疲劳性、断裂性能和抗腐蚀性能也并不相同。
2结构零件几何形状及表面状态。包括尺寸效应、缺口效应和零件的表面光洁度等。
3结构的连接形式、布局及传力路线的设计。
4结构零件的表面热处理及内部的残余应力。
5零构件的制造工艺方法。
6结构零部件的工作条件。对于在特定载荷环境中工作的零构件, 由于载荷、腐蚀介质、湿度和温度的联合和交替, 会导致零构件提前发生疲劳损伤并加速损伤的扩展。
三、结构的抗疲劳细节设计方法和实例
依据影响结构细节的抗疲劳性的因素全面权衡, 采取恰当的、合理的设计方案来提高零构件的抗疲劳性。
1选材时应综合权衡
疲劳开裂最敏感的局部区域或元件所采用的材料很重要, 尽量选择抗疲劳性能好的材料, 材料应力水平限制在容许的范围之内。选材时应遵循三个原则:对材料性能、载荷、环境条件和结构重量、经济性作综合权衡;根据设计要求, 按静强度、疲劳容限等要求即区别又协调的选材;考虑材料的使用经验和继承性。如飞机很多关键重要零件如机身与机翼对接件、发动机的接头等都用锻件制造是由于锻件承载能力大, 抗疲劳能力好;飞机中央翼上壁板选用的是LC4铝合金材料, 而下壁板则选用的是LY12CZYO铝合金材料, 原因是LY12CZYO铝合金材料的疲劳性能优于LC4, 而LC4由于静强度较高疲劳极限较低, 缺口敏感性较大, 应力腐蚀倾向较高, 所以一般不选其为下壁板蒙皮。
2改进结构减缓局部应力, 降低应力集中
应力集中是产生疲劳裂纹的主要因素, 应精心设计减少应力集中、降低局部应力, 可显著提高零构件寿命, 甚至高达10~100倍。
1) 设计中应尽量避免或减缓零构件形状的突变, 零构件截面大小、形状变化缓和可使其力流线的拐折得到缓和, 降低应力集中系数。如轴类零件截面变化处和壁板厚度改变处应有足够的过渡区, 增大圆角半径, 能够使应力集中系数降低, 达到减缓局部应力的目的。过渡圆弧之半径R为厚度变化值的10倍以上, 一般不会引起疲劳问题。
2) 结构上尽量少开口, 小开口, 开口位置尽可能选在低应力处;必须开口时, 要加开口部位的结构, 受拉表面最好不开口。减少孔开口附近的局部应力的有效方法是在孔口边缘连接上一个加强圆环, 孔洞的应力集中随着加强圆环刚度的增加而减轻。加强环与圆孔的连接最有效的方式是焊接或胶接, 铆接或螺接容易导致孔边更高的应力集中。
3) 铆钉孔、螺栓孔等都是产生应力集中的部位, 通常采用局部加强, 如适当加大厚度的方法来减少局部应力。
4) 减少零构件上因多个应力集中相互影响可能引起的复合应力集中, 使这些细节相隔一定的距离并处于恰当的位置, 以降低其相互影响。
3结构布局和传力路线的恰当设计
1) 结构布局保持合理性:合理的结构细节布局, 主传力构件就会承受并转递主要载荷, 从构件承受并转递次要载荷或很小的载荷, 各个零构件适中的保持自己的载荷能力, 极大提高本零构件系统的抗疲劳性。
2) 主传力通道保持完整:主传力构件一般是疲劳危险件, 尽量保证其完整性;避免在其上连接次要构件以及开孔挖缺口, 受力系统在设计时尽可能把传力路线设计得最短。
4消除偏心传载荷强迫装配
偏心传载和强迫装配会引起附加应力, 降低零构件的抗疲劳性。尽量采用对称结构设计;为减少连接部位由于存在的设计间隙或工艺间隙的强迫装配应力, 可采用适当的补偿件。
5连接接头和连接结构的抗疲劳设计
飞机的疲劳破坏经常发生在接头和链接件的连接处, 所以连接件的抗疲劳“细节设计”很重要。
(1) 连接接头尽量避免偏心
螺栓接头:其连接一般有四种连接形式:单剪连接、双剪连接、单嵌连接和双嵌连接。试验表明:双剪接头比单剪好, 而双嵌连接比单嵌好, 其中以双嵌式鱼尾形连接最好, 可使螺栓受载比较均匀, 从而提高疲劳寿命。
耳片和销钉的连接接头:耳片宽度W/耳片孔径D≤1.7;耳片的颈缩比S/W应尽量接近1.0。提高耳片疲劳强度的有效措施是利用干涉配合, 在耳孔中使用较高过盈的衬套以方便维修拆装;不推荐液氮冷缩衬套, 因为其过盈量太小, 在高载时衬套和耳片之间会产生微动损伤, 使寿命大大降低。
(2) 紧固件连接设计
紧固件分为螺栓和铆钉两大类。螺栓用来传递较大载荷, 主要用于接头设计或者重要、关键结构链接的设计。对于较厚的连结结构、需要拆卸的部位、层数较多 (3层以上) 的连接, 应选择螺栓连接。铆钉主要用于其它一般薄壁结构不可拆卸的连接。
1) 紧固件链接的细节连接尺寸要求: (一般) 紧固件的最小边距≥2倍紧固件直径, 对非疲劳危险部位, 最小边缘减至紧固件直径的1.5倍, 而较重要的连接应不小于2倍紧固件直径;保持紧固件间距为3.5~4倍紧固件直径, 过小可能使孔边的应力集中叠加, 过大, 则紧固件数量减少, 影响传载能力。
2) 紧固件选用基本原则:
螺栓的选用:螺栓最常用材料是30CRMNSIA, 直径一般≥M5;尽可能地将螺栓受力设计为受剪或者拉剪复合以提高螺栓的疲劳强度。受拉螺栓的装配一般选择间隙配合, 受剪和拉剪复合螺栓选择干涉配合或者小间隙配合。螺栓孔应进行强化处理, 以保证疲劳寿命的要求。尽可能的提高所有受剪螺栓的配合精度, 以保证其受力均匀。对于M8以上和关键重要螺栓, 安装时要有预紧力矩, 适当预紧力会提高螺栓疲劳强度。
铆钉的应用:飞机结构设计中, 铆钉最常用材料是LY10, 直径一般不小于4mm, 不大于6mm。
由于铆钉的承剪能力强而受拉能力弱, 一般不考虑受拉, 组合件设计布置时尽可能地将铆钉受力设计为受剪或者拉剪复合 (拉力较小) , 铆钉剪切破坏载荷为光杆面积剪切破坏载荷, 铆钉连接尽量使用干涉配合以提高疲劳强度;当紧固件载荷主要为拉伸载荷时, 除非载荷较小, 否则应考虑改为螺栓连接。
只要条件允许采用凸头铆钉, 就不要采用埋头铆钉。结构外表面选用埋头铆钉主要是气动和外形的要求, 应注意铆钉头处结构件上的锪窝深度, 埋头窝的锪窝深度不应超过板厚的2/3, 至少应保证板厚与锪窝深度之差不小于0.5mm。
在边距允许的情况下, 避免采用单排列, 尽可能采用双排或三排排列;而平行排列与交错排列相比, 由于平行排列时力的流水线较好, 因而疲劳寿命较高。
3) 紧固件孔制作和连接方法
紧固件孔推荐使用钻铰后加冷挤压制孔, 这是因为开孔冷挤压在孔边产生有利的残余压应力能大大降低在拉伸载荷下的孔边平均应力;但要注意冷挤压后铰孔的铰削量不要太大以免消除有利的残余应力。适当的干涉配合可以延长孔边的疲劳寿命;名义干涉量应保持在2%左右。
4) 紧固件孔构件装配:
紧固件连接件应在制孔 (配钻) 后立即进行, 尽量保证不分开两个被连接件, 以避免错位和偏心。尽量避免混合使用铆钉和螺栓。这是由于铆钉配合较紧, 在铆钉变形甚至消除了螺栓与螺栓孔之间的间隙后, 螺栓才开始承受载荷, 容易致使铆钉超载而导致提前破坏。
5) 搭接件的设计要求
搭接件的作用是传递载荷, 设计应尽量缩短其搭接长度, 不要使用一长串的紧固件, 以免两端紧固件传递载荷过大而提前屈服。一般的平板搭接采用三排, 做多四排紧固件;第一排紧固件附近容易发生疲劳破坏, 可采用变厚度搭接板或薄的辅助搭接板, 以减轻第一排紧固件的负担。
6选择合理的工艺方法
工艺方法选择恰当与否不仅关系到零构件能否经济且方便的制造和装配, 还会明显地影响它们的疲劳、断裂性能。如提高零件的表面光洁度、对零件表面进行表面强化、不同的热处理工艺、选择合理的精加工的切削速度、切削量和加工工序、选择合理的装配顺序和恰当的工艺补偿等都能影响飞机结构的抗疲劳性能。
结语
飞机结构的抗疲劳细节设计非常重要。对于从事结构设计研究的技术人员来说, 在平时结构实际设计过程中, 细节设计稍加改进常可以使受力构件或链接件寿命大大增加;高度重视结构细节的抗疲劳性是一项必要的工作, 是实现飞机结构长寿命、高可靠性、低成本维修的重要保证。
参考文献
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[2]陶梅贞.现代飞机结构综合设计[M].西北工业大学出版社, 2003.
[3]成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社, 2011.
[4]飞机结构强度设计研究所.疲劳分析手册[M].飞机结构强度设计研究所出版, 1985.
抗疲劳设计 篇2
桥式起重机作为工厂、铁路、港口等跨间距固定的货场的主要搬运设备，可以完成大重量货物的垂直提升和水平移动，其中，主梁是桥式起重机最重要的承载构件之一。在桥式起重机频繁起吊的过程中，主梁将承受动载荷和交变载荷的反复作用，容易下挠，并且主梁是一种典型的焊接钢结构，其母材与焊缝间通常会存在一定的焊接缺陷，因此，在使用过程中，主梁结构上容易发生疲劳破坏。同时，由于疲劳破坏属于脆性断裂，断裂前不会出现明显的宏观塑性变形，这就使得疲劳破坏可能在瞬间发生，从而导致灾难性事故。因此，非常有必要对桥式起重机主梁结构的疲劳破坏现象进行分析，对易发生疲劳破坏的危险截面进行疲劳寿命估算，并采取补强措施，从而尽可能减小疲劳断裂事故的发生几率。
１桥式起重机疲劳破坏分析
对于桥式起重机，其发生疲劳破坏的结构和部位主要是焊接处，此处存在的应力集中、焊接残余应力和焊接缺陷等会造成焊缝处产生疲劳裂纹，进而发生构件断裂。有统计表明，约４９％的疲劳破坏都发生在起重机主梁下部翼缘和腹板焊接处。
１．１应力分析
１．１．１起重机承载应力测试由于桥式起重机在起吊过程中承载的是交变载荷，因此采用静态应变仪和动态应变仪测试起重机易发生疲劳破坏部位（如主梁上下翼缘板、主梁端部主腹板等）的应力情况，可以判断其金属结构是否可以满足静强度和动强度的要求。以一台５０ｔ×３０ｍ桥式起重机的桥架为例，起吊重量为３５．５ｔ。在静态测试条件下，当重载小车在主梁跨中部位时，主梁上下翼缘板承载的应力最大（约２２～３０ＭＰａ），其中上翼缘板为压应力，下翼缘板为拉应力，而拉应力是影响疲劳破坏的主要因素；对于主梁端部主腹板，其主应力和剪切应力接近，但是通常材料的抗拉能力明显强于其抗剪切能力，因此影响疲劳破坏的主要应力是剪切应力，并且在重载小车位于固定梁端时，固定梁端主腹板的剪切应力最大（约１０ＭＰａ）。对于静态测试下应力较大的关键测点，在起重机起吊和移动过程中，进行动态应力测试，以司机室侧主梁下翼缘板和主腹板为例，下翼缘板处的拉应力在１１０ｓ内经历了小—大—小的循环过程，最大拉应力为２６．３３ＭＰａ；类似地，主腹板处经历了剪切应力循环变化，最大剪切应力达７．６７ＭＰａ。这种结构应力的循环特征，会促进疲劳裂纹的形成和扩展，因而与金属结构的疲劳有密切关系。
１．１．２焊接残余应力分析起重机主梁的上、下翼缘板和主腹板一般通过焊接工艺与主梁进行连接。在焊接过程中，焊缝处经历了不均匀的热循环变化，从而在焊缝处产生残余应力，而这种残余应力对焊接质量的影响非常突出，容易引发裂纹，导致焊缝强度和韧性下降。焊接残余应力的主要产生原因主要包括以下几个方面：
（１）热应力：焊接部位局部急速加热到高温，焊接接收后快速冷却，形成了温度梯度，极易产生残余应力。
（２）塑性变形应力：母材焊接前的轧制或拉拔等塑性变形加工，也会产生残余应力，并且可以与焊接的热应力进行叠加。
（３）相变应力：焊接过程中，焊缝处局部高温，会引起母材和焊料的组织发生相变，导致组织比容变化，从而产生应力。
１．２疲劳裂纹的形成起重机主梁的损坏大部分是承载焊缝的疲劳失效引起，通常是从受力最大部位的缺陷处开始。一般在焊缝缺陷处（如气孔、位错等）存在局部应力集中，加上焊接残余应力的叠加作用，容易发生位错滑移和聚集，引发裂纹萌生，在循环应力作用下，裂纹不断扩展，一旦超过临界尺寸就会发生脆性断裂破坏。即使焊缝不存在缺陷，在焊缝的焊趾处也会存在较明显的应力集中，从而容易在该处引发疲劳破坏。焊缝热影响区内的焊趾处发生开裂，沿焊缝的焊根边缘发生开裂。这说明裂纹在焊缝或母材上的热影响区内萌生，在交变应力作用下，都能扩展进入焊缝或母材，引发焊缝处断裂。
２桥式起重机应对疲劳破坏的措施
２．１焊缝截面的优化
在桥式起重机主梁主腹板和上盖板焊接时，应根据具体情况采用Ｋ形坡口或Ｖ形坡口焊接。对于大吨位桥式起重机，其主梁的主腹板厚度达１６ｍｍ，Ｖ形坡口难以熔透板厚，会导致焊接强度下降，宜采用Ｋ形坡口；而对于轻量化桥式起重机，主腹板厚度减小，宜采用Ｖ形坡口进行内部施焊。另外，坡口角度过大，会造成焊缝缺陷增多，导致焊缝疲劳寿命小于母材，因此主腹板坡口角度一般不超过５０°。焊缝的表面有内凹和外凸两种，会影响焊缝应力流的传递，有研究表明，内凹形焊缝应力较低、疲劳寿命较长，因此在焊接后需对主要承载焊缝进行表面处理，使其表面呈内凹形。
２．２应力集中结构的改造
在主梁主腹板和下盖板连接处和端梁的变截面弯角处存在局部应力集中，是主要裂纹源之一。在焊接时，不应将下盖板与主腹板对接焊接，可将下盖板向箱梁内延伸一段后进行焊接，这样可以降低焊接处的挤压应力，缓解应力集中。对于变截面弯角处，应设置过渡圆弧，且圆弧半径不宜太小，同时，在弯角处加焊肋板，以缓解应力集中对主腹板的影响。
２．３主腹板的改造
将桥式起重机的平直主腹板沿纵向进行形状改造，形成波形腹板，使其沿桥架纵向形成一定规律的波形变化，从而显著增加腹板的承载面积和垂直方向的稳定性，有研究表明，波形腹板梁的应力要比平直腹板梁小３８％左右。不过，仅使用波形腹板，其抗扭刚度和水平刚度较弱，在水平冲击力下，容易导致主梁沿水平方向发生较大变形。因此，需将波形腹板和平直腹板配合使用，结合平直腹板在水平方向的刚度和波形腹板在垂直方向的刚度特点，提高主梁的稳定性。
３结语
抗疲劳设计 篇3
[关键词] 绿色创新机械精度设计疲劳极限指标
一、机械绿色创新的认识,绿色创新是一种现代技术创新的新理念,是人类实现可持续发展、拥有高质量生存环境、享受健康生活的必然要求,也是未来技术经济发展的大势所趋,是技术创新的一种。机械绿色创新,是在传统机械设计创新的基础上进行的再次创新和设计,它综合考虑了制造业对资源效率的合理利用,节约成本,降低对环境造成的污染。
从可持续发展的角度来讲,机械绿色创新能减少环境污染、节能降耗,对有限的资源进行充分利用,为新能源的开发提供更广阔的空间和有利条件。
从企业发展角度看,它是企业持续高效发展的不竭动力。近几年来,我国一些企业通过实施绿色创新工程,开发了一批新产品,推广应用了一批新技术,使生产技术水平和产品科技含量都得到了大幅提升。机械绿色创新作为一种新的集约创新模式,已成为现代包装企业发展的新增长点。
二、绿色创新在机械设计中的应用
(一)绿色管理模式的组建
1.机械绿色技术创新的激励模式。由技术供给激励、结构激励和环境激励组成的组合激励工具对技术创新协同发挥作用。由于技术创新与其选择环境的改进密切相关,因此,对不同层次的绿色技术创新,其激励机制也有所侧重,需要考虑激励:工具之间的匹配与协同、不同技术层次对技术选择环境的适应性、激励对象的行为特征等。
2.绿色技术创新审计指标及评价。审计指标和评价为机械绿色创新管理提供了一个定量化的工具。可以从创新投入、创新过程、创新绩效与环境绩效四个方面进行审计。创新投入可以包括人员,预算资金,其中资金包括材料、设备、场地等,努力协调人员和资金两方面的平衡,提高设计效率,缩短设计周期。创新绩效是对产品的综合评定,体现了设计的效果。环境绩效主要是废弃物的综合利用程度和对环境造成的影响程度。机械绿色创新的评价可以分为三个方面内容:
(1)技术评价:工作性能指标、可靠性、使用维护性、技术上的先进性。
(2)经济评价:成本、利润、投资回收期等
(3)社会评价:方案实施的社会影响、市场效应、节能、对环境的污染程度、可持续发展等。
3.绿色供应链管理。绿色供应链是以传统的供应链为基础,并结合制造技术、控制技术和网络技术等新的应用技术,其目标是对资源的合理利用、降低成本和减少对环境造成的严重污染。绿色供应链有效的管理可以减少资源消耗,可降低制造成本,减少或消除环境污染。因此,绿色供应链管理的评价体系的建立有着深远的意义。
(二)绿色化设计
1.组合创新法:组合创新法是指按照一定的技术原理,通过将两个或多个功能元素合并,从而形成一种具有新功能的新产品、新工艺、新材料的创新方法。机械绿色创新设计是将绿色环保技术或原理应用到机械设计中,利用组合法创新的绿色产品有很多,如在饮水机上加入过滤网,还有高温蒸汽清洗机等。
2.针对法:顾名思义是对专门用途的机械进行设汁的方法。这种方法针对性强,应用效率高,但应用方向单一。机械绿色创新是针对绿色方面的创新设计,如节能、环境保护等。城市中的垃圾乍、洒水车的设计都体现出针对法的特点。
3.缺点列举法:任何事物总有缺点,而人们总是期望事物能至善至美。也正是由于这种客观矛盾的存在,才使缺点列举法得以运用。在环境污染严重、能源短缺的今天,产品的环保性、可回收性、分解能力等显得尤为重要。现在很多产品在自身的大耗能、易污染方面进行了重新设计。
(三)绿色制造
绿色制造的重要环节就是绿色工艺,绿色工艺又与清洁生产密不可分。清洁生产要求对产品及其工艺不断实施综合的预防性措施和实时监控措施,其实现途径包括清洁材料、清洁程序、监控设备和后期回收处理。绿色工艺既能提高经济效益,又能减少环境影响。它要求在提高生产效率的同时必须兼顾削减或消除危险废物,改善劳动条件,提高劳动者工作效率,减少对操作者的健康威胁,并能生产出安全的与环境兼容的产品。机械创新中的绿色制造可以从以下几个方面占考虑:
1.保持工作环境的清洁卫生,提供工作者有利的生产条件,提高工作效率和产品质量。明确标识出危险区范围,减少安全事故的发生。
2.确立绿色供应方案。重点搞好绿色采购,包括绿色材料、绿色清洗工具、垃圾管理设备的供应,还有运输损耗控制,材料循环再利用等。
3.重组物流业务,合理调配并优化资金流、物质流和信息流。
4.按设计要求确定绿色工艺,重点控制加工过程中的废水、废气、废渣、尘埃和固体废弃物的产生,治理噪声和防止辐射。
5.对加工过程进行实时监控。特别是对易燃和带有腐蚀性气体、液体的车间,及时对可能存在的隐患发出警报,避免重大事故发生。
6.合理有效回收、处理垃圾和废品。建立地区性的回收处理工厂,提高回收利用率,综合处理废弃物,有害物质要经专门工艺进行处理,避免对环境造成二次污染。
7、加大新技术的应用,减少废弃物。如无切屑加工技术、干式加工技术等。
8.建立环境保护体系,进行绿色意识教育,通过教育和培训提高全体员工的环境意识,加强环境信息交流,积极推进环境保护活动,共同促进环境保护。
三、对加速机械绿色创新的几点建议
(一)提高公众环保意识,转变生产经营理念与方式。
(二)企业建立绿色管理机制,引进和培养高素质的技术创新人才。
(三)加大对机械绿色创新活动的支持力度,提高学习。
(四)借鉴外国先进环保技术,充实我国目前的创新方法和理论。
四、提高机械设计疲劳极限指标的设计准则
机械精度设计是充分运用工程图学、机械设计=机械精度设计、数控技术、机械制造技术及测量技术的基本知识,应用各种检测仪器和设备为一体的综合性、制造、检测的全过程;掌握尺寸误差、形位误差、表面粗糙度轮廓的检测方法和检测原理;掌握尺寸误差、形位误差、表面粗糙度轮廓的检测方法和检测原理;掌握轴类零件加工工艺过程;掌握数控机床操作及数控程序的编制方法,从而达到对所学知识的综合运用能力和强化工程实践能力。
疲劳极限是一个极易受外界条件和内部组织影响的参数。归纳起来,影响疲劳抗力的因素有四大类:
1、零件本身外形因素:几何形状、尺寸和表面状态等;
2、制造工艺因素:铸、锻、焊、切削加工、热处理、表面处理等;
3、使用条件:应力类型及大小、频率范围、环境条件、使用介质等;
4、材料本质:化学成分、组织结构、晶粒大小、纤维方向、夹杂物、偏析等。
在机械设计中,对于前三种影响因素已做了相应考虑,而材料本质方面的影响考虑甚少。但实际零件在股役过程中由于材料内部的各种微观缺陷(比如淬火裂纹、焊接裂纹、偏析、熔渣、各种铸造缺陷等)造成突然疲劳断裂的事故屡见不鲜。但由于材料内部组织的复杂多变,不易控制,对疲劳抗力的影响无规律可循,给我们的设计研究带来很大的不便。因此,寻求一种极有较广的适应性,又能充分考虑设计得的设计环境,而且便于操作的设计方法,非常必要。
五、提高机械设计疲劳极限指标的策略
现在在工程中广泛使用的提高机械设计疲劳极限方法有以下几种:名义应力法、局部应力应变法、应力场强法、疲劳可靠性设计及损伤容限设计等。
(一)名义应力法
名义应力时最早形成的抗疲劳设计方法,它以材料或零件的S-N曲线为基础,对照试件或结构疲劳危险部位的应力集中系数和名义应力,结合疲劳损伤累积理论,校核疲劳强度或计算疲劳寿命。名义应力法的基本假设:对于相同材料制成的任意构件,只要应力集中系数相同,载荷谱相同,则它们的寿命相同。
其设计思路是:从材料的S-N曲线出发,再考虑各种影响因素的影响,得出零构件的S-N曲线,并根据零构件的S-N曲线进行提高机械设计疲劳极限设计。
(二)局部应力应变法
局部应力变法结合材料的循环应力—应变曲线,通过弹塑性有限元分析或其他计算方法,将构件上的名义应力谱转换成危险部位的局部应力应变谱,然后根据危险部位的局部应力应变历程计算帮助。局部应力应变法的基本假设是:若同种材料制成的构件的危险部位的最大应力应变历程与一个光滑试件的应力应变里程相同,则它们的疲劳寿命相同。
(三)应力场强法
应力场强法基于材料的循环应力应变曲线,通过弹塑性有限元分析计算缺口件的应力场强度历程,然后根据材料的S-N曲线或ε-N,结合疲劳强度累积损伤理论,计算缺口件的疲劳寿命。应力场强法的基本假设:若缺口根部的应力场强主的历程与光滑试件的应力场强度的历程相同,则两者具有相同的寿命,结合疲劳累积损伤理论,估算缺口件的疲劳寿命。
(四)损伤容限设计
这种提高机械设计疲劳极限方法是破损—安全设计准则的体现和改进。它假定零构件内存在有初始裂纹,而应用断裂力学方法估算其剩余寿命,并通过试验来校验,确保在使用期(或检修期)内裂纹不致扩展到引起破坏的程度,从而使有裂纹的零部件在其使用期内能够安全使用。它适用于裂纹扩展缓慢而断裂韧度高的材料。
(五)疲劳可靠性设计
疲劳可靠性设计是根据零部件的工作应力与疲劳强度相联系的统计方法而进行的提高机械设计疲劳极限方法,是概率统计方法与提高机械设计疲劳极限设计的相结合的产物,所以也称为概率疲劳设计。
抗疲劳设计 篇4
1 机械设备的结构设计的独特性
抗疲劳机械设备是一种新型机械, 它在传统的机器的基础上, 大量融合了先进的科技技术, 包括图标设计软件、绘图详细的软件和计算程序软件、监督工程软件等其它辅助设备, 除此之外还包括运动学、人体生物学、力学和机械设备等相关学科的知识, 截至到目前为止, 我国在这种设备领域还处于初级探索和推广阶段, 由于我国在该领域起步较晚, 掌握核心技术需要一段时间, 人们的认识观念也要时间的洗礼, 所以, 我们面临的挑战比较多同时遇到的机会也会比较多, 需要我们不断进行外来先进致死的同时加强专业人员的培训。
2 抗疲劳机械设备的预测
经过相关人员的不断尝试, 我们设计和使用了很多的抗疲劳的方法, 例如:局部抗疲劳检测方法, 它的设计观念和监测重点是具有针对性, 针对机器的重点部位进行全面而专业的监测不仅可以提供人们的监测效率还可以减少企业的投入成本, 减少企业的资金压力, 对机器的发动机、齿轮和传送带进行实际的操作可以使得我们的检验工作高效准确。下面我们将一一介绍相关监测方法。
首先, 局部抗疲劳监测方法:这种方法一般是整体寿命的运算方法, 具体方法是一机器的原材料和相关辅助零件的正常使用寿命为基础, 除了考虑传统的因素之外还包括零件加工时造成的磨损引起的寿命减少以及对机器表面的抗疲劳措施的实施, 加强机器整体抗疲劳的能力, 保证机器正常使用。其次, 部分抗压力监测, 这种预测方式是在机器上施加同等的压力, 对各个部件和组成部分进行全面细致的监测, 一旦其中某一部分出现裂纹或者是发出警报信号, 我们就可以立即发现问题并及时进行改进, 保证使用人员的安全。
3 锯齿齿轮在机器抗疲劳实验的应用
美国是信息化和科技化发展强国, 它使用的检测标准和方法是锯齿寿命检测方法。具体做法是根据齿轮制造的材料和安装部位不同以及使用用途的差异和设计图纸的用途我们进行对性检查使得检查结果更加准确可靠, 保证现实生活的实用性。
4 三维几何造型设计
4.1 三维CAD软件为构造精准的零部件虚拟几何造型设计打下软件基础。
42CrMo硬齿面齿轮是斜齿圆柱齿轮按渐开线形成的, 为从齿轮的造型机理开始就严格遵循渐开线齿面生成和加工机理, 应用三、维虚拟造型软件MDI公司的ADAMS能在几何形体上展成曲面和使曲面扭曲变形的功能, 开发出以法平面标准渐开线齿形为基准的斜齿模拟加工过程。
4.2 疲劳载荷谱分析
载荷谱是有限寿命设计的依据之一。因此, 掌握载荷谱的变化规律是进行寿命设计的先决条件。通常, 载荷谱是由现场数据采集并经数据处理与统计分析获得。现场采集的载荷时间历程具有很大的随机性, 并且因现场各种因素如开关信号、电磁干扰等影响, 会造成原始信号记录失真, 出现伪信号。齿轮结构所承受的疲劳载荷, 实际上是一连续的随机过程, 借助动力学分析软件Adams平台, 可直接给出机械构件在整个装置工作过程中的疲劳载荷谱F-t曲线, 以此作为理论分析和结构可靠性虚拟疲劳设计的基础。
4.3 有限元分析软件中的应力分析
建立一对轮齿的有限元模型并进行网格划分, 模型主要为六节点五面体单元, 单元总数为63359个, 节点总数为15213个。这样有利于单元自动生成, 有利于提高计算精度。有限元计算中, 齿轮材料的弹性模量为4.6×107MPa, 波松比为0.3。由有限元法 (FEM) 分析计算出随机动载荷谱下轮齿在啮合过程中最大动应力齿轮的位置、数值及周期。
5 结论
5.1 采用全寿命成组试验法得到产品的全寿命概率分布依据的是大样本试验, 因此解决复杂机电系统使用期限内无故障的全寿命设计具有极高的经济价值和十分深远的应用前景。全寿命设计已成为衡量一个国家机电产品设计水平先进与否的重要指标, 只有攻克使零部件全寿命试验与环境相容这一难题, 才能更好地发挥全寿命设计对国民经济发展的促进作用, 迅速把我国的可靠性设计水平提高到主动可靠性设计的国际前沿水平。
5.2 与基于试验的传统方法相比, 基于虚拟疲劳设计的结构可靠性分析方法能够提供零部件的应力寿命曲线, 可在设计阶段判断零部件的应力分布, 可通过修改设计预先避免不合理的寿命分布。因此, 机械零部件结构可靠性虚拟疲劳设计可快捷得出其疲劳寿命大样本, 供可靠性分析设计使用, 以此缩短开发周期, 降低开发成本。
5.3 目前的结构可靠性虚拟疲劳设计还未涉及许多复杂的因素, 如初始裂纹的影响和裂纹在扩展过程中的随机波动问题等, 这是需要进一步研究的问题。
摘要：抗疲劳软件的设计和实际应用给我们的生活和工作提供了极大的便利, 本文对用虚拟抗疲劳软件进行机械工程中的齿轮设计进行分析, 探讨了有限元分析软件的功用。
关键词：抗疲劳软件,机械设备,锯面齿轮
参考文献
[1]周宁.抗疲劳信息管理系统探讨[A], 2004.
[2]周奇.人才、创新与传统机械行业的振兴-2004年中国机械工程学会年会论文集[C], 2004.
抗疲劳设计 篇5
分析了汽车行驶工况,根据汽车发动机的瞬态工况计算出机械式手动变速器的动态载荷,以此设计出加载试验台控制系统.试验台利用工业PC进行现场数据采集,监视系统运行状态,通过CT-NET总线实现工业PC与CT变频器之间的.通讯,CT变频器软PLC进行电机实时控制,模拟动态载荷并实时加载.
作 者：任永强 陈清红 景兴淇 REN Yong-qiang CHEN Qing-hong JING Xing-qi 作者单位：任永强,陈清红,REN Yong-qiang,CHEN Qing-hong(合肥工业大学,机械与汽车工程学院,合肥,230009)
景兴淇,JING Xing-qi(机械工业第六设计研究院,郑州,450007)
抗疲劳制造工艺优化方案 篇6
残余应力与抗疲劳制造
众所周知，构件工况下承受的应力是残余应力与外部载荷应力的合力，在表面形状、材料、组织、温度不连续，或塑性变形不均匀的地方会出现应力局部增大的现象，这种现象叫做应力集中。其中，表面残余应力由材料、加工状态、载荷历程决定，外部载荷应力受几何形状、工况等因素影响较大。残余应力对疲劳强度的影响因条件和环境的不同而改变。它与残余应力分布规律和量值、材料的弹性性能、外来作用的状态等因素有关。当我们研究残余应力对疲劳的影响时既要考虑宏观残余应力的影响，也要考虑微观残余应力的影响。
可以认为，宏观残余应力在初期暂时与作用的交变应叠加，改变应力水平，较大的影响着疲劳寿命。而由微观组织不均匀性所造成的残余应力，在应力交变过程中，会使微观区域内的塑性变形积累，使该部分产生应力集中，并使组织内发生裂变。
为了获得理想的表面压应力分布，提高零件抗疲劳寿命，多采用滚压、挤压、喷丸等机械方式产生冷变形及硬化层，或者采用高能束处理的加工方式。工业界广泛应用的机械喷丸（Shot Peening，简称喷丸）强化工艺是一种有效的表面微动防护手段，它通过对零件表层实施冲击与冷挤压而使表层冷作硬化和产生残余压应力。
中航工业黎明开展了利用振动光饰和光整工艺改善其表面残余应力等技术状态的实践探索。在光饰设备上采用120#专用磨料，对盘件进行了光饰加工，其作用效果明显。由图1可以看出，光饰前各检测位置的残余应力分布差异较大，最大应力差值达到1000MPa，应力分布趋势呈现“W”型；光饰加工后虽然明显改变了各点的残余应力状态，但各点应力差值仍然很大（接近1000MPa），且基本延续了光饰加工前的“W”型应力分布规律。可见，光饰加工引入了一定幅值的压应力变化量，但并未改变原有初始残余应力与机加残余应力等造成的应力不均问题，且该问题仍然会对“抗疲劳”效果产生不利影响。
表面残余应力的成因
工件表面残余应力是复杂因素综合影响的结果——成型阶段及热处理造成的构件整体初始残余应力、切削加工阶段的挤压作用与切削热在表面硬化层形成的机加应力、抗疲劳表面处理工艺引入的表面压应力，上述三者在构件表面一定深度内的顺序引入与相互耦合，共同作用产生最终的表面残余应力。材料、几何尺寸和加工工艺确定后，上述三种残余应力中，初始残余应力在时间顺序上被最先引入，并决定了构件整体的残余应力大小、状态与分布；其次是机加残余应力，它受初始残余应力的影响，决定了构件浅表层残余应力的分布规律（如图表2、3）；最后是抗疲劳表面应力，在终了工序之前在指定区域的浅表面引入压应力状态。
抗疲劳制造工艺优化对比实验
频谱谐波定位时效与热时效的效果对比：
图4为某航空高温合金盘环类构件（粗加工状态），其加工路线为：环轧成型——>热处理——>粗加工——>半精加工*——>热时效# *——>精加工——>喷丸*。为了均化和改善喷丸加工前的残余应力分布，有效提高其抗疲劳制造效果，在半精加工后采用频谱谐波定位时效（均化工艺）代替热时效工艺；采用X射线衍射残余应力无损检测方法，采用直接检测的方式对比频谱谐波定位时效与传统热时效工艺对残余应力的均化效果；最终在喷丸完成后，通过逐层剥离检测的方式对定位时效、喷丸工艺就残余应力的综合作用效果进行评估（检测环节为上标“*”处）。
图4所示是某航空高温合金材料经过成型制造、热处理和半精加工阶段的切削后的残余应力。由于受到初始残余应力与切削残余应力的影响，半精加工后构件表面的残余应力既有拉应力（暖色区域）也有压应力（冷色区域），平面上最大主应力与最小主应力的应力差超过500MPa，且分布极为不均匀——45°、120°、270°附近色阶变化明显，此区域的应力梯度较大。上述拉应力有助于裂纹的萌生并加速其扩展（如图5），不利于构件的疲劳强度及寿命；较大的应力梯度与不均匀的残余应力分布一方面有可能与工况下的应力耦合，造成应力集中，另一方面，该残余应力将与后续抗疲劳加工方法引入的压应力叠加，在成品上仍然表现出不均匀性，影响最终的抗疲劳效果。
为了解决上述问题，在半精加工完成后进行传统热时效与频谱谐波定位时效的对比试验，主要目的是评价两种时效工艺对残余应力的均化效果。通过X射线衍射法检测分别对经过热时效和频谱谐波定位时效处理的一个构件进行残余应力检测，并绘制为以色阶代表残余应力状态与幅值的应力云图（如图6）。
在对比试验中可以得出如下结论：
热时效构件处理前后的残余应力下降率（平均）为48%，频谱谐波定位时效为35%，因此，单就残余应力幅值的抑制效果来评价，传统热时效更有优势；
热时效与频谱谐波定位时效的残余应力均化度（整体）分别为43%和49%，两种时效工艺对构件整体残余应力的均化作用效果接近，频谱谐波定位时效略占优势；
仔细观察工艺对比构件失效后的应力云图，可以发现频谱谐波定位时效工艺构件沿径向和周向的应力分布更为平缓均匀，没有明显的色差（应力梯度）。但热时效工艺构件继承了在45度与270度附近的应力梯度，造成局部的应力不均匀。
nlc202309020111
在本次试验对比中，相比于传统的热时效工艺，频谱谐波定位时效更能达到残余应力的均化效果，有助于后续的抗疲劳加工工艺。
喷丸强化效果及残余应力评价
喷丸强化工艺可以在材料表面引入一定幅值和深度的压应力，一般在构件加工过程临近结束前实施，可以有效改善表面完整性，提高疲劳寿命与强度。由于喷丸强化对金属构件的作用厚度一般在零至数百微米深度，为了检测这一范围内不同深度的残余应力，从而详尽勾勒三维残余应力分布规律。采用电解抛光方式对表面材料进行无应力的逐层剥离（单次剥离深度25～50um），在此过程中使用X射线衍射法（检测深度<10um），对不同深度残余应力进行检测。
构件材料为镍基合金，采用北京翔博科技提供的X-2型电解液对材料表面进行电解抛光，并针对实验构件的材料建立抛光深度-时间关系，以达到对残余应力的逐层检测的目的。
X射线衍射法针对镍基合金的311晶面采用Mn靶材Ka射线，衍射角度为155°，采用互相关法峰形拟合方式。
图7、8所示为沿深度方向检测残余应力分布曲线，对比两种时效方式对应力的喷丸强化后残余应力分布规律如下：
被测构件表面及一定深度内呈现压应力状态，证明两种时效方式对应的喷丸强化工艺均可以引入一定幅值的压应力，
喷丸后的应力随深度变化呈现“半S型”分布规律，作用深度约为150um，最大应力-300～-400MPa，均出现在50～100um之间，
比较两种构件的表面残余应力可以发现，热实效构件表面应力范围为-150～-300MPa，频谱谐波定位时效构件表面应力范围为-250～300MPa，且0～150um深度的残余应力分布离散度较小。
由此可见，相比于传统热实效，频谱谐波定位时效的效果更有利于降低和均化强化工艺实施前的初始残余应力分布，有利于抗疲劳制造及其强化工艺效果的有效性与一致性。
据统计，90%以上的结构强度破坏问题都是由疲劳失效引起的，造成无以估量的损失。大量的试验研究和疲劳破坏事故表明，疲劳源总是出现在有应力集中的地方，使疲劳强度大大降低，这说明应力集中对疲劳强度有很大的影响。本文以抑制构件整体应力水平从而避免应力集中为出发点，从残余应力控制的角度，提出了利用频谱谐波定位时效优化原有抗疲劳制造工艺的技术方案，并采用X射线法采集残余应力检测数据，直接证明了上述优化路径的有效性，同时也间接凸显了频谱谐波定位时效与残余应力检测两项技术在抗疲劳制造领域的应用价值与前景。
抗疲劳设计 篇7
1 金属疲劳及寿命预测
工程机械的使用环境通常非常严酷, 工作载荷的变化很大并且很复杂, 它可能使得工程机械产生疲劳失效。疲劳失效是金属材料零部件、结构件最常见的一种失效形式。疲劳失效的外因是载荷的变化, 只要载荷有变化, 即使这种变化使得结构中的应力低于材料的屈服极限, 它也能使得材料产生疲劳裂纹, 或者使得已经存在的裂纹继续扩展, 直至结构的断裂。载荷的变化越大越频繁, 结构越容易发生疲劳破坏。可想而知, 工程机械所承受的高载荷, 高冲击工况很容易使得结构产生疲劳破坏。所以, 对于工程机械的产品设计, 必须考虑这一最为常见的失效形式。
疲劳寿命的分析预测研究早在19世纪就已开始, 经过大量的实验和理论研究, 人们发展出了一些方法来预测金属材料和结构的疲劳寿命, 其中, S-N, e-N和疲劳裂纹扩展寿命法是三种经典的疲劳分析方法, 已经在工程中得到了广泛的应用, 在工程机械行业也是如此。
S-N法是名义应力法, 是应用最广泛的一种方法。方法的核心是对材料小试样进行等幅应力疲劳试验, 获得所谓的“S-N”曲线。这一曲线表征了交变的名义应力范围或幅值和应力失效循环次数之间的关系。对于一种特定的材料, “S-N”曲线通常是一定的, 是材料的固有特性。然后, 在实际应用中, 考虑实际零件和试样之间的差别, 如应力集中, 平均应力, 表面光洁度, 表面处理情况, 以及尺寸大小等, 修正“S-N”曲线。对于复杂的应力变化, 则对变幅应力进行循环周计数, 然后结合Miner线性损伤累积规则, 计算实际零部件的疲劳损伤, 进而计算寿命。这种方法也广泛应用于连接件和焊缝的疲劳分析。“S-N”法通常被称之为高周疲劳分析法。
e-N法是一种基于局部应变变化的、预测裂纹起始寿命的疲劳分析方法, 通常称之为低周疲劳分析法。这一方法有较强的理论基础, 在分析中考虑了材料的塑性应力应变演变, 所以比较适合于估计高应力低失效循环的疲劳寿命预测。e-N法需要从光滑小试样的常幅应变控制疲劳试验中获得材料的“应变幅-寿命”和“循环应力-应变”曲线, 通常需要用Neuber提出的缺口修正法, 从弹性应力应变估计弹塑性局部应力应变, 需要用雨流法计循环次数, 也需要用Miner等损伤累积法则处理变幅载荷历史。平均应力、表面光洁度以及表面处理的影响在模型中也可以加以考虑。对于工程机械结构件, 应力集中部位很容易产生低周疲劳, 所以, 这一方法也有广泛的应用。
疲劳裂纹扩展寿命法是基于线弹性断裂力学的一种方法, 广泛应用于预测结构中已有裂纹的剩余寿命, 比如焊缝中缺陷或裂纹的扩展寿命。估计这些裂纹或缺陷的剩余寿命是保障结构安全或延长使用寿命的一个重要环节, 在工程机械结构的设计中也非常重要。P a r i s和Erdogan 1963年提出的应力强度因子和裂纹扩展速率之间的关系, 是当前工程中预估疲劳裂纹扩展寿命理论的基础。它指出了金属材料中裂纹的疲劳扩展主要由应力强度因子范围控制, 材料的裂纹扩展速率曲线一般只需要从小试样中获取。对于特定的裂纹, 它的应力强度因子需要进行估计, 目前, 各种含裂纹构件的应力强度因子解已经建立, 这使得这些理论在工程中得到了广泛的应用。笔者最近发展了基于有限元的疲劳裂纹扩展模拟技术, 进一步拓宽了它们在实际复杂工程构件中的应用。
图1是疲劳分析的基本框图, 上述的三种疲劳分析方法, 都需要较为合理并准确的载荷变化、几何数据, 以及材料的疲劳性能参数输入。载荷的变化是影响疲劳寿命最最重要的一个因素, 是材料产生疲劳破坏的外部因素。载荷的变化定义了产品的使用环境, 工程机械的使用寿命和它的使用环境, 以及各种环境下的使用频率有关。所以, 设计时我们必须考虑实际工况下的载荷变化特点, 否则, 我们无法知道产品的疲劳寿命。另外, 材料的抗疲劳性能是材料的内在特性。准确性高的疲劳寿命预测分析需要比较准确的材料疲劳性能参数。还有一个输入是几何数据。几何设计通常体现了设计水平, 在同样的载荷环境下, 好的几何设计, 可以降低系统中的最大载荷, 使得关键部位的应力较小, 从而使得疲劳寿命大大提高。尤其值得指出的是疲劳强度是局部强度, 几何细节设计非常重要。
2 传统与现代产品开发流程比较
中国的工程机械产品开发大都按照图2的流程进行, 即“制造→试验→修改调整”, 直到产品符合国家或行业的相关规定即投入生产。这一开发流程的一些主要特点有:按静载荷进行强度、刚度等设计, 基本上没有实际工况下的动载荷数据, 以及用户的使用分布数据;对于一些重要的零部件、结构件在实验室里进行一些常规的台架等幅疲劳试验, 来保证产品的可靠性, 所依照的标准大多是国内的一些行业标准;设计时的疲劳分析, 如果做的话, 也大多用疲劳强度作为强度的设计校核;整机的可靠性考核试验, 大多数企业可能不一定做。显然, 这一开发流程以试验作为验证产品寿命的手段, 并没有在设计阶段考虑寿命。产品的疲劳耐久性、可靠性分析在设计时基本没有涉及到。结果, 一旦试验通不过, 修改设计往往缺乏理论指导, 只能凭经验。另一方面, 我们知道做试验成本高、周期长, 不是优化设计的好方法。随着国家经济结构从计划经济转到市场经济, 企业除了要符合政府的一些法规, 更需要满足市场及顾客的要求。企业的产品必须以市场为导向, 立足于市场, 满足客户才能在市场的激烈竞争中立于不败之地。很显然, 图2的产品开发流程和许多发达国家的企业相比, 显得非常的落后, 严重制约了产品的质量和竞争力。
图3是许多国外大企业广泛采用的一个产品开发流程。对于一个新产品的开发, 首先要做的是几何设计, 然后对设计进行分析优化, 不仅要做静强度、刚度、噪音、振动等分析, 还需要做疲劳强度和疲劳寿命分析。对于工程机械, 产品的疲劳耐久性及可靠性, 在设计阶段就进行考虑。当然, 疲劳分析通常需要数据, 包括如上面所谈到的载荷, 几何及材料的疲劳性能数据。同时也需要许多的分析经验。分析优化在满足各个零部件、子部件及整机的寿命前提下, 才去制造样机。一旦实物样机制造出来后, 就对样机进行测试。测试的目的有两个:一是对实物样机进行试验室工况或实际工况环境下的数据采集, 获取疲劳分析所需的载荷及一些响应数据, 作为真实的输入返回至分析优化进行进一步的分析, 因为第一次所用的数据不是真实的;二是测试中得到的数据和分析数据进行关联比较, 以确保以前的分析不是太离谱, 有一定的准确性。这体现了既有分析又有试验, 相互关联, 相互支持验证的一体化理念。一旦实际的数据采集、进一步的分析优化, 以及试验分析关联都能取得好的结果, 就可以再对样机疲劳耐久性质量进行验证试验, 以决定该产品是否可以投入生产, 投放市场。
3 一体化疲劳耐久性研究工作流程
对于疲劳耐久性、可靠性来说, 图4是一个典型的工作流程。它涉及许多工程任务, 其中包括寿命目标的设定、载荷数据采集、数据处理分析、实验疲劳分析、试验室台架试验、几何建模、多体动力学运动学仿真模拟、有限元分析、虚拟疲劳分析, 以及虚拟寿命和实测寿命的关联验证。
上述“一体化”疲劳耐久性开发过程的特点可归纳为:以寿命为设计目标;全方位调查用户用途及使用环境;在设计阶段应用疲劳理论进行寿命优化分析设计;试验只对“好”的设计进行;用试验关联验证理论, 用理论指导试验, 两者互相配合取得信心;企业内部数据采集、实验室模拟及分析设计各部门互相配合;产品质量高、开发周期短、开发成本低。与传统的开发相比, “一体化”过程的先进性是显而易见的。限于篇幅, 下面只对这一一体化开发流程中的几个主要工程任务作一说明。
第一, 产品的寿命设计目标问题。在传统的产品开发中, 产品的设计寿命是含糊的, 在设计时使用疲劳极限隐含了无限寿命的设计理念, 但有限次数的疲劳可靠性试验似乎又表示产品的设计寿命是有限的。实际上, 传统的产品开发的一个重要缺失是没有考虑用户的使用环境和使用分布, 所以也无法定出寿命的目标。而在新的一体化体系中, 产品的各个零部件疲劳耐久性有着非常明确的设计目标。产品的设计、试验都将围绕这一目标进行。产品是寿命设计, 而不是以前的强度设计, 这更加符合用户和市场的期待, 这是设计理念的重大改变。建立一个合理的产品寿命目标, 需要做很多工作, 我们必须调查用户的使用环境, 考虑用户的用途分布, 也要考虑产品寿命的分散性, 更新换代的周期。我们也需要分析竞争产品的设计目标, 做到知己知彼。一个典型的设计目标通常是符合绝大多数用户, 比如说95%用户的使用, 而不是所有用户在设计目标内都不会出现失效。当然, 把握这一点, 需要企业很多数据积累。
第二, 载荷的数据采集。工程车辆在实际工作环境下的载荷数据采集, 目前在国内的一些大企业刚刚起步, 大大落后于国外同行。数据是寿命设计的基础, 如图4所示, 试验室台架试验和虚拟疲劳分析优化都需要数据的输入。没有真实的载荷数据, 我们不可能对各个零部件做到寿命“刚刚好”的设计。调查用户, 调查工况很大程度上就是获取数据。所以, 数据的采集和积累对于一个企业至关重要, 可以说没有数据就没有产品的自主创新。采集数据需要适用于野外严酷环境下使用的高可靠性的数据采集器, 需要丰富的经验, 才能保证数据的质量和完整性。数据采集工作通常涉及:采集器设定, 传感器标定, 确定采集环境, 确定测量信号及通道, 确定使数字采样速率, 确定具有代表性的测量时间周期等一系列问题。
第三, 虚拟疲劳分析。虚拟分析在设计的早期能够用来帮助进行优化产品的寿命设计, 也可以用来帮助进行有效的试验室台架耐久性试验, 并进行适当的试验加速。虚拟分析最近十几年在业界的应用得到了迅速的发展。虚拟疲劳分析的基础就是本文上面所述的一些疲劳分析方法, 它能够在设计阶段给出裂纹可能出现的位置及其寿命, 以避免一些非常低水平的设计, 把握产品的寿命。虚拟疲劳分析需要比较专业的疲劳知识, 需要根据不同的情况, 选择适当的分析模型。值得指出的是, 对于虚拟疲劳分析, 必须有如图1所示的三个输入。国内和国外的情况有所不同, 国外企业里的虚拟分析通常有着大量的载荷数据和材料数据的支撑, 虚拟是建立在真实有效的数据基础之上的;而在国内, 我们的数据少得可怜, 虚拟分析往往缺少数据输入。对于这一差别, 企业必须有一个清醒的认识, 在积极开展虚拟分析模拟的同时, 打好虚拟分析的基础—数据采集和积累。
4 结语
机身壁板疲劳试验件过渡区设计 篇8
如付诸现实将产生相当大的经济效益,每件试验件可节省设计、制造和试验等费用大约50万元。
点评人:施剑玮,上海飞机设计研究院强度部高级工程师,研究方向为结构疲劳与断裂。
飞机结构的疲劳性能需要用试验进行验证,疲劳试验验证通常采用积木式方法,按试验的复杂度,将试验分成试件级、元件级、子部件级、部件级和全尺寸级。机身壁板环向对接疲劳试验件属于子部件级,其试验件数量在十个左右,单个试件造价高,后续疲劳试验费用昂贵。疲劳试验件通常包括考核区、过渡区和加载区,并要求过渡区和加载区的寿命远远大于考核区的寿命,通常在三倍以上。如果不能满足该要求,由于疲劳寿命具有较大的分散性,试验过程中可能出现过渡区较考核区先出现裂纹的情况,试验件将无法取得有效寿命数据,带来很大的经济损失。
本文通过对机身壁板环向对接疲劳试验件传力特性的研究,设计了三种含不同过渡区的试验件,对试验件过渡区的疲劳寿命进行了计算和对比,结果表明过渡区采用指形变厚度垫板可以充分满足考核区过渡区疲劳寿命之间的倍数要求,达到试验件设计技术要求。
机身壁板环向对接疲劳试验件传力分析
典型试验件形式如图1所示。在机身壁板环向对接区域,即考核区,左右两侧长桁通过长桁接头连接,蒙皮通过对接带板连接。加载区用于连接加载设施。过渡区用于将加载区的载荷均匀传递到考核区,使考核区应力分布情况与实际情况尽可能相同。由于机身壁板长桁多采用挤压型材,其截面形状在整个长度范围内相同,无法通过加大过渡区长桁截面尺寸的方式,降低过渡区内长桁工作应力,提高疲劳寿命。同时,蒙皮由于加工工艺限制,其在过渡区内的截面尺寸与考核区的相比也无法改变。出于前述原因,只能通过改变过渡区的传力特性,使力的传递更加缓和,各元件传力更加均匀,同时改善疲劳薄弱位置的细节设计,来提高过渡区疲劳危险细节的寿命。
不同过渡区设计的疲劳性能对比
本文设计了三种过渡区形式,对它们疲劳危险细节的寿命进行了分析对比。
过渡区采用机加接头
过渡区形式如图2所示。过渡区采用机加接头,接头下方有两层垫板。载荷加在垫板和蒙皮上,垫板上载荷大部分向接头传递,再传至长桁。考核区中,长桁接头立边和长桁立边连接端部紧固件处(见图1)是疲劳危险细节。过渡区中,红色圆圈标记紧固件处的长桁是危险细节。它们寿命之间的对比见表1,其中σbr代表孔边挤压应力,σg代表工作应力,ψ代表载荷传递系数,DFR代表细节疲劳额定值,N95/95代表具有95%可靠度和95%置信度的寿命,每个参数的具体计算方法见文献。
过渡区采用两层大面积垫板
过渡区形式如图3所示。过渡区采用两层大面积垫板,第一层垫板从长桁端头处继续向考核区延伸10颗紧固件的距离,第二层垫板延伸8颗。过渡区接头长度缩短。载荷加在垫板和蒙皮上,垫板上载荷大部分直接向蒙皮传递。考核区的疲劳危险细节不变。过渡区中橙色圆圈标记处是疲劳危险细节,其中垫板长桁连接处的危险细节在长桁上,垫板蒙皮连接处的危险细节在蒙皮上。它们寿命之间的对比见表2。
过渡区采用指形变厚度垫板
过渡区形式如图4所示。过渡区采用指形变厚度垫板,垫板位于长桁和蒙皮之间。载荷加在垫板和蒙皮上,垫板上载荷直接向长桁和蒙皮传递。考核区的疲劳危险细节不变。过渡区中红色圆圈标记处是疲劳危险细节,其中长桁垫板连接处的危险细节在长桁上,垫板蒙皮连接处的危险细节在蒙皮上。它们寿命之间的对比见表3。
讨论
对过渡区采用机加接头的试验件,垫板上载荷大部分向接头传递,再传至长桁,长桁立边和底边传递载荷较多,其中长桁立边上疲劳危险细节寿命较短;
对过渡区采用两层大面积垫板的试验件,垫板上载荷大部分直接向蒙皮传递,又因垫板在同一截面位置处终止,刚度变化剧烈,导致该处蒙皮工作应力很大,蒙皮上疲劳危险细节寿命较短;
对过渡区采用指形变厚度垫板的试验件,垫板上载荷直接向长桁和蒙皮传递,由于垫板采用了指形和变厚度设计,往考核区方向,其刚度逐渐减弱,使得载荷的传递更加缓和,长桁底边和蒙皮的工作应力较均匀,其中长桁底边上疲劳危险细节寿命较短;
对比三种过渡区设计情况下的过渡区考核区最短寿命比,采用指形变厚度垫板试验件的比值最大,为5.85,远高于3倍的设计要求,效果很好。
建议观点
1.疲劳领域的主要问题有:金属材料复杂应力情况下的寿命分析,例如多轴疲劳损伤参量的建立;复合材料疲劳寿命分析方法;工艺参数对疲劳寿命影响的数值仿真模拟;损伤累积理论。
2.断裂领域的主要问题有:三维裂纹应力强度因子的计算;复杂应力情况下的裂纹扩展计算和有限元模拟;裂纹迟滞效应的考虑;广布疲劳损伤中的裂纹扩展计算;带裂纹结构的剩余强度计算模型。
沥青混凝土路面疲劳设计分析 篇9
沥青路面疲劳性:路面在反复荷载作用下抵抗破坏的能力,长期使用过程中压应力、拉应力均存在,且处于两种应力交迭变化状态,当荷载重复作用超过路面面层材料所能承受的疲劳次数后,就会使结构强度抵抗力下降,产生疲劳破坏。
1 沥青路面面层疲劳损伤机理
理论和实践表明:在行驶车轮的荷载作用下(如图1所示),路面结构内各点均处于复杂的应力应变状态中,图1中B点σ,ε随着车轮滚动而变化(B点σ随时间变化曲线如图2所示):当车轮作用于B点正上方时,B点受到三向拉应力作用;当车轮行驶过后B点应力方向转变,数值变小,并有剪应力产生;当车轮驶过一定距离后,B点则承受主压应力作用。路面表面A点则相反,车轮驶近时受拉,车辆直接作用时受压,长期处于应力(应变)交替循环变化的状态。
路面材料的抗压强度≫抗拉强度,而且B点在车轮下所受的压应力≫A点在车轮驶近或驶过后产生的拉应力,因此路面疲劳裂缝通常从面层底部开始,路面疲劳设计也应该以面层底部的拉应力、拉应变作为控制指标。
2 沥青路面疲劳设计方法
我国沥青路面设计规范采用层底拉应力指标进行验算,充分考虑结构层材料的疲劳性,利用结构强度系数K与材料的劈裂强度得出结构层底面的容许拉应力,具体如下:层底拉应力σm≤容许拉应力σR,则厚度满足。即:
其中,σR为沥青稳定基层材料的容许拉应力,MPa;σSP为沥青稳定基层材料的劈裂强度,MPa;KS为抗拉强度结构系数;Ac为公路等级系数;Ag为沥青混合料级配系数;Ne为标准轴载当量轴次。
3 沥青稳定基层与半刚性基层疲劳设计方法
沥青稳定材料是一种粘弹性材料,在荷载作用下具有较好的柔性,对拉应力的变化具有较好的适应性;而半刚性材料的刚度较大,有较大的抗拉强度,但同时对拉应力的变化较为敏感。
根据我国沥青路面设计规范,在计算沥青混合料与半刚性材料的结构强度系数KS=B0Nc时,采用的系数c分别为0.22和0.11。
半刚性材料疲劳寿命为:
沥青混合料疲劳寿命为:
4 疲劳寿命对轴重的敏感性分析
由理论分析得知,单后轴双轮组不同轴载应力比的简化公式为:
σ1/σ2=(P1/P2)b。
其中,σ1,σ2均为基层底面拉应力;P1,P2均为轴载总量。
与基层材料的疲劳规律相联系,基层材料的疲劳规律为:
σ/σ0=BN-c。
其中,σ0为该材料的抗拉强度;σ为某轴载作用N次的疲劳拉应力。
由上面两个式子可以得到以基层底面拉应力等效时的轴载换算公式为:
N1/N2=(P2/P1)b/c。
半刚性基层中b=0.84,c=0.11;沥青稳定基层中b=0.84,c=0.22,则有:
半刚性基层:N1/N2=(P2/P1)7.64。
沥青稳定基层:N1/N2=(P2/P1)3.82。
由以上计算公式计算标准轴载作用一次为1次,其他轴载重分别相当于标准轴载次数N,其结果见表1。
5 工程实例
利用BISAR程序计算浙江某道路路面结构层,其路面结构层如下:
路面结构1:5 cm AC-16C中粒式沥青混凝土(E=1 400)+6 cm AC-20C中粒式沥青混凝土(E=1 400)+7 cm AC-25C粗粒式沥青混凝土(E=1 200)+34 cm 6%水泥粉煤灰稳定碎石(E=1 800)+20 cm石灰稳定土(E=600)+土基(E=1 400,μ=0.35),E的单位为MPa,泊松比μ除标明,其余均为0.25。
路面结构2:4 cm AC-13C细粒式沥青混凝土(E=1 400)+6 cm AC-20C中粒式沥青混凝土(E=1 400)+16 cm沥青稳定碎石(E=1 000)+46 cm 3%水泥粉煤灰碎石(E=1 000)+土基(E=1 400),E的单位为MPa,泊松比μ除标明,其余均为0.25。
经计算:路面结构1水泥粉煤灰稳定碎石基层层底拉应力σ=0.12 MPa,则有Ne=1.9×108次;路面结构2中16 cm沥青稳定碎石基层层底拉应力σ=0.02 MPa,则有Ne=2.8×109次。分析得:水泥粉煤灰稳定碎石的劈裂强度较大,所以水泥粉煤灰稳定碎石基层的疲劳寿命稍微大一些。
6结语
1)经过对沥青稳定基层与半刚性基层两种不同材料基层的疲劳寿命计算与分析:该两种基层中沥青稳定基层底拉应力对厚度变化敏感性较差,但疲劳寿命对厚度的敏感性较大(厚度越大,差异越明显)。从疲劳设计及经济合理的角度看,增加半刚性基层的厚度可以快速提高路面疲劳寿命;增加沥青稳定基层厚度则较小提高路面疲劳寿命,所以使用沥青稳定基层时,应该从加强对地基的处理,提高地基强度,减小基层底面的拉应力,从而提高路面疲劳寿命。2)通过以上的计算和分析:半刚性基层路面轴载敏感性很大,即半刚性基层路面上的超载车辆增多,导致路面很快损坏;而沥青稳定基层路面轴载敏感性小,对超载车辆的适应性较强,适合于超载较多的道路。3)通过以上的计算和分析:当道路上交通量以小型车辆为主时(占交通量80%以上),采用半刚性基层路面,其疲劳寿命更长;但当重轴车辆一次性作用远超过路面(轴重远大于路面结构抗力导致路面破损后),不再对其进行正常疲劳寿命分析。
摘要：通过研究沥青路面面层疲劳损伤机理,介绍了沥青混凝土路面设计中沥青稳定基层与半刚性基层的疲劳设计方法,并结合工程实例进行了分析,从而提高路面设计质量,延长道路使用寿命。
关键词：沥青混凝土路面,疲劳性,设计,半刚性基层
参考文献
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[2]张坤,魏建明.具有柔性基层的沥青路面结构设计方法研究[J].山西建筑,2007,33(3):265-266.
光热发电换热器疲劳分析设计 篇10
光热发电系统换热器由于系统的特殊性, 换热器需要适应频繁启停, 光热发电系统换热器需要根据运行状况进行寿命分析。国标设备需要根据JB4732的相关规定进行分析设计。
1 设计原型简介
本文以某50 MW光热电站蒸汽发生系统蒸发器为研究对象, 对其整体进行分析设计。该蒸发器设计参数如表1所示。
2 主要部件分析设计
蒸发器设备属于管壳式换热器范畴, 主要部件包括前管箱封头、前管箱筒体、管板、壳体以及壳体封头。而关键设计点在于管板以及与管板相接的两端筒体, 因此本文针对管板以及两端筒体进行了分析设计。
2.1 壳体分析设计
依据JB4732选用适用强度设计公式, 圆筒的计算厚度应根据荷载情况按以下相应公式确定。
在仅受内压作用的情况下:
当Pc≤KSm时,
当Pc>0.4KSm时,
式中:e为自然对数的底;K为载荷组合系数, 查图可得。
根据计算结果, 蒸发器符合公式条件 (1) , 选用式 (1) 作为厚度计算公式。计算后需要核定设备是否需要进行圆筒轴向稳定, 判定条件为:如果F≥0.25PcDi, 则不需要校核设备轴向稳定;若反之, 则需进行轴向稳定校核。
壳体主要程序计算结果如下:内壳径为Di=2200 mm;设计应力强度为Sm=126 MPa;成型损失为F1=1.00 mm;比较结果为Pc≤0.4KSm;适用公式为t=Pc·Di/ (2·KSm-Pc) ;计算厚度为t=133.7 mm;径向薄膜应力为F=63.0 MPa;校核为无需按径向薄膜应力校核。
厚度计算过后要进行筒体疲劳应力分析设计, 采用第三强度理论, 分别校核一次总体薄膜应力, 一次局部薄膜应力, 一次薄膜加一次弯曲应力, 一次加二次应力强度以及峰值应力强度。
对于每组3个主应力, 计算主应力差。在每组σ12、σ23和σ31中, 取绝对值最大者作为该组的应力强度, 即可得到各应力强度值。
判定条件为:SI<Sm;SII<1.5Sm;SIII<1.5Sm;SIV<3Sm。
主应力计算:泊松比μ=0.3;弹性模量E=193 000 MPa;线膨胀系数α=0.000 012/℃;出口温差Δt1=8.13℃;进口温差Δt2=64.66℃;管子根数N=3900 mm;环向主应力σPθ=120.69 MPa;轴向主应力σPm=60.35 MPa。
边缘效应不连续力:σNθ=-102.59 MPa;σNm=0 MPa;σNr=0 MPa。内壁 (二次应力Q) σWθ=186.27 MPa, 内壁σWm=55.88 MPa, 内壁σWr=0 MPa。
壳体轴向热应力:σm=15.78 MPa;σtθ=0 MPa;σtr=0 MPa。
应力强度计算评定如表2所示。由于Sm=126 MPa, 1.5Sm=189 MPa, 3Sm=378 MPa, 因此:SI<Sm, 即一次总体薄膜应力强度分析合格;SII<1.5Sm, 即一次局部薄膜应力强度分析合格;SIII<1.5Sm, 即一次薄膜 (总体或局部) 加一次弯曲应力强度分析合格;SIV<3Sm, 一次加二次应力强度分析合格。
依据以上计算可得出设备应力分析合格, 依据应力分析计算结果查取疲劳寿命曲线, 得出蒸发器循环次数为5 000 000次, 而设备要求设计总循环次数为150 000次, 满足设备设计要求, 可以保证壳体寿命要求。
前端管箱的设计计算过程与壳体类似, 不再赘述。
2.2 管板
蒸发器管板与两面筒体均采用焊接式, 如图1。
管板的分析设计步骤为:上述2) 、3) 项计算应对Ps单独作用 (Pt=0) 和Pt单独作用 (Ps=0) 两种危险工况分别进行, 如Ps和Pt之一为负压时, 还需考虑压差的危险组合。每种工况下管板应力校核点包括r=0, Rt, R 3个截面处管程侧和壳程侧两个表面, 共计6个校核点。
1) 假定管板厚度δp, 进而确定与管板练成一体的法兰厚度。2) 计算由压力引起的管板上校核点应力。3) 按不同工况与不同校核点逐一叠加计算得到的应力, 得到每种工况下6个校核点的应力, 并进而计算弯曲应力强度Sm, 要求满足SII<1.5Sm。
计算结果如下 (管板厚度计算, 标准为JB 4732) :
设备为蒸发器, 部件为管板, 内壳径Di=2200 mm, 材料为15Cr Mo, 设计应力强度Sm=105 MPa, 管箱筒体厚度δh=36 mm, 壳程筒体厚度δs=140 mm, 假定管板厚度δp=350 mm。
r=0截面应力:在管程侧, σr10=26.76 MPa, σθ10=26.76 MPa;在壳程侧, σsr10=-26.76 MPa, σsθ10=-26.76 MPa。
r=Rt截面应力:在管程侧, σrt=-72.54 MPa, σθ1=50.68 MPa;在壳程侧, σsr1=72.54 MPa, σsθ1=-50.68 MPa。
r=R截面应力:在管程侧, σr2=-42.3 MPa, σθ2=74.92 MPa;在壳程侧, σsr2=42.3 MPa;σsθ2=-74.92 MPa。
判定结果:
判定条件:1.5Sm=157.5;σr=1.5Sm;σθ=1.5Sm。
管程侧:σr=-88.08 MPa;σθ=152.36 MPa。
壳程侧:σr=88.08 MPa;σθ=-152.36 MPa。
均满足强度要求。
3 结论
依据设备的不同应用场合以及运行要求, 对设备适时的进行强度分析设计是保证设备安全运行的必要条件。强度分析手段依据不同的强度理论, 计算合理的各部件结构, 保证材料的不浪费同时保证了设备的安全性, 是工程设计中十分必要的手段。本文根据JB4732的相关要求, 对设备进行分析设计, 依据分析设计结果出设备分析设计报告, 是针对光热发电系统换热设备的有效设计手段, 可以针对光热系统设备的频繁启停而造成的疲劳应力进行有效判定。
参考文献
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酌情使用抗疲劳眼药水 篇11
其实我们身边类似小李的这种情况并不少见。随着人们现代工作方式和生活习惯的改变，上班族由于长期面对电脑，经常会感觉到眼睛干涩、疲劳。在广告的鼓舞下，不少人选择了眼药水作为带在身边的必备品。据统计，超过五成的电脑族都使用过抗疲劳眼药水。
放眼望去，周围使用眼药水的人不计其数，但真正了解眼药水的人却寥寥无几。眼药水种类选择不合理、使用过期眼药水、长期频繁使用同种眼药水、滥用抗生素类眼药水、不同类别眼药水随意混用……种种滥用乱用眼药水的行为使得眼药水非但没起到保健作用，反而成了危害眼睛健康、造成各种眼病及严重并发症的罪魁祸首。
使用眼药水的“安全通道”
很多人都会说，眼药水谁还不会用？但事实上，很多人都没有掌握滴用眼药的正确方法。
先洗手，细核对
首先，使用眼药前要先洗手。滴用前一定要仔细看清瓶身上的标签，核对药品名、保质期，观察药水有无混浊、沉淀物、絮状物等药物变质现象。医生在处理眼科急诊时，常常会遇到误点了其他药物的患者，点错的药物五花八门：点鼻液、洗甲水、滴耳液甚至脚气水，而这些化学溶液和眼药水的成份、浓度、酸碱度都不同，轻者刺激眼表造成眼部红、肿、流泪等不适症状，重者灼伤角膜、结膜，会留下不可逆的损伤。
后仰头，长闭目
核对好了，将瓶盖拧开，注意不要将口向下放置瓶盖，以免污染。滴药时头向后仰或取平卧姿，眼睛向上看，一手轻轻向下扒开下眼睑，另一手握住眼药水瓶，并使瓶口与眼睛垂直距离保持2厘米左右，这时将眼药水滴入下眼睑内表面1～2滴，然后闭目数分钟。尽量不要让药瓶口碰触睫毛、眼睛，更不应将眼药水瓶口紧贴在眼睛表面滴药，那样既容易划伤眼睛，又可能会对瓶中药液造成污染。若有药液溢出眼睛，应及时擦去。在使用某些药物时，如阿托品、匹罗卡品等，在滴完后还要按压泪囊区3分钟左右，以免药液经泪道进入鼻粘膜吸收，引起不必要的全身毒性反应。若需要应用多种眼药水时，两种药物之间应要维持5～10分钟左右的滴药间隔。若患者双眼都患有眼病需要滴药，则应按先轻、后重的顺序。
眼药切不可自行滥用
医生处方开具的治疗用眼药水，一般会标明使用时间和滴眼频率，且单次处方不会开太长时间的用量。但有些患者在拿到一份处方后，便开始自行长期大量使用这种药物，这样除了会滥用药物造成浪费之外，还可能会出现一些副作用，造成严重后果。曾有过这样的例子，有一位过敏结膜炎患者，曾经就诊后开过激素类眼药水，非常有效，于是未再复诊也未征询任何医生、药师的意见，通过各种渠道大量积攒了同类眼药，稍有眼痒就自行点药处理，这样持续了一年。当他再次来到医院时，他已经因角膜溶解、眼球穿孔而失明。滥用眼药水可以造成如此严重的恶果，令我们不能不警惕。
眼药开封及时用
滴眼液标签上标注的保质期和密封饮料、密封罐头以及液体性质的其他药物一样，是指未开封状态下保质期可以到某年某月。而一旦开了封，就应该在1～2周的时间内使用，而且不用时应拧紧瓶盖，并将它妥善放置在阴凉、干燥的地方保存。若开封后长时间不使用则应丢弃，应避免开封后没用几次、放了很久又拿出来用的情况。这样一来，一来是有可能令药品失效，更危险的是一旦药品被微生物污染，这种眼药水可能就不是“治病”而是“致病”了。
其实，很多医生都遇到过这类患者：就诊完毕，患者主动说我有某某眼药水，而且已经点了两天了，是去年开的药，看了保质期的，没过！再问问，原来去年就开封了。这样的人不在少数。我们素来崇尚勤俭节约的美德，放在这里，还是“浪费”些更安全。
酌情使用是关键
由于人们在工作、生活中极大程度上依赖电脑、手机等电子产品，长时间盯着电子屏幕是很多人无法避免的生活方式。于是，很多眼保健、抗疲劳、或润滑眼表的滴眼液应运而生。这些滴眼液种类繁多，有以补充水份为主、减少眼表泪液蒸发的，还有模拟泪液生理成份的等等。我们可以根据不同的情况酌情使用。
抗疲劳设计 篇12
曲轴是内燃机的关键零部件之一,实际工作中承受的载荷十分复杂,曲轴一旦断裂会对内燃机造成不可扭转的损坏,因此对曲轴的抗疲劳强度进行判定尤为重要。目前,曲轴疲劳强度的试验台按加载方式分为弯曲疲劳试验台[1]和扭振试验台[2]。文献[3]在曲轴弯曲疲劳试验系统开发与研究针对国内疲劳试验机精度不够开发了一种有较强实用性的曲轴弯曲疲劳试验系统,并在机械台体设计部分简介了设计原理和方法。传统的台架设计理论基于振动方程[4,5],依据计算的曲轴弯曲刚度,调整摆体的转动惯量和固有频率,再对激振频率进行调整。随着有限元技术的发展,各类计算方法日趋完善,鉴于有限元在模态计算方面的优势,运用有限元设计方法也是一种趋势。本文中运用这两种方法来完成试验台设计。
1 结构及工作原理
谐振式曲轴弯曲疲劳试验台简要模型如图1所示。其中,θ1为主动臂摆角,θ2为从动臂摆角,l为摆臂中心距,L为激振点至加载中心线距离。
曲轴和两个摆体为刚性连接,组成类似于音叉的结构,利用电机驱动偏心轮,偏心轮转动产生离心力对其中一个摆体进行周期性激励,当激振频率与系统的固有频率接近时,两个摆体便会发生共振,此时夹在中间的曲拐会受到周期性载荷作用,以此模拟曲轴工作时的受力情况。
设偏心轮质量为m,偏心距为r,工作时的角速度为ω,对曲轴中心线产生的激振弯矩为:
式中,eiωt为简谐振动规律表达式,其中e为自然对数的底,i为虚数,t为时间。设曲轴弯曲刚度为k,主动臂转动惯量为J1,从动臂转动惯量为J2,系统在无阻尼情况的运动方程为:
求解方程,系统的共振频率ω0为:
系统的放大系数n为:
谐振式曲轴疲劳试验台充分利用了共振原理,很小的激振载荷经过放大便可达到试验载荷要求。
2 试验台参数设计
2.1 试验能力设计
摆臂设计耗时长且成本高,考虑台架尽可能适用于一定范围的曲轴试验,则可以降低试验工装的成本。根据试验要求,试验曲轴主轴颈直径为143mm,中心距230mm。考虑设备通用性,在主轴颈夹持部位采用夹紧轴瓦设计,以满足主轴颈直径范围125mm~155mm的曲轴试验。
摆体通过支撑弹簧卧置于底板之上,底板上开有U型槽,以满足不同中心距的曲轴疲劳试验。夹紧盖板螺栓选用该曲轴产品的主轴承螺栓M24×2×230mm,以确保曲轴与摆体之间为刚性连接。
2.2 加载能力设计
曲轴运行至上止点附近承受最高燃烧压力的作用力,此时曲轴的名义工作弯矩的计算式为:
式中,D为活塞直径;pz为最高燃烧压力;R为主轴颈支反力;G为曲柄臂中心距离;k1为支撑系数,本文中为全支撑取0.75,代入各参数计算出名义弯矩5 407.47N·m。各项系数计算方法如图2所示。
为了满足加速疲劳寿命试验的要求,一般曲轴疲劳试验时的强化系数为2~4倍的名义工作弯矩,因此要求台架在共振时对曲拐的加载弯矩需达到10 814~21 628N·m。依据以往设计经验,共振放大系数一般在5倍左右,此时阻尼对应力影响较小。不考虑系统阻尼时,依据力矩放大计算公式
估算出静力矩M,最大试验加载弯矩时的静力矩(激振弯矩)为4 325.6N·m,由式(1)来协调各项参数(m、r、L)。式(6)中,Me为目标加载弯矩值。试验台的加载中心距L应由整体结构而定,过小会使加载弯矩不足,过大又会减小摆体的刚度,综合考虑本次台架取值为900mm。
激振力由偏心轮提供,在满足式(7)的基础上确定偏心轮各项参数。
为了满足不同激振力要求,一般将质量设为定值,通过调整偏心距来调节离心力。根据各项参数协调,设定偏心轮的直径为120mm,高50mm,最大偏心量为30mm。
2.3 摆体参数设计
试验台架最主要的结构参数为两个摆体的参数设计,为了保证试验台能够工作在稳定的工作区域,则需对台架摆体的转动惯量及固有频率进行合理匹配。为了简化设计,设主动臂与从动臂的转动惯量相等,式(3)化为式(8)形式
要使得共振放大系数达到5左右,式(4)中的频率比约为0.95,即工作频率与固有频率之比为0.95,摆体参数需同时满足式(8)和频率比的要求。试验曲轴的柔度计算式为
式中,e为柔度;p1、p2、p3、p4为中间变量;G1为弹性模量;Lj为主轴颈长度;Lw为曲柄臂厚度;Dj为主轴颈直径;Lc为曲柄销长度;Dc为曲柄销直径;B为曲柄臂宽度;R为曲柄半径。
试验曲轴单拐刚度k为:
将各项曲轴参数代入式(14)计算得出曲轴单拐刚度为5.9×106N·m/rad,根据试验经验,试验频率一般29~35Hz之间,固有频率则为30~37Hz之间。以最小频率计算转动惯量J为:
摆体后端安装配重块以调节实际的惯量,来满足不同尺寸曲轴的疲劳试验。由转动惯量估算出摆体尺寸:宽280mm,厚200mm,后端长度约1 000mm。
2.4 有限元模态计算
在2.3节的参数设计方法采用了单拐的弯曲刚度估算,而实际的试验台架对整根曲轴试验,显然固有频率的估计会有一定的偏差。为了提高设计精度,利用有限元技术对台架设计参数进行修正。
根据以上的设计参数进行计算机辅助(computer aided engineering,CAE)建模,通过计算固有频率大小调整摆体长度,主轴颈至摆体后端长度1 020mm即可达到最小固有频率时的要求。网格模型如图3所示。
选用线性摄动分析步(abaqus linear perturbation)进行模态的计算[6,7],提取前30阶固有频率。试验台利用的模态为一阶平动,以此模拟曲轴受到对称弯矩作用。前两阶计算结果见表1。
通过模态计算验证,最小固有频率在30~37Hz之间,频率比满足要求,台架各项参数符合设计要求。
3 试验验证
本试验台为谐振式曲轴疲劳试验台,在按照以上参数设计制造后需要对其稳定性进行检验,验证各项参数是否满足试验要求。
根据曲轴弯矩疲劳试验台的试验方法,采用静标动测的方法对曲轴试验转速和弯矩进行标定。试验实际弯矩和由式(6)计算的理论弯矩见表2。
对表中数据进行分析可知,采用式(6)计算的理论加载弯矩和试验实际弯矩相对误差在20%左右。这是因为,采用式(6)计算弯矩并没有考虑实际阻尼对振动系统的影响,使理论预测的加载弯矩比实际偏大。台架在运行24h后,对各部件进行检查,发现主动臂、被动臂、夹持部分及支撑弹簧均工作正常,并未出现温度升高、转速不稳等异常情况。综合试验结果表明:该台架设计各项参数基本达到试验预期要求。
4 结论
(1)传统的设计方法采用了单拐弯曲刚度估算,对台架摆体设计整体把握不足,参数估算精度不高,但比较快捷;有限技术恰好可以弥补这方面的不足,整体性更强。两种设计方法均可满足工程应用,可视情况选择。
(2)谐振式曲轴弯曲疲劳试验台架经试验验证,曲轴循环寿命满足S-N线规律,试验弯矩和估算弯矩误差约20%,激振频率符合预计范围,各项参数满足试验使用要求,部件能够经受耐久考验,性能良好。
(3)系统阻尼对于系统的共振频率有一定影响,在台架调试阶段使用配重块来消除阻尼误差,工程应用可以忽略,理论研究时则需要加以考虑。
摘要：针对曲轴疲劳试验台架适用情况,分别采用单拐刚度估算法和有限元模态估算法,设计出适用于较大主轴颈和回转半径的曲轴疲劳试验台。经试验验证,新设计台架运行正常,满足各项试验使用需求。研究结果表明:传统单拐设计法对试验台参数估算较为快捷,但精度略显不足,台架后期调整耗时长;有限元估算整体性较强,减少台架后期调整时间,但设计阶段周期长;两种设计方法均能满足工程应用。
关键词：内燃机,曲轴试验,弯曲疲劳,模态,有限元,台架设计
参考文献
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