机械产品的一体化抗疲劳设计

机械产品的一体化抗疲劳设计


作者：林晓斌 | 阅读次数：1803
最近十几年，中国的机械制造业发展迅猛，机械产品的出口大幅增长，质量也越来越好。但是客观地说，中国机械产品的设计水平及其信息化程度仍然有待提高，特别是产品的抗疲劳设计水平较低，直接影响了企业的产品开发能力以及产品质量。我在这里主要是想给大家介绍一下两种典型的抗疲劳设计思路，一种是目前在国内广泛使用的传统耐久策略，另一种是最近才发展的，已经在一些世界著名企业得到广泛应用的一体化抗疲劳解决方案。通过分析对比让大家对一体化抗疲劳设计解决方案的先进性有一个初步的认识。
金属疲劳实际上是导致机械产品失效的一个主要原因。一般说来，金属材料只要受到动载荷，经过一定的时间就会产生裂纹，裂纹可能继续扩展，并最终导致构件的断裂。所以，在机械产品设计时，既要防止由于疲劳引起的失效，同时也要避免过头的设计，这样才能堤高产品的竞争力。
既然金属有疲劳问题，那机械产品在开发过程中是怎么考虑的呢？我对此作了一些调查，传统的思路是：先构思新产品方案；然后按照企业内部或行业规定做出设计，这些规定大多数并不考虑实际的动载荷，不要求进行疲劳寿命计算；设计完成后，制造出若干样机；再按照规定对样机进行疲劳试验。例如，汽车要做试车场考核试验，飞机要做全尺寸结构疲劳试验。如果试验结果符合规定，那么就认为产品合格，否则需要重新修改设计，重新制造样机，重新试验直至通过。可以想象，由于疲劳试验非常耗时，这种基于试验的产品开发将会非常的费时和费钱，并且一旦试验出了问题，修改设计也是盲目的。另外，即使通过了试验，也可能不知道为什么能通过。有时候甚至会发生试验通过的产品在实际使用时仍然出现严重的问题。可是，大多数中国的企业目前都在采用这样一种设计思路，据我所知，疲劳问题实际上正在困扰着国内的一些企业。
那么，有没有更好的办法呢？其实，国际上很多专业公司早已形成了全套的抗疲劳技术解决方案和软件产品。一体化抗疲劳解决方案实际上是和计算机、有限元以及数据采集和信号处理等技术一起发展起来的，由于篇幅的关系，我在这里只能给大家归纳一下它的一些主要特点，较详细的描述可参阅《中国机械工程》1998年第11期中的现代疲劳设计工程应用技术专辑。这些主要特点有：第一，以寿命为设计目标；第二，全方位调查用户用途及使用环境，尽量获取寿命设计所需的实际动载荷；第三，在设计阶段进行广泛的“虚拟”分析，应用疲劳理论进行寿命优化分析设计；第四，试验只对“好”的设计进行；第五，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；第六，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，进行数据流、信息流一体化管理。一些世界著名的汽车公司和飞机公司目前大多采用这种一体化解决方案，实践证明，它能帮助企业大大缩短产品的开发周期、提高企业的市场竞争力。
由于工作的关系我拜访过许多国外和国内的大型企业集团，深感中国的机械产品的抗疲劳设计水平和发达国家有相当大的差距，一是在发达国家已得到广泛应用的“虚拟”分析，才刚刚起步；二是没有完整的动载荷数据；三是缺乏材料的疲劳数据；四是没有有效的数据信息管理系统。但是，值得高兴的是，许多企业已经开始重视一体化抗疲劳设计技术，有些企业也购置了nCode的疲劳软件。我相信如果企业能尽快转变设计思路、培养人才、大力引进推动虚拟设计分析，并开始积累载荷和材料等数据，那么和发达国家在机械设计水平方面的差距将会很快缩小。

楼主：什么产品需要做疲劳设计？可否举几个典型例子？
国内的企业为什么一般都不做疲劳设计？为什么一般采用无限受命设计？
我想一是做疲劳设计成本太高，设计时间过长，二是疲劳现象很复杂，以至于我们还没有完全掌握其中的规律，很多经验公式可信度不高，试验验证又很费时费钱。
请楼主再多介绍一下进行疲劳设计的先进性和必要性好吗？

我现在想设计一样东西,如果我需要一个东西,比如自行车,设计年限是8年,你可以设计出来吗?
如果是5年,可以吗?

楼上说的，从理论上讲是可以进行有限寿命设计的，但需要进行大量的试验以获得数据，结果造成成本太高，耗时太长，得不偿失。

什么一般都不做疲劳设计？为什么一般采用无限受命设计？
为什么呢?

疲劳强度设计
fatigue strength，design for

   对承受循环应力的零件和构件，根据疲劳强度理论和疲劳试验数据，决定其合理的结构和尺寸的机械设计方法。机械零件和构件对疲劳破坏的抗力，称为零件和构件的疲劳强度。疲劳强度由零件的局部应力状态和该处的材料性能确定，所以疲劳强度设计是以零件最薄弱环节为依据的。通过改进零件的形状以减小应力集中，或对最弱环节的表面层采用适当的强化工艺，便能显著地提高其疲劳强度。应用疲劳强度设计能保证机械在给定的寿命内安全运行。
    1867年  ，德国的A.沃勒展示了用旋转弯曲试验获得的车轴疲劳试验结果，把疲劳与应力联系起来，提出了疲劳极限的概念，为常规疲劳设计奠定了基础。第二次世界大战中及战后，通过对当时发生的许多疲劳破坏事故的调查分析，逐渐形成了现代的常规疲劳强度设计。1945年，美国的M.A.迈因纳提出了线性损伤积累理论  。1953年，美国的A.K.黑德提出了疲劳裂纹扩展理论。之后，计算带裂纹零件的剩余寿命的具体应用，形成了损伤容限设计。20世纪60年代，可靠性理论开始在疲劳强度设计中应用。
    在常规疲劳强度设计中，有无限寿命设计（将工作应力限制在疲劳极限以下，即假设零件无初始裂纹，也不发生疲劳破坏，寿命是无限的）和有限寿命设计（采用超过疲劳极限的工作应力，以适应一些更新周期短或一次消耗性的产品达到零件重量轻的目的，也适用于宁愿以定期更换零件的办法让某些零件设计得寿命较短而重量较轻）。损伤容限设计是在材料实际上存在初始裂纹的条件下，以断裂力学为理论基础，以断裂韧性试验和无损检验技术为手段，估算有初始裂纹零件的剩余寿命，并规定剩余寿命应大于两个检修周期，以保证在发生疲劳破坏之前，至少有两次发现裂纹扩展到危险程度的机会。疲劳强度可靠性设计是在规定的寿命内和规定的使用条件下，保证疲劳破坏不发生的概率在给定值（可靠度）以上的设计，使零部件的重量减轻到恰到好处。

http://www.ieren.org/design_tec/design_item55_51.htm疲劳可靠性设计的方法

http://www.ieren.org/design_tec/design_item55_51.htm
大不开啊！！！

链接的内容如附件疲劳可靠性设计的方法.pdf

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