機(jī)械結(jié)構(gòu)抗疲勞與可靠性分析

衡安然

摘 要：疲勞破壞作為機(jī)械結(jié)構(gòu)損傷的主要形式，損傷機(jī)理復(fù)雜，因素眾多。由于損傷在其形成和膨脹過(guò)程中具有很強(qiáng)的隱蔽性和疲勞斷裂和瞬時(shí)性，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性有很大的威脅，因此對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的疲勞和杭疲勞以及結(jié)構(gòu)的可靠性進(jìn)行分析，具有較深意義。

關(guān)鍵詞：機(jī)械結(jié)構(gòu)；抗疲勞分析；可靠性分析

1.機(jī)械結(jié)構(gòu)抗疲勞與可靠性分析的意義

機(jī)械設(shè)備正向著大規(guī)模、復(fù)雜精準(zhǔn)的方向發(fā)展，伴隨日漸激烈的服務(wù)環(huán)境和不斷增加的影響因素，可靠性是保證機(jī)械正常高效運(yùn)行的主要因素，充分發(fā)揮其應(yīng)有的作用，創(chuàng)造出更大的經(jīng)濟(jì)利益。機(jī)械結(jié)構(gòu)的疲勞失效是其系統(tǒng)中最主要的故障，嚴(yán)重影響機(jī)械的正常運(yùn)行。因此對(duì)機(jī)械的壽命給予精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)并對(duì)其可靠性進(jìn)行分析，可以更好的確保機(jī)械的安全運(yùn)行。

2.機(jī)械結(jié)構(gòu)疲勞與抗疲勞分析

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在實(shí)際工程中，機(jī)械部件的疲勞損傷占總故障的50%-90%。疲勞壽命包括兩個(gè)階段：疲勞裂紋形成階段的壽命和疲勞裂紋擴(kuò)展階段的壽命。疲勞損傷是由多個(gè)因素引起的，其中材料的應(yīng)力水平和材料抗疲勞性特性至關(guān)重要。通常表明，高應(yīng)力水平導(dǎo)致較短的壽命，較低應(yīng)力水平則壽命較長(zhǎng)；高韌性和高強(qiáng)度材料在相同條件下具有較長(zhǎng)的疲勞壽命。負(fù)載特性如負(fù)載類型、負(fù)載變化幅度、負(fù)載頻率以及平均應(yīng)力幅度等。疲勞的發(fā)展是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，通常需要一些時(shí)間才能造成傷害，并且在傷害發(fā)生之前不會(huì)出現(xiàn)明顯的跡象，并且由于發(fā)生突然，這是非常危險(xiǎn)的，在設(shè)計(jì)時(shí)就必須給予足夠的關(guān)注。

疲勞斷裂是機(jī)械結(jié)構(gòu)的主要破壞形式，越來(lái)越受到人們的關(guān)注。疲勞裂紋產(chǎn)生和連續(xù)膨脹，由結(jié)構(gòu)材料，外部載荷隨機(jī)波動(dòng)，工藝參數(shù)固有不均勻性，將使相同條件下的同一結(jié)構(gòu)，反映出差異性能，結(jié)構(gòu)疲勞壽命有時(shí)會(huì)相差數(shù)倍，有很大的分散性。

3.機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性分析

3.1影響機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性的原因

對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)部件來(lái)說(shuō)，不管是在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過(guò)程中，還是在以后的使用維護(hù)方面，可靠性都屬于其主要指標(biāo)。在以往的可靠性模型中，我們所了解與掌握的負(fù)載和強(qiáng)度都是靜態(tài)狀態(tài)下的，然而在現(xiàn)實(shí)的機(jī)械工程當(dāng)中，尤其是在機(jī)械部件處于疲勞狀態(tài)下之時(shí)，不僅會(huì)受到部件材料的特性影響，同時(shí)使用環(huán)境和時(shí)間長(zhǎng)短，以及及負(fù)載的變化情況等都將都對(duì)其產(chǎn)生作用影響，那么機(jī)械部件的可靠性的指標(biāo)與產(chǎn)品的使用性能，都將隨著服務(wù)時(shí)間的延長(zhǎng)而產(chǎn)生退化、衰弱，這一過(guò)程既是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，同時(shí)也具有時(shí)變性特征。

3.2機(jī)械結(jié)構(gòu)疲勞時(shí)可靠性

結(jié)構(gòu)可靠性指的是在指定時(shí)間、規(guī)定條件下所執(zhí)行的指定功能的能力。此項(xiàng)目的提出及發(fā)展存在很多的不確定性因素。這些因素來(lái)自于具體的工程、如結(jié)構(gòu)規(guī)格形狀的分散、材料性質(zhì)的分散、生產(chǎn)安裝調(diào)式所造成的分散、服務(wù)環(huán)境的不同、維護(hù)與維護(hù)間的差異，及各事故因素和環(huán)境因素間的相關(guān)因素。首先，不確定性一般可分為隨機(jī)的不確定性和認(rèn)知的不確定性，隨機(jī)的不確定性在具體工程當(dāng)中是客觀性存在的，并且是原本就有的，沒有辦法清除掉。認(rèn)知的不確定性是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)部件的數(shù)據(jù)缺失或信息不完整而引起的。將這部分不確定性的信息運(yùn)用到具體的設(shè)計(jì)當(dāng)中，同時(shí)在有限元建模和優(yōu)化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)、可靠性分析過(guò)程中思考影響結(jié)構(gòu)內(nèi)的不確定性，以此更充分的呈現(xiàn)項(xiàng)目的實(shí)際情況，如此有利于提高機(jī)械結(jié)構(gòu)的可靠性與安全性。其次，時(shí)變性屬于機(jī)械系統(tǒng)的重要標(biāo)志，也是反映產(chǎn)品具有可靠性的主要特征，也就說(shuō)這一標(biāo)志能充分顯示出零部件在時(shí)間的推移下，其使用性能與系統(tǒng)質(zhì)量所產(chǎn)生的變化情況。機(jī)械部件其負(fù)載和強(qiáng)度的參數(shù)都與負(fù)載的壽命指數(shù)及數(shù)量有關(guān)聯(lián)，例如可靠性的變化會(huì)隨時(shí)間的變化而發(fā)生變化。并且大量的研究證明，不同材料其各自的衰減強(qiáng)度是各有不同的。從金屬材料其疲勞損傷的機(jī)制來(lái)分析，裝載進(jìn)行時(shí)因?yàn)槠谳d荷而引發(fā)的錯(cuò)位，致使滑動(dòng)與空隙方面的缺陷較小。然而在后來(lái)因缺陷而導(dǎo)致的裂紋強(qiáng)度會(huì)快速的降低，這時(shí)便會(huì)形成疲勞損傷。最后，從可靠性的角度來(lái)分析，當(dāng)實(shí)施靜態(tài)強(qiáng)度的分析時(shí)，通常會(huì)思考到失效的問題。只需思考應(yīng)力與強(qiáng)度，并通過(guò)運(yùn)用靜態(tài)的應(yīng)力和強(qiáng)度的干擾模型來(lái)對(duì)其可靠性、疲勞可靠性進(jìn)行分析，不但需思考是不是失效故障發(fā)生的時(shí)間，還需思考?jí)毫Α⒘α?、時(shí)間、負(fù)荷及與物理量壽命有關(guān)的次數(shù)。與靜強(qiáng)度相比，疲勞可靠性需更多的思考物理量，包含對(duì)累積損傷的計(jì)算，以此清楚掌握結(jié)構(gòu)將在怎樣的狀態(tài)下才具有最大程度的安全可靠性。

4.機(jī)械結(jié)構(gòu)的疲勞壽命預(yù)測(cè)與可靠性方法研究工作展望

最近幾年，機(jī)械結(jié)構(gòu)的疲勞研究取得了巨大的進(jìn)展，但同時(shí)也出現(xiàn)了一些新的技術(shù)性問題函待解決。特別是伴隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法和混沌力學(xué)等一些新興學(xué)科的快速發(fā)展，機(jī)械結(jié)構(gòu)的疲勞研究和這些新興的學(xué)科之間的相互融合為解決疲勞學(xué)科中出現(xiàn)的這些新的技術(shù)難題提供了思路。并且，相關(guān)的學(xué)者已經(jīng)嘗試著從不同的角度出發(fā)，使用一些新型的技術(shù)手段方法解決在疲勞學(xué)科中出現(xiàn)的一些新的技術(shù)性難題，比如在復(fù)雜載荷條件下對(duì)疲勞壽命可靠性計(jì)算的問題。其中會(huì)涉及非概率建模、隨機(jī)有限元法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法的方法、區(qū)間估計(jì)及其分析計(jì)算方法、基于模糊理論的結(jié)構(gòu)可靠性分析法、信息理論法等。隨著一些新興學(xué)科的不斷出現(xiàn)和發(fā)展以及疲勞學(xué)科自身的發(fā)展，學(xué)科之間相互進(jìn)行融合來(lái)解決一些技術(shù)性難題已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。并且，今后還將圍繞對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)在多失效模式、不確定性條件和復(fù)雜載荷條件下的機(jī)械機(jī)構(gòu)的疲勞壽命預(yù)測(cè)分析和可靠性設(shè)計(jì)評(píng)估問題展開一系列的研究工作。

5.結(jié)語(yǔ)

由于材料和設(shè)計(jì)等因素，機(jī)械加工過(guò)程中結(jié)構(gòu)容易發(fā)生疲勞現(xiàn)象。本文針對(duì)這一現(xiàn)象，從疲勞的成因和材料的抗疲勞特性出發(fā)，分析了機(jī)械結(jié)構(gòu)的疲勞與抗疲勞方法，并且分析了機(jī)械結(jié)構(gòu)的可靠性，可以為材料的選擇和機(jī)械設(shè)計(jì)等方面提供參考。

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