机械结构抗疲劳与可靠性研究

机械结构抗疲劳与可靠性研究

发表时间：2018-09-11T16:07:36.423Z 来源：《基层建设》2018年第23期作者：王文亮

[导读] 摘要：疲劳破坏属于机械结构破坏的主要表现形式，对机理所形成的伤害比较复杂，造成这一后果的主要因素也非常多。

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摘要：疲劳破坏属于机械结构破坏的主要表现形式，对机理所形成的伤害比较复杂，造成这一后果的主要因素也非常多。由于在损伤的形成与膨胀的过程中存在隐蔽性、瞬时性和疲劳断裂，会给机械结构及其可靠性及安全性带来较严重的影响，所以分析机械结构疲劳与抗疲劳及其结构可靠性是非常有意义的。

关键词：机械结构；抗疲劳；可靠性

引言

机械设备正向着大规模、复杂精准的方向发展，伴随日渐激烈的服务环境和不断增加的影响因素，可靠性是保证机械正常高效运行的主要因素，充分发挥其应有的作用，创造出更大的经济利益。机械结构的疲劳失效是其系统中最主要的故障，严重影响机械的正常运行。因此对机械的寿命给予精准的预测并对其可靠性进行评估，可以更好的确保机械的安全运行。

1疲劳断裂的影响因素

1.1化学成分

不同的材料，性能有非常明显的差异，有的材料硬度较大，但仅受一个很小的力就会使其断裂；有的材料硬度较小，但却能承受多次的交变载荷的力而不发生断裂。同种混合金属材料，其成分的比例不同，对材料的抗疲劳性能也会产生不同的影响。究其根本，这是因为不同的材料，内部组织结构不一样、原子排列也不同，导致强度和塑性的差异，疲劳性能也随之改变。回火马氏体比珠光体加马氏体及贝氏体加马氏体具有更高的抗疲劳能力；铁素体加珠光体组织钢材的疲劳抗力随珠光体组织相对含量的增加而增加。在大多数的工程材料中，会存在各种夹杂，如在合金的熔炼制造过程中引入的杂质。以及渣痕、焊接缺陷，大的硫松等，都被视为材料的缺陷，这些缺陷都会导致材料的抗疲劳性能出现异常，在交变载荷作用下，这些缺陷很有可能发展为疲劳破坏的起源点。

1.2表面状况的影响

在裂纹起始阶段，疲劳是一个表面现象。疲劳裂纹常从零件构件的表面产生并开始扩展，因此表面加工状态的优劣对疲劳裂纹的产生及其扩展有重要影响。表面状况不好可以缩短裂纹起始阶段的条件。表面加工状态的优劣是指表面加工粗糙度、表面层的组织结构及应力状态等。如表面粗糙、加工造成的刀痕等都能引起应力集中效应，使疲劳强度降低。此外，由于表面处理或加工不当，使零件表层留有残余拉应力，也会使疲劳强度降低。一般材料的表面缺陷是疲劳起源的潜在位置，这些潜在位置在受到疲劳载荷时，会逐渐形成裂纹并且不断扩展，最终导致疲劳断裂，大大降低了疲劳寿命。一般来说表面越光滑的构件，其疲劳强度和疲劳寿命会越好。表面加工情况是影响疲劳性能的最直接的关键因素之一，也是最能直观观察到的因素。

1.3疲劳裂纹的扩展

构件表面出现疲劳裂纹源之后，裂纹会首先沿最大剪应力方向扩展，最大剪应力的方向一般与施加载荷的方向呈45°夹角。最初微裂纹比较少，随着循环载荷的不断作用，微裂纹数量增加，而且少数微裂纹通过继续扩展与其他微裂纹合并成为较大的裂纹。继续在构件上施加循环载荷，这些较大的裂纹的扩展方向会发生变化，转移到与载荷作用线垂直的方向，即最大拉应力面方向，在这个方向上裂纹继续扩展。裂纹沿45°最大剪应力面的扩展是第一阶段的扩展，在最大拉应力面内的扩展是第二阶段的扩展。第一阶段裂纹扩展的尺寸虽小，对寿命的贡献却很大，对于高强材料，尤其如此。随着循环应力的增加，裂纹逐步张开，裂纹尖端由于高度的应力集中，而沿最大剪应力方向滑移；应力进一步增大，裂纹充分张开，裂纹尖端钝化呈半圆形，开创出新的表面；卸载时已张开的裂纹要收缩，但新开创的裂纹面却不能消失，在卸载引入的压应力作用下失稳而在裂尖形成凹槽形；最后，在最大循环压应力作用下，又成为尖裂纹，但其长度增加了。下一循环，裂纹又张开、钝化、扩展、锐化，重复上述过程。这样，每一应力循环，将在裂纹面上留下一条疲劳痕迹，即疲劳条纹。

2机械结构可靠性分析

2.1影响机械结构可靠性的原因

对机械结构部件来说，不管是在进行产品设计与生产过程中，还是在以后的使用维护方面，可靠性都属于其主要指标。在以往的可靠性模型中，我们所了解与掌握的负载和强度都是静态状态下的，然而在现实的机械工程当中，尤其是在机械部件处于疲劳状态下之时，不仅会受到部件材料的特性影响，同时使用环境和时间长短，以及及负载的变化情况等都将都对其产生作用影响，那么机械部件的可靠性的指标与产品的使用性能，都将随着服务时间的延长而产生退化、衰弱，这一过程既是一个动态过程，同时也具有时变性特征。除此之外，很多机械结构部件所产生的故障模式存在一定的相关性，这主要是因为其故障模式不仅状态方程参数具有一定的相关性，而且其外部负载也存在着同源性。

2.2机械结构疲劳时变可靠性

结构可靠性指的是在指定时间、规定条件下所执行的指定功能的能力。此项目的提出及发展存在很多的不确定性因素。这些因素来自于具体的工程、如结构规格形状的分散、材料性质的分散、生产安装调式所造成的分散、服务环境的不同、维护与维护间的差异，及各事故因素和环境因素间的相关因素。首先，不确定性一般可分为随机的不确定性和认知的不确定性，随机的不确定性在具体工程当中是客观性存在的，并且是原本就有的，没有办法清除掉。认知的不确定性是因为结构部件的数据缺失或信息不完整而引起的。将这部分不确定性的信息运用到具体的设计当中，同时在有限元建模和优化设计环节、可靠性分析过程中思考影响结构内的不确定性，以此更充分的呈现项目的实际情况，如此有利于提高机械结构的可靠性与安全性。其次，时变性属于机械系统的重要标志，也是反映产品具有可靠性的主要特征，也就说这一标志能充分显示出零部件在时间的推移下，其使用性能与系统质量所产生的变化情况。机械部件其负载和强度的参数都与负载的寿命指数及数量有关联，例如可靠性的变化会随时间的变化而发生变化。并且大量的研究证明，不同材料其各自的衰减强度是各有不同的。从金属材料其疲劳损伤的机制来分析，装载进行时因为疲劳载荷而引发的错位，致使滑动与空隙方面的缺陷较小。然而在后来因缺陷而导致的裂纹强度会快速的降低，这时便会形成疲劳损伤。最后，从可靠性的角度来分析，当实施静态强度的分析时，通常会思考到失效的问题。只需思考应力与强度，并通过运用静态的应力和强度的干扰模型来对其可靠性、疲劳可靠性进行分析，不但需思考是不是失效故障发生的时间，还需思考压力、力量、时间、负荷及与物理量寿命有关的次数。与静强度相比，疲劳可靠性需更多的思考物理量，包