机械抗疲劳设计方法概述

【摘要】本论文首先对机械抗疲劳设计的必要性进行了说明，然后列出了机械抗疲劳设计的两个阶段，最后详细阐述了机械抗疲劳设计方法。

【关键词】机械，抗疲劳，设计方法

一、前言

随着当今社会的不断发展和生产技术水平的不断提高，对机械抗疲劳设计的要求也日益渐高。因此，积极采用科学的施工技术，不断完善抗疲劳设计方法就成为当前一项十分紧迫的问题。

二、机械疲劳的概述

疲劳是指材料在循环应力或循环应变效果下，因为某点或某些点逐步出现了部分的持久布局改变，从而在必定的循环次数后，出现裂纹或发生开裂的过程。工程构件的损坏方式主要有 3 种：磨损、腐蚀和开裂。

近十几年来，由于机械向高温、高速和大型的方向展开，机械的应力越来越高，运用条件越来越恶劣，疲劳损坏事端更是层出不穷。因而，许多发达国家越来越注重疲劳强度研究工作。中国因为没有对疲劳损坏问题做过全部查询，就造成了同类产品的运用寿命通常比发达国家低，问题更为严重。因而，展开疲劳强度研究工作，对中国的机械工业也是迫在眉睫的。

三、 抗疲劳设计的两个阶段

1、疲劳核算

依据材料的疲劳数据和零件的运用条件，对零件的尺度进行核算，或在现已知晓零件大小尺度的条件下，对零件的疲劳强度或疲劳寿命进行校核。在机械设计中，常运用先由静强度核算开始定出零件尺度，然后再进行疲劳强度校核的办法。

2、模仿疲劳实验

疲劳核算只能对零件的疲劳强度或寿命进行粗略预算。要想准确断定零件的疲劳时间，当前还首要依托模仿疲劳实验。因而，为了确保安全运用，或重要的零部件成批生产之前，还要进行零部件甚至整机的模拟疲劳实验。在开始设计阶段，通常只进行疲劳核算。

四、机械抗疲勞设计方法

1、合理挑选零件材料

在选材中既要注意对静强度的需求，又要注意有杰出的抗疲劳功能。在抗疲劳规划中，需要从疲劳强度的观点来选材，为此要做到运用期限的应力值（疲劳极限）的满意度；材料的切断敏感性和擦伤的疲劳敏感性小，在变载荷作用处要格外致使注意；裂纹拓展速度慢，就要使用临界裂纹尺度大一些的；即需求材料的断裂韧性大，使零件或布局在运用中呈现裂纹后，不会很快致使灾难性的损坏；合理挑选材料的热处理状况，它对疲劳特性的影响不能小看； 由于在垂直纤维方向的承载强度会降低百分之十到百分之二十，所有需要注意轧材和锻材等材料的纤维方向和首要受力方向的一致性；注意材料具有抗腐蚀功能；有必要的尽量削减材料的内部缺陷，对重要的零件应进行磁粉或超声波等特种检验。

2、降荷、降温设计

在工作中的实际情况已证明，在较低的交变应力下，零件或布局不容易发展成疲劳裂纹，并且即便一旦发生裂纹，其拓展速度也较慢。但究竟把应力水平控制在什么样的范围内较适宜，特别对断定初步规划中的应力水平非常重要。禁止在使用中超载。在使用工作中也证明，在低应力下工作后，再逐渐提高到规定的应力水平，也可提高抗疲劳强度。实践又证明关于冲突副零件（如滑动轴承）采纳降温规划，也可明显提高运用寿命。电子行业采纳降荷、降温规划后，会使某种电子产品寿命由原本的平均不到300小时，提升到3000小时左右。

3、避免和减缓应力集中

零件的疲劳损坏通常从最大应力处做为开端，而应力会集通常是发生疲劳裂纹之源；应力会集是影响疲劳强度的一个首要因素，在规划中应尽可能防止应力会集情况的呈现。但是在工作的实践总结中可以看出布局中要完全防止应力会集问题几乎是不现实的。因而，在规划中应尽量减缓应力会集现象。在此介绍一些应注意的规划准则：在构件中应尽量防止横截面有急剧改变；在构件横截面尺度或形状改动的时候尽量使用较大圆角等圆滑过渡。布局中应可能防止传力途径中断；尽量选用对称布局，尽可能防止带有偏心的布局。在不对称之处，应注意部分曲折导致的应力，注意加强刚度；布局应尽量削减开口，特别在受拉外表不开口；有必要开口时要注意开口的形状，以降低应力会集。铆钉孔、螺栓孔、焊缝等均是易发生应力会集的部位，在衔接处应适当加厚以削减部分应力，焊缝处磨圆滑是降低应力会集的有力办法；在首要构件有应力会集的部位不再衔接非必要的零件，以防止再增大局部应力；去掉毛边，零件一切边缘应圆润，孔的边际最佳能倒角；零件的编号、象征等所打硬印处也是直接导致应力会集的地方。打印方位应选在低应力部位，在加工过程中为划线，需打上洋冲眼，如打在高应力区容易导致疲劳裂纹，应规定在加工后进行必要打磨。空孔（技术孔）相对于填塞好的孔更可能成为疲劳源，应注意在安装后填塞好技术孔等。尽量选用经过工作的总结中可以看出检测证明而行之有用的提高抗疲劳寿命的布局方式；任何与以往行之有用的传统规划有较大不同的规划，应注意经过实践和注意在使用过程中的作用。

4、减小表面上微观不平的凹谷

改进零件外表的抗疲劳功能在工作中的实际总结证明，疲劳损坏常常由外表作为源头，疲劳裂纹通常在外表质量差的部位发生。因而设法防止和消除易使外表发生疲劳裂纹的质次外表，将会大大提高抗疲劳强度。

（一）、减小外表上微观不平的凹谷

使外表状况系数增大，特别是对优质高强度合金钢更应如此，以发扬其抗疲劳能力。外表应防止有尖利的划伤或刻痕。

（二）、选用外表强化措施

包含外表高频淬火等热处置，渗碳、氮化等化学热处置以及滚压、喷丸等机械的硬化处理等办法，使材料表层的抗疲劳强度增加。由于经强化后，表层金属强度提高，使疲劳发生源从外表向内过度。这些年，外表强化办法趋于完善，除了传统的零件硬化（喷丸、滚压、冲击）办法之外，液压机械处置、振荡滚压、金刚石熨平、高能束处理等新办法也得到了广泛应用。其间振荡滚压法可使中等硬度结构钢的冷作深度达三十到五十毫米，从而大大提高零件的疲劳极限。在此需格外指出，对应力呈非均匀分布的零件进行外表强化技术加工时，除了提出外表硬度需求外，还应提出硬化层的深度需求，使得零件的外表和中间取得强度。还有各种复合强化办法，如外表塑性变形与外表淬火联合法；外表塑性变形与热处置联合法；外表塑性变形与电镀联合法；外表塑性变形与对焊缝进行预氩弧处置的复合强化等也得到了广泛应用。各国运用在工作中的实际总结证明，外表塑性变形处置对提高疲劳极限效果显著，大大提高了变载荷下作业的零件的强度储藏和运用寿命。

（三）、采纳必要的外表防腐方法，并且要注意防腐

方法是不是对零件的抗疲劳功能发生有害的影响。例如对电镀零件应注意防止因氢脆和应力腐蚀而导致提早损坏等。

（四）、相对停止的两个外表之间不允许彼此滑移，防止腐蚀擦伤

无法防止时，应选用薄带填料或涂层来减小彼此的擦伤。例如螺栓孔内需要紧配合的衬套，能够削减螺栓和孔之间外表的擦伤，防止螺孔致裂。

（五）、预变形技术。

对某些零件，在作业前先使其发生少许塑性变形，形成有利的剩余压应力以提升疲劳寿命（但要注意：假如使用剩余拉应力，则反使材料的抗疲劳强度降低）。

（六）、采纳止裂办法

选用多重受力件，一个构件由几个元件组成，如其中一个元件呈现裂纹，不致拓展到其他元件上；设置止裂孔和止裂缝，在裂纹的预期拓展路径上，钻一个小孔和设置止裂缝，当裂纹拓展到小孔或裂缝时，顶部变钝，使拓展减缓；设置止裂件，在裂纹的拓展路径上设置加强件；选用开裂前主动报警的安全办法。例如压力容器开裂前的渗漏报警等。

5、合理的振动设计

對运动（往复、旋转）的零部件，应注意合理的振荡规划。应核算或实测运动件的自振频率，有必要防止在运用的速度范围内的各个频率之间产生共振现象，防止因振荡而产生零部件疲劳损坏；噪音源邻近的布局板件应添加刚度，夹层是较为常用的有用布局办法。

6、选用可靠性特别规划法

（一）、冗余规划法

对单薄零部件事前备有相同布局的规划办法。就象飞机规划中添加发动机的数目，当一个发动机出毛病时，备用发动机参加工作，确保了飞机安全一样。

（二）、安全运用期限规划法

对易损件选用有限寿命规划，这就需求精确估量寿命，当到达运用寿命时，按时替换易损件。这时，应注意布局的开敞性，以便于修理、查看与替换。

（三）、减荷规划法

削减构件内应力和应力会集，前面已经有叙说。

（四）、安全设备与安全检测规划

选用信号监控设备，使反常现象得以显现，以防患于未然。自行监控与自行校对的闭式反馈控制系统是目前安全规划的发展方向；

（五）、选用多路传力布局或多重受力构件规划

当其间一个构件损坏后，其它元件仍能持续受力，确保构件具有持续承载能力。

7、合理操作与定期检修

合理操作对于提高零部件的疲劳强度也具有重要意义。误操作可以使零件载荷骤增，产生巨大损伤。为了保证和提高设备的使用寿命，必须按操作规程进行操作，尽量避免不必要的载荷波动。另外设计人员在规划的过程中就要考虑维护大纲的编写，使用方必须按照设计方提供的维护方法定期检修，以便及时发现问题，采取有效措施；并且将产品使用过程中出现的问题向设计方反馈。总之设计是产品寿命的最初屏障，用户的使用维护则是最后屏障！

此外，布局的联接处和联接接头抗疲劳规划也不容小视。由于运用实践中的疲劳损坏经常在联接部位呈现（销钉联接、螺栓联接、焊接等）。总归，在抗疲劳规划中，但凡有利于提升抗疲劳强度的就选用，凡会减弱抗疲劳强度的就应抛弃。五、结束语

机械抗疲劳设计作为工程项目施工的核心工作之一，对工程施工管理、进度控制、质量控制、等方面具有十分重要的作用。我们必须将科学技术与实践相结合，才能看到机械抗疲劳设计所做出的效果。

参考文献

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[5]王斐，赵君黎，雷俊卿.公路钢结构桥梁的疲劳设计研究[J].公路，2007

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