重型機(jī)械強(qiáng)度與疲勞的案例
機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度計算
1.疲勞強(qiáng)度的基本概念
機(jī)械零件在工作時，往往受到力的作用。若強(qiáng)度不足，則可能引起零件斷裂或過度塑性變形等失效。因此，強(qiáng)度條件是設(shè)計機(jī)械零件時必須滿足的設(shè)計準(zhǔn)則。通用機(jī)械零件的強(qiáng)度計算分為靜應(yīng)力強(qiáng)度和變應(yīng)力強(qiáng)度兩個范疇。應(yīng)力按其隨時間變化的特性不同，可分為靜應(yīng)力和變應(yīng)力，應(yīng)力的大小和方向不隨時間變化或變化緩慢的應(yīng)力稱為靜應(yīng)力；隨時間變化較為明顯的稱為變應(yīng)力。在靜應(yīng)力作用下的零件，可以根據(jù)材料力學(xué)的知識進(jìn)行靜強(qiáng)度條件設(shè)計；在變應(yīng)力作用下的零件，應(yīng)按疲勞強(qiáng)度條件設(shè)計。
1.1.應(yīng)力循環(huán)特性
具有周期性的變應(yīng)力稱為循環(huán)變應(yīng)力，否則稱為隨機(jī)變應(yīng)力。循環(huán)變應(yīng)力分為穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力和規(guī)律性不穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力兩種。穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力又有三種基本類型：對稱循環(huán)變應(yīng)力、脈動循環(huán)變應(yīng)力和一般循環(huán)變應(yīng)力。
變應(yīng)力特性可用最大應(yīng)力σmax、最小應(yīng)力σmin、平均應(yīng)力σm、應(yīng)力幅σa和應(yīng)力比r（應(yīng)力循環(huán)特性系數(shù)）5個基本參數(shù)來描述。
其中，σmax和σmin分別表示最大和最小應(yīng)力（正應(yīng)力）。
1）對于對稱循環(huán)變應(yīng)力，σm=0，σmax=σa=-σmin，r=-1；
2）對于脈動循環(huán)變應(yīng)力，σm=σa，σmin=0，r=0；
3）對于靜應(yīng)力，σa=0，σmax=σmin=σm，r=1。
在這些循環(huán)變應(yīng)力中，對稱循環(huán)變應(yīng)力對機(jī)械零件的破壞力最大。
1.2.材料的疲勞特性
在變應(yīng)力作用下，機(jī)械零件的主要失效形式是疲勞斷裂。疲勞斷裂是與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)有關(guān)的斷裂。
疲勞失效往往是在沒有明顯預(yù)兆的情況下突然發(fā)生的，因此常常造成嚴(yán)重的事故。據(jù)統(tǒng)計，飛機(jī)、車輛和機(jī)器中發(fā)生的事故有很大比例是疲勞失效造成的。因此，對于在變應(yīng)力作用下的零件進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計算是非常必要的。
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比較而言，碳是影響材料強(qiáng)度的最主要因素。而一些在鋼中形成夾雜物的雜質(zhì)元素則對疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。
6. 熱處理和顯微組織的影響
不同的熱處理狀態(tài)會得到不同的顯微組織，因此，熱處理對疲勞強(qiáng)度的影響，實質(zhì)上就是顯微組織的影響。同一成分的材料，由于熱處理不同，雖然可以得到相同的靜強(qiáng)度，但由于組織的不同，疲勞強(qiáng)度可在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化。
在相同的強(qiáng)度水平時，片狀珠光體的疲勞強(qiáng)度明顯要低于粒狀珠光體。同是粒狀珠光體，其滲碳體顆粒越細(xì)小，則疲勞強(qiáng)度越高。
顯微組織對材料疲勞性能的影響，除了和各種組織本身的機(jī)械性能特性有關(guān)外，還和晶粒度以及復(fù)合組織中組織的分布特征有關(guān)。細(xì)化晶粒可提高材料的疲勞強(qiáng)度。
7. 夾雜物的影響
夾雜物本身或由它而產(chǎn)生的孔洞相當(dāng)于微小缺口，在交變載荷作用下將產(chǎn)生應(yīng)力集中和應(yīng)變集中，成為疲勞斷裂的裂紋源，對材料的疲勞性能造成不良影響。夾雜物對疲勞強(qiáng)度的影響不僅取決于夾雜物的種類、性質(zhì)、形狀、大小、數(shù)量和分布，而且還取決于材料的強(qiáng)度水平以及外加應(yīng)力水平及狀態(tài)等因素。
不同類型的夾雜物其機(jī)械和物理性能不同，和母材性能之間的差異不同，對疲勞性能的影響也不同。一般說來，易變形的塑性夾雜物（如硫化物）對鋼的疲勞性能影響較小，而脆性夾雜物（如氧化物、硅酸鹽等）則有較大的危害。比基體膨脹系數(shù)大的夾雜物）因在基體中產(chǎn)生壓應(yīng)力而影響小，而比基體膨脹系數(shù)小的夾雜物因在基體中產(chǎn)生拉應(yīng)力而影響大。
夾雜物與母材結(jié)合的緊密程度也會影響疲勞強(qiáng)度。硫化物易于變形，和母材結(jié)合緊密，而氧化物易于脫離母材，造成應(yīng)力集中。由此可知，從夾雜物的類型來說，硫化物的影響較小，而氧化物、氮化物和硅酸鹽等則是危害較大的。
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二、simscape仿真
仿真視頻如下：
液壓控制機(jī)械臂simscape仿真
Visual Components對重型機(jī)械工業(yè)的影響 衡祖仿真
一、重型機(jī)械行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)
此行業(yè)制造商面臨著許多挑戰(zhàn)，首先是世界各地實施的環(huán)境法規(guī)不斷增多，可持續(xù)建筑實踐、改善空氣質(zhì)量和減少排放已成為產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)背后的主要驅(qū)動力，健康和安全標(biāo)準(zhǔn)也在不斷發(fā)展，給已經(jīng)面臨熟練勞動力短缺問題的制造商帶來了新的負(fù)擔(dān)。
二、為什么使用Visual Components進(jìn)行模擬？
使用Visual Components進(jìn)行模擬以改善對停機(jī)時間的響應(yīng)并提高生產(chǎn)效率。
1、提高對停機(jī)時間的響應(yīng)能力
重工業(yè)制造過程中的任何輕微故障或延誤都會導(dǎo)致生產(chǎn)成本飆升。通過使用 Visual Components 3D 模擬，規(guī)劃人員可以更加快速地響應(yīng)此類場景。
2、更具適應(yīng)性和競爭力
工業(yè)4.0引入后，制造工藝不斷取得技術(shù)進(jìn)步。為了保持競爭力，制造商需要縮短流程周期時間。Visual Components生產(chǎn)模擬有助于在無風(fēng)險的環(huán)境中測試各種場景，并突出顯示更好的流程實施。
3、更好的培訓(xùn)和資源管理
Visual Components Experience和交互式虛擬現(xiàn)實 (VR) 功能對于遠(yuǎn)程培訓(xùn)現(xiàn)場工作人員非常有用。這些功能可以改善通信，還有助于確定不同進(jìn)程的正確資源分配。
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電子書：面向管理層的重型機(jī)械數(shù)字化制造指南
實現(xiàn)重型機(jī)械行業(yè)的戰(zhàn)略目標(biāo)
近期的市場情況表明，按照舊有的方式經(jīng)營業(yè)務(wù)已經(jīng)不再可行。數(shù)字化制造對于解決復(fù)雜生產(chǎn)問題、改善業(yè)務(wù)并實現(xiàn)戰(zhàn)略目標(biāo)已經(jīng)必不可少。
擁抱數(shù)字化制造的重型機(jī)械企業(yè)必然可以：
加速產(chǎn)品上市
降低風(fēng)險
增加利潤
提高市場地位
在本電子書中，您可以了解到重型裝備行業(yè)的管理層應(yīng)如何憑借數(shù)字化制造的力量應(yīng)對制造行業(yè)出現(xiàn)的越來越多的挑戰(zhàn)。
精益制造的數(shù)字化工具
制造商需要不斷引進(jìn)創(chuàng)新的設(shè)計、材料和制造流程。借助數(shù)字化工具促進(jìn)精益制造和加快創(chuàng)新的關(guān)鍵在于產(chǎn)品設(shè)計和制造工程之間更加緊密的協(xié)同。通過在公共數(shù)字化生態(tài)系統(tǒng)中操作并共享相同的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施，設(shè)計和制造工程師可以被賦能直接協(xié)作。
數(shù)字化制造可以降低風(fēng)險
數(shù)字化雙胞胎賦能精確的生產(chǎn)規(guī)劃、仿真和驗證，降低了風(fēng)險，大幅節(jié)省了原本高昂的下游成本。在實際生產(chǎn)之前，通過工程、運(yùn)營（生產(chǎn)）和業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的實時協(xié)同，企業(yè)可以準(zhǔn)確驗證資源的可用性、性能和生產(chǎn)量。數(shù)字化制造還允許工程師快速識別和解決生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的任何問題。
提高重型裝備行業(yè)的利潤率
全球化和大規(guī)模定制的市場驅(qū)動力造成不確定性，需要制造商更加靈活應(yīng)變。為了提高重型裝備行業(yè)的利潤率，制造商必須將工程、工序和工廠資源性能與企業(yè)體系及自動化系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同，達(dá)成數(shù)字化連接。
此方法可以通過閉環(huán)協(xié)同確保運(yùn)營性能最佳、降低變更成本、加快創(chuàng)新，同時保持最高的質(zhì)量和運(yùn)營效率。
西門子數(shù)字化制造解決方案
制造計劃必須為現(xiàn)在和未來的業(yè)務(wù)規(guī)劃提供新的運(yùn)營方式。西門子提供強(qiáng)大的數(shù)字化制造解決方案能夠滿足企業(yè)的競爭力需求，為數(shù)字化業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型奠定穩(wěn)定的軟件基礎(chǔ)。
展開 基于Solidthinking Inspire的重型機(jī)械手優(yōu)化設(shè)計研究
本案例載體源自筆者碩士研究生期間從事研發(fā)的隧道重型機(jī)械手，該機(jī)械手作為隧道噴漿支護(hù)噴漿機(jī)器人的全自動化的核心操作機(jī)構(gòu)，該機(jī)械手在工程使用的一年過程中，頻繁的啟停時，運(yùn)動，噴漿工作等復(fù)雜工況，各機(jī)械手關(guān)節(jié)運(yùn)動性能仍均正常，說明機(jī)械手各關(guān)節(jié)設(shè)計存在較大的冗余度，在國家車輛行業(yè)節(jié)能減排的驅(qū)使下，輕量化設(shè)計技術(shù)不斷發(fā)展，因此對于該機(jī)械手進(jìn)行輕量化優(yōu)化分析很有必要，本案列運(yùn)用ADAMS和Inspire對機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)模型和臂架的有限元模型進(jìn)行建模以及拓?fù)鋬?yōu)化分析。
1. 基于Adams的運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)建模與仿真
在該重型機(jī)械手進(jìn)行輕量化分析前，需要對機(jī)械手的工況進(jìn)行綜合考慮，分析出各關(guān)節(jié)最危險的工況，在對其進(jìn)行其加載分析。為了分析噴漿機(jī)在不同姿態(tài)工作時的受力情況，利用動力學(xué)分析仿真軟件ADAMS對機(jī)械手系統(tǒng)進(jìn)行仿真。 從creo中建立好的機(jī)械臂裝配CAD模型導(dǎo)入Adams中，定義各構(gòu)件質(zhì)量信息、各運(yùn)動副的約束以及附加混凝管道重力,得到Adams運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)模型。
Adams運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)模型
仿真工況描述：機(jī)械手從初始位置向上揚(yáng)起水平位置，然后大臂伸縮臂走水平位移2m。（初始位置為大臂處于上仰位姿，伸縮臂縮到最短位置），小臂伸縮臂走水平位移2m,小臂從初始位置60°回轉(zhuǎn)到-180°，由于該機(jī)械手各關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本文主要研究三臂輕量化工作，因為三臂是大臂與小臂的連接關(guān)節(jié)，承受著大臂和小臂給予的復(fù)雜載荷。通過測量三臂各個鉸點運(yùn)動副的受力，可得其在工況運(yùn)動過程中的x、y、z方向受力情況（如下圖）。
展開 飛機(jī)強(qiáng)度計算方法--疲勞強(qiáng)度計算
飛機(jī)強(qiáng)度計算方法--疲勞強(qiáng)度計算
基于FKM 規(guī)范的靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度評估解決方案
靜強(qiáng)度或疲勞強(qiáng)度評估的選擇。
（6）
報告生成
基于FKM規(guī)范，進(jìn)行構(gòu)件或焊縫的靜強(qiáng)度或疲勞強(qiáng)度評估，對應(yīng)分析的中間數(shù)據(jù)和過程及結(jié)果數(shù)據(jù)將通過報告自動生成得到，以供校核和評審使用。
疲勞強(qiáng)度教程及資料
經(jīng)典教程和一些資料
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影響零件疲勞強(qiáng)度的主要因素
材料的疲勞極限，實際上是材料的力學(xué)性能指標(biāo)，是用試件通過試驗測出的。而實際中的各機(jī)械零件，與標(biāo)準(zhǔn)試件在形體、表面質(zhì)量以及絕對尺寸等方面往往是有差異的。因此實際機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度與用試件測出的必然有所不同。
影響零件疲勞強(qiáng)度的主要因素有以下三個：
影響零件疲勞強(qiáng)度的主要因素.pdf
飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度分析
2）突風(fēng)載荷：它是由于飛機(jī)在不穩(wěn)定氣流中飛行時，受到不同方向和不同強(qiáng)度的突風(fēng)作用而使飛機(jī)承受的氣動交變載荷。
3）地－空－地循環(huán)載荷：飛機(jī)在地面停放或在地面滑行時，機(jī)翼在本身重量和設(shè)備重量作用下，承受向下的彎矩，但飛機(jī)離地起飛后，機(jī)翼在升力作用下，承受向上的彎矩。這種起落一次交變一次的載荷，稱為地－空－地循環(huán)載荷。這是一種時間長、幅值大的載荷。
4）著陸撞擊載荷：它是由于飛機(jī)著陸接地后，起落架的彈性引起飛機(jī)顛簸加到飛機(jī)上的重復(fù)載荷。
5）地面滑行載荷：它是由于飛機(jī)在地面滑行時因跑道不平引起顛簸，或由于剎車、轉(zhuǎn)彎、牽引等地面操縱而加到飛機(jī)上的重復(fù)載荷。
6）座艙增壓載荷：這是由于座艙增壓和卸壓，而加給座艙周圍構(gòu)件的重復(fù)載荷。
在以上幾種疲勞載荷中，對殲擊機(jī)影響最大的是機(jī)動載荷、著陸撞擊載荷和地面滑行載荷。
6、根據(jù)部隊和工廠維修實踐，影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的因素主要有以下四個方面：
1）應(yīng)力集中的影響：大量破壞事例證明：應(yīng)力集中是影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的主要因素，疲勞源總是出現(xiàn)在應(yīng)力集中的部位。如開孔、開槽、倒角、螺紋等處容易出現(xiàn)疲勞裂紋。
2）表面加工質(zhì)量的影響：大量的破壞事例也證明：表面加工質(zhì)量不高，也是影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的重要因素。
3）裝配效應(yīng)的影響：使用經(jīng)驗和疲勞試驗表明，各種裝配效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度影響很大。
4）使用環(huán)境的影響
1腐蝕疲勞：金屬受到腐蝕，將產(chǎn)生“腐蝕疲勞”，使疲勞強(qiáng)度降低，因為腐蝕使金屬表面產(chǎn)生無數(shù)的小應(yīng)力集中點，促使疲勞裂紋的形成。
2擦傷疲勞：當(dāng)兩個相互接觸的固體表面具有微小的相對運(yùn)動時，表面會受到損傷，這就會引起“擦傷疲勞”（或稱“擦傷腐蝕”）。
3高溫疲勞和低溫疲勞：溫度對結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度也有影響。
4熱疲勞：構(gòu)件在交變的熱應(yīng)力作用下引起的破壞稱為“熱疲勞”。
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