機(jī)械零件靜強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)

東北大學(xué)。

本標(biāo)準(zhǔn)包括載荷一次作用及多次作用下結(jié)構(gòu)零部件靜強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)計(jì)算方法及模型。2100433B

謝里陽(yáng)、吳寧祥、錢文學(xué)等。

本標(biāo)準(zhǔn)適用于機(jī)械零部件可靠性設(shè)計(jì)與可靠性評(píng)估。

靜強(qiáng)度分析包括下面幾個(gè)方面的工作。

校核結(jié)構(gòu)的承載能力是否滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)的要求，若強(qiáng)度過(guò)剩較多，可以減小結(jié)構(gòu)承力件尺寸。對(duì)于帶裂紋的結(jié)構(gòu)，由于裂紋尖端存在奇異的應(yīng)力分布，常規(guī)的靜強(qiáng)度分析方法已不再適用，已屬于疲勞與斷裂問(wèn)題。

校核結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力是否滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)的要求，同時(shí)為動(dòng)力分析等提供結(jié)構(gòu)剛度特性數(shù)據(jù)，這種校核通常在使用載荷下或更小的載荷下進(jìn)行。

計(jì)算和校核桿件、板件、薄壁結(jié)構(gòu)、殼體等在載荷作用下是否會(huì)喪失穩(wěn)定。有空氣動(dòng)力、彈性力耦合作用的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問(wèn)題時(shí)，則用氣動(dòng)彈性力學(xué)方法研究。

計(jì)算和分析結(jié)構(gòu)在靜載荷作用下的應(yīng)力、變形分布規(guī)律和屈曲模態(tài)，為其他方面的結(jié)構(gòu)分析提供資料。

靜強(qiáng)度分析的內(nèi)容也可通過(guò)靜力試驗(yàn)測(cè)定或驗(yàn)證。

靜強(qiáng)度分析是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中使用最為頻繁的分析，主要用來(lái)求解結(jié)構(gòu)在與時(shí)間無(wú)關(guān)或者時(shí)間作用效果可以忽略的靜力載荷（如集中/分布靜力、溫度載荷、強(qiáng)制位移、慣性力等）作用的響應(yīng)，并得出所需的位移、應(yīng)力和應(yīng)變能等。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)件的靜強(qiáng)度問(wèn)題，實(shí)際是考察機(jī)組的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件在使用當(dāng)中承受最大作用載荷的能力，分析結(jié)構(gòu)承受極端載荷時(shí)的最大應(yīng)變、應(yīng)力和位移，進(jìn)而討論該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度問(wèn)題。分析方法及準(zhǔn)則是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度校核中最基本的分析原則，是機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)活動(dòng)中首先考慮的基本要求。

考慮到不同的載荷工況會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件的受力狀態(tài)不同，因此，必須全面考察機(jī)組在運(yùn)行中所遇到的各種載荷狀態(tài)（或稱工況）。同一載荷分量，靜強(qiáng)度僅考慮最大載荷值即可。通常風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析依據(jù)相關(guān)規(guī)范給定的設(shè)計(jì)載荷法，即計(jì)算載荷必須包含安全系數(shù)γ_f。

根據(jù)求解問(wèn)題的復(fù)雜程度，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)件的靜強(qiáng)度分析方法可分為兩類：工程計(jì)算方法和有限元計(jì)算方法。

對(duì)于某類結(jié)構(gòu)件來(lái)說(shuō)，其結(jié)構(gòu)尺寸單一，受載條件簡(jiǎn)單，并且有權(quán)威機(jī)構(gòu)頒布的工程算法實(shí)例做參照，則此類結(jié)構(gòu)件的靜強(qiáng)度分析可應(yīng)用工程算法計(jì)算。例如，錐筒式塔筒筒段間螺栓連接的靜強(qiáng)度分析等。

對(duì)于載荷復(fù)雜或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的一類結(jié)構(gòu)件（例如，輪轂、底盤等），工程算法或者傳統(tǒng)強(qiáng)度分析辦法無(wú)法給出合乎規(guī)范要求的精確解，必須借助數(shù)值計(jì)算完成這類結(jié)構(gòu)件的靜強(qiáng)度分析。有限元法就是其中發(fā)展較為成熟的數(shù)值計(jì)算方法之一，是解決復(fù)雜力學(xué)問(wèn)題的一個(gè)有效的工具。如上圖1為有限元靜強(qiáng)度分析的一般流程。

分析的一般流程

有限元靜強(qiáng)度分析是求解近似解的過(guò)程，求解精度高度依賴建模策略，網(wǎng)格密度以及載荷或位移邊界的施加方式，為保證計(jì)算結(jié)果安全可信，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)件的有限元靜強(qiáng)度分析應(yīng)滿足下列基本原則。

建模及網(wǎng)格劃分應(yīng)遵循的原則

1）對(duì)于非重點(diǎn)考察區(qū)域的細(xì)小特征，例如圓孔、倒角、凸臺(tái)等，在不影響整體剛度的前提下，可以適當(dāng)簡(jiǎn)化；

2）采用構(gòu)建相鄰部件的部分模型（假體）的方法，增加模型的合理判別區(qū)域。結(jié)構(gòu)件、假體模型的尺寸及其連接方式應(yīng)與實(shí)際情況保持一致；

3）模型整體的網(wǎng)格規(guī)模和網(wǎng)格質(zhì)量應(yīng)適當(dāng)，重點(diǎn)校驗(yàn)區(qū)域要加密網(wǎng)格，非重要的區(qū)域可適當(dāng)增大網(wǎng)格尺寸，建議采用高階單元?jiǎng)澐帜Ｐ停?

4）對(duì)于呈現(xiàn)高應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力梯度變化較大的局部區(qū)域，要細(xì)分網(wǎng)格，追求高質(zhì)量網(wǎng)格。建議出現(xiàn)高應(yīng)力的倒圓特征至少劃分三層單元；

5）含有對(duì)稱結(jié)構(gòu)特征的模型，可以考慮建立最小模型，降低計(jì)算復(fù)雜性。

施加載荷應(yīng)遵循的原則

1）簡(jiǎn)化假設(shè)越少越好；

2）使施加的載荷與結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載狀態(tài)保持吻合；

3）如必須作簡(jiǎn)化處理時(shí)，必須忽略“不合理”簡(jiǎn)化的邊界附近一定區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力；

值得注意的是，在結(jié)構(gòu)分析中，集中載荷通常是梁、桿和彈簧等非連續(xù)性的模型施加載荷的一種途徑。對(duì)于由平面單元或者三維實(shí)體單元等組成的連續(xù)性模型，集中載荷意味著存在應(yīng)力奇異點(diǎn)。在靜強(qiáng)度分析中，如果不關(guān)心集中載荷作用節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力，根據(jù)圣維南原理，可以用等效集中載荷代替靜力分布載荷，添加在模型上，雖然這樣做會(huì)對(duì)載荷附近的局部特性有影響，但對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的性能影響并不大。

無(wú)論采用工程算法還是數(shù)值算法，最后的工作都要?dú)w結(jié)為：靜強(qiáng)度校驗(yàn)。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)件的靜強(qiáng)度分析來(lái)說(shuō)，就是通過(guò)應(yīng)力（位移）比較，以校核結(jié)構(gòu)件是否滿足強(qiáng)度和剛度的要求。具體的做法是篩選出最大應(yīng)力（最大位移）的載荷情況，并對(duì)該情況下所產(chǎn)生的最大應(yīng)力（位移）進(jìn)行檢驗(yàn)。

靜強(qiáng)度研究是飛行器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度學(xué)科中最早形成的也是最基本的一個(gè)方面，又稱結(jié)構(gòu)靜力研究，包括靜強(qiáng)度分析和靜強(qiáng)度試驗(yàn)（又稱靜力試驗(yàn)）。

結(jié)構(gòu)物的靜強(qiáng)度分析。就是明確結(jié)構(gòu)物的形狀、尺寸和重量分布，根據(jù)任務(wù)概況中各階段的運(yùn)行條件和環(huán)境條件，推算出結(jié)構(gòu)物所受的最大載荷．對(duì)于飛機(jī)來(lái)說(shuō)，要根據(jù)適航性基準(zhǔn)，確定運(yùn)動(dòng)載荷、陣風(fēng)載荷、‘地上載荷、發(fā)動(dòng)機(jī)載荷和增壓載荷等的計(jì)算方法。據(jù)此計(jì)算出主翼、機(jī)身和尾翼等各部分結(jié)構(gòu)的載荷，再進(jìn)一步應(yīng)用有限元法或結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)或斷裂力學(xué)求出各構(gòu)件應(yīng)力最大的斷面或部位的應(yīng)力。

根據(jù)應(yīng)力最大斷面或部位所承受的載荷求出應(yīng)力分布，再找出包括制造和劣化等影響在內(nèi)的材料強(qiáng)度的分布，即可應(yīng)用所謂應(yīng)力-強(qiáng)度模型或干涉理論方法，求得結(jié)構(gòu)的可靠度。