機械零件靜強度可靠性設計計算標準適用范圍

本標準適用于機械零部件可靠性設計與可靠性評估。

東北大學。

謝里陽、吳寧祥、錢文學等。

本標準包括載荷一次作用及多次作用下結(jié)構(gòu)零部件靜強度可靠性設計計算方法及模型。2100433B

靜強度分析包括下面幾個方面的工作。

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

校核結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力是否滿足強度設計的要求，同時為動力分析等提供結(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行。

計算和校核桿件、板件、薄壁結(jié)構(gòu)、殼體等在載荷作用下是否會喪失穩(wěn)定。有空氣動力、彈性力耦合作用的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題時，則用氣動彈性力學方法研究。

計算和分析結(jié)構(gòu)在靜載荷作用下的應力、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。

靜強度分析的內(nèi)容也可通過靜力試驗測定或驗證。

靜強度分析是工程結(jié)構(gòu)設計中使用最為頻繁的分析，主要用來求解結(jié)構(gòu)在與時間無關或者時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、強制位移、慣性力等）作用的響應，并得出所需的位移、應力和應變能等。

風力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)件的靜強度問題，實際是考察機組的關鍵結(jié)構(gòu)件在使用當中承受最大作用載荷的能力，分析結(jié)構(gòu)承受極端載荷時的最大應變、應力和位移，進而討論該結(jié)構(gòu)的強度和剛度問題。分析方法及準則是風力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)件強度校核中最基本的分析原則，是機組結(jié)構(gòu)設計活動中首先考慮的基本要求。

考慮到不同的載荷工況會導致結(jié)構(gòu)件的受力狀態(tài)不同，因此，必須全面考察機組在運行中所遇到的各種載荷狀態(tài)（或稱工況）。同一載荷分量，靜強度僅考慮最大載荷值即可。通常風力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)靜強度分析依據(jù)相關規(guī)范給定的設計載荷法，即計算載荷必須包含安全系數(shù)γ_f。

根據(jù)求解問題的復雜程度，風力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)件的靜強度分析方法可分為兩類：工程計算方法和有限元計算方法。

對于某類結(jié)構(gòu)件來說，其結(jié)構(gòu)尺寸單一，受載條件簡單，并且有權威機構(gòu)頒布的工程算法實例做參照，則此類結(jié)構(gòu)件的靜強度分析可應用工程算法計算。例如，錐筒式塔筒筒段間螺栓連接的靜強度分析等。

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

分析的一般流程

有限元靜強度分析是求解近似解的過程，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，為保證計算結(jié)果安全可信，風力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)件的有限元靜強度分析應滿足下列基本原則。

建模及網(wǎng)格劃分應遵循的原則

1）對于非重點考察區(qū)域的細小特征，例如圓孔、倒角、凸臺等，在不影響整體剛度的前提下，可以適當簡化；

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與實際情況保持一致；

3）模型整體的網(wǎng)格規(guī)模和網(wǎng)格質(zhì)量應適當，重點校驗區(qū)域要加密網(wǎng)格，非重要的區(qū)域可適當增大網(wǎng)格尺寸，建議采用高階單元劃分模型；

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

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

施加載荷應遵循的原則

1）簡化假設越少越好；

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

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

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。對于由平面單元或者三維實體單元等組成的連續(xù)性模型，集中載荷意味著存在應力奇異點。在靜強度分析中，如果不關心集中載荷作用節(jié)點處的應力，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，雖然這樣做會對載荷附近的局部特性有影響，但對整個結(jié)構(gòu)的性能影響并不大。

無論采用工程算法還是數(shù)值算法，最后的工作都要歸結(jié)為：靜強度校驗。對于風力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)件的靜強度分析來說，就是通過應力（位移）比較，以校核結(jié)構(gòu)件是否滿足強度和剛度的要求。具體的做法是篩選出最大應力（最大位移）的載荷情況，并對該情況下所產(chǎn)生的最大應力（位移）進行檢驗。

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

結(jié)構(gòu)物的靜強度分析。就是明確結(jié)構(gòu)物的形狀、尺寸和重量分布，根據(jù)任務概況中各階段的運行條件和環(huán)境條件，推算出結(jié)構(gòu)物所受的最大載荷．對于飛機來說，要根據(jù)適航性基準，確定運動載荷、陣風載荷、‘地上載荷、發(fā)動機載荷和增壓載荷等的計算方法。據(jù)此計算出主翼、機身和尾翼等各部分結(jié)構(gòu)的載荷，再進一步應用有限元法或結(jié)構(gòu)力學、材料力學或斷裂力學求出各構(gòu)件應力最大的斷面或部位的應力。

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