CN109255156A - 一种结构无限寿命下的轻量化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种结构无限寿命下的轻量化设计方法，在设计过程中，结构危险位置的静强度和疲劳强度高于结构应力的值恰好为理想设计裕度，保证结构的轻量化；结构危险位置的应力小于疲劳极限，保证结构的无限寿命。通过进行应力场与静强度场、应力场和疲劳强度场之间的轻量化匹配设计，基于静强度场和疲劳强度场的设计反向确定工艺的定量匹配，将设计与制造耦合，实现了结构无限寿命下真正意义上的轻量化设计，保证结构无限寿命下最大程度发挥结构材料利用率、强度潜能。
Description
技术领域
本发明涉及机械结构设计中无限寿命设计领域，尤其涉及一种结构无限寿命下的轻量化设计方法。
背景技术
现有技术的无限寿命设计时，设计方法一般采用逆向设计或模仿设计，设计的机械结构形状尺寸较大。结构设计中考虑应力场与强度，应力考虑应力场是变化值，但强度未考虑强度场，强度作为平均强度，是固定值，造成强度和应力场的不匹配。在抗疲劳设计和抗疲劳制造方面缺乏耦合，抗疲劳设计和抗疲劳制造的失配，导致至今无强化工艺要求的定量匹配技术、硬度和残余应力分布定量匹配技术等，造成结构存在局部强度过剩。虽然轻量化设计技术可以从传统的结构减重方面过渡到新型材料替换方面，但成本高。
因此，如何实现设计与制造耦合，实现结构无限寿命下真正意义上的轻量化设计，是现有技术中需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构无限寿命下的轻量化设计方法，通过进行应力场与静强度场、应力场和疲劳强度场之间的轻量化匹配设计，实现了结构无限寿命下真正意义上的轻量化设计，保证结构无限寿命下最大程度发挥结构材料利用率、强度潜能。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种结构无限寿命下的轻量化设计方法，包括以下步骤：
步骤1，获得极限载荷下结构危险位置处沿深度方向的应力分布图，确定危险位置处的最大应力值；
步骤2，确定理想的静强度设计的裕度和理想的疲劳强度设计的裕度；
步骤3，基于静强度场的轻量化设计：设计步骤1中结构危险位置的静强度高于应力场的值为静强度设计的裕度，同时通过工艺处理保证结构其余位置的静强度高于应力分布；
步骤4，获得步骤1中结构危险位置处结构的疲劳强度分布图，确定危险位置处的最小的疲劳强度；
步骤5，基于疲劳强度场的轻量化设计：根据疲劳强度分布图，设计步骤1中所述危险位置的疲劳强度高于应力场的值为疲劳强度设计的裕度；结构危险位置的应力小于结构的疲劳强度。
优选地，在步骤3中，结构的静强度用组织强度表示，组织强度由硬度表征，如式：
σb(i,j,k)＝f1(H(i,j,k))(i,j,k)
式中，σb(i,j,k)为结构任一点的静强度场，f1为强度硬度转换系数，H(i,j,k)为结构任一点的硬度，i，j，k为正整数。
优选地，在步骤3中，所述工艺处理为热处理工艺。
优选地，在步骤4中，结构任一点的疲劳强度可由硬度和残余应力转换得到，转换关系如下：
σw(i,j,k)＝pH(i,j,k)+qσ残余应力(i,j,k)
式中，σw(i,j,k)为结构任一点的疲劳强度场，σ残余应力(i,j,k)为结构任一点的残余应力，H(i,j,k)为结构任一点的硬度，p为强度硬度转换系数，q为强度残余应力转换系数，i，j，k为正整数。
优选地，，在步骤1中，通过有限元分析法或者材料力学计算获得所述应力分布图。
优选地，，在步骤2中，所述静强度设计的裕度范围2～3；所述疲劳强度的设计裕度范围1～1.5。
优选地，在步骤1中，所述结构危险位置为不同截面的连接处。
优选地，所述最大应力值处位于所述结构危险位置的外表面。
优选地，所述最小的疲劳强度处为结构危险位置的芯部。
与现有技术相比，本发明的优点为：本发明在设计过程中，结构危险位置的静强度和疲劳强度高于结构应力的值恰好为理想设计裕度，保证结构的轻量化；结构危险位置的应力小于疲劳极限，保证结构的无限寿命。通过进行应力场与静强度场、应力场和疲劳强度场之间的轻量化匹配设计，基于静强度场和疲劳强度场的设计反向确定工艺的定量匹配，包括强化工艺要求的定量匹配、硬度和残余应力分布定量匹配等，将设计与制造耦合，实现了结构无限寿命下真正意义上的轻量化设计，保证结构无限寿命下最大程度发挥结构材料利用率、强度潜能。
附图说明
图1为本发明一实施例的结构无限寿命下的轻量化设计方法的流程图；
图2为图1中所述的结构危险位置沿深度方向的应力分布图；
图3为图1中所述的理想的静强度设计的裕度和理想的疲劳强度设计的裕度；
图4为图1中结构危险位置的硬度沿深度方向的分布图；
图5为匹配的静强度沿深度方向的分布图；
图6为图1中所述的结构危险位置沿深度方向的疲劳强度分布图；
图7为匹配疲劳强度沿深度方向的分布图。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的结构无限寿命下的轻量化设计方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
如图1所示，本发明提出了一种结构无限寿命下的轻量化设计方法。以下将结合具体实施例说明。
在本实施例中，以某型号齿轮为例，材料为16MnCr5钢，齿轮模数为2.3mm，齿数20，压力角17.5°，渗碳喷丸处理，表面硬度为59-63HRC，芯部硬度36-47HRC，硬化层深度0.70mm以上。
(1)获得极限载荷下结构危险位置处沿深度方向的应力分布图，确定危险位置处的最大应力值。在本实施例中，最大应力值处位于所述结构危险位置的外表面，即齿根附近的最大应力在外表面。
一般结构的危险位置是截面突变或应力最大、次大的位置。通过有限元分析法或者材料力学计算获得所述应力分布图。即危险位置的应力和应力分布可通过材料力学或有限元仿真计算获得。其中，材料力学计算是计算结构危险点的应力及应力沿深度分布；有限元仿真计算是计算结构全场下的应力及应力沿深度分布，确定结构危险位置的应力及应力沿深度分布。
在本实施例中，根据单齿弯曲轮齿的载荷和截面尺寸情况，通过有限元分析计算，确定齿轮轮齿的危险部位为齿根附近部位，获得危险部位齿根的应力和齿根同一部位应力沿深度分布如图2所示，齿根附近的最大应力在外表面。在本实施例以外的其他实施例中，最大应力值一般位于结构危险位置处，结构危险位置一般是结构是截面突变或应力最大、次大的位置。
(2)确定理想的静强度设计的裕度和理想的疲劳强度设计的裕度。结构最理想的轻量化设计为结构危险位置任一点的强度均高于应力一定的值，这个比率为设计裕度，裕度是为了抵抗冲击等不可确定的影响。一般静强度考虑表面，疲劳强度考虑芯部，根据条件取静所述静强度设计的裕度范围2～3；所述疲劳强度的设计裕度范围1～1.5。
在本实施例中，为了抵抗单齿弯曲轮齿作业过程中的冲击等影响，要确保轮齿齿根附近部位强度和强度沿深度的分布都要高于极限载荷下的应力和应力分布，根据齿轮作业等条件，确定齿轮轮齿最理想轻量化设计时静强度裕度为2.5，疲劳强度裕度为1.3。
(3)基于静强度场的轻量化设计：设计步骤1中结构危险位置的静强度高于应力场的值恰好为静强度设计的裕度，同时通过工艺处理保证结构其余位置的静强度高于应力分布。在本实施例中，依据结构危险位置在加载极限载荷下后，根据危险位置处的最高应力进行静强度设计，就可保证单齿弯曲轮齿作业过程中抵抗冲击。同时保证结构其余位置的静强度高于极限载荷下的应力分布，可通过热处理方式实现。结构静强度可用组织强度表示，组织强度由硬度表征，如式：
σb(i,j,k)＝f1(H(i,j,k))(i,j,k)
式中，σb(i,j,k)为结构任一点的静强度场，f1为强度硬度转换系数，H(i,j,k)为结构任一点的硬度。
对于本实施例，依据单齿弯曲齿根附近位置极限载荷下的最高应力和应力分布匹配静强度，其强度可由硬度表征，确定强度硬度转换系数f1＝0.3，本例要求表面硬度高，芯部硬度低，可通过热处理实现，实测单齿弯曲轮齿的危险位置处即齿根处的硬度和硬度沿深度分布如图4。由图5可知，匹配的静强度高于应力分布的值尽可能贴近于轻量化设计的静强度裕度，实测匹配静强度沿深度分布如图5。如图5知，金属材料特性分布不会严格按照应力分布，结构靠近中心的芯部达不到理想设计裕度，富余量大。
(4)获得步骤1中结构危险位置处结构的疲劳强度分布图，确定危险位置处的最小的疲劳强度。在本实施例中，最小的疲劳强度处为结构危险位置的中心位置，即齿轮的芯部位置，也只指齿轮靠近中心的位置。
具体的，结构任一点的疲劳强度由材料组织成分和残余应力决定，材料组织成分决定的疲劳强度由组织静强度换算得到，残余应力通过平均残余应力转换得到，因此结构任一点的疲劳强度可由硬度和残余应力转换得到，转换关系如下：
σw(i,j,k)＝pH(i,j,k)+qσ残余应力(i,j,k)
式中，σw(i,j,k)为结构任一点的疲劳强度场，σ残余应力(i,j,k)为结构任一点的残余应力，H(i,j,k)为结构任一点的硬度，p为强度硬度转换系数，q为强度残余应力转换系数。
对于本例齿轮，可取强度硬度转换系数为0.3；残余应力通过平均残余应力转换得到，可依据Goodman直线法估算得到残余应力转换系数为-0.4，因此，确定疲劳强度与组织疲劳强度和残余压应力的转换关系为：
σw(i,j,k)＝0.3H(i,j,k)+0.4σ残余应力(i,j,k)
实际测得单齿弯曲轮齿齿根的的疲劳强度沿深度分布如图6。
(5)基于疲劳强度场的轻量化设计：根据疲劳强度分布图，设计步骤1中所述危险位置的疲劳强度高于应力场的值为疲劳强度设计的裕度；结构危险位置的应力小于结构的疲劳强度。基于疲劳强度场的结构轻量化设计是结构危险位置的疲劳强度高于结构应力场的值，恰好为疲劳强度设计的裕度，结构疲劳强度由材料组织强度与残余应力匹配决定，匹配目的是使得表面和芯部强度均要高于应力分布一定的值；结构危险位置的应力小于结构疲劳强度，为结构无限寿命设计。
对于本实施例，依据单齿弯曲轮齿的最大应力和应力分布匹配疲劳强度，匹配得到的表面和芯部的疲劳强度均略高于应力分布。其中，由于残余应力作用，危险位置由表面加深到芯部，芯部疲劳强度高于应力分布的值贴近于轻量化设计的疲劳强度裕度，如图7。单齿弯曲的应力小于疲劳极限，为无限寿命。
此外，在本实施例中，图3-图7中横坐标表示齿轮径向的坐标，0表示在齿根处。
综上，在本发明实施例提供的结构无限寿命下的轻量化设计方法中，结构危险位置的静强度和疲劳强度高于结构应力的值恰好为理想设计裕度，保证结构的轻量化；结构危险位置的应力小于疲劳极限，保证结构的无限寿命。通过进行应力场与静强度场、应力场和疲劳强度场之间的轻量化匹配设计，基于静强度场和疲劳强度场的设计反向确定工艺的定量匹配，包括强化工艺要求的定量匹配、硬度和残余应力分布定量匹配等，这样即实现将设计与制造耦合，实现了结构无限寿命下真正意义上的轻量化设计，保证结构无限寿命下最大程度发挥结构材料利用率、强度潜能。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种结构无限寿命下的轻量化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，获得极限载荷下结构危险位置处沿深度方向的应力分布图，确定危险位置处的最大应力值；
步骤2，确定理想的静强度设计的裕度和理想的疲劳强度设计的裕度；
步骤3，基于静强度场的轻量化设计：设计步骤1中结构危险位置的静强度高于应力场的值为静强度设计的裕度，同时通过工艺处理保证结构其余位置的静强度高于应力分布；
步骤4，获得步骤1中结构危险位置处结构的疲劳强度分布图，确定危险位置处的最小的疲劳强度；
步骤5，基于疲劳强度场的轻量化设计：根据疲劳强度分布图，设计步骤1中所述危险位置的疲劳强度高于应力场的值为疲劳强度设计的裕度；结构危险位置的应力小于结构的疲劳强度。
2.根据权利要求1所述的结构无限寿命下的轻量化设计方法，其特征在于，在步骤3中，结构的静强度用组织强度表示，组织强度由硬度表征，如式：
σb(i,j,k)＝f1(H(i,j,k))(i,j,k)
式中，σb(i,j,k)为结构任一点的静强度场，f1为强度硬度转换系数，H(i,j,k)为结构任一点的硬度，i，j，k为正整数。
3.根据权利要求1所述的结构无限寿命下的轻量化设计方法，其特征在于，在步骤3中，所述工艺处理为热处理工艺。
4.根据权利要求1所述的结构无限寿命下的轻量化设计方法，其特征在于，在步骤4中，结构任一点的疲劳强度可由硬度和残余应力转换得到，转换关系如下：
σw(i,j,k)＝pH(i,j,k)+qσ残余应力(i,j,k)
式中，σw(i,j,k)为结构任一点的疲劳强度场，σ残余应力(i,j,k)为结构任一点的残余应力，H(i,j,k)为结构任一点的硬度，p为强度硬度转换系数，q为强度残余应力转换系数，i，j，k为正整数。
5.根据权利要求1所述的结构无限寿命下的轻量化设计方法，其特征在于，在步骤1中，通过有限元分析法或者材料力学计算获得所述应力分布图。
6.根据权利要求1所述的结构无限寿命下的轻量化设计方法，其特征在于，在步骤2中，所述静强度设计的裕度范围2～3；所述疲劳强度的设计裕度范围1～1.5。
7.根据权利要求1所述的结构无限寿命下的轻量化设计方法，其特征在于，在步骤1中，所述结构危险位置为不同截面的连接处。
8.根据权利要求1所述的结构无限寿命下的轻量化设计方法，其特征在于，所述最大应力值处位于所述结构危险位置的外表面。
9.根据权利要求1所述的结构无限寿命下的轻量化设计方法，其特征在于，所述最小的疲劳强度处为结构危险位置的芯部。
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