CN110378000A - 基于强度场的结构静强度设计方法 - Google Patents

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Abstract

针对现有的按照整体强度观点进行的结构静强度设计过程中应力场与整体强度失配现象，本发明提出了基于强度场的结构静强度设计方法。把机械结构和零部件的静强度作为场处理，把结构应力场和静强度场有机地匹配起来，具体方法为根据结构危险截面的极限静应力幅值分布，确定结构危险截面的理想静强度场分布；结合材料和热处理，设计出结构危险截面的实际静强度场；应用全场应力‑强度干涉模型，就可以对结构危险截面的静强度设计水平进行定量评价。

Description

基于强度场的结构静强度设计方法
技术领域
本发明涉及机械设计中结构静强度设计领域，适用于黑色、有色等金属机械结构和零部件的静强度设计。
背景技术
现有的机械结构和零部件的静强度设计，是把机械结构和零部件的静强度作为整体来处理。因此，现有的方法认为机械结构和零部件的静强度是内外均匀一致、不存在差异。这与机械结构和零部件可以通过表面热处理和加工硬化改变来提高表面强度和硬度本身相矛盾。结构的应力是场和局部的概念，可以通过材料力学或有限元方法精确求解结构和零部件危险截面全场下的应力分布，结构除了承受简单拉压载荷外，机械结构和零部件危险截面不同位置处的应力不同。现有的静强度设计只考虑了危险截面最高应力与整体静强度之间的关系，把危险点的最高应力和整体的强度进行比较。因此，现有机械结构和零部件的危险点最高应力和整体强度的设计方法无法避免危险截面的局部强度过剩，也无法进一步给出影响危险截面静强度的材料、热处理的定量匹配，缺乏设计-制造定量匹配的理论和技术依据。本发明提出强度场的概念，实现了基于强度场的结构设计，将极限载荷下的最高静应力及其梯度方向应力分布转化为理想强度场的分布，然后以理想强度场为目标定量匹配危险截面静强度的材料、热处理。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：按照整体强度观点进行的机械结构和零部件静强度设计过程中应力场与整体强度失配。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种基于强度场的结构静强度设计方法，其特征在于，把机械结构和零部件静强度作为场处理，把结构应力场和静强度场有机地匹配起来，包括以下步骤：
步骤1、确定拟进行静强度设计的结构在使用过程中可能出现的最危险的极限静载荷，在该极限静载荷下，计算出结构危险截面处的最高静应力及静应力梯度方向应力分布；
步骤2、根据最高静应力及其梯度方向分布确定结构的理想静强度场分布，进行机械结构和零部件的理想静强度分布设计，结构危险截面上的任一点的静强度分布要求为任一点的强度不过剩且满足强度需求按照应力-强度干涉理论，机械结构和零部件危险截面任一点的理想强度设计为该点的应力乘以安全系数；
步骤3、以危险截面的理想静强度分布为目标，匹配结构的材料和热处理，由材料和热处理决定的实际静强度分布尽可能与理想静强度分布一致；
步骤4、把结构的最高静应力及静应力梯度分布、理想静强度和实际静强度强度分布表示在同一坐标系下，应用全场应力-强度干涉模型对危险截面静强度的设计进行全场定量评价，评价时计算任一点的实际静强度与该点的极限静应力、理想静强度之比，比值越大，该点的强度过剩越大，最优的结构静强度设计是危险截面的实际静强度分布与理想静强度分布在表面相交或在内部相切，当在表面相交时，定量评价次表面和芯部强度；当在内部相切时，定量评价表面和芯部强度。
优选地，步骤1中，应用材料力学或有限元方法计算出所述结构危险截面处的最高静应力及静应力梯度方向应力分布。
优选地，步骤1中，在简单载荷下，所述最高静应力及所述静应力梯度方向应力分布即为结构危险截面处的表面最高应力和该处应力沿深度的分布。
优选地，步骤2中，理想强度场与最高静应力及静应力梯度方向分布成比例放大。
优选地，步骤2中，结构危险截面上的理想静强度分布不存在强度过剩，强度利用率达到最大。
优选地，步骤3包括以下步骤：
利用硬度和强度转换关系、材料端淬最低和最高硬度分布曲线，匹配和调整材料和热处理，在避免表面、次表面、芯部不出现大范围静强度过剩的前提下，使所设计的实际静强度分布与理想静强度分布在表面相交或在内部相切。
优选地，步骤4中，如果次表面和芯部强度过剩太大，通过减少热处理硬化层深度或采用空心结构进行优化；如果表面和芯部强度过剩太大，则采用含碳量更低的材料或空心结构。
本发明相比于传统的按照整体强度来进行静强度设计方法，可以根据材料和热处理等主动进行局部强度匹配，解决原有按整体强度观点进行设计所导致的与局部应力不匹配而产生的局部静强度过剩问题，实现机械结构和零部件的静强度设计-制造定量匹配。
附图说明
图1为实心轴尺寸图，图1中，Φ1＝28.5mm，Φ2＝26.5mm，Φ3＝29.2mm，Φ4＝30.5mm，Φ5＝26.6mm，Φ6＝27.1mm，L＝468mm；
图2为本发明实施流程图；
图3为危险截面的应力分布；
图4为危险截面扭转应力和理想静强度场分布；
图5为本例材料端淬曲线；
图6为本例轴实际静强度分布设计；
图7为结构静强度全场评价。
具体实施方式
下面结合附图，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
以实心轴在扭转载荷下的扭转为例，轴的材料为UC2钢，热处理为表面中频淬火，表面硬度为55-62HRC，硬度为500HV的淬硬层深度为4.5-8mm，芯部硬度≤30HRC，实心轴的尺寸如图1所示，本发明提供的一种基于强度场的结构静强度设计方法，如图2所示，包括以下步骤：
1)确定结构在极限静载荷下的最高静应力及其梯度分布
在结构使用过程中可能出现最危险的极限静载荷下，应用材料力学或有限元方法，计算出结构危险截面处的最高静应力及其梯度方向应力分布。在简单载荷下，最高静应力及其梯度方向应力分布即为结构危险截面处的表面最高应力和该处应力沿深度的分布。
对于本实施例，最危险的极限静载扭转荷为3600Nm，应用材料力学方法，对于本例危险截面在扭转模量最小(即直径最小)的外表面直径26.5mm处，最高应力计算如式(1)所示：
式(1)中，T为扭矩，单位为Nm；Wt为抗扭截面系数，单位为m3。
最高静应力最大梯度方向是危险截面的外表面指向轴心，危险截面上任一点的应力计算如式(2)所示：
式(2)中：τy为横截面上距轴心的距离为y的一点的应力；Ty为横截面上距轴心的距离为y的一点的扭矩，单位为Nm；Ip为截面极惯性矩，单位为m4。
本实施例计算得到的危险截面应力梯度分布如图3所示。
2)根据最高静应力及其梯度分布，进行危险截面的理想静强度分布设计根据结构使用过程中极限静载荷下的最高静应力及其梯度方向分布，可以确定结构的理想静强度场分布，理想强度场与最高静应力及其梯度方向分布成比例放大,按照应力-强度干涉理论，机械结构和零部件危险截面任一点的理想强度设计为该点的应力乘以安全系数。机械结构和零部件危险截面上的理想静强度分布，不存在强度过剩，强度利用率达到最大。
在本实施例中，理想强度设计是结构危险截面任一点的理想强度都大于该点的极限应力，理想强度与极限应力之比值为常数，该常数为安全系数，它与载荷、材料性能等因素相关。本例中静强度设计的安全系数取1.2，整体强度下的理想扭转强度场分布如图4所示，图4中同时给出了极限应力分布。
3)以理想静强度场为目标，结合材料和热处理，进行实际静强度场分布设计
以危险截面的理想静强度分布为目标，匹配结构的材料和热处理，由材料和热处理决定的实际静强度分布需要尽可能与理想静强度分布一致。具体是利用硬度和强度转换关系、材料端淬最低和最高硬度分布曲线，匹配和调整材料和热处理，在避免表面、次表面、芯部不出现大范围静强度过剩的前提下，使所设计的实际静强度分布与理想静强度分布在表面相交或在内部相切。
在本实施例中，实心轴的材料为UC2钢，热处理为表面中频淬火，表面硬度为55-62HRC，硬度为500HV的淬硬层深度为4.5-8mm，芯部硬度≤30HRC。图5为UC2材料的端淬最低和最高硬度沿深度分布曲线，应用强度硬度转换关系以及第三强度理论，可以得到本例结构的扭转静强度分布，本实施例中HRC硬度与扭转静强度的转换关系如式(3)所示：
式(3)中，τ为结构机械结构和零部件任一点的扭转强度，单位为MPa；Hd为机械结构和零部件任一点的硬度，单位为HRC。
由式(3)得到的本例结构危险截面的扭转静强度沿深度分布曲线如图6所示。
4)应用全场应力-强度干涉模型，进行结构全场静强度设计定量评价
把结构的最高应力及其梯度分布、理想静强度和实际静强度分布表示在同一坐标系下，应用全场应力-强度干涉模型，可以对危险截面静强度的设计进行全场定量评价——任一点的实际静强度与该点的极限应力、理想静强度之比，比值越大，该点的强度过剩越大。最优的结构静强度设计是危险截面的实际静强度分布与理想静强度分布在表面相交或在内部相切，当在表面相交时，定量评价次表面和芯部强度；当在内部相切时，定量评价表面和芯部强度。如果次表面和芯部强度过剩太大，可以通过减少热处理硬化层深度或采用空心结构进行优化；如果表面和芯部强度过剩太大，可以采用含碳量更低的材料或空心结构。
在本实施例中，把极限应力分布、理想强度分布和实际强度分布在同一坐标下表示，如图7所示，由此对危险截面任一点的静强度设计水平进行评价。本例的理想强度和实际强度分布在次表面深度为7.3mm附近相切，该点是结构设计的危险点，该点不存在强度过剩。本例给出了表面、次表面淬硬转折点4mm和中心点的扭转静强度设计的定量评价。
表面实际扭转静强度为1287MPa、设计理想静强度为1182MPa、实际扭转应力为980MPa，则实际扭转静强度与扭转应力之比为1.31，大于设计安全系数1.2，超过安全系数0.11，强度基本得到充分发挥。
次表面淬硬转折点4mm实际扭转静强度为1247MPa、设计理想静强度为821MPa,实际扭转应力为684MPa，则实际扭转静强度与扭转应力之比为1.82，大于设计安全系数1.2，超过安全系数0.62，但该点由材料热处理性能决定，通过改变淬硬层深度进行强度轻量化设计。
中心点实际扭转静强度为533MPa、设计理想静强度和扭转应力都为0，该点的静强度过剩无穷，工艺条件允许的话可以通过使用空心结构减少芯部扭转静强度过剩。

Claims (7)

1.一种基于强度场的结构静强度设计方法，其特征在于，把机械结构和零部件的静强度作为场处理，把结构应力场和静强度场有机地匹配起来，包括以下步骤：
步骤1、确定拟进行静强度设计的结构在使用过程中可能出现的最危险的极限静载荷，在该极限静载荷下，计算出结构危险截面处的最高静应力及静应力梯度方向应力分布；
步骤2、根据最高静应力及其梯度方向分布确定结构的理想静强度场分布，进行机械结构和零部件的理想静强度分布设计，结构危险截面上的任一点的静强度分布要求为任一点的强度不过剩且满足强度需求按照应力-强度干涉理论，机械结构和零部件危险截面任一点的理想强度设计为该点的应力乘以安全系数；
步骤3、以危险截面的理想静强度分布为目标，匹配结构的材料和热处理，由材料和热处理决定的实际静强度分布尽可能与理想静强度分布一致；
步骤4、把结构的最高静应力及静应力梯度分布、理想静强度和实际静强度强度分布表示在同一坐标系下，应用全场应力-强度干涉模型对危险截面静强度的设计进行全场定量评价，评价时计算任一点的实际静强度与该点的极限静应力、理想静强度之比，比值越大，该点的强度过剩越大，最优的结构静强度设计是危险截面的实际静强度分布与理想静强度分布在表面相交或在内部相切，当在表面相交时，定量评价次表面和芯部强度；当在内部相切时，定量评价表面和芯部强度。
2.如权利要求1所述的一种基于强度场的结构静强度设计方法，其特征在于，步骤1中，应用材料力学或有限元方法计算出所述结构危险截面处的最高静应力及静应力梯度方向应力分布。
3.如权利要求1所述的一种基于强度场的结构静强度设计方法，其特征在于，步骤1中，在简单载荷下，所述最高静应力及所述静应力梯度方向应力分布即为结构危险截面处的表面最高应力和该处应力沿深度的分布。
4.如权利要求1所述的一种基于强度场的结构静强度设计方法，其特征在于，步骤2中，理想强度场与最高静应力及静应力梯度方向分布成比例放大。
5.如权利要求1所述的一种基于强度场的结构静强度设计方法，其特征在于，步骤2中，结构危险截面上的理想静强度分布不存在强度过剩，强度利用率达到最大。
6.如权利要求1所述的一种基于强度场的结构静强度设计方法，其特征在于，步骤3包括以下步骤：
利用硬度和强度转换关系、材料端淬最低和最高硬度分布曲线，匹配和调整材料和热处理，在避免表面、次表面、芯部不出现大范围静强度过剩的前提下，使所设计的实际静强度分布与理想静强度分布在表面相交或在内部相切。
7.如权利要求1所述的一种基于强度场的结构静强度设计方法，其特征在于，步骤4中，如果次表面和芯部强度过剩太大，通过减少热处理硬化层深度或采用空心结构进行优化；如果表面和芯部强度过剩太大，采用含碳量更低的材料或空心结构。
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