一次性机械设计方法与其他方法的对比

2016-02-24康杰

橡塑技术与装备 2016年2期

关键词：使用寿命机械设计寿命

康杰

（西华大学，四川成都 610039）

一次性机械设计方法与其他方法的对比

康杰

（西华大学，四川成都 610039）

一次性机械和普通应用的机械构件不同，它不承担交变载荷或者只承担短期的交变载荷，而且其工作寿命较短，有些使用一次后就不再使用。所以，一次性机械设计的方法和普通机械设计的方法有所不同。本文从一次性机械设计方法的主导思想入手，首先分析了一次性机械设计方法和可靠性设计方法与有限寿命设计方法的对比，然后研究了一次性机械设计方法和与其他现代化方法的对比，为一次性机械设计方法的研究提供了可参考的意见。

一次性机械；设计方法；对比

1 一次性机械设计方法的主导思想

机械零件的失效方式主要有表面损伤失效、断裂失效、破坏正常工作条件失效和变形失效等。所以，机械零件的失效除了非正常的原因外，大多是由于工作时间较长引起的。常规机械零件的设计都会留有余量来延缓疲劳和磨损等失效形式的发生，但一次性机械的使用寿命较短，一些失效形式不会发生在一次性机械中。

在一次性机械零件的设计中，不用预防疲劳，只要保证其在使用中不会受力破坏即可。一次性机械的设计一般只考虑静力破坏，即一次最大载荷作用下的破坏。另外，一次性机械的设计还应考虑将体积和重量最小化，去掉余量，保证静应力小于强度极限或者屈服极限即可。一次性机械是一类特殊机械，其设计方法的相关研究也是一个新的方向。就一次性机械设计的现代化方法而言，和优化设计、可靠性设计和有限寿命设计等方法有所不同，下文是具体的分析。

2 一次性机械设计方法和可靠性设计方法与有限寿命设计方法的对比

可靠性工程的起步较早，距今已有半个多世纪的历史。但是其相关的发展是以电子产品为主导的，在机械产品的相关发展起步较晚。再者，因为机械产品在应用中的情况比较复杂，其载荷分布和强度分布的数据不能细致的分析，所以，在机械产品方面的可靠性应用不够广泛。可靠性工程是一种研究设计参数和其影响因素的随机性特性的专门学科，机械产品却在实际工程应用中受环境的影响，机械所受的力和其应有的强度是离散的随机变量。所以，一次性机械的设计方法是在传统的可靠性设计上再引入数理统计和概率论的相关知识。也可以说，一次性机械的设计方法是升华后的可靠性设计，两者有一定的相关性，却有着设计内容上的差异。

机械结构有限寿命设计方法是用寿命指标和产品可靠工作时间代替了经验设计中的保险系数，以此来增加机械结构的可靠性。随着机械使用时间的增加，其性能会因疲劳磨损而劣化或者丧失。有限寿命设计要求机械在其使用寿命期间，不会因为疲劳磨损而产生失效的现象。传统的有限寿命设计法是考虑机械在最大载荷和最危险的情况下不会失效，现代的有限寿命设计方法融合了材料力学、计算力学。实验力学和断裂力学等多种学科，通过测试工程机械的实际受力状态，利用计算机进行受力分析，最终得出科学的寿命设计。一次性机械的使用寿命较短，一些失效形式不会发生在一次性机械中。所以，一次性机械和有限寿命设计方法与可靠性设计方法的区别主要有以下两点：

（1）设计对象不同。一次性机械设计方法针对的是使用寿命较短，且在工作中不承受交变载荷或者短时间承受交变载荷的机械，这要求机械在寿命内完成任务即可。有限寿命设计方法和可靠性设计方法针对的都是长期使用的机械，这些机械的失效都是由疲劳磨损引起的。

（2）主导思想不同。一次性机械在达到疲劳点之前就会达到使用寿命，所以在设计中不用留下磨损余量，只需要根据静应力强度设计体积最小和质量最轻的结构就可以。可靠性设计却需要根据应力计算概率分布，使设计的零件有可预测的寿命和失效率。有限寿命设计需要根据各种理论估算零件的寿命，最大化估计失效时间。

3 一次性机械设计方法和与其他现代化方法的对比

机械设计的方法除了上述的有限寿命设计方法和可靠性设计方法外还有优化设计，这种方法是在一系列的限制条件满足后，求最优的设计参数。这种设计方法的计算量相当大，需要分析多种参数对设计的影响。但是在计算机广泛的应用在机械设计领域后，该方法有了长足的发展。依托计算机的发展而兴起的设计方法除了优化设计外，还有有限单元设计方法等。

与现代化的设计方法相比，一次性机械设计的对象、设计思想和设计目的都有不同。不同的设计方法完善了机械设计的整个领域。