机械结构抗疲劳与可靠性分析

衡安然

摘 要：疲劳破坏作为机械结构损伤的主要形式，损伤机理复杂，因素众多。由于损伤在其形成和膨胀过程中具有很强的隐蔽性和疲劳断裂和瞬时性，对机械结构的可靠性和安全性有很大的威胁，因此对机械结构的疲劳和杭疲劳以及结构的可靠性进行分析，具有较深意义。

关键词：机械结构；抗疲劳分析；可靠性分析

1.机械结构抗疲劳与可靠性分析的意义

机械设备正向着大规模、复杂精准的方向发展，伴随日渐激烈的服务环境和不断增加的影响因素，可靠性是保证机械正常高效运行的主要因素，充分发挥其应有的作用，创造出更大的经济利益。机械结构的疲劳失效是其系统中最主要的故障，严重影响机械的正常运行。因此对机械的寿命给予精准的预测并对其可靠性进行分析，可以更好的确保机械的安全运行。

2.机械结构疲劳与抗疲劳分析

据统计，在实际工程中，机械部件的疲劳损伤占总故障的50%-90%。疲劳寿命包括两个阶段：疲劳裂纹形成阶段的寿命和疲劳裂纹扩展阶段的寿命。疲劳损伤是由多个因素引起的，其中材料的应力水平和材料抗疲劳性特性至关重要。通常表明，高应力水平导致较短的寿命，较低应力水平则寿命较长；高韧性和高强度材料在相同条件下具有较长的疲劳寿命。负载特性如负载类型、负载变化幅度、负载频率以及平均应力幅度等。疲劳的发展是一个渐进的过程，通常需要一些时间才能造成伤害，并且在伤害发生之前不会出现明显的迹象，并且由于发生突然，这是非常危险的，在设计时就必须给予足够的关注。

疲劳断裂是机械结构的主要破坏形式，越来越受到人们的关注。疲劳裂纹产生和连续膨胀，由结构材料，外部载荷随机波动，工艺参数固有不均匀性，将使相同条件下的同一结构，反映出差异性能，结构疲劳寿命有时会相差数倍，有很大的分散性。

3.机械结构可靠性分析

3.1影响机械结构可靠性的原因

对机械结构部件来说，不管是在进行产品设计与生产过程中，还是在以后的使用维护方面，可靠性都属于其主要指标。在以往的可靠性模型中，我们所了解与掌握的负载和强度都是静态状态下的，然而在现实的机械工程当中，尤其是在机械部件处于疲劳状态下之时，不仅会受到部件材料的特性影响，同时使用环境和时间长短，以及及负载的变化情况等都将都对其产生作用影响，那么机械部件的可靠性的指标与产品的使用性能，都将随着服务时间的延长而产生退化、衰弱，这一过程既是一个动态过程，同时也具有时变性特征。

3.2机械结构疲劳时可靠性

结构可靠性指的是在指定时间、规定条件下所执行的指定功能的能力。此项目的提出及发展存在很多的不确定性因素。这些因素来自于具体的工程、如结构规格形状的分散、材料性质的分散、生产安装调式所造成的分散、服务环境的不同、维护与维护间的差异，及各事故因素和环境因素间的相关因素。首先，不确定性一般可分为随机的不确定性和认知的不确定性，随机的不确定性在具体工程当中是客观性存在的，并且是原本就有的，没有办法清除掉。认知的不确定性是因为结构部件的数据缺失或信息不完整而引起的。将这部分不确定性的信息运用到具体的设计当中，同时在有限元建模和优化设计环节、可靠性分析过程中思考影响结构内的不确定性，以此更充分的呈现项目的实际情况，如此有利于提高机械结构的可靠性与安全性。其次，时变性属于机械系统的重要标志，也是反映产品具有可靠性的主要特征，也就说这一标志能充分显示出零部件在时间的推移下，其使用性能与系统质量所产生的变化情况。机械部件其负载和强度的参数都与负载的寿命指数及数量有关联，例如可靠性的变化会随时间的变化而发生变化。并且大量的研究证明，不同材料其各自的衰减强度是各有不同的。从金属材料其疲劳损伤的机制来分析，装载进行时因为疲劳载荷而引发的错位，致使滑动与空隙方面的缺陷较小。然而在后来因缺陷而导致的裂纹强度会快速的降低，这时便会形成疲劳损伤。最后，从可靠性的角度来分析，当实施静态强度的分析时，通常会思考到失效的问题。只需思考应力与强度，并通过运用静态的应力和强度的干扰模型来对其可靠性、疲劳可靠性进行分析，不但需思考是不是失效故障发生的时间，还需思考压力、力量、时间、负荷及与物理量寿命有关的次数。与静强度相比，疲劳可靠性需更多的思考物理量，包含对累积损伤的计算，以此清楚掌握结构将在怎样的状态下才具有最大程度的安全可靠性。

4.机械结构的疲劳壽命预测与可靠性方法研究工作展望

最近几年，机械结构的疲劳研究取得了巨大的进展，但同时也出现了一些新的技术性问题函待解决。特别是伴随着神经网络、遗传算法和混沌力学等一些新兴学科的快速发展，机械结构的疲劳研究和这些新兴的学科之间的相互融合为解决疲劳学科中出现的这些新的技术难题提供了思路。并且，相关的学者已经尝试着从不同的角度出发，使用一些新型的技术手段方法解决在疲劳学科中出现的一些新的技术性难题，比如在复杂载荷条件下对疲劳寿命可靠性计算的问题。其中会涉及非概率建模、随机有限元法、基于神经网络和遗传算法的方法、区间估计及其分析计算方法、基于模糊理论的结构可靠性分析法、信息理论法等。随着一些新兴学科的不断出现和发展以及疲劳学科自身的发展，学科之间相互进行融合来解决一些技术性难题已经成为一种趋势。并且，今后还将围绕对机械结构在多失效模式、不确定性条件和复杂载荷条件下的机械机构的疲劳寿命预测分析和可靠性设计评估问题展开一系列的研究工作。

5.结语

由于材料和设计等因素，机械加工过程中结构容易发生疲劳现象。本文针对这一现象，从疲劳的成因和材料的抗疲劳特性出发，分析了机械结构的疲劳与抗疲劳方法，并且分析了机械结构的可靠性，可以为材料的选择和机械设计等方面提供参考。

参考文献

[1]马立峰.工程机械结构件可靠性及整机综合性能提升研究[J].工程机械与维修，2018（04）：44-45.

[2]方秀菊.机械结构抗疲劳与可靠性研究[J].化工管理，2018（14）：213-214.

[3]张德权.基于随机场理论的机械结构动态可靠性研究[D].湖南大学，2018.

[4]卜莉莉.机械结构的疲劳寿命预测与可靠性方法研究[J].内燃机与配件，2018（04）：117-118.

[5]曹名亮.机械结构的疲劳寿命预测与可靠性设计研究[J].中国高新科技，2018（03）：55-57.