機(jī)械結(jié)構(gòu)的疲勞壽命預(yù)測與可靠性研究

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摘要：機(jī)械設(shè)備廣泛應(yīng)用于建筑活動(dòng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對工程項(xiàng)目建設(shè)質(zhì)量以及建設(shè)進(jìn)度有直接影響，采取有效措施檢測機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性，預(yù)測機(jī)械結(jié)構(gòu)疲勞壽命，能為機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整、機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)提供依據(jù)。本文首先進(jìn)行理論介紹，然后分析機(jī)械結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測與可靠性方法研究現(xiàn)狀，最后提出機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性提升措施。

關(guān)鍵詞：機(jī)械結(jié)構(gòu)；疲勞壽命預(yù)測；可靠性；方法

目前工程項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模擴(kuò)大，工程建筑項(xiàng)目開展的過程中，做好機(jī)械結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測工作是極為必要的，選用可靠性方法不僅能夠保證機(jī)械結(jié)構(gòu)安全性，而且還能大大提高機(jī)械運(yùn)行效率。

1理論介紹

1.1機(jī)械結(jié)構(gòu)疲勞

機(jī)械設(shè)備長時(shí)間運(yùn)行會(huì)出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象，嚴(yán)重者還會(huì)產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備完整性被破壞，這在一定程度上會(huì)加大機(jī)械設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，降低機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性。機(jī)械設(shè)備疲勞表現(xiàn)在兩方面，第一方面即機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性應(yīng)變，第二方面即機(jī)械設(shè)備發(fā)生彈性應(yīng)變，由于機(jī)械設(shè)備疲勞受多種因素影響，如果影響因素未能合理控制，那么疲勞度會(huì)在短時(shí)間內(nèi)大大增加。常見影響因素主要有溫度、載荷等，因此，預(yù)測機(jī)械結(jié)構(gòu)疲勞度壽命時(shí)應(yīng)綜合考慮，這對疲勞度等級劃分有依據(jù)作用。

1.2機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性

機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性貫穿于設(shè)計(jì)階段、實(shí)際使用階段、維修養(yǎng)護(hù)階段，機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性影響因素較多，其中，材料性質(zhì)、材料尺寸及形狀、使用環(huán)境、負(fù)載情況對可靠性有關(guān)鍵性影響，間接影響機(jī)械設(shè)備使用性能以及使用壽命。隨著機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)行時(shí)間的延長，機(jī)械機(jī)構(gòu)故障問題隨之增多，會(huì)不同程度的威脅建筑工程安全性，基于此，相關(guān)部門高度關(guān)注，并分析機(jī)械結(jié)構(gòu)疲勞問題產(chǎn)生原因，提出問題處理的相應(yīng)措施，制定機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性方法。

2基本現(xiàn)狀

機(jī)械結(jié)構(gòu)之所以會(huì)出現(xiàn)構(gòu)件失效現(xiàn)象，主要是因?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)疲勞壽命縮短導(dǎo)致，現(xiàn)如今，機(jī)械設(shè)備應(yīng)用范圍不斷拓展，機(jī)械設(shè)備只有增強(qiáng)性能，才能提高在高溫、高速這類嚴(yán)苛環(huán)境中的適用性。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)械結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測與可靠性方法不斷創(chuàng)新，這對機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化有重要意義。

2.1疲勞壽命預(yù)測現(xiàn)狀

目前，相關(guān)學(xué)者深入研究機(jī)械結(jié)構(gòu)疲勞壽命論題，研究視域相對廣闊，針對多類型交通工程展開分析。實(shí)際預(yù)測的過程中，以虛擬模型構(gòu)建為基礎(chǔ)，有步驟進(jìn)行疲勞壽命測試。其中，所構(gòu)建的虛擬模型具有成本低廉、先進(jìn)技術(shù)融合應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，但虛擬模型呈現(xiàn)的真實(shí)性較差。物理測試雖具有較強(qiáng)真實(shí)性，并且物理試驗(yàn)可行性較高，但物理測試期間會(huì)浪費(fèi)較多人力資源和物力資源。為了提高機(jī)械結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測科學(xué)性與真實(shí)性，疲勞壽命預(yù)測工作應(yīng)深入、持續(xù)推進(jìn)。

2.2可靠性方法研究現(xiàn)狀

機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性方法探究最早于上世紀(jì)20年代開展，這項(xiàng)研究活動(dòng)得到了國內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注，并且研究學(xué)者組織了多樣化實(shí)踐活動(dòng)，通過組織實(shí)踐案例、分析實(shí)踐案例結(jié)果來分析機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷升級，可靠性研究方法相應(yīng)完善。我國應(yīng)結(jié)合機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)用實(shí)際情況探索可靠性方法，盡最大可能提高機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性。

3機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性提升措施

要想提升機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性，應(yīng)遵循相關(guān)設(shè)計(jì)流程，并提高各個(gè)零部件設(shè)計(jì)精度，增強(qiáng)機(jī)械結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度，具體措施分析如下。

3.1遵循相關(guān)流程

機(jī)械設(shè)備質(zhì)量等級判斷的過程中，以可靠性指標(biāo)作為判斷依據(jù)，要想得到真實(shí)的機(jī)械設(shè)備質(zhì)量判斷結(jié)果，應(yīng)加大可靠性研究深度?？煽啃栽O(shè)計(jì)期間，遵循基本流程，通過產(chǎn)品定義、相似技術(shù)整理及分析、重新整合載荷條件、調(diào)整產(chǎn)品維修計(jì)劃。可靠性設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)間緊密聯(lián)系，并且各環(huán)節(jié)相互影響，一旦某個(gè)環(huán)節(jié)質(zhì)量工作不到位，那么會(huì)影響機(jī)械結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量，為建筑工程項(xiàng)目留下安全隱患。如果機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)工作隨意執(zhí)行，并未按照流程操作進(jìn)行，機(jī)械運(yùn)行的可靠性就得不到保證，還會(huì)拉低整體設(shè)計(jì)水平，最終呈現(xiàn)的設(shè)計(jì)效果達(dá)不到預(yù)期要求，影響機(jī)械結(jié)構(gòu)使用性能以及安全性。

3.2提高零件精度

機(jī)械結(jié)構(gòu)部件精度控制情況對可靠性提升幅度有重要影響，因此，優(yōu)選材料時(shí)應(yīng)嚴(yán)格檢驗(yàn)材料質(zhì)量，分析材料的力學(xué)性能，據(jù)此預(yù)測材料疲勞失效幾率。通過提高零件精度來增強(qiáng)機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性，這種方法可行性較高，并且推廣范圍較廣。如果零件精度未能合理控制，即材料質(zhì)量檢驗(yàn)工作不到位，機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性得不到保證，最終機(jī)械結(jié)構(gòu)疲勞壽命會(huì)大大縮短。

3.3增強(qiáng)疲勞強(qiáng)度

機(jī)械結(jié)構(gòu)有序組裝、機(jī)械設(shè)備順利安裝后，機(jī)械設(shè)備運(yùn)行環(huán)境基本確定，并且機(jī)械設(shè)備環(huán)境調(diào)整幾率較低。要想調(diào)整機(jī)械結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度，從機(jī)械零件入手，通過調(diào)整機(jī)械結(jié)構(gòu)零件、檢驗(yàn)零件材質(zhì)來控制疲勞強(qiáng)度，這對機(jī)械結(jié)構(gòu)裂紋縫隙控制有重要意義，能夠縮小裂縫范圍，避免裂縫拓展。

4機(jī)械結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測與可靠性方法研究趨勢

4.1疲勞壽命預(yù)測趨勢

現(xiàn)如今，建筑工程行業(yè)不斷發(fā)展，為了全面保障建筑工程安全性，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成施工任務(wù)，應(yīng)準(zhǔn)確預(yù)測機(jī)械結(jié)構(gòu)疲勞壽命，采取有效措施提高機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性。機(jī)械結(jié)構(gòu)疲勞損傷影響因素主要包括三種，第一種即環(huán)境，第二種即材料，第三種即力學(xué)。當(dāng)前西方學(xué)者應(yīng)用整體評價(jià)法以及全壽命評價(jià)法預(yù)測損傷強(qiáng)度，方法應(yīng)用的過程中結(jié)合機(jī)械結(jié)構(gòu)損傷強(qiáng)度進(jìn)展情況，利用損傷強(qiáng)度測算公式構(gòu)建機(jī)械機(jī)構(gòu)疲勞損傷預(yù)測模型，通過觀察預(yù)測模型來掌握疲勞損傷各階段的進(jìn)展情況。我國學(xué)者針對機(jī)械結(jié)構(gòu)損傷破壞規(guī)律展開分析，并組織疲勞壽命試驗(yàn)以及疲勞損傷試驗(yàn)，得出機(jī)械設(shè)備細(xì)節(jié)疲勞額定值，據(jù)此分析機(jī)械結(jié)構(gòu)余下的疲勞壽命值。我國專業(yè)學(xué)者應(yīng)穩(wěn)步、扎實(shí)探究機(jī)械結(jié)構(gòu)疲勞損傷預(yù)測工作，這對機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性增強(qiáng)有重要意義。

4.2可靠性方法研究趨勢

隨著先進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)械結(jié)構(gòu)疲勞損傷在先進(jìn)技術(shù)的支持下準(zhǔn)確預(yù)測，并且研究結(jié)果數(shù)量不斷增多，研究結(jié)果準(zhǔn)確性大大提高。其中，CAD技術(shù)應(yīng)用于可靠性設(shè)計(jì)，基于工程模型、結(jié)合先進(jìn)技術(shù)完成可靠性設(shè)計(jì)任務(wù)，涉及方法主要有隨機(jī)模型法、靈敏度法、變差傳遞法、容差多面體法等。此外，以傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ)，利用豐富設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)形成的可靠性方法，如田口法、廣義模型法。需要注意的是，靈敏度分析法與極小化靈敏度分析法存在差異，前者適用于設(shè)計(jì)變量變差，后者適用于優(yōu)選適合的設(shè)計(jì)變量，盡最大可能提高設(shè)備質(zhì)量，保證機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和可靠性。數(shù)學(xué)模型構(gòu)建的過程中，受工程模型穩(wěn)健性影響較大，實(shí)際設(shè)計(jì)期間應(yīng)掌握設(shè)計(jì)核心，針對已有問題以量化方法表達(dá)，同時(shí)，合理確定技術(shù)參數(shù)，充分發(fā)揮技術(shù)參數(shù)的正向作用。目前，機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性方法以數(shù)學(xué)模型為導(dǎo)向，通過應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)為主線的智能算法來完成可靠性設(shè)計(jì)目標(biāo)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，新興學(xué)科大量出現(xiàn)，其中，機(jī)械結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測相關(guān)學(xué)科的成立，為疲勞學(xué)科常見問題處理提供了專業(yè)人才，進(jìn)而能夠突破疲勞問題分析阻力，充分發(fā)揮神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法的應(yīng)用優(yōu)勢，大大提高信息理論法、可靠性分析方法的利用率。目前，新興學(xué)科間良好融合，為機(jī)械結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測與可靠性設(shè)計(jì)研究奠定了良好基礎(chǔ)。

5結(jié)語

綜上所述，科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，機(jī)械結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測與可靠性方法探究得到了可靠的技術(shù)支持，在了解研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，通過有效措施提高機(jī)械設(shè)備可靠性，優(yōu)化機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)。不僅能為今后機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整奠定良好基礎(chǔ)，而且還能提高機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性。

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作者:靳峰雷 單位:中國原子能科學(xué)研究院