机械产品的一体化抗疲劳设计

HEATS

    最近十几年，中国的机械制造业发展迅猛，机械产品的出口大幅增长，质量也越来越好。但是客观地说，中国机械产品的设计水平及其信息化程度仍然有待提高，特别是产品的抗疲劳设计水平较低，直接影响了企业的产品开发能力以及产品质量。我在这里主要是想给大家介绍一下两种典型的抗疲劳设计思路，一种是目前在国内广泛使用的传统耐久策略，另一种是最近才发展的，已经在一些世界著名企业得到广泛应用的一体化抗疲劳解决方案。通过分析对比让大家对一体化抗疲劳设计解决方案的先进性有一个初步的认识。 
    金属疲劳实际上是导致机械产品失效的一个主要原因。一般说来，金属材料只要受到动载荷，经过一定的时间就会产生裂纹，裂纹可能继续扩展，并最终导致构件的断裂。所以，在机械产品设计时，既要防止由于疲劳引起的失效，同时也要避免过头的设计，这样才能堤高产品的竞争力。  ; ~. R7 N3 s3 P9 A
    既然金属有疲劳问题，那机械产品在开发过程中是怎么考虑的呢？我对此作了一些调查，传统的思路是：先构思新产品方案；然后按照企业内部或行业规定做出设计，这些规定大多数并不考虑实际的动载荷，不要求进行疲劳寿命计算；设计完成后，制造出若干样机；再按照规定对样机进行疲劳试验。例如，汽车要做试车场考核试验，飞机要做全尺寸结构疲劳试验。如果试验结果符合规定，那么就认为产品合格，否则需要重新修改设计，重新制造样机，重新试验直至通过。可以想象，由于疲劳试验非常耗时，这种基于试验的产品开发将会非常的费时和费钱，并且一旦试验出了问题，修改设计也是盲目的。另外，即使通过了试验，也可能不知道为什么能通过。有时候甚至会发生试验通过的产品在实际使用时仍然出现严重的问题。可是，大多数中国的企业目前都在采用这样一种设计思路，据我所知，疲劳问题实际上正在困扰着国内的一些企业。 
    那么，有没有更好的办法呢？其实，国际上很多专业公司早已形成了全套的抗疲劳技术解决方案和软件产品。一体化抗疲劳解决方案实际上是和计算机、有限元以及数据采集和信号处理等技术一起发展起来的，由于篇幅的关系，我在这里只能给大家归纳一下它的一些主要特点，较详细的描述可参阅《中国机械工程》1998年第11期中的现代疲劳设计工程应用技术专辑。这些主要特点有：第一，以寿命为设计目标；第二，全方位调查用户用途及使用环境，尽量获取寿命设计所需的实际动载荷；第三，在设计阶段进行广泛的“虚拟”分析，应用疲劳理论进行寿命优化分析设计；第四，试验只对“好”的设计进行；第五，用试验关联验证理论，用理论指导试验，两者互相配合取得信心；第六，企业内部数据采集、实验室模拟及分析设计各部门互相配合，进行数据流、信息流一体化管理。一些世界著名的汽车公司和飞机公司目前大多采用这种一体化解决方案，实践证明，它能帮助企业大大缩短产品的开发周期、提高企业的市场竞争力。 
    由于工作的关系我拜访过许多国外和国内的大型企业集团，深感中国的机械产品的抗疲劳设计水平和发达国家有相当大的差距，一是在发达国家已得到广泛应用的“虚拟”分析，才刚刚起步；二是没有完整的动载荷数据；三是缺乏材料的疲劳数据；四是没有有效的数据信息管理系统。但是，值得高兴的是，许多企业已经开始重视一体化抗疲劳设计技术，有些企业也购置了nCode的疲劳软件。我相信如果企业能尽快转变设计思路、培养人才、大力引进推动虚拟设计分析，并开始积累载荷和材料等数据，那么和发达国家在机械设计水平方面的差距将会很快缩小。