疲劳设计及其应用实例

2023年 第49卷·71·作者简介：袁卫明（1971-），男，本科，正高级工程师，副总工程师，现从事塑料注射成型机研发设计。

收稿日期：2023-07-200　引言注塑机机筒是注射机构中的重要零部件，在工作中其要承载注射高压的冲击，当前注塑机的注射压力已从传统的170 MPa 发展到270 MPa 以上。

面对机筒在高压和超高压中出现的失效现象，沿用传统的注塑机筒强度理论[1]，不能圆满解释机筒失效的实际现象。

本文从厚壁圆筒的弹塑性力学理论[2]分析研究注塑机筒的工作特性，阐述以往用弹性力学角度分析研究机筒强度的局限性，提出了符合实际的注塑机筒疲劳强度的设计准则，并用实例加以论证。

1　厚壁圆筒1.1　厚壁圆筒的应力分析根据厚壁圆筒体[3]的应力变形特点，我们假设将厚壁圆筒看成是由许多个薄壁圆筒相互连在一起所组成，如图1所示，当厚壁圆筒内径承受内压力后，其组成的各层薄壁圆筒由里至外逐步受力，其变形受到里层薄壁圆筒的约束和受到外层薄壁圆筒的限制，因此各个单元薄壁圆筒体都会受到内外侧变形的约束和限制所引起的均布压力作用，从里往外各层薄壁圆筒体的变形被受到的约束和限制是不同的，环向应力沿壁厚方向分布是不均匀的，这是厚壁圆筒形变和应力的一个基本特点。

厚壁圆筒应力、应变的另一个特点是：由于厚壁圆筒是由多个薄壁圆筒组成，在多层材料变形的相互约束和限制下，沿径向方向产生了径向应力，沿壁厚方向径向应力分布是不均匀的。

厚壁圆筒和薄壁圆筒注塑机筒疲劳强度计算的设计准则袁卫明，成明祥(德清申达机器制造有限公司，浙江 湖州 313205)摘要：传统注塑机筒强度设计理论未能合理解释回答在实际中产生的一些失效现象问题，对比厚壁圆筒的力学分析，确认判断注塑机筒沿用以往的设计理论具有局限性和适用范围。

通过引用分析目前在厚壁圆筒中较常用的弹塑性强度理论设计观点，结合实例，提出了符合实际的注塑机筒强度理论的设计准则。

第十四章疲劳分析的数值计算方法及实例第一节引言零件或构件由于交变载荷的反复作用，在它所承受的交变应力尚未达到静强度设计的许用应力情况下就会在零件或构件的局部位置产生疲劳裂纹并扩展、最后突然断裂。

这种现象称为疲劳破坏。

疲劳裂纹的形成和扩展具有很大的隐蔽性而在疲劳断裂时又具有瞬发性，因此疲劳破坏往往会造成极大的经济损失和灾难性后果。

金属的疲劳破坏形式和机理不同与静载破坏，所以零件疲劳强度的设计计算不能为经典的静强度设计计算所替代，属于动强度设计。

随着机车车辆向高速、大功率和轻量化方向的迅速发展，其疲劳强度及其可靠性的要求也越来越高。

近几年随着我国铁路的不断提速，机车、车辆和道轨等铁路设施的疲劳断裂事故不断发生，越来越引起人们的重视。

疲劳强度设计及其研究正在成为我国高速机车车辆设计制造中的一项不可缺少的和重要的工作。

金属疲劳的研究已有近150年的历史，有相当多的学者和工程技术人员进行了大量的研究，得到了许多关于金属疲劳损伤和断裂的理论及有关经验技术。

但是由于疲劳破坏的影响因素多而复杂并且这些因素互相影响又与构件的实际情况密切相关，使得其应用性成果尚远远不能满足工程设计和生产应用的需要。

据统计，至今有约90%的机械零部件的断裂破坏仍然是由直接于疲劳或者间接疲劳而引起的。

因此，在21世纪的今天，尤其是在高速和大功率化的新产品的开发制造中，其疲劳强度或疲劳寿命的设计十分重要，并且往往需要同时进行相应的试验研究和试验验证。

疲劳断裂是因为在零件或构件表层上的高应力或强度比较低弱的部位区域产生疲劳裂纹，并进一步扩展而造成的。

这些危险部位小到几个毫米甚至几十个微米的范围，零件或构件的几何缺口根部、表面缺陷、切削刀痕、碰磕伤痕及材料的内部缺陷等往往是这种危险部位。

因此，提高构件疲劳强度的基本途径主要有两种。

一种是机械设计的方法，主要有优化或改善缺口形状，改进加工工艺工程和质量等手段将危险点的峰值应力降下来；另一种是材料冶金的方法，即用热处理手段将危险点局部区域的疲劳强度提高，或者是提高冶金质量来减少金属基体中的非金属夹杂等材料缺陷等局部薄弱区域。

疲劳设计及其应用实例疲劳设计是指在设计过程中考虑到使用者的疲劳状况，以提高产品的舒适性和使用效率。

疲劳设计的目标是减少用户在使用过程中的疲劳感和不适感，从而提高产品的可用性和用户满意度。

下面将介绍疲劳设计的原则以及一些应用实例。

首先，疲劳设计的原则包括符合人体工程学、注重细节、灵活多样和适应性强。

符合人体工程学是指根据人体的生理和心理特征进行设计，使用户在使用产品时不费力、不受伤害，并且具备良好的姿势和动作。

注重细节是指关注每一个设计细节，例如按钮的大小、位置和形状，以及操作界面的布局和样式。

灵活多样是指根据不同用户的需求进行设计，例如设置可调节的高度和角度，以适应不同身高和使用习惯的用户。

适应性强是指设计具有一定的可调节性，以适应不同用户在不同时间段的不同疲劳程度。

应用实例一：办公椅设计办公椅是人们每天长时间接触的家具之一、在办公椅的设计中，可以采用疲劳设计的原则，以提高用户的舒适性和工作效率。

首先，办公椅的设计应符合人体工程学，例如椅背的高度和角度应能支撑用户的腰部，使得用户的姿势得到良好支持。

其次，细节设计方面，椅子的靠背和坐垫应选用透气舒适的材料，以增加用户的舒适感。

而且，椅子的座位高度、靠背高度和扶手高度应可调节，以适应不同身高和使用习惯的用户。

此外，办公椅还可以设计为椅背可以前后调节和椅子可以旋转的可旋转椅，以提高用户的使用灵活性和适应性。

应用实例二：交通工具设计在交通工具的设计中，疲劳设计也是非常重要的。

例如，在飞机的座椅设计中，航空公司可以考虑采用符合人体工程学的座椅设计，以提高乘客的舒适性。

座椅的靠背应设计为可以前后调节和倾斜的可调节式座椅，以满足不同身高的乘客的需求。

座椅的扶手高度和位置也可以调节，以适应不同乘客的使用习惯。

此外，座椅的材料也应选用透气舒适的材料，以增加乘客的舒适感。

同时，飞机的空调系统应设计为可以调节温度和湿度的功能，以提供良好的舒适环境，减少乘客的疲劳感。

网络教育学院本科生毕业论文（设计）题目：浅谈机械零件的疲劳强度学习中心：层次：专科起点本科专业：机械设计制造及其自动化年级：年季学号：学生：指导教师：完成日期：年月日内容摘要本文以机械零件的疲劳强度计算方法为切入点，首先阐述零件在工作中变应力的分类和变应力的参数，然后推导出变应力计算公式，进而讨论影响疲劳强度的因素以及提高疲劳强度的解决措施，最后介绍了疲劳强度在各领域中的应用。

关键词：疲劳强度；变应力；复合应力；可靠性目录内容摘要 (I)引言 (1)1 变应力的分类 (2)2 变应力参数 (3)3 疲劳曲线 (4)4 影响疲劳强度的因素 (5)4.1应力集中的影响 (5)4.2尺寸与形状的影响 (9)4.3表面质量的影响 (9)4.4表面强化的影响 (9)4.4其他因素的影响 (10)5 提高疲劳强度的解决措施 (11)5.1提高构件表面质量 (11)5.2提高构件表面强度 (11)5.3豪克能技术 (11)6 疲劳强度在各领域的应用以及前景展望 (12)6.1 疲劳强度在机械零件中的应用 (12)6.2 疲劳强度在航空航天领域的应用 (12)6.3前景展望 (13)结论 (15)参考文献 (16)引言通用机械零件的强度分为静应力和变应力强度范畴。

根据设计经验及材料的特性，通常认为在机械零件整个工作寿命期间应力变化次数小于103的通用零件，均可按静应力强度进行设计。

本论文以下主要讨论零件在变应力下的疲劳、影响疲劳强度因素、疲劳强度计算等问题。

1954 年，世界上第一款商业客机de Havilland Comet 接连发生了两起坠毁事故，这使得“金属疲劳”一词出现在新闻头条中，引起公众持久的关注。

这种飞机也是第一批使用增压舱的飞行器，采用的是方形窗口。

增压效应和循环飞行载荷的联合作用导致窗角出现裂纹，随着时间的推移，这些裂纹逐渐变宽，最后导致机舱解体。

Comet 空难夺去了68 人的生命，这场悲剧无时无刻不在提醒着工程师创建安全、坚固的设计。

复合材料结构的疲劳试验研究随着科技的不断发展，复合材料在工程结构中的应用越来越广泛。

由于复合材料优异的物理和力学特性，它被广泛应用于航空、汽车、海洋、电子等领域。

然而，在复合材料结构应用的过程中，疲劳寿命成为制约其使用的重要因素。

因此，研究和分析复合材料结构的疲劳试验变得越来越重要。

一、复合材料的疲劳特性在研究复合材料结构的疲劳试验之前，我们需要了解复合材料的疲劳特性。

复合材料的疲劳行为受到许多因素的影响，包括应力水平、振荡幅值、振荡频率等。

由于复合材料是由多种材料组成的，因此它的疲劳行为也受到这些材料的影响。

例如，复合材料中纤维的方向、大小、排列方式等都会影响它的疲劳寿命。

复合材料疲劳行为的研究主要包括疲劳试验和疲劳模型。

疲劳试验通常是通过施加不同的应力水平、振荡幅值和振荡频率来研究材料在不同工况下的疲劳寿命。

而疲劳模型则是通过分析试验数据，建立材料的疲劳寿命和施加应力之间的关系，以预测材料在实际工作条件下的疲劳寿命。

二、复合材料结构的疲劳试验方法复合材料结构的疲劳试验是评估复合材料结构在实际工作条件下的疲劳寿命的一种方法。

这种试验通常采用恒幅加载或变幅加载的方式来模拟材料在实际工作条件下的疲劳状态。

恒幅加载试验是在相同的应力水平下进行的，而变幅加载试验则是在不同的应力水平下进行的。

在复合材料结构的疲劳试验过程中，需要对试验的参数进行精确测量。

这些参数包括振幅、振动频率、应力幅、应力比、位移等。

此外，还需要测量复合材料试样表面的裂纹长度、裂纹方向和裂纹密度等参数，以评估试样的疲劳损伤程度。

三、复合材料结构疲劳试验的实例以复合材料制成的梁为例，来探讨复合材料结构疲劳试验的实施过程。

首先，需要根据实际工况和材料特性选择适当的试验参数。

例如，梁的载荷大小和载荷方向、振动频率、振幅等参数。

然后，需要制备符合要求的试验样品，通常采用层压法制备。

制备好的试验样品需要进行预处理，例如剪切、打砂等处理，以保证试样表面的光滑度和均匀性。