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。

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。

Fe-safe Verity焊缝疲劳分析一. Verity焊缝疲劳分析的必要性焊接连接是工业领域上非常常见的结构连接方式，在结构设计中具有非常重要的地位，因此焊接的结构强度和疲劳强度都非常重要。

一般情况下，平板焊接钢结构焊缝的屈服强度和抗拉强度都不低于其母材，但是焊缝的疲劳强度却远远低于母材的疲劳强度，焊缝失效的主要形式为疲劳，所以焊缝疲劳强度分析十分必要。

焊缝的抗疲劳性能很大程度上取决于焊缝的宏观和微观几何形状，影响焊缝疲劳强度得因素很多，比如动态应力，平均应力，焊接残余应力等。

传统的焊接疲劳分析方法是通过有限元分析软件来计算焊缝处的应力，然后根据焊接结构的不同类型定义应力寿命S-N曲线来计算焊缝的疲劳寿命。

一般来说，有限元网格的大小直接影响仿真分析的结构应力结果，特别在应力集中位置（焊接位置通常有应力集中），其影响更大，因此传统焊接疲劳分析方法无法准确预测焊缝处的疲劳寿命。

模块，可以很好地解决上述问题。

2006年最新版本的Fe-safe引入了一个全新的“Verity”该模块的核心技术来源于美国著名的科技研发公司Battelle的JIP（Joint Industry Project）项目研究成果，该研究成果“Mesh-insensitive Structural Stress M ethod”是在通用有限元分析程序计算结果基础上，针对板壳、实体等结构连接形式，专门开发计算等效Structural Stress的程序，使得最后的应力计算结果不具有网格敏感性，即在不同网格尺寸下都能获得精确一致的疲劳仿真结果。

二. Verity焊缝分析介绍Verity的等效结构应力法是一种新型焊接结构疲劳寿命预测技术,可广泛应用于不同工业领域的各类形式焊接承载部件的焊趾疲劳分析,如压力容器、管道、海上平台、船舶、地面车辆等结构的管件及平板焊接接头。

该方法主要基于以下2项关键技术:1.考虑焊趾部位的结构应力集中效应,应用改进线性化法或节点力法分析其结构应力(即热点应力),确保计算结果对有限单元类型、网格形状及尺寸均不敏感,从而有效区分不同接头类型的焊趾结构应力集中情形。

结构疲劳强度分析及工程应用的开题报告题目：结构疲劳强度分析及工程应用一、研究背景及意义随着现代工程技术的不断发展，高强度、轻量化及大跨度结构的应用越来越广泛。

而在使用过程中，由于受到连续的载荷作用，结构往往会出现疲劳破坏，特别是一些关键部位的疲劳寿命更是成为了工程设计中必须考虑的重要问题。

因此，对结构的疲劳强度进行分析和优化设计，对于保障结构的安全使用、延长结构的寿命具有重要意义。

目前，国内外已经研究了大量的关于结构疲劳强度的理论和应用，为工程设计提供了一定的理论基础和技术支持。

二、研究现状分析目前，结构疲劳强度分析的方法主要分为两大类：基于试验数据的经验方法和基于数值分析的理论方法。

经验方法主要是基于试验数据的统计分析，包括莫尔曼、极限应力法、等效应力法和振动法等。

这些方法在短期的实用工程中具有一定的应用价值，但由于其依赖于试验数据的限制，往往难以满足一些高精度的工程设计要求。

理论方法主要是基于数值模拟的方法，包括有限元法、多体动力学方法和流固耦合方法等。

这些方法在研究结构疲劳的机理、优化设计和寿命预测等方面都具有一定的优势，但也面临着计算复杂度高、参数确定难度大等问题。

对于这些方法的研究，已经取得了一定的进展，但在实际工程应用中还存在一些问题，比如模型参数的取值不准确、模型验证不充分等。

因此，本研究旨在对结构疲劳强度分析方法进行综述和比较，分析各种方法的优缺点，并通过典型工程实例验证其工程应用效果，为工程设计提供理论支持和技术指导。

三、研究内容及方法本研究将针对结构疲劳强度分析中存在的问题，采用综合理论和现场实验相结合的方法，探讨以下研究内容：1. 优化建立结构疲劳数值模型，选取合适的参数，并选择常用的有限元软件对其进行数值模拟。

2. 选取合适的材料，制作试验样品，通过疲劳试验验证数值模拟的准确性，并确定确定疲劳强度和寿命曲线。

3. 基于现有的工程实例，对各种疲劳分析方法进行比较和分析，并结合，为工程设计提供合适的分析建议。

塑料件疲劳仿真实例
疲劳（Fatigue）是引起工程构件失效的最主要原因之一。

工业界对于传统材料性能的认知已经非常成熟（如静态载荷，无缺陷材料强度），对于材料强度的控制能力也已经大大增强，对于工程中的强度设计的实践经验也十分丰富，因此动态疲劳效应在工程中引起失效的现象越来越突出。

什么是疲劳？
在某点和某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部的，永久的结构变化发展过程，称之为疲劳。

材料疲劳断裂的严重性。

发生断裂是因为有裂纹的存在，裂纹的萌生和发展足以引起断裂的原因大多是由于疲劳所造成。

19XX年彗星号坠机事件，事故原因：压力仓疲劳破坏。

20世纪80年代初，美国众议院科技委员会委托国家标准局进行了一次关于断裂所造成的损失的大型综合调查，调查报告指出断裂使美国一年损失11XX亿美元，占19XX年的美国国家总产值4%，遭受损失最严重的三个行业为：车辆业（12X亿美元/年），建筑业（1XX亿美元/年），航空工业（6X亿美元/年）。

报告同时指出向工程技术人员普及关于断裂和疲劳的基本概念知识，可减少损失29%。

可见疲劳在工程应用上的重要性非同一般。

miner累积疲劳准则摘要：1.Miner 累积疲劳准则概述2.Miner 累积疲劳准则的制定背景和意义3.Miner 累积疲劳准则的具体内容4.Miner 累积疲劳准则的应用实例5.Miner 累积疲劳准则的优缺点分析正文：【1.Miner 累积疲劳准则概述】Miner 累积疲劳准则，是一种针对矿工劳动强度和疲劳程度的评估准则。

矿工在长时间高强度的劳动中，容易出现疲劳，从而影响其工作效率和生命安全。

为了保障矿工的权益，制定出了一套评估矿工疲劳程度的标准，即Miner 累积疲劳准则。

【2.Miner 累积疲劳准则的制定背景和意义】矿工作为一种高强度、高风险的职业，其工作环境的恶劣和工作压力的巨大，使得矿工的疲劳程度往往被忽视。

而在疲劳状态下，矿工的工作效率会降低，更容易发生事故。

因此，制定Miner 累积疲劳准则，旨在保障矿工的生命安全和工作效率，提高矿工的工作质量。

【3.Miner 累积疲劳准则的具体内容】Miner 累积疲劳准则主要包含以下几个方面：(1) 矿工的工作强度：包括矿工的劳动时间和劳动强度，以及劳动强度的波动情况。

(2) 矿工的工作环境：包括矿工的工作温度、湿度、氧气浓度等因素。

(3) 矿工的身体状况：包括矿工的年龄、健康状况、心理状态等因素。

【4.Miner 累积疲劳准则的应用实例】在实际的应用中，矿工会根据Miner 累积疲劳准则，对自己的工作状态进行评估，以确定自己的工作强度是否合理。

同时，矿务局也会根据Miner 累积疲劳准则，对矿工的工作状态进行监管，以确保矿工的工作安全。

【5.Miner 累积疲劳准则的优缺点分析】Miner 累积疲劳准则的制定，有利于保障矿工的权益，提高矿工的工作质量。

但是，同时也存在一些问题，如评估标准的主观性较强，不同的矿工可能存在不同的疲劳程度，但评估结果可能相同。