[发明专利]一种结构无限寿命下的轻量化设计方法

说明书

本发明提出了一种结构无限寿命下的轻量化设计方法，在设计过程中，结构危险位置的静强度和疲劳强度高于结构应力的值恰好为理想设计裕度，保证结构的轻量化；结构危险位置的应力小于疲劳极限，保证结构的无限寿命。通过进行应力场与静强度场、应力场和疲劳强度场之间的轻量化匹配设计，基于静强度场和疲劳强度场的设计反向确定工艺的定量匹配，将设计与制造耦合，实现了结构无限寿命下真正意义上的轻量化设计，保证结构无限寿命下最大程度发挥结构材料利用率、强度潜能。

技术领域

本发明涉及机械结构设计中无限寿命设计领域，尤其涉及一种结构无限寿命下的轻量化设计方法。

背景技术

现有技术的无限寿命设计时，设计方法一般采用逆向设计或模仿设计，设计的机械结构形状尺寸较大。结构设计中考虑应力场与强度，应力考虑应力场是变化值，但强度未考虑强度场，强度作为平均强度，是固定值，造成强度和应力场的不匹配。在抗疲劳设计和抗疲劳制造方面缺乏耦合，抗疲劳设计和抗疲劳制造的失配，导致至今无强化工艺要求的定量匹配技术、硬度和残余应力分布定量匹配技术等，造成结构存在局部强度过剩。虽然轻量化设计技术可以从传统的结构减重方面过渡到新型材料替换方面，但成本高。

因此，如何实现设计与制造耦合，实现结构无限寿命下真正意义上的轻量化设计，是现有技术中需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构无限寿命下的轻量化设计方法，通过进行应力场与静强度场、应力场和疲劳强度场之间的轻量化匹配设计，实现了结构无限寿命下真正意义上的轻量化设计，保证结构无限寿命下最大程度发挥结构材料利用率、强度潜能。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种结构无限寿命下的轻量化设计方法，包括以下步骤：

步骤1，获得极限载荷下结构危险位置处沿深度方向的应力分布图，确定危险位置处的最大应力值；

步骤2，确定理想的静强度设计的裕度和理想的疲劳强度设计的裕度；

步骤3，基于静强度场的轻量化设计：设计步骤1中结构危险位置的静强度高于应力场的值为静强度设计的裕度，同时通过工艺处理保证结构其余位置的静强度高于应力分布；

步骤4，获得步骤1中结构危险位置处结构的疲劳强度分布图，确定危险位置处的最小的疲劳强度；

步骤5，基于疲劳强度场的轻量化设计：根据疲劳强度分布图，设计步骤1中所述危险位置的疲劳强度高于应力场的值为疲劳强度设计的裕度；结构危险位置的应力小于结构的疲劳强度。

优选地，在步骤3中，结构的静强度用组织强度表示，组织强度由硬度表征，如式：

σ_b(i,j,k)＝f₁(H_(i,j,k))_(i,j,k)

式中，σ_b(i,j,k)为结构任一点的静强度场，f₁为强度硬度转换系数，H_(i,j,k)为结构任一点的硬度，i，j，k为正整数。

优选地，在步骤3中，所述工艺处理为热处理工艺。

优选地，在步骤4中，结构任一点的疲劳强度可由硬度和残余应力转换得到，转换关系如下：

σ_w(i,j,k)＝pH_(i,j,k)+qσ_{残余应力(i,j,k)}

式中，σ_w(i,j,k)为结构任一点的疲劳强度场，σ_{残余应力(i,j,k)}为结构任一点的残余应力，H_(i,j,k)为结构任一点的硬度，p为强度硬度转换系数，q为强度残余应力转换系数，i，j，k为正整数。