[发明专利]基于静强度的结构全场轻量化定量评价方法

说明书

针对现有的轻量化设计方法存在的无法进行全场定量的轻量化评价现象。本发明提出了一种基于静强度的结构全场轻量化定量评价方法，使用结构静强度场与结构应力场进行匹配，进行结构全场轻量化定量评价。具体为根据结构危险截面的最高应力分布，确定结构危险截面的理想静强度场分布，根据结构热处理要求和材料的端淬曲线以及强度硬度转换关系，确定结构危险截面的静强度分布。应用应力‑强度干涉模型进行结构危险截面的全场轻量化水平定量评价。

技术领域

本发明涉及机械设计中结构静强度设计和静强度评价领域，适用于黑色、有色等金属机械结构和零部件的静强度设计和静强度评价。

背景技术

现有基于静强度的轻量化评价方法是仅以危险截面强度要求进行静强度轻量化评价，把机械结构和零部件的静强度作为整体来处理，只考虑了危险截面最高应力与整体静强度之间的关系，把危险点的最高应力和整体的强度进行比较。结构的应力是场和局部的概念，可以通过材料力学或有限元可以精确求解结构和零部件危险截面全场下的应力分布，结构除了承受简单拉压载荷外，结构危险截面不同位置处的应力不同。因此，现有机械结构和零部件的危险点最高应力和整体强度的设计方法无法避免危险截面的局部强度过剩，也无法进一步进行影响危险截面静强度的材料、热处理的定量匹配，不能进行机械结构和零部件基于静强度的全场轻量化定量评价。本发明提出了强度场的概念，实现了基于静强度场的结构轻量化定量评价，由应力场转化为理想强度场，通过材料的端淬曲线和热处理要求得到的硬度场转化为实际强度场，通过实际强度场与应力场的数值比值与安全系数的关系进行全场轻量化的定量评价。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：现有的轻量化设计方法存在的无法进行全场定量的轻量化评价。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种基于静强度的结构全场轻量化定量评价方法，其特征在于，使用结构静强度场与结构应力场进行匹配，进行结构全场轻量化定量评价，包括以下步骤：

步骤1、确定拟进行全场轻量化定量评价的结构使用过程中可能出现的最危险的极限静载荷，在该极限静载荷下获得结构危险截面处的最高静应力及静应力的梯度方向应力分布；

步骤2、根据结构危险截面处的最高静应力及静应力的梯度方向应力分布，进行危险截面的理想静强度场分布设计，使得结构危险截面上的任一点的静强度都大于该点的应力，按照应力-强度干涉理论，机械结构和零部件危险截面任一点的理想强度设计为该点的应力乘以安全系数；

步骤3、根据结构热处理要求和材料的端淬曲线，确定结构危险截面的最低硬度和最高硬度以及硬度的梯度分布；

步骤4、根据硬度-静强度转换关系，确定结构危险截面的最低实际静强度和最高实际静强度以及实际静强度的梯度分布；

步骤5、应用应力-强度干涉模型保证任一点的强度大于等于该点的极限应力，通过结构危险位置处的实际静强度的梯度分布和极限静应力分布，进行结构危险位置处全场轻量化定量评价——表面及其深度分布的轻量化定量评价，即任意一点的实际静强度和该点的最高应力之比。

优选地，步骤1中，采用材料力学或有限元方法计算得到所述最高静应力及所述梯度方向应力分布。

优选地，步骤1中，所述最高静应力为结构危险截面处的表面最高应力；所述梯度方向应力分布为结构危险截面处的表面应力沿深度的分布。

优选地，步骤2中，进行危险截面的理想静强度场分布设计时，根据结构使用过程中极限静载荷下的最高静应力及静应力的梯度方向应力分布确定结构的理想静强度场分布，理想强度场与最高静应力及静应力的梯度方向应力分布成比例放大，按照应力-强度干涉理论，机械结构和零部件危险截面任一点的理想强度设计为该点的应力乘以安全系数，且结构危险截面上的理想静强度分布，不存在强度过剩，强度利用率达到最大。

优选地，所述步骤3包括以下步骤：