稳定变应力作用下疲劳强度可靠性设计方法

　　1　问题的提出

　　工程上,稳定变应力状态下机械零件的疲劳可靠度设计过程中需要校核危险截面处的安全系数和计算可靠度[1,2],以检验是否满足给定的设计要 求。对于危险截面处的安全系数计算常常通过力学方法确定出给定工况下危险截面的位置后,进行校核计算。关于可靠度的计算往往采用设定疲劳应力和疲劳强度服 从某一分布后,进行直接计算。这种可靠度计算方法对应力集中、尺寸和表面状态的影响系统考虑较少,也很少考虑寿命系数的影响,同时对工作点的位于疲劳工作 区和塑性工作区内的可靠度如何计算没有系统地说明。

　　2　稳定变应力下疲劳强度可靠性设计方法

　　在工程实际中,机械疲劳强度设计一般要结合许用极限应力图进行设计。由于计算安全系数的目的是判断零件危险剖面处的安全程度,计算过程是在零件的材料、结构和尺寸确定后进行,因此可靠度设计也应在此过程中进行。

　　2.1　单向应力状态下的可靠度设计

　　在稳定变应力下机械零件的设计过程中,影响疲劳强度的主要因素是应力集中、尺寸、表面状态分别用应力集中系数、尺寸系数和表面质量系数进行 2002年3月收稿,2003年3月定稿。考虑,可综合为一个综合影响系数[3]。由于该系数只对极限应力幅有影响,而寿命影响系数则不仅对极限应力幅而 且对极限平均应力也有影响。为此单向应力状态下疲劳强度的可靠性设计要区分三种情况:循环特性为常数;平均应力为常数;最小应力为常数,以计算其可靠度是 否满足要求。如果不满足,则重新设计或修正某些设计参数,再进行计算可靠度,直到满足为止。本文以应力循环特性是常数为例,介绍可靠度计算的方法。图 2·1为零件材料的许用极限应力图。

　　2.1.1　工作点位于疲劳工作区(OBA)

　　寿命系数为

　　式中,m材料和应力状态指数,根据具体情况需要考虑^[3,4](钢:拉应力、弯曲应力、切应力m =9,接触应力m =6;青铜:弯曲应力m =9,接触应力m=8);N0循环基数(常取107次),根据具体情况需要考虑;N循环次数,由给定工况确定。

　　正不对称循环系数的统计特征值计算分别为:均值

　　式中,σ-1对称循环疲劳极限;σ0脉动循环疲劳极限。

　　正应力的综合影响系数统计特征值计算分别为

　　式中,kσ有效应力集中系数;εσ尺寸系数;βσ表面质量系数。

　　考虑寿命系数的影响,可靠度计算时所采用强度的统计特征值为:

　　极限正应力