| 单词 | 机械结构强度 |
| 释义 | 【机械结构强度】 是现代力学在机械工程中的实际应用，主要包括结构计算分析、实验应力分析、疲劳与断裂、振动与噪声等专业。 机械结构强度是机械工业的重要共性基础技术之一。它是机械产品设计中最活跃的一个领域，涉及机械产品设计、制造工艺、质量检验、安装调试、生产运行、故障监测等环节，是提高设计水平和产品质量，保证机器设备安全可靠运行的关键技术之一。随着机械设备向大容量、高参数、精密、高效、成套等方向发展，产品设计必须建立在科学试验和计算分析的基础上，采用先进的现代设计技术，机械结构强度技术就是其重要的内容。结构计算分析 在结构分析中，常遇到的问题是：线性结构的静力学、动力学和稳定性问题以及非线性结构分析问题。50年代末出现有限元法后，研究和应用齐头并进，现在已成为结构分析最普通用的方法与手段。同时出现了概念上的延拓，如有限条法；出现了方法上演化，如加权残数法；也出现了解析方法或其他离散化方法的综合新方法。60年代初随着结构分析技术的突破，结构优化提到日程上来，数字规划法和优化准则法是其主要的两个方法，70年代初二者结合成一种较适用的方法。针对各种需要，研究和开发了大批应用软件。国外先进工业国家开发了许多大型结构分析程序，例如SAP、ADINA／T、ASKA、SESAM、NASTRAN、ASAS、ANSYS、PAFEC、MARC等。中国引进、消化、推广了一些程序，也开发出了一些质量比较高、通用性比较强的结构分析和优化设计程序，如DASAP、MAS、OPB等。在国外数值计算方法、数据库技术、CAD技术日趋普及的基础上发展了强度评价程序系统。用管理软件把有限元结构分析、强度设计校核、计算机失效分析、规范标准评价，以及图形输出联合应用于产品设计，以提高产品设计水平和竞争能力。今后的发展方向是进一步研究有限元法等的数学基础和收敛问题，研究超级计算和并行处理，提高运转速度，扩大解题规模；研究边界元法等新的数值分析方法及开发新的程序系统，大型结构分析通用程序将不断更新发展，并走向高度结构化、模块化、层次化、标准化，适合小型机和微型机的应用程序和专用程序会有很大发展；研究与开发复杂结构的整机的静、动力分析技术，并进行机械产品的优化设计，寻求最佳结构方案。CAD／CAM技术将进一步发展与普及。各种热加工工艺的数值模拟技术可望用于指导工艺改进，提高产品质量。实验应力分析 实验应力分析是用实验分析法确定物体(例如工程构件)在受力情况下的应力状态的学科。20世纪30年代，粘贴式电阻应变计的出现，光弹性实验技术的进一步完善，以及其他实验技术的发展，实验应力分析技术蓬勃地发展起来，并得到广泛的应用，目前已有电学、光学、声学及其他类型的实验方法。(1)电测技术。有电阻、电容、电感等多种方法，而以电阻应变计测量技术应用较为普遍，实际效果也较好。电阻应变计不仅用于模型实验，而且可在机器工作条件下，用它进行应变及其它参数(如扭矩、压力、残余应力等)的测量。利用无线电遥测技术，还可进行远距离的应变测试。电容应变计可在650℃以上的温度环境中，长期进行应变测量。电感式传感器多用于位移的测量。(2)光测技术。经典的光弹性实验技术，已从二维、三维模型实验(光弹性法、光弹性应力冻结法)扩展成能用于工业现场测量的光弹性贴片法，用来解决扭转和轴对称问题的光弹性散光法，研究应力波传播和热应力的动态光弹性法及热光弹性法，进行弹－塑性应力分析的光塑性法，以及研究复合材料力学的正交异性光弹性法。云纹法特别适合大变形的测量。全息干涉法和散斑干涉法在分析复杂构件的振型和振幅、测量物体的微小变形、对三维位移场进行定量分析(位移场全息干涉分析)以及测定含裂纹构件的应力强度因子等方面，都已取得一定成效。在全息技术和散斑技术中应用脉冲激光，还可以研究应力波在固体中的传播。采用全息光弹性法，可以同时获得等差线及等和线的数据，便于分离主应力，用以解决平面的应力分析问题。用焦散线法可以测量裂纹尖端的塑性区和应力强度因子，也可测量角隅区的应力奇异性和两物体间的接触应力。光弹性及光塑性方法用于热加工工艺的模拟技术则正在研究中。(3)声学方法。声弹性法可以用来测量焊接件的残余应力。声发射法可以用来确定含裂纹试件的开裂程度，以及监测疲劳裂纹的扩展状况等。声全息法可以用来显示试件内部缺陷的形状和大小。实验技术正在向广度和深度发展。就广度而言，广泛应用的电阻应变计测量技术能从真空到高压，从深冷到高温、强磁场、强辐射，从静态到高频振动与高速旋转，从近距测试到远距测试都可获得有效的数据。在深度方面，开展宏观和微观相结合的实验研究，深入探索失效的机理和各种影响结构强度的因素。在实验数据的采集、处理、分析和控制等方面，力图实现计算机化。随着电子计算机及有限元分析和其它数值分析方法的应用，经典的应力分析正朝着实验和计算相结合、物理模型和数学模型相结合的方向发展。热加工工艺过程的光弹(塑)性模拟技术值得重视。疲劳与断裂 疲劳与断裂是以力学、材料和设计为主的一门边缘学科。疲劳研究主要是为了解决：(1)材料的疲劳裂纹萌生及其扩展机理；(2)有效的疲劳寿命估算和疲劳强度设计方法；(3)从材料、工艺、设计等方面改善机器零件的疲劳性能。疲劳寿命估算有3种方法。一是在机械行业中广泛应用的是名义应力法，是以零件和构件的名义应力为参数，计入有效应力集中系数、尺寸系数、表面加工系数和不对称循环系数等疲劳影响因素，得到当量计算应力S，用Miner公式及S-N曲线进行累积损伤计算，由此算出寿命。二是进行疲劳有限寿命设计的现代方法，广泛应用局部应力－应变法估算裂纹形成寿命，用断裂力学裂纹扩展公式估算裂纹扩展寿命。三是损伤力学方法。一种寿命估算法是以疲劳强度的降低作为衡量其损伤度的参数，并认为损伤是连续发生的过程，损伤度与循环比(寿命循环分数)是非线性关系，由此建立寿命估算公式。另一种寿命估算法是应用有效应力和等价应变的概念，建立受损材料的本构方程，从热力学的角度导出损伤演变方程，进而结合材料试验数据给出疲劳寿命估算公式。损伤力学方法尚处于起步阶段，但它是一种很有前途的疲劳寿命估算方法。为了便于分析研究，常常按破坏循环次数的多少将疲劳分为：(1)高周疲劳——破坏循环次数高于104～103次的疲劳，其特点是作用于构件上的应力水平较低，应力和应变呈线性关系，疲劳裂纹扩展可利用线弹性断裂力学方法研究。(2)低周疲劳——破坏循环次数低于104～105次的疲劳，其特点是作用于构件的应力水平较高，材料处于塑性状态，疲劳裂纹扩展一般采用弹塑性断裂力学方法研究。疲劳研究的趋势之一是向特殊工况发展，特殊工况疲劳是指高温疲劳、热疲劳(由循环热应力引起)、腐蚀疲劳、擦伤疲劳、声疲劳(由噪声激励引起)、冲击疲劳、接触疲劳、非金属疲劳、复合应力疲劳等。趋势之二是微观理论和宏观理论结合起来，从本质上探究疲劳破坏的机理。这需要更多的断裂力学知识。线弹性断裂力学的建立和弹塑性断裂力学的发展，提出了一些描述裂纹扩展的参量，如应力强度因子、J积分、裂纹张开位移(COD)，它们可定量地用于设计，将它们与传统的强度理论结合起来，可以设计出更安全的工程结构。对于高速加载或裂纹高速扩展条件下的裂纹扩展规律，属于动态断裂力学或称为断裂动力学。脆性材料在加工、碰撞和冲击下的破坏，地震对结构的影响，天燃气管道的破裂都属于断裂动力学研究的范围，它是断裂动力学的一个分支。振动和噪声 振动可分为力学系统的振动和电气系统的振动两大类。任何力学系统只要它具有弹性和惯性，都可能发生振动。振动理论已比较成熟，一般都是已知激励、响应、系统特性中的二者而求第三者。在激励条件和系统特性已知的情况下，求系统的响应，称为振动分析。在系统特性和响应已知的情况下，反推系统的激励，称为振动环境预测。在激励和响应均为已知的情况下，确定系统的特性，称为振动特性测定或系统识别。还有一种振动综合或振动设计，即在一定激励条件下确定系统的特性，使系统的响应满足指定的条件。实际的振动问题往往错综复杂，它可能同时包含识别、分析、综合等几方面的问题。通常将实际问题抽象为力学模型，这是系统识别问题；针对系统模型列式求解的过程，这是振动分析的过程；分析并非问题的终结，分析的结果还必须用于改进设计或排除故障(实际的或潜在的)。解决振动问题的方法不外乎通过理论分析和实验研究，二者相辅相成。在振动的理论分析中大量应用数学工具，特别是电子计算机模拟仿真。从60年代中期以来，振动测试技术有了重大突破和进展，特别是试验模态分析技术的发展与应用，又为振动问题的实验、分析和研究开拓了广阔的前景。转子动力学。主要研究转子－支承结构－基础系统在旋转状态下的振动、平衡和稳定性问题。在各种旋转与往复式机械设备的设计、安装、调试与运行中都遇到这类问题，往往会成为设备不能稳定安全运行的关键问题。转子动力学研究的主要内容有：(1)临界转速；(2)通过临界转速的状态；(3)动力响应；(4)动平衡；(5)转子轴承系统稳定性。电子计算机辅助动平衡是转子动力学技术与计算机技术的结合。结构动力分析。复杂结构的动力分析可以采用计算分析与实验研究两种途径。计算分析一般采用有限元法。实验研究普遍采用试验模态分析技术。这两种方法都发展得比较成熟，国内外都研制出一批商品化的软件或分析系统，解决了大量工程实际问题。目前的发展趋势是把两种方法结合起来，取长补短，提高结构动力学建模的准确性和解题效率，用以指导设计。动力优化设计技术正在发展中。故障诊断技术。这是一门新兴的学科，发展非常迅速。故障诊断方法已有多种，最普及的诊断方法是振动信号分析技术。振动信号分析技术分别从频域或时域提出了许多新方法，如复倒频谱分析、时序模型法、倒最大熵谱分析。此外还提出了模糊数学及模糊逻辑方法在诊断中应用等。诊断预测技术的全面解决，最终有待于仿真数学模型的建立与数据积累，当前的工作致力于局部模型的建立。在专家系统中从“浅知识模型”过渡到“深知识模型”，使诊断技术逐步数学化、系统和完善化。噪声及降噪。噪声已成为环境污染的公害之一，而机械产品运转时所产生的噪声，则是这一污染的主要来源。70年代年来，噪声控制工程已从采用传统的隔声、吸声等消极办法，转向对机械产品噪声源识别和控制的研究，并逐步开展低噪声机械产品的设计工作。现在研究较多的是机械噪声源的发声机理，并从减少激振力和频率响应两个方面阐述低噪声设计原则。主动消声技术也是一个值得注意的研究方向，其基本原理就是利用声波之间的相互干涉以达到消声的目的。已证明该技术在某些特定场合具有很好的消声效果。【参考文献】：1 傅梦蘧，吴宗岱．实验应力分析．1984，32 钱令希．计算结构力学及其应用．1986，3(3)3 张金根，等．机械工业2000年机械强度与振动技术目标研究．1987，84 徐灏．疲劳设计的发展．全国机械工程结构设计数据库技术交流会．1991，11(郑州机械研究所张金根、韩国明撰) |
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