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机械强度

机械强度

2025年02期

《机械强度》杂志在全国影响力巨大，创刊于1975年，公开发行的双月刊杂志。创刊以来，办刊质量和水平不断提高。1989年起被中国科技信息中心选定为中国科技论文统计源期刊(中国科技核心期刊)；1992年起连续被评为中文核心期刊；

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疲劳·损伤·断裂·失效分析 | 不同竖向地震载荷下核电主管道A508钢拘束相关断裂韧性研究

疲劳·损伤·断裂·失效分析 | 不同竖向地震载荷下核电主管道A508钢拘束相关断裂韧性研究

摘要：以含有不同长度、深度裂纹（不同拘束）核电主管道为研究对象，通过质量加速度施加法，分别对不同拘束下核电主管道施加5个地震烈度和3个实际地震的竖向地震载荷，并基于一种实际结构拘束相关断裂韧性的确定方法，对其拘束相关断裂韧性进行计算，系统研究不同竖向地震载荷下不同拘束核电主管道拘束相关的断裂韧性。结果表明，在相同的拘束下，裂纹开动力曲线随着地震烈度的增大而向左平移，拘束相关断裂韧性逐渐降低。随着裂纹长度的增加，地震烈度对拘束相关断裂韧性的影响变得更加明显；随着裂纹深度的增加，地震载荷对拘束相关断裂韧性的影响首先变得明显，然后又变得不明显。不同拘束下，实际地震载荷对拘束相关断裂韧性的影响趋势与地震烈度相同，且与震级和地震加速度时程曲线均有一定关系。
疲劳·损伤·断裂·失效分析 | 基于实测载荷谱下的某电驱动桥桥壳结构强度及寿命分析

疲劳·损伤·断裂·失效分析 | 基于实测载荷谱下的某电驱动桥桥壳结构强度及寿命分析

摘要：准确地预估产品的疲劳寿命对于电动汽车关键零部件的结构强度设计以及可靠性设计具有重要作用。以实测强化路道路的载荷谱为出发点，提出了实测载荷谱数据处理与分析的方法，基于Miner准则，得出了车辆在空载、半载以及满载下的载荷数据，通过时域频域处理、损伤等效处理等，得到了可供振动仿真分析以及室内台架试验的关键数据；设计开发了一款平行轴式电驱动桥，针对桥壳等关键部件开展了静力学分析和模态分析，得出了桥壳不会因为路面激励而产生扭转和弯曲现象的结论；基于nCode DesignLife仿真分析软件得出了桥壳疲劳寿命与损伤值分布，通过桥壳耐久试验验证了仿真分析的准确性；基于实测的强化路道路载荷谱，在整车振动试验台上开展了15 000 km的强化路室内整车振动试验。试验表明，该电驱动桥产品整体寿命及可靠性满足设计要求，同时验证了分析方法的可靠性。
疲劳·损伤·断裂·失效分析 | 物理模拟与卷积网络混合的货架立柱弯曲损伤预测

疲劳·损伤·断裂·失效分析 | 物理模拟与卷积网络混合的货架立柱弯曲损伤预测

摘要：叉车等意外机械撞击可能导致工业货架立柱的稳定性严重退化。以行业常见的5种型号立柱为例，基于物理试验机制建立了立柱弯曲损伤的有限元仿真模型，分析发现即使是小的冲击变形（1 mm）也可能导致立柱极限承载能力下降（最大约37%）；相比其他受冲击位置，棱线处的弯曲损伤使得立柱稳定性下降更为显著。以此为基础，通过物理模拟和卷积神经网络方法，建立了立柱弯曲损伤状态的智能化预测模型。结果显示，该预测模型所得到的损伤立柱残余承载能力值与有限元仿真数据吻合良好（平均绝对百分比误差为5. 99%），可用于指导货架立柱弯曲损伤性能的快速评估。
疲劳·损伤·断裂·失效分析 | 层合多孔结构的裂纹扩展规律研究

疲劳·损伤·断裂·失效分析 | 层合多孔结构的裂纹扩展规律研究

摘要：基于六边形和内凹形两种基本构型，采用实验测试和有限元仿真的方法，对三点弯曲作用下层合多孔结构裂纹扩展规律进行了研究，讨论了胞元铺设方向的角度对层合多孔结构破坏形式、承载力和变形的影响。结果表明，双层模型的裂纹扩展路径会向裂纹扩展抑制能力较弱层的裂纹扩展路径偏转；强度低的一侧会发生更大的变形，从而导致模型向强度高的一侧偏转；在一些角度组合下，双层模型承载力和韧性相较于对应的单层模型有明显提升。
疲劳·损伤·断裂·失效分析 | 航空发动机低压涡轮轴通油孔裂纹失效分析

疲劳·损伤·断裂·失效分析 | 航空发动机低压涡轮轴通油孔裂纹失效分析

摘要：为探究某型航空发动机低压涡轮轴高低周复合疲劳试验过程中通油孔裂纹故障的性质和原因，对低压涡轮轴裂纹位置进行了外观检查、断口分析、表面检查、金相组织检查、有限元分析和裂纹扩展仿真。结果表明，低压涡轮轴通油孔裂纹故障为疲劳裂纹，其原因为通油孔采用电火花加工后，未完全去除重熔层，导致其内侧表面存在部分未去除的重熔层且有可见微裂纹，在较大的高低周复合载荷作用下萌生疲劳裂纹并发生了裂纹扩展，从而导致通油孔裂纹故障，通过裂纹扩展仿真分析预估初始裂纹长度介于0. 2~0. 3 mm。为了保证通油孔加工质量，考虑该位置加工可达性较差，建议可设计特殊工装、采用机械加工技术进行加工，在保证加工精度的基础上从根本上杜绝重熔层的影响。
疲劳·损伤·断裂·失效分析 | 基于物理信息神经网络的金属多轴疲劳寿命预测进展

疲劳·损伤·断裂·失效分析 | 基于物理信息神经网络的金属多轴疲劳寿命预测进展

摘要：材料的多轴疲劳寿命预测研究是保证部件结构完整性的关键要素之一。近年来机器学习尤其是神经网络在疲劳寿命预测领域得到了广泛应用。然而，疲劳数据的不足阻碍了神经网络在疲劳预测中的进一步应用。为了解决这一问题，考虑疲劳先验物理知识的物理信息神经网络逐渐受到关注。首先，概述了机器学习算法的分类及神经网络模型在多轴疲劳寿命预测中的应用。随后，重点对基于物理信息神经网络的材料疲劳寿命预测研究进行了深入探讨。最后，从基于物理信息的输入特征、基于物理信息的损失函数构建和基于物理信息的网络框架开发等3 个方面对物理信息神经网络模型的发展进行介绍。相关研究表明，在材料多轴疲劳寿命预测过程中，物理信息神经网络可以表现出更好的物理一致性和预测性能。
疲劳·损伤·断裂·失效分析 | 考虑残余应力和硬度影响的齿轮弯曲疲劳寿命预估

疲劳·损伤·断裂·失效分析 | 考虑残余应力和硬度影响的齿轮弯曲疲劳寿命预估

摘要：为研究残余应力和硬度对齿轮弯曲疲劳性能的影响，以渗碳热处理20MnCrS5钢制齿轮为研究对象，进行复合小径喷丸强化处理，进而实现同一材料的齿轮具有不同硬度和残余应力状态。以最大主应变准则为基础，分别引入残余应力影响项以及残余应力-硬度耦合影响项建立疲劳寿命预测模型。通过喷丸齿轮弯曲疲劳试验确定最优残余应力影响系数和修正系数，对比两种模型的寿命预测精度；通过未喷丸齿轮弯曲疲劳试验验证模型的准确性。结果表明，当单一考虑残余应力影响时，残余应力影响系数最优值为0. 09，模型可实现较高的寿命预测精度。同时考虑残余应力和硬度影响，修正系数最优值为0. 04，模型具有更高的预测精度。
疲劳·损伤·断裂·失效分析 | 基于载荷谱的汽车后桥准双曲面齿轮高周疲劳寿命评估

疲劳·损伤·断裂·失效分析 | 基于载荷谱的汽车后桥准双曲面齿轮高周疲劳寿命评估

摘要：针对复杂工况下汽车后桥准双曲面齿轮接触疲劳失效问题，采用雨流计数法和Goodman平均应力方程，建立轮齿接触静力学模型，提取接触齿面载荷-时间历程，编制准双曲面齿轮载荷谱；研究基于载荷谱的准双曲面齿轮高周疲劳寿命预测方法，采用有限元方法模拟轮齿在载荷作用下的啮合/接触过程，揭示疲劳损伤准则对齿轮疲劳寿命预测的影响机制。所提方法对指导汽车后桥准双曲面齿轮高周疲劳寿命评估与预测具有重要意义。
优化·可靠性 | 基于自适应代理模型的加筋壳结构可靠性优化设计

优化·可靠性 | 基于自适应代理模型的加筋壳结构可靠性优化设计

摘要：加筋壳结构具有较高的比刚度和比强度，被广泛应用于航空航天承力结构中。可靠性优化设计（Reliability-Based Design Optimization，RBDO）方法通过综合考虑结构参数中的不确定性和风险因素，可避免结构的过保守设计，保证其在服役环境中的可靠性和安全性。提出了一种基于自适应代理模型的高效RBDO方法，来解决屈曲可靠性约束下的加筋壳结构轻量化设计问题。基于预期可行性函数准则实现了样本点的自适应添加，并通过构建分段函数将离散变量连续化，进而在保证设计结果可靠性的前提下提高优化效率。最后，通过将可靠性优化设计结果与确定性优化结果对比，验证了所提方法的有效性。
优化·可靠性 | 基于拓扑优化方法的BV500型可控震源振动器平板激振性能改善研究

优化·可靠性 | 基于拓扑优化方法的BV500型可控震源振动器平板激振性能改善研究

摘要：BV500型可控震源振动器在川渝地区作业过程中，由于平板设计不合理，导致振动能量下传率低、激发信号畸变严重。因此，引入连续体拓扑优化方法，采用固体各向同性材料惩罚（Solid Istropic Material with Penalization, SIMP）模型变密度法，从降低质量和增加刚度两个方面对BV500型可控震源振动器平板进行优化设计，创新研制了一种“八边形工字钢-20a”平板。优化后平板质量减轻了45. 29%，平板刚度提升了79. 92%，并开展了优化前后平板激振性能研究。仿真研究结果表明，与原铝合金整体平板相比，“八边形工字钢-20a”平板的能量下传率提高了15. 11%，地表接触中心点位移振幅增大了43. 74%，互作用力振幅提升了40. 56%。现场实验表明，“八边形工字钢-20a”平板激振时，检波器近场信号平均振动速度有效值提升了22. 23%，检波器远场信号平均振动速度有效值提升了39%，规律与可控震源道路激振数值仿真模拟结论一致。“八边形工字钢-20a”平板激振性能优于原铝合金整体平板，有效改善了BV500型可控震源在川渝地区道路激振效果。
优化·可靠性 | 基于马尔科夫链种群竞争的贝叶斯有限元模型修正

优化·可靠性 | 基于马尔科夫链种群竞争的贝叶斯有限元模型修正

摘要：针对传统马尔科夫链蒙特卡洛（Markov Chain Monte Carlo，MCMC）模拟方法在高维问题或后验概率密度复杂时采样效率低且难收敛的缺陷，建立了基于马尔科夫（Markov）链种群竞争的贝叶斯有限元模型修正算法。在基于Metropolis-Hastings（MH）随机游走算法实现MCMC模拟的传统方法基础上，引入差分进化算法，利用种群中Markov链之间不同携带信息的相互作用关系，得到优化建议以快速逼近目标函数，解决了高维参数模型修正过程中采样滞留的缺点；引进竞争算法，通过不断的竞争刺激和内置失败者向胜利者学习的机制，采用较少的Markov链获得较高的精度，提高了模型修正效率与精度；最后，通过一个桁架结构的有限元模型修正数值算例验证了所提算法，并与标准MH算法的结果对比，得出该算法可以快速修正高维参数模型，具有较高的精度，且对随机噪声有良好的鲁棒性，为考虑不确定性的大型结构有限元模型修正提供了一种稳定有效的手段。
优化·可靠性 | 齿轮箱体静动态特性分析与多目标拓扑优化

优化·可靠性 | 齿轮箱体静动态特性分析与多目标拓扑优化

摘要：针对齿轮箱振动噪声问题，采用多目标拓扑优化，优化箱体结构。首先，提出使用博弈论综合层次分析和灰色关联，即组合赋权法分配子目标最优权重值，同时对比3种赋权法优化结果的迭代曲线，验证组合赋权法的优越性。然后，使用折衷规划法归一化子目标得到综合目标函数。最后，根据拓扑优化结果、应力位移云图和模态振型改进箱体结构，改进后箱体相较于原箱体：箱体质量减轻11. 2%，箱体最大应力下降39. 6%，位移下降5. 1%，节点位移幅值响应下降82. 8%，前4阶频率均有所上升。所提权重分配方法改善了子目标权重值分配可信度不高、忽略主观判断等缺点；实现了箱体的轻量化；箱体结构改进后静动态性能大幅提升。
优化·可靠性 | 基于可靠性分析的DSA200型受电弓检修参数优化研究

优化·可靠性 | 基于可靠性分析的DSA200型受电弓检修参数优化研究

摘要：针对DSA200型受电弓预防维修存在欠维修或过维修问题，提出一种利用受电弓失效数据来优化检查维修参数的方法。首先，利用图参数法对受电弓部件失效数据进行分析，拟合失效时间分布模型，初步判定失效数据服从指数分布，进一步采用Bartlett值法，验证失效数据服从指数分布的有效性；其次，基于受电弓组成结构和工作特性，构建受电弓为各部件串联的可靠性框图模型，根据受电弓部件具有恒定失效率特征，得出受电弓失效率；再次，建立受电弓预防性维修和更换最小费用模型，得到受电弓最优预防性维修的间隔时间和最优备件数量；最后，利用故障树分析法，分析受电弓部件的结构重要度、概率重要度和关键重要度，得出受电弓故障概率及检查维修中重点关注的部件。优化后的受电弓检查维修参数能够为检修人员提升维修水平和降低维修成本提供科学参考。
设计·计算 | 大型风力机叶片碳-玻纤维混掺设计及结构性能分析

设计·计算 | 大型风力机叶片碳-玻纤维混掺设计及结构性能分析

摘要：为提高大型风力机叶片结构强度，已逐渐使用碳纤维材料替代传统玻璃钢纤维应用于铺层设计中，但碳纤维高昂的制造成本使其难以覆盖叶片整体区域。因此，研究叶片碳-玻纤维铺层材料混掺比例及相对位置对结构性能的影响有助于获得高性能、低成本的风力机叶片。通过Ansys软件调整叶片主梁对应位置的碳纤维和玻璃钢材料比例与铺设相对位置，并采用计算流体力学方法与有限元方法相结合的方式对其进行结构静力学、模态及屈曲分析。结果表明，叶片主梁使用碳纤维与玻璃钢纤维混掺铺层可获得与纯碳纤维叶片相近的性能表现；当碳纤维接近叶尖时，可提高叶片1阶模态和屈曲因子；而当碳纤维接近叶根时，对叶片最大应力应变方面的影响较小；在确保叶片稳定及抗共振性能的前提下，当碳纤维与玻璃钢纤维铺层比例为3∶1且碳纤维接近叶根时，叶片综合性能最佳。
设计·计算 | 5MW垂直轴风力机结构设计研究

设计·计算 | 5MW垂直轴风力机结构设计研究

摘要：垂直轴风力机因其易大型化优势逐渐成为研究热点，但涉及结构方面的研究较为有限。因此，以5 MW垂直轴风力机为研究对象，提出了满足结构性能需求的叶片及支撑杆复合材料铺层设计方案。通过计算流体力学方法获得极端环境下气动载荷并加载至风力机表面，利用有限元方法对其进行静力学及模态分析。结果表明，提出的风力机叶片、支撑杆及塔架等主要结构部件在极端载荷下有足够的安全性，其最大位移位于叶片尾缘顶部，最大应力位于塔架与支撑杆连接处，最大应变位于与支撑杆接触的叶片腹板；停机迎风状态下垂直轴风力机风轮仍存在较强的扭转载荷特征；风轮工作频率小于风力机1阶固有频率，且其相对差超过10%，风轮在额定条件下不会发生共振。
设计·计算 | Octet-truss点阵结构的断裂行为研究及结构增韧设计

设计·计算 | Octet-truss点阵结构的断裂行为研究及结构增韧设计

摘要：Octet-truss点阵结构具有高强、高韧以及轻质化的特征，是工程领域的优选材料之一。对具有浅预制裂纹的Ti6Al4V Octet-truss点阵结构进行了三点弯曲试验，并结合数字图像相关（Digital Image Correlation， DIC）技术对断裂过程进行观测。为了深入研究点阵结构的断裂韧性，针对结构的三点弯曲断裂行为进行有限元分析，利用各向同性弹塑性力学模型表征结构杆件组元的力学响应，试验验证了模型的有效性。基于结构的弹塑性断裂行为，利用J 积分法计算Octettruss点阵结构的断裂韧性。结果表明，Octet-truss点阵结构的断裂韧性与其相对密度、杆件长度的平方根呈正相关。对于裂纹尖端处的杆件组元，不同平面的杆件在相同截面尺寸下具有不同的应力状态和变形模式。针对结构的失效模式，通过优化不同平面杆件之间的截面尺寸比例平衡各杆件的应力状态，实现相同相对密度下的结构增韧。
设计·计算 | 基于同伦随机有限元方法的梁结构边界约束静力模型修正

设计·计算 | 基于同伦随机有限元方法的梁结构边界约束静力模型修正

摘要：考虑到结构边界条件的不确定性，基于同伦随机有限元方法，提出了一种梁结构边界约束静力模型修正方法。基于不确定的静力测量数据，实现了梁身单元与边界单元的整体修正。静力凝聚方法能够保证计算自由度与测量自由度相匹配。正则化方法可以减少随机模型修正方程病态解的问题。概率残差最小化法实现同伦系数的最优选择，保证了边界约束的精确识别和整体修正的精度。最后，通过变截面混凝土梁数值算例和铝合金梁的静力加载试验，验证了该方法的有效性。
设计·计算 | 多自由度机械臂关节运动控制研究

设计·计算 | 多自由度机械臂关节运动控制研究

摘要：机械臂结构具有高度非线性和强耦合等特点，高精度运动控制一直是国内外学者关注的热点问题。以AR4机械臂为研究对象，对机械臂控制影响较大的正、逆运动学进行系统的分析，确定机械臂相应结构参数，利用D-H法求解机械臂正、逆运动学数值计算模型。针对机械臂在空间运动中关节卡顿产生的抖动现象，采用三次样条插值算法进行优化。在笛卡儿空间规划中采用直线插补法减少末端执行器运动距离，通过Matlab仿真得出具体规划点，满足设计要求。最后，利用SolidWorks建立机械臂的三维模型并生成统一机器人描述格式（Unified Robot Description Format，URDF）模型，使用MoveIt进行实际机械臂在关节空间和笛卡儿空间的轨迹规划，通过RViz展示运动过程。试验结果表明，加入三次样条插值算法后，机械臂关节电动机能够保持稳定的运转，相对于无三次样条插值算法，关节轨迹曲率分别降低了15. 4%、35. 6%、21. 3%、26. 8%、18. 98%和45. 7%，有效解决了关节运动过程中的抖振问题，实现了机械臂平稳运动。

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