關(guān)于機(jī)械設(shè)計(jì)中強(qiáng)度的問題——四大強(qiáng)度理論

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師是一個(gè)苦差，隨著三維制圖的發(fā)展，任何人都可以給你的設(shè)計(jì)“提意見”，因?yàn)楫嫵龅膱D很直觀，三歲小孩都能看出你畫的是“方的”還是“圓的”。話雖這么說，但是旁觀者每一次提的建議都在幫助你進(jìn)步。

言歸正傳，這篇主要說一下強(qiáng)度的問題，也是從一個(gè)點(diǎn)入手，說一下強(qiáng)度理論的概念。

經(jīng)常會(huì)遇到有人會(huì)問，“你這里設(shè)計(jì)的強(qiáng)度夠不夠”，“我這里設(shè)計(jì)的強(qiáng)度juedui沒有問題”之類的話。大多是都是憑感覺問，憑感覺說?，F(xiàn)在的機(jī)械設(shè)計(jì)都是校核性計(jì)算，什么意思呢，意思是所有的機(jī)械設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出來的每一個(gè)零件，都是先設(shè)計(jì)出來零件，再把實(shí)際的Zui大工況作用在零件上，然后建立相近的力學(xué)模型，進(jìn)行校核，得出結(jié)果對比是否滿足條件。上一句話中有一個(gè)相近，因?yàn)檎鎸?shí)的情況不可能理想化，只能說相近。再說強(qiáng)度，實(shí)際案例中，很少校核強(qiáng)度這一個(gè)指標(biāo)，說到底強(qiáng)度就是應(yīng)力的概念，在往簡單了說就是高中物理中的壓強(qiáng)。舉個(gè)例子說Q235的碳鋼，屈服極限是235Mpa，235x10^6N/平方米，1平方毫米的話就能承受235N的拉力，就是23公斤，一個(gè)2mm直徑的螺釘，就能承受70kg的拉力沒問題。所以說一般強(qiáng)度都沒有問題。結(jié)構(gòu)中主要需要校核的是剛度和穩(wěn)定性。但這篇只是說強(qiáng)度。

強(qiáng)度也分多中，對于不同的材料需要校核的強(qiáng)度是不一樣的。這就需要了解一下強(qiáng)度理論。

Zui大拉應(yīng)力理論：

這一個(gè)理論試用用脆性材料，認(rèn)為引起材料脆性斷裂破壞的因素是Zui大拉應(yīng)力，無論什么應(yīng)力狀態(tài)，只要構(gòu)件內(nèi)有一點(diǎn)處的Zui大拉應(yīng)力達(dá)到單向應(yīng)力狀態(tài)下極限拉應(yīng)力時(shí)，材料就發(fā)生脆性斷裂。

解釋一下，比如設(shè)計(jì)好的結(jié)構(gòu)件在一個(gè)工況下工作，可能同時(shí)受彎和受拉，受彎我們可以根據(jù)彎矩計(jì)算出來一個(gè)應(yīng)力值，受拉也可以算出一個(gè)應(yīng)力值，兩個(gè)數(shù)相加不能超過材料的許用拉應(yīng)力，而不是屈服應(yīng)力或者其他什么應(yīng)力。這個(gè)時(shí)候就需要設(shè)計(jì)者去了解材料的具體性質(zhì)，是脆性材料就選擇他的許用拉應(yīng)力來校核他的強(qiáng)度。

四大強(qiáng)度理論，因緣聚合，生發(fā)的時(shí)間有先有后。

若把其分別對應(yīng)四種武器的話，我想應(yīng)該是，石頭、戈矛、飛虹劍、紫薇軟劍。

很明顯，石頭，戈矛脆性；飛虹劍和紫薇軟劍韌性材料；武器越來越好，理論越來越優(yōu)。

四大強(qiáng)度理論內(nèi)容的對比，詳見下表：

現(xiàn)實(shí)生活中，材料失效是因?yàn)槭軓?fù)雜的力，拉壓彎扭同時(shí)存在?？赡馨巳f四千種變化，變中找到不變，才可得道（規(guī)律）。

從“人猿相揖別，只幾個(gè)石頭磨過”到“王于興師，修我戈矛，與子同仇”再到李牧腰懸飛虹劍說“今日我軀歸故里，他朝君體也相同”，Zui后到獨(dú)孤求敗棄至山谷的紫薇軟劍。

人們長期實(shí)踐，根據(jù)復(fù)雜應(yīng)力破壞時(shí)的一些現(xiàn)象，通過去粗取精，去偽存真，由此及彼，由表及里，提出破壞機(jī)理的假說，以假求真，利用材料在單向應(yīng)力狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)資料建立了強(qiáng)度理論。

以簡單單向?qū)Ω稄?fù)雜多向。好比是，開車在路上發(fā)生事故各式各樣。有的追尾前車，有的爬向燈桿，有的騎在馬路牙子上，高速撞擊時(shí)安全氣囊都能打開。車出廠前工程師會(huì)對車輛氣囊安全性隨機(jī)抽檢，其方法是以一個(gè)速度直直地撞向墻體，氣囊都能打開，說明合格；而非實(shí)驗(yàn)所有事故情形。

好比是，比賽中足球進(jìn)門方式各式各樣，有的凌空，有的貼地，有的撞球門后反彈。門線技術(shù)的引進(jìn)，使得進(jìn)球評判更準(zhǔn)確。臨比賽前，工作人員檢驗(yàn)門線儀器是否合格，只要以一個(gè)方向推向球門即可。難道要求工作人員花式進(jìn)球來檢驗(yàn)合格嗎？

因?yàn)槌橄笏砸话悖驗(yàn)槌橄笏陨羁獭?/p>

Zui后，附上強(qiáng)度理論的表述，以便受持讀誦：

第一強(qiáng)度理論，無論材料處于什么應(yīng)力狀態(tài)只要發(fā)生了脆性破壞斷裂，其共同原因都是由于微單元體內(nèi)的Zui大拉應(yīng)力（TENSILESTRESS）達(dá)到某個(gè)共同的極限值。

第二強(qiáng)度理論，無論材料處于什么應(yīng)力狀態(tài)只要發(fā)生了脆性破壞斷裂，其共同原因都是由于微單元體內(nèi)的Zui大拉應(yīng)變（TENSILESTRAIN）達(dá)到某個(gè)共同的極限值。

第三強(qiáng)度理論，無論材料處于什么應(yīng)力狀態(tài)只要發(fā)生了屈服，其共同原因都是由于微單元體內(nèi)的Zui大切應(yīng)力（SHEARINGSTRESS）達(dá)到某個(gè)共同的極限值。

第四強(qiáng)度理論，無論材料處于什么應(yīng)力狀態(tài)只要發(fā)生了屈服，其共同原因都是由于微單元體的形狀改變能密度（STRAIN-ENERGYDENSITY）達(dá)到某個(gè)共同的極限值。

不確定性結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中存在著各種不確定性因素，包括設(shè)計(jì)變量不確定性、參數(shù)不確定性、模型不確定性、測量不確定性等。因此，考慮各類不確定性因素進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)成為了一個(gè)廣泛研究的問題。

不確定性來源及分類

1. 設(shè)計(jì)變量不確定性。

2. 參數(shù)不確定性。

3. 模型不確定性。

4. 測量不確定性。

不確定性表征方法

1. 概率分布法

2. 區(qū)間法

3. 認(rèn)知不確定性

4. 不完備數(shù)據(jù)表征。

不確定性設(shè)計(jì)方法

1. 穩(wěn)健設(shè)計(jì)

2. 可靠性設(shè)計(jì)

不確定性設(shè)計(jì)相關(guān)研究

1. 不確定性設(shè)計(jì)模型構(gòu)建策略

2. 不確定性設(shè)計(jì)模型采樣點(diǎn)選取方法

3. 各類不確定性條件下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

4. 根據(jù)給定采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行變量不確定性的描述方法

5. 不確定性數(shù)據(jù)表征

設(shè)計(jì)變量不確定性(Design variables uncertainty)是機(jī)械產(chǎn)品不確定性設(shè)計(jì)(穩(wěn)健設(shè)計(jì)RobustDesign、可靠性設(shè)計(jì)ReliabilityDesign)中的重要的不確定性來源之一。設(shè)計(jì)變量不確定性表征的準(zhǔn)確性是不確定性設(shè)計(jì)結(jié)果優(yōu)劣的基礎(chǔ)，因此，研究不確定性數(shù)據(jù)的表征，是不確定性傳播分析、不確定性優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果正確性的有效保證。

設(shè)計(jì)變量不確定性來源

由于公差、測量、磨損等原因，產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的結(jié)構(gòu)變量、工藝變量、流程變量等設(shè)計(jì)變量的實(shí)際值與標(biāo)準(zhǔn)值之間存在一定的偏差，簡稱設(shè)計(jì)變量不確定性。不確定性的來源包括但不限于以下幾種：

1)公差因素：機(jī)械產(chǎn)品的長度、寬度等結(jié)構(gòu)變量值都存在一定的設(shè)計(jì)公差，導(dǎo)致實(shí)際的結(jié)構(gòu)值是在實(shí)際值的公差范圍內(nèi)波動(dòng)，且由于工藝技術(shù)的限制，公差越小、制造難度和制造程度越高；但公差不可能被消除；

2)流程波動(dòng)：機(jī)械產(chǎn)品的流程變量(進(jìn)入閥的流量、換熱器的溫度等)的實(shí)際值一直處于波動(dòng)狀態(tài)。如空調(diào)的出口溫度幾乎很難一直保持在固定的溫度T，是在T的周圍一直波動(dòng)變化的；

3) 測量因素：測量存在測量誤差，因此，測量值與變量真實(shí)值之間存在誤差。

設(shè)計(jì)變量不確定的表征形式

根據(jù)表征設(shè)計(jì)變量不確定性的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的多少不同，設(shè)計(jì)變量的不確定性表征有3種形式：

1)概率分布函數(shù)法：如果設(shè)計(jì)變量的不確定性函數(shù)已知，或者有大量的設(shè)計(jì)變量采樣點(diǎn)用于不確定性的表征計(jì)算，則可以使用概率分布函數(shù)法進(jìn)行不確定性的表征?？梢允褂谜龖B(tài)分布、泊松分布、F分布等多種概率密度函數(shù)進(jìn)行表征。

2)不完備/不jingque數(shù)據(jù)分析法：如果只存在少量的設(shè)計(jì)變量采樣點(diǎn)，即采樣點(diǎn)是不jingque、不完備、不完整的，則需要使用概率分布和區(qū)間分布相結(jié)合的方法，進(jìn)行這些不完備數(shù)據(jù)的近似表征，這也是研究的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

3)區(qū)間分析法：如果只制造設(shè)計(jì)變量不確定性的下界和上界，則使用區(qū)間函數(shù)進(jìn)行不確定性的表征，并通過區(qū)間計(jì)算法進(jìn)行不確定性傳播分析及不確定性設(shè)計(jì)。

變量不確定性表征的相關(guān)研究

1) 基于不完備數(shù)據(jù)的概率與區(qū)間相結(jié)合的變量不確定性表征；

2) 部分概率分布不確定性、部分為區(qū)間不確定性，如何進(jìn)行不確定性變量的表征及傳播計(jì)算；

3) 針對不完備數(shù)據(jù)，如何使用屬性學(xué)習(xí)的方法，進(jìn)行不確定性表征函數(shù)的學(xué)習(xí)計(jì)算及精度驗(yàn)證；