從國藥標(biāo)準(zhǔn)定義的彎曲強(qiáng)度看現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的科學(xué)性

張琪

一、設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)變的原因

對抗拉和抗壓相同材料只要最大的工作應(yīng)力︱σ︱max不超過許用應(yīng)力即可，因而多年來選用材料的強(qiáng)度指標(biāo)是以抗拉強(qiáng)度極限σb設(shè)計(jì)的，應(yīng)力是按少量出現(xiàn)的峰值載荷設(shè)計(jì)的名義應(yīng)力，彎曲條件就是最大工作應(yīng)力（名義應(yīng)力）︱σ︱max不超過許用應(yīng)力。即σmax=Mmax/Wz≤[σ]

WZ——抗拉截面模量

外科植入物接骨板在國藥標(biāo)準(zhǔn)中彎曲強(qiáng)度的定義是“在斷裂點(diǎn)或某一規(guī)定屈服點(diǎn)的彎矩值”。這里的彎矩值是一個(gè)量化指標(biāo)，大小取決應(yīng)力，而應(yīng)力的大小在零件產(chǎn)生過程中又是在不斷變化的，所以強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法由靜態(tài)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化到動態(tài)設(shè)計(jì)，從單一的選材設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、制造、管理全過程的設(shè)計(jì)，這就要求產(chǎn)品零件的最終結(jié)論是在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，規(guī)定的條件下實(shí)現(xiàn)彎曲強(qiáng)度的功能，所以轉(zhuǎn)變設(shè)計(jì)方法是滿足此功能的關(guān)鍵。

二、產(chǎn)品功能的判斷原則

由上述可知產(chǎn)品零件的設(shè)計(jì)是先由靜態(tài)強(qiáng)度確定零件的初步尺寸，在由危險(xiǎn)部位的截面進(jìn)行疲勞強(qiáng)度的校驗(yàn)、計(jì)算。由安全系數(shù)作為判斷依據(jù)，以此來判斷實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的安全性。判斷的原則是計(jì)算的安全系數(shù)η等于或大于許用安全系數(shù)[η]。該零件的材料是TA3，所以許用安全系數(shù)[η]=1.5（參見GB150-1998）

（一）彎曲強(qiáng)度的計(jì)算

我們要設(shè)計(jì)一個(gè)工作載荷為833.4牛頓的接骨板，由靜強(qiáng)度所確定的接骨板尺寸（見圖1），材料為TA3，使用條件屬于低周低頻應(yīng)變循環(huán)，所以可用安全系數(shù)的方法確定疲勞強(qiáng)度的安全性。

要求是：

F——工作載荷F=833.4N

h——節(jié)距h=18mm=0.018m

彎曲強(qiáng)度的計(jì)算公式：彎曲強(qiáng)度=0.5Fh（引用《外科植入物接骨板彎曲強(qiáng)度和剛度的測定》）

彎曲強(qiáng)度=0.5Fh=0.5×833.4×0.018=7.5N.m

（二）彎曲應(yīng)力的計(jì)算

計(jì)算彎曲應(yīng)力首先要確定危險(xiǎn)部位的截面，由零件的幾何形狀可判定A-A剖切面是應(yīng)力集中區(qū)域，[見（圖1）]可確定為危險(xiǎn)截面。由彎曲條件判定公式σ應(yīng)=Mmax/Wz可計(jì)算出彎曲應(yīng)力。式中的：

σ應(yīng)——名義彎曲應(yīng)力

Mmax——彎曲強(qiáng)度（工作載荷下的彎曲強(qiáng)度）

Wz——危險(xiǎn)部位的截面模數(shù)（Wz=a2×b/6）

σ應(yīng)=7.5×1000/3.22×12.1/6=7500/20.65066=363.18MPa

（三）疲勞極限的確定

疲勞極限是零件在變應(yīng)力作用下疲勞強(qiáng)度破環(huán)的判斷指標(biāo)，是通過疲勞試驗(yàn)確定或由經(jīng)驗(yàn)公式估算的。對于材料鈦的疲勞極限σr=（0.3—0.6）σb，根據(jù)接骨板的工作條件其系數(shù)取0.5，所以σr=0.5σb。接骨板制造加工后的σb=1705.6MPa（實(shí)測）

疲勞極限σr=0.5×σb=0.5×1705.6=852.8MPa

從計(jì)算結(jié)果可得出零件的疲勞極限σr遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度極限σb，也就是說構(gòu)件中的交變應(yīng)力在遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度極限σb時(shí)疲勞破壞就可能發(fā)生了。

（四）安全系數(shù)的計(jì)算

安全系數(shù)是疲勞強(qiáng)度安全性的判斷依據(jù)，它是由安全系數(shù)計(jì)算公式得來的

1）計(jì)算結(jié)果

η=σr/k/εβ·σ其中：

σr——疲勞極限σr=852.8MPa

σ應(yīng)——名義應(yīng)力σ應(yīng)=363.18MPa

k——有效應(yīng)力集中系數(shù)k=1.3

ε——絕對尺寸影響系數(shù)ε=0.89

β1——表面加工系數(shù)β1=1（拋光加工系數(shù)取1）

η=852.8/1.30/0.89×1×363.18=1.608>[η]=1.5

彎曲強(qiáng)度是安全的。

2）系數(shù)說明

式中有K、ε、β1三個(gè)系數(shù)。其中：

①.k是應(yīng)力系數(shù)，是由于零件的截面幾何形狀突然變化，局部應(yīng)力遠(yuǎn)大于名義應(yīng)力而選取的數(shù)值。因?yàn)棣覒?yīng)=363.18MPa，所以取K=1.30。

②.ε是絕對尺寸影響系數(shù)，取決于零件的幾何尺寸，零件的絕對尺寸越大，包含的缺陷越多，使疲勞強(qiáng)度降低。根據(jù)此接骨板幾何尺寸取ε=0.89。

③.β1是表面加工系數(shù)，取決于加工手段，因接骨板最終為拋光加工，所以取系數(shù)為1。

三、從方法的轉(zhuǎn)變看現(xiàn)代設(shè)計(jì)的科學(xué)性

在彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)過程中我體現(xiàn)到了現(xiàn)代設(shè)計(jì)是一切用數(shù)據(jù)說話的設(shè)計(jì)方法。在設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)應(yīng)力至始至終是在變化的，而且可以看到每一局部細(xì)節(jié)的變化或工藝措施的改變都會對應(yīng)力產(chǎn)生明顯的改變，因此它又是一個(gè)動態(tài)設(shè)計(jì)。例如：改變危險(xiǎn)截面的幾何尺寸或倒角或粗糙度，其應(yīng)力集中系數(shù)K值都會發(fā)生改變。若零件最終采取粗銑加工，表面加工系數(shù)β1=1將改變?yōu)棣?=0.94。若增加噴丸表面加工系數(shù)將等于1.2。因此在設(shè)計(jì)中，根據(jù)零件所要求的彎曲強(qiáng)度可以通過結(jié)構(gòu)、工藝手段細(xì)節(jié)的改變逐以實(shí)現(xiàn)。反之，要想保證零件的彎曲強(qiáng)度，零件在設(shè)計(jì)、制造、管理過程中，必須嚴(yán)格遵守設(shè)計(jì)參數(shù)。這是因?yàn)楣δ軐?shí)現(xiàn)已在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，規(guī)定的條件下量化出了實(shí)現(xiàn)的功能數(shù)值。從TA3在常溫下輸入抗拉強(qiáng)度σb=536MPa到該零件疲勞極限σr=363.18MPa的確定，又一次驗(yàn)證了零件功能的可靠性和現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的科學(xué)性。

綜上所述以往的設(shè)計(jì)方法是憑經(jīng)驗(yàn)，用比較的方法，靜態(tài)的觀點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)的。現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是一門多元性新興橫向科學(xué)，從靜態(tài)定性設(shè)計(jì)發(fā)展到了動態(tài)定量設(shè)計(jì)，這種方法對合理的科學(xué)性選材提供了可靠數(shù)據(jù)，上述的設(shè)計(jì)方法就是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法內(nèi)容之一。