郭一諺

關(guān)鍵詞：近場動力學(xué)，裂紋擴(kuò)展，QC程序文件，成本，有效資源

0 引言

標(biāo)準(zhǔn)化的過程伴隨著現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的進(jìn)程，以達(dá)到保障生產(chǎn)過程的可靠性和使產(chǎn)品符合生產(chǎn)目標(biāo)，最終目的是尋求質(zhì)量有效管理。無論過程檢驗、階段結(jié)果和最終結(jié)果的檢驗，還是過程的控制，在整個產(chǎn)品成型過程中，占據(jù)了質(zhì)量控制的大部分的時間和資金。雖然依據(jù)需求設(shè)計過程通常僅占5%～25%的成本（包括時間、資產(chǎn)，運行的總成本），卻對最終質(zhì)量形成重大的影響。然而，糾正設(shè)計偏離目標(biāo)的實際投入會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出期望值，其糾正的結(jié)果往往不盡如人意，甚至毫無效果。QC貫穿著產(chǎn)品從無到有的整個存在過程，對質(zhì)量影響非常重要，在整個的設(shè)計開發(fā)過程的控制中實為重中之重，因此在緊固件的實際設(shè)計過程中，需要遵循產(chǎn)品設(shè)計流程的控制過程及據(jù)此慎重考慮、選擇關(guān)鍵因素。

1 緊固件的設(shè)計分析

標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，可以控制過程的風(fēng)險、制造成本和經(jīng)濟(jì)預(yù)算。設(shè)計流程形成標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范能夠縮短設(shè)計周期，提高可靠性。緊固件的設(shè)計方案就依據(jù)了已有的程序文檔，如圖1（a）所示，其主要考慮5個要素：a.功能構(gòu)成；b.構(gòu)成要素的聯(lián)接；c.綜合評定指標(biāo)；d.設(shè)計思想及需求類型；e.評價、試用結(jié)果。

在近場動力學(xué)理論中，緊固件可以被看作由無限個質(zhì)點組成，每個質(zhì)點具有自身的質(zhì)點密度、質(zhì)點體積，當(dāng)緊固件使用時，單質(zhì)點長時間承受循環(huán)重復(fù)的載荷，逐漸產(chǎn)生位移變化如圖1（b）所示。

受循環(huán)應(yīng)力作用，質(zhì)點x 的位置由X （t 0）沿曲線X （t ）在t =t 7時移動到X （t 7）位置；應(yīng)力反向作用（或無載荷）時，質(zhì)點x的位置由X?（t 7）〔此刻的X?（t 7）= X （t 7）〕沿曲線X ‘（t ）回到t 0時刻的位置X ?（t 0）〔此刻的X ?（t 0）=X （t 0 ）〕。若在循環(huán)往復(fù)的過程中，質(zhì)點x的位置X （day）偏離原始點X （t 0），形成位移X （dayi），且在子域內(nèi)與其相互作用的其他質(zhì)點偏移位置之間的距離發(fā)生變化，所做的功Wij如下[1-4]：

2 需求與改進(jìn)

2.1 需求分析（現(xiàn)有資源的延長使用）

附加的防護(hù)裝備的掛裝不但需要便于拆卸替換，還要承受車輛行駛過程的循環(huán)性的動載荷和無論車輛靜止還是運動狀態(tài)時的環(huán)境變化形成的靜載荷；同時還要保證掛裝件不松動、不形成空隙，也不會因掛裝件長期承受過載壓力在內(nèi)部形成裂隙；并且盡可能延遲裂隙隨時間擴(kuò)散而延長掛裝件使用年限；又要考慮不同重量的掛裝件需承受的重量?？偟膩碚f，緊固件應(yīng)保障掛裝件貼服車體，在車輛受到高速沖擊（速度≥700 m/s）時，掛裝件承受射流和沖擊物的高速沖撞防護(hù)基體的損傷，緩沖沖擊力和阻斷沖擊。

另外，車輛行駛產(chǎn)生的振動的瞬時值不能預(yù)先確定，形成的連續(xù)頻譜是隨機(jī)振動，其振動規(guī)律無法預(yù)知：頻譜峰值描述的是瞬時振動量大小，不能體現(xiàn)幅值——時間的變化規(guī)律。若用概率統(tǒng)計方法描述，則振動頻譜概率服從正態(tài)分布規(guī)律：當(dāng)振動瞬時幅值為x幅值的平均值x max=0，則其幅值概率密度作為自相關(guān)函數(shù)表示了函數(shù)f （t ）對于與自己相同的函數(shù)f （t +Δt ）相似程度的函數(shù)，同時也表示了t 時刻數(shù)據(jù)與t+Δt 時刻數(shù)據(jù)之間的依賴關(guān)系[3-6]。因長時間的振動，螺栓會產(chǎn)生蠕變，由于螺栓的總變形值為常量，當(dāng)蠕變變形逐漸增大時，彈性變形逐漸減小，于是螺栓應(yīng)力隨時間而降低，以至于聯(lián)接壓力完全消失，產(chǎn)生松動[6-8]。

為了提高緊固件的價值——延遲松動時間，延長使用的壽命?？紤]緊固件承受的載荷分為：

（1）載荷值由零緩慢地增長到最大值，并在以后近似保持不變值的靜載荷。

（2）動載荷：

1）作用一次或作用次數(shù)較少的實際沖擊載荷；

2）循環(huán)反復(fù)作用的循環(huán)載荷。

而虛功原理指出應(yīng)力（或應(yīng)變值）沖≥應(yīng)力（或應(yīng)變值）靜，因此嚴(yán)格的靜載荷狀況是非常稀少的，緊固件承受的載荷大多是動載荷；對于n 個質(zhì)點組成的質(zhì)點系，作用在第i 個質(zhì)點的主要動力矢量與此質(zhì)點的虛位移的乘積的代數(shù)和等于零（i =1，2，……），但是在一定約束條件下，例如在領(lǐng)域H x內(nèi)圍繞質(zhì)點x以δ為半徑的子域內(nèi)的所有質(zhì)點可以做無限小的位移，因而可以由公式（1）得到在質(zhì)點x的子域內(nèi)的總勢能W：

式中：ρ指密度； 指位移；b 是體積力密度矢量；Vx ?是質(zhì)點x?的體積；x 是t 時刻質(zhì)點x 的位置；t 指時間；x ?是質(zhì)點x 相鄰的質(zhì)點，x?∈H x（域），且滿足∣x ?-x∣≤δ（δ是質(zhì)點x 近場范圍半徑）；f（x，t）是力密度函數(shù)f（x，t）在領(lǐng)域H x內(nèi)，質(zhì)點x?作用在質(zhì)點x上的力密度，其值取決于x 和x?之間的初始位置和t時刻的相對位移。

基于緊固件的應(yīng)用環(huán)境，承載的載荷形式（當(dāng)材料參數(shù)不變時），我們利用PD微觀分析的優(yōu)勢，通過解析PD運動方程，求解受載荷影響質(zhì)點位移的總勢能變化，當(dāng)位移偏移量超出預(yù)期值或質(zhì)點x i ?（x i ?∈H x領(lǐng)域）與質(zhì)點x 相互作用的力矢量斷開（i =1，2，……），計算可終止。

經(jīng)過解析PD運動方程，從而得到服從正態(tài)分布的曲線圖如圖2所示。圖2中的循環(huán)載荷規(guī)律曲線以t 2時間軸為界形成兩個縱坐標(biāo)恒為非負(fù)值的循環(huán)波，兩個波峰值是y軸的Top點，分別以t 1和t 4時間軸為中心對稱軸（與y 軸平行），對應(yīng)于正態(tài)分布M 。曲線兩端向左、右延伸逐漸趨近于零，每個循環(huán)波曲線在對稱軸兩邊各有一個拐點，分別為正態(tài)分布的M -σ和M+σ。

對應(yīng)承受載荷的緊固件因載荷的振動而產(chǎn)生位移幅度的波動，也形成了兩個服從正態(tài)分布循環(huán)波，分別也以t 1和t 4時間軸為中心對稱軸，對應(yīng)于正態(tài)分布M，曲線兩端也向左、右延伸趨近于零。峰值U 0相對載荷波峰峰值Top延遲，并且在0～t 0段位移做虛功（隨載荷波動的位移最后回歸零位），沿著時間軸向右，位移逐漸不再歸零，形成微小的偏移量Δu（見圖2中的Δu偏移量線）。通過此PD運動方程解析曲線，可預(yù)測不同材料參數(shù)的緊固件的使用周期。在此基礎(chǔ)上，整體的設(shè)計還需要考慮功能和成本，以選擇更實用的方法。

2.2 改進(jìn)（保證資源的有序利用-替代性）

根據(jù)公式Vf =C 0/Ca，其中：Vf 表示功能價值；C0是功能評價值（功能最低成本）；Ca表達(dá)為功能實現(xiàn)成本（功能目前成本）。產(chǎn)品的不同功能實現(xiàn)程度的實現(xiàn)成本趨勢見圖3（a）成本實現(xiàn)的平衡。

由圖3（a）可見實現(xiàn)功能與成本的平衡為：（1）當(dāng)Vf >1時，C0 >Ca即現(xiàn)實成本低于該功能的評價值；（2）當(dāng)Vf <1時，C 0

理論上，圖3（b）中點S 0落在理想比例曲線上，是理想設(shè)計方案；S 1、S 2代表了兩種實際設(shè)計方案，其中S 1的符合率是0.6%，點S 2相對點S 1位置更接近理想設(shè)計曲線，符合率不到0.6%，但設(shè)計方案的成本比S 1低，從圖3中可以看出點S 2的設(shè)計方案是更經(jīng)濟(jì)、更實用的方法。

實際在產(chǎn)品實現(xiàn)利潤的過程中，降低產(chǎn)品成本的常用方法是提高價值和改進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)，價值是產(chǎn)品設(shè)計的功能性價比，生產(chǎn)技術(shù)可以在制造過程或使用過程中提出問題實現(xiàn)改進(jìn)。在車輛外掛裝件的成熟安裝結(jié)構(gòu)中，為防止緊固件松動有使用雙螺母緊固、彈簧墊片及特定緊固件（如：雙螺紋鎖緊件、附加銷插件）等其他方法，以延遲位移偏差的形成時間或減小位移偏移量。輕量化的前提下，附加的輕型防護(hù)裝備主要材料使用陶瓷，其掛裝使用的緊固件多為螺栓，不能使用雙螺母緊固。機(jī)械設(shè)計實現(xiàn)過程中必須要考慮的技術(shù)安全性和經(jīng)濟(jì)利益的評價比，也要考慮使用要求和生產(chǎn)的成本。彈簧墊片是通用的標(biāo)準(zhǔn)件，與其他方法對比，可保障技術(shù)安全性和經(jīng)濟(jì)價值的最優(yōu)比值（如上圖中的S 2比S 1所示）。

設(shè)計程序文件的過程如圖1（a）所示，遵循著PDCA（P策略，D設(shè)計實施，C檢查測量，A改進(jìn)）。依據(jù)PDCA模式，通過對使用過程的監(jiān)控得知：當(dāng)螺帽、彈簧墊片和掛裝件表面接觸，承受循環(huán)往復(fù)波動的載荷，相互接觸的表面擠壓、磨損直至產(chǎn)生疲勞的機(jī)械、化學(xué)綜合過程的結(jié)果。螺栓的旋轉(zhuǎn)方向、螺絲形變及掛裝件松動成對應(yīng)關(guān)系，因此扭矩的大小和軸向預(yù)緊力相互關(guān)聯(lián)。為改變扭矩和預(yù)緊力又要考慮到彈簧墊片處于螺帽與防護(hù)裝備面之間，承受載荷時承受壓力的面積小，易形成點承受。受力點的面積微小在循環(huán)載荷和沖擊載荷作用下，容易在受力點的周邊陶瓷產(chǎn)生裂隙（內(nèi)部、外部）。在使用一定時間后考慮改進(jìn)的方向為使用橡膠片替換彈簧墊片。

橡膠制品作為常用的隔振器，天然橡膠的阻尼系數(shù)為0.1～0.3，硬橡膠的阻尼系數(shù)為1.0，載荷較大時做成承壓式，載荷較小時做成承剪式，即可去除預(yù)緊力，又可自由做成各種形狀。作為墊片，把相對變形量控制在10%～20%，改變了彈簧墊片處于螺帽與防護(hù)裝備面之間的點接觸形成面接觸，緩沖承受的沖擊力。

總之，從緊固件需求分析到實際使用后的改進(jìn)過程中，程序文件設(shè)置了每個階段的控制節(jié)點，依據(jù)程序文件設(shè)計不會偏離需求而一味追求功能的強(qiáng)大或僅僅強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)效益；依據(jù)程序文件，通過劃分設(shè)計的類型，優(yōu)化了原理、結(jié)構(gòu)、制造的設(shè)計過程，減少煩瑣過程；在有限的成本下，明確需求目標(biāo)，保持最合理的功能設(shè)計。

3 結(jié)論

在整車的結(jié)構(gòu)中，緊固件構(gòu)件的設(shè)計依據(jù)了設(shè)計程序文件，QC貫穿著整個設(shè)計、改進(jìn)的過程。因而：

（1）設(shè)計人員驗證設(shè)計構(gòu)想和產(chǎn)品設(shè)計過程中都涉及大量的數(shù)據(jù)。根據(jù)需求設(shè)計緊固件和依據(jù)使用中觀測到的數(shù)據(jù)和理論分析的生命周期相關(guān)數(shù)據(jù)而改進(jìn)決策的過程中，可以保證數(shù)據(jù)的完整性、一致性和決策的可行性。

本文中應(yīng)用的近場動力學(xué)理論的數(shù)字仿真是建立在數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的，根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、材料、工藝和環(huán)境預(yù)測性能和行為，是新構(gòu)想或新設(shè)計的有效工具。

（2）設(shè)計費用通常只占總成本的5%～25%，，但是設(shè)計階段就已經(jīng)確定新產(chǎn)品的功能和成本的60%～80%）。設(shè)計導(dǎo)致的產(chǎn)品缺陷使試制、生產(chǎn)過程中控制措施無法挽回，其糾正費用巨大。程序文件控制著設(shè)計產(chǎn)品的每個階段節(jié)點，可保證滿足需求和降低成本，也能縮短設(shè)計周期，提高可靠性。

（3）程序文件對設(shè)計、改進(jìn)過程總體的控制分為：

1）階段評價。此過程評價三個方面：評價技術(shù)上的可行性和先進(jìn)性；評價方案的成本效益；評價實施后的影響，控制階段性和總體的質(zhì)量。

2）綜合評價。通過分析、推導(dǎo)、計算過程，給出定性或定量的評價為設(shè)計和持續(xù)改進(jìn)提供決策的依據(jù)。