《机械零件应力强度评价导则》FKM与传统强度理论/国标的对比计算案例

1、机械零部件应力强度分析评价

机械设计是一门具有悠久历史的学科，古老而又常新。自从人类开始认识这个世界开始就有了机械设计的萌芽，到了欧洲的工业革命机械设计更是作为一门学科开始爆发，而即使是到了现在的信息时代，科学家、工程师对机械设计理论的研究和创新也从未止步不前，而是朝着更全面、更精确的方向以肉眼可见的速度发展进步。其中，作为机械设计评判的准则，零部件应力强度分析评价理论的发展进化更具代表性。

FKM是德国机械研究委员会的简称，其开发的《机械零部件应力强度分析评价导则》作为强度评判的最有效手段目前已经完全取代传统的强度理论，在整个欧洲甚至全世界被普遍采用并作为评价机械设计成败与否的标准。FKM已经升级至第七版，每一版的更新都是经过验证的基础理论和适应现代工业的创新理论的融合，其与时俱进、精益求精的特点体现在导则内容的各个章节和知识点。

区别于传统强度理论，FKM从更加全面的、更加可操作性的全新角度对机械零部件的应力强度进行分析评价，下图即为FKM评价零件强度的流程。

由FKM的计算流程可以看出，区别于传统强度理论，FKM在计算过程中，增加了应用、工艺、成本等实际影响强度和安全的因素。甚至载荷的影响方式不仅考虑载荷大小，而且考虑了载荷的性质。因此，FKM可以作为完全取代传统强度理论的更先进的第五强度理论。下面，通过实际的案例来对比FKM各版本的计算方法与传统强度理论或国标的计算方法之间的差别。本文由于篇幅所限，此案列体现出的差别只是冰山一角，更多的区别可以在本人（螺栓设计老张）的课上进行归纳和详解。但是本案例也足以说明FKM强度理论与国标（传统强度理论）的天壤之别。

2. 计算案例

下图2为一球墨铸铁制成的底座四个支撑的其中一个。选择球墨铸铁牌号为EN-GJS-500-7，受到拉力317吨（3101KN）。尺寸数值为a=150, t=28。经FKM理论计算，其不能满足使用要求，安全性得不到保证，设计不通过。因此，拟重新设计，将壁厚t从28增加到35，其余参数不变。请对其静强度进行评价。我们以国标（或传统强度分析方法）、FKM第五版的以应力强度分析方法、FKM第七版的应力强度分析评价方法分别对此同一结构进行计算。

2.1 按国标或传统方法计算

a) 按国标或传统方法原始设计的应力强度评价

原始设计应力值为

原始设计的安全系数为320/227 = 1.4，

等效利用率为1/1.4=0.7，

设计通过。

b) 按国标或传统方法更新设计的应力强度评价

原始设计的安全系数为320/194 = 1.65，

等效利用率1/1.65=0.6，

设计通过，且安全性更高。

2.2 按德国机械研究委员会FKM导则方法计算

2.2.1按FKM第五版方法计算

a) 按FKM第五版原始设计的应力强度评价

原始设计应力值为

安全系数为1.5+0.3=1.8，

因此，原始设计利用率为320/(1.8X227) = 0.78，

设计通过。

b)  按FKM第五版更新设计的应力强度评价

更新设计应力值为

总安全系数为1.5+0.3=1.8，

此时利用率为318/(1.8X194)=0.91，

设计通过，但安全性不高。

2.2.2 按FKM第七版方法计算

a) 按FKM第七版原始设计的应力强度评价

原始设计应力值为

因此，原始设计利用率为320/(1.4X227)=1.01

设计不通过。

b) 按FKM第七版更新设计的应力强度评价

更新设计应力值为

总安全系数为1.6

此时利用率为318/(1.6X194)=1.02

设计不通过，且相对原始设计壁厚增加使得安全性不升反降。

3. 总结

通过对比用国标（或传统计算方法），FKM第五版，FKM第七版三种方法对同一个结构进行应力强度分析评价，很明确地得到一个结论，那就是国标（或传统计算方法）计算过于简化，考虑的因素过少，使得计算结果多出现假安全，实际真危险的情况。虽然2.1的b)中采用国标或传统强度理论计算改进后的结果比改进前a)的结果更好，这是传统的思维模式，但是并不能体现真是情况。真是的情况是，改进后的结构更加危险，这一点，在2.3）中的b)的计算结果可以得到证实，如果我们采用国标（或传统方法）则无法发现隐患，将不成功的设计评判为合理，从而造成产品质量低下或埋下安全隐患。

而用德国机械研究委员会FKM的《机械零件应力强度分析评价导则》进行计算，则考虑的因素比较全面，结果更真实、可信。其中FKM第七版相对第五版内容更加详细，如更新的设计与原设计相比，虽然外载荷相同，结构的壁厚加厚，更加结实，但是安全性不升反降，这就是因为考虑了除尺寸之外的其它影响因素导致的。因此，FKM第七版计算结果更精准、全面、可靠。

作者：螺栓设计老张