高强度铝合金在新型洗涤装备关键部件中的轻量化设计与疲劳寿命评估

引言：

节能环保政策推行之际，洗涤设备功能需求持续升级，其重要部件像滚筒支撑结构，传动系统等依旧大多用铸铁或者普通钢材制作，这种材料选用造成设备自重高，能耗大，运输和安装成本也高，而且在交变载荷作用下容易出现疲劳损伤等情况，这些情况很大程度上缩减了设备实际服役寿命，还对运行稳定性带来很大影响。

高强度铝合金由于兼备高的比强度、较好的耐腐蚀性和可成形的加工性，在零部件轻量化设计方面有很重要的应用价值，能够极大地降低部件的质量。在保证甚至提升结构强度和刚度的前提下，也能实现新型洗涤设备对轻量化的追求与可靠性的统一要求，疲劳寿命评估属于保障服役安全的最为关键的部分，因此要全面考虑高强度铝合金的材料特性以及在服役环境里的具体载荷情况，才能构建起科学系统地进行评估评价的框架，高强度铝合金在新型洗涤设备核心组件里轻量化方面的应用及其在疲劳寿命过程中的相关行为，对于理论研究与工程实践均存在重大的价值。

一、高强度铝合金在新型洗涤装备关键部件中的轻量化设计

（一）材料选型

新型洗涤设备核心部件的设计要着重考虑载荷传递效率与振动抑制性能，这给材料的强度，刚度及耐腐蚀性带来苛刻的要求，高强度铝合金，尤其是 6 系和 7 系合金，因为有着出色的力学性能和不错的加工适应性而受到重视。拿 6061-T6 型 6 系铝合金来说，经过固溶时效处理之后，它的抗拉强度可以超越 310MPa ，屈服强度达到 276MPa，而且还有不错的焊接性能和抗腐蚀能力，很适合做承受中等载荷的结构元件，比如框架支撑系统；至于 7075-T6 等 7 系铝合金，由于抗拉强度高达572MPa，屈服强度在 503MPa 以上，比强度远超传统钢材，所以非常合适用作高载荷关键部件，像滚筒传动轴或者承重支架这样的核心部分。

部件选型的时候，要考量它的载荷情况，所处的服役环境，比如洗涤液的腐蚀性，温度变化的影响，还要顾及制造成本，那些一直泡在洗涤液里的部件，最好选用有不错抗腐蚀能力的 6000 系铝合金，承受频繁交变应力的高强度构件，就用强度更高的 7000 系铝合金吧，这样既能减轻重量，又能保障结构可靠。

（二）结构优化

由于高强度铝合金材料本身的特性，所以其轻量化设计需要借助结构优化技术才能实现。本研究采用拓扑优化和参数化设计相结合的方法，在保证结构强度和刚性的基础上，通过去除材料冗余达到减重的目的。

拓扑优化设计阶段，把部件质量降到最低作为目标函数，再加上强度，刚度之类的约束条件，用有限元分析软件重新构建初始结构，去掉非承载部分的多余材料，从而做到符合力学流线分布的轻量化设计，在框架结构里采用类似蜂窝或者镂空的拓扑形态，大概能省下 15% 到25% 的材料。

参数优化阶段，以拓扑优化得到的结构模型为研究对象，着重对壁厚、筋板高度、孔径等主要几何参数进行迭代调整，以滚筒支撑臂为例，将支撑臂厚度从 8mm 逐步减小到 5mm ，并且合理布置筋板的布局密度，保证弯曲刚度、扭转刚度的设计要求，大幅度降低总体质量，避免局部尺寸不足导致的应力集中问题。

结构优化期间，要全面考虑高强度铝合金的成型工艺特性，谨慎对待异形结构设计的复杂性问题，给出的改良方案必须保证能够依靠挤压，锻造这些传统加工技术来达成高效制造，以此减轻制造难度并缩减制造成本。

（三）制造工艺适配

高强度铝合金轻量化设计效果要靠特定的加工工艺技术路径才能达成，不同的工艺方法对材料性能和结构精度产生的影响存在明显差别，就拿洗涤设备来说，对于框架，支架这些长条形构件，如果用挤压成型工艺就能做到一次成型的复杂截面，这样就能保证组织均匀性，提高综合力学性能，而像传动轴，承重连接件这种形状复杂的部件，就要先用锻造工艺，在热处理过程中借助细化晶粒结构来优化其力学性能，尤其是改善应力集中部位的疲劳强度。

后续加工工艺要同材料特性相适应，6 系铝合金部件要用 T6 热处理工艺，也就是固溶处理加人工时效，这样能明显改良其力学性能，7系铝合金部件比较合适用 T73 热处理方案，就是过时效处理，这样既可维持高强度，又能优化抗应力腐蚀性能，到了表面处理这一步，可以采用阳极氧化办法，在工件表面形成一层致密的氧化膜，从而极大改善耐蚀性，而且有效增长其在洗涤液环境中的服役时间。

二、新型洗涤装备关键部件的疲劳寿命评估

（一）疲劳寿命影响因素

新型洗涤设备的核心部件在运行过程中要承受明显的交变载荷，比如滚筒转动时的离心力以及传动系统内的周期性扭矩，它的服役表现很容易因为洗涤介质的腐蚀、温度变化等外部因素而产生疲劳损伤，高强度铝合金材料的疲劳寿命很大程度上取决于以下这些核心要素：

载荷特性：载荷幅值，频率以及波形特性都是影响疲劳损伤累积速率的关键因素，高频且高振幅的循环应力对于材料中裂纹的产生以及扩展过程有着显著的推动效果。

材料性能：高强度铝合金疲劳寿命的主要参数是疲劳极限值，6061-T6 合金在旋转弯曲试验条件下疲劳强度大约为 110MPa，7075-T6合金疲劳强度可以达到约 160MPa，材料内部存在的气孔，夹杂物等微观缺陷都会对疲劳性能造成严重影响。

结构因素：在结构设计上，应力集中区域（比如转角处或者孔洞附近），往往是疲劳裂纹出现的关键地方，随着应力集中系数变大，材料的疲劳寿命会明显变短。

（二）疲劳寿命评估方法

根据新型洗涤设备核心部件的力学特性以及高强度铝合金材料的性质，对新型洗涤设备核心部件的疲劳寿命可以采用应力- 寿命法(S-N曲线法) 和损伤积累理论进行计算。具体实施步骤如下：

应力分析：利用有限元分析软件创建目标组件的力学模型，模仿它在实际服役状况下的动态反应，例如满载滚筒运转，启动，制动之类的工况，从而剖析应力分布特点，精准找出关键部位的最大应力值及其应力幅值。

S-N 曲线构建：S-N 曲线的制作过程可以概括为如下步骤：选择某一牌号的高强度铝合金作为研究对象，通过疲劳试验得到不同应力幅值所对应的疲劳寿命数据，再依此画出基本的S-N 曲线，而且要全面考量部件表面状况，包含加工粗糙程度以及表面处理工艺，还要对性能参数展开修正与改善。

寿命计算：根据S-N 理论模型，利用有限元分析得到的应力幅值，将此结果代入相应的S-N 曲线中，可以计算出单载荷作用下的部件疲劳寿命。在多载荷工况下，利用 Miner 线性损伤累积准则，分别求得各个载荷所造成的损伤程度，将各个载荷的损伤程度相加到总损伤达到1 时，则发生疲劳失效，从而计算出整体疲劳寿命。

对于可靠性要求高的核心部件，采用概率疲劳寿命评价法，全面考虑材料性能波动、载荷不确定性等多方面因素，通过统计分析得出不同可靠度水平下的疲劳寿命分布，使评估结果更加准确，工程应用价值更高。

总结：

高强度铝合金有着很好的比强度，耐蚀性能好，加工适配性佳的特点，在新型洗涤设备核心部件轻量化设计中表现出显著的优势，借助科学的材料选择，结构优化，制造工艺匹配，可达成部件减重 20% -30% ，并且保证其力学性能和刚度指标符合预期要求。

疲劳寿命评价是保证高强度铝合金部件服役可靠性的关键一环，具有很强的研究价值，把S-N 曲线分析同损伤积累理论结合起来形成的综合评价体系，可以精准地算出它在交变负载和复杂工作环境中的实际服役时间，以后的研究要加大实验数据的收集力度，加深对这些数据的剖析，不断改良疲劳寿命预测模型，重点研究高强度铝合金和其他轻质材料的协同作用，给新型洗涤设备的核心部件设计改良给予更为可靠的理论支撑和技术支持。

参考文献：

[1] 熊发浩，曹慧泉，马琳琳 . 铝合金的轻量化应用及在现代生产中的应用探讨 [J]. 中国金属通报，2024(03):216-218.

[2] 张其林．铝合金结构在我国的应用研究与发展［J］．施工技术，2018（15）：13-17+25