機械設(shè)計疲勞強度經(jīng)典課件.ppt

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1、第三章 機械零件的強度,3-1 材料的疲勞特性,3-2 零件的疲勞強度計算,,交變應(yīng)力舉例,定義：隨時間作周期性變化的應(yīng)力,稱為交變應(yīng)力。,實例1 齒輪在嚙合過程中，力F迅速由零增加至最大值，然后減小至零。試觀察齒根某一點A的彎曲正應(yīng)力變化情況。,,實例2 由于電動機的重力作用產(chǎn)生靜彎曲變形,由于工作時離心慣性力的垂直分量隨時間作周期性變化,梁產(chǎn)生交變應(yīng)力.,實例3 火車輪軸上的力來自車箱.大小,方向基本不變.即彎矩基本不變.,,橫截面上 A點到中性軸的距 離卻是隨時間 t 變化的.,假設(shè)軸以勻角速度 轉(zhuǎn)動.,A的彎曲正應(yīng)力為, 隨時間 t 按正弦曲線變化,交變應(yīng)力產(chǎn)生的原因,1、變載荷，載荷

2、做周期性變化；,2、靜載荷，但零件點的位置隨時間做周期性的變化。,sm平均應(yīng)力 sa應(yīng)力幅值,smax最大應(yīng)力 smin最小應(yīng)力,r 應(yīng)力比（循環(huán)特性）,描述規(guī)律性的交變應(yīng)力有5個參數(shù)，但其中只有兩個參數(shù)是獨立的。,,smax=？ smin=？,交變應(yīng)力的基本參數(shù),特例1、對稱循環(huán),在交變應(yīng)力下若最大應(yīng)力與最小應(yīng)力等值而反號。,min= - max或 min= - max,三個特例,若 非對稱循環(huán)交變應(yīng)力中的最小應(yīng)力等于零（ min）,時的交變應(yīng)力,稱為非對稱循環(huán)交變應(yīng)力.,特例2、脈動循環(huán),構(gòu)件在靜應(yīng)力下,各點處的應(yīng)力保持恒定，即 max= min 。 若將靜應(yīng)力視作交變應(yīng)力的一種特例，則其

3、循環(huán)特征,,,,,,,,,,O,,t,,特例3、靜應(yīng)力,交變應(yīng)力的三個特例,疲勞破壞機理,金屬在交變應(yīng)力下的破壞，習(xí)慣上稱為疲勞破壞。,晶?；莆⒂^裂紋擴展有效面積下降突然斷裂,（1）交變應(yīng)力的破壞應(yīng)力值一般低于靜載荷作用下的強度極限值，有時甚至遠低于材料的屈服極限；,（2）無論是脆性還是塑性材料，交變應(yīng)力作用下均表現(xiàn)為脆性斷裂，斷裂前沒有明顯征兆，無明顯塑性變形；,（3）裂紋的擴展時斷時續(xù)，斷口表面可明顯區(qū)分為光滑區(qū)與粗糙區(qū)兩部分。,疲勞破壞的特點,因此，疲勞破壞極易造成嚴重事故。據(jù)統(tǒng)計，機械零件尤其是高速運轉(zhuǎn)零部件的破壞，大部分屬于疲勞破壞。,材料的疲勞強度測試（r=-1）,在純彎曲變形下

4、,測定對稱循環(huán)的持久極限技術(shù)上較簡單. 將材料加工成最小直徑為 710mm,表面磨光的試件,每組試驗包括 10根左右的試件.,材料疲勞曲線（圖3-1）,當N 曲線趨于水平時，相應(yīng)的最大應(yīng)力值 max 稱為材料的疲勞極限或持久極限，用 r 表示，如 -1 。,r=-1,r=0？,零件在交變應(yīng)力下所能承受的極限應(yīng)力一般用應(yīng)力最大值來表示，但有時也用應(yīng)力幅值表示。,,材料疲勞曲線,機械零件的疲勞大多發(fā)生在CD段，可用下式描述：,D點以后的疲勞曲線呈一水平線，代表著無限壽命區(qū)，其方程為：,有限壽命疲勞極限：,疲勞曲線,材料的疲勞特性,無限壽命疲勞極限：,,,由于ND很大，作疲勞試驗時，常規(guī)定一個循環(huán)次

5、數(shù)N0(稱為循環(huán)基數(shù))，用r No來近似代替r，于是有：,有限壽命區(qū)間內(nèi)循環(huán)次數(shù)N時的疲勞極限srN為：,式中： KN為壽命系數(shù)； m 為材料常數(shù)； r 查表。,,疲勞曲線,,壽命系數(shù)的物理含義：表現(xiàn)了應(yīng)力循環(huán)次數(shù)對疲勞壽命的影響，是有限壽命疲勞強度相對于無限壽命疲勞強度的增大程度，通常大于1。,由N 曲線可以看出：表示材料的疲勞強度與其靜強度有所不同。表示靜強度只用強度極限即可；而對材料的疲勞強度而言，需指明在指定的r值下，還要同時說明max及對應(yīng)的破壞循環(huán)次數(shù)N。即，只有同時用三個物理量（r,N,max）才能描述材料的疲勞強度。,例p362：45（調(diào)制）的彎曲疲勞強度-1 =275MPa表

6、示？,屈服強度S =355MPa,影響零件疲勞極限的因素,一、零件外形的影響 若構(gòu)件上有螺紋,鍵槽,鍵肩等,其持久極限要比同樣尺寸的光滑試件有所降低。其影響程度用有效應(yīng)力集中系數(shù)表示,首先區(qū)分一組概念：構(gòu)件，零件，試件。 試件：較小且光滑（光滑小試件）,彎曲時的有效應(yīng)力集中系數(shù),扭轉(zhuǎn)時的有效應(yīng)力集中系數(shù),二、零件尺寸的影響,大試件的持久極限比小試件的持久極限要低,尺寸對持久極限的影響程度，用尺寸系數(shù)表示,,右邊表格給出了在彎、扭的對稱應(yīng)力循環(huán)時的尺寸系數(shù).,,三、零件表面狀態(tài)的影響,實際構(gòu)件表面的加工質(zhì)量對持久極限也有影響,這是因為不同的加工精度在表面上造成不同程度的應(yīng)力集中.,若構(gòu)件表面經(jīng)

7、過淬火、氮化、滲碳等強化處理,其持久極限也就得到提高.,表面質(zhì)量對持久極限的影響用表面狀態(tài)系數(shù)表示,,綜合考慮上述三種影響因素，零件在r=-1下的持久極限為,為有效應(yīng)力集中系數(shù)，,為尺寸系數(shù)，,為表面光滑小試件的持久極限（r=-1）,如果循環(huán)應(yīng)力為剪應(yīng)力,將上述公式中的s換為t即可。,為表面狀態(tài)系數(shù),為綜合影響系數(shù),通常1,令,則,其中：,綜合影響系數(shù)的引入,零件的疲勞強度計算,安全系數(shù) 當r=-1時 當r為一般值時,疲勞試驗復(fù)雜且沒有必要，如何轉(zhuǎn)化？,第三章 機械零件的強度,3-1 材料的疲勞特性,3-2 零件的疲勞強度計算,,,,對任一循環(huán)，由a和m便可在坐標系中確定一個對應(yīng)點P,把該點的

8、縱橫坐標相加,就是該點所代表的應(yīng)力循環(huán)的max即,作射線OP，斜率為,極限應(yīng)力線圖,,說明：循環(huán)特征值相同的所有應(yīng)力循環(huán)都在從原點出發(fā)的同一射線上。,,,,,離原點越遠，縱橫坐標之和越大，應(yīng)力循環(huán)的max也越大。,所以在每一條由原點出發(fā)的射線上，都有一個由持久極限r(nóng)確定的臨界點(如OP上的P)。,將這些點聯(lián)成曲線即為持久極限曲線。,r=-1時,r=0時,r=+1時,區(qū)域內(nèi) 區(qū)域外,,,,,,疲勞試驗耗時耗力，簡化方法：由對稱循環(huán)，脈動循環(huán)和靜載荷，取得A,C,B三點。,用折線ACB代替原曲線，偏于安全。,折線AC部分的傾角為,斜率為,直線AC上的點都與持久極限r(nóng)相對應(yīng),將這些點的坐標記為rm和

9、ra于是AC的方程可寫為（由斜率和截距）,,,,,,,,,,,,,,,,,,,s,O,B,H,I,J,C,F,K,G,P,E,A,L,,,m,m,a,a,,EK：疲勞極限 KJ：屈服極限,材料的與零件的極限應(yīng)力線圖,A直線的方程為：,C直線的方程為：,y為試件受循環(huán)彎曲應(yīng)力時的材料常數(shù)，其值由試驗及下式?jīng)Q定：,對于碳鋼，y0.10.2，對于合金鋼，y0.20.3。,材料的極限應(yīng)力線圖,圖3-3 教材24頁,A: 對稱循環(huán)極限應(yīng)力點 D: 脈動循環(huán)極限應(yīng)力點 C : 屈服極限應(yīng)力點,由于零件幾何形狀的變化、尺寸大小、加工質(zhì)量及強化因素等的影響，使得零件的疲勞極限要小于材料試件的疲勞極限。,將零件

10、材料的極限應(yīng)力線圖中的直線ADG 按比例向下移，成為右圖所示的直線ADG，而極限應(yīng)力曲線的 CG 部分，由于是按照靜應(yīng)力的要求來考慮的，故不須進行修正。這樣就得到了零件的極限應(yīng)力線圖。,零件的極限應(yīng)力線圖,AG：疲勞極限 CG：屈服極限,圖3-4 教材25頁,進行零件疲勞強度計算時，首先根據(jù)零件危險截面上的max 及 min確定平均應(yīng)力m與應(yīng)力幅a，然后，在極限應(yīng)力線圖的坐標中標示出相應(yīng)工作應(yīng)力點M或N。,根據(jù)零件工作時所受的約束來確定應(yīng)力可能發(fā)生的變化規(guī)律，從而決定以哪一個點來表示極限應(yīng)力。機械零件可能發(fā)生的典型的應(yīng)力變化規(guī)律有以下三種：,與工作應(yīng)力點相對應(yīng)的極限應(yīng)力點在？,零件疲勞強度計算

11、（單向穩(wěn)定變應(yīng)力）,AG：疲勞極限 CG：屈服極限,,,,,(1)應(yīng)力比r=C （單向穩(wěn)定變應(yīng)力）,由兩直線方程得 交點x=?,y=? x+y=?,,,,,1）當r=-1時 2）當r為一般值時,因此，欲求某一r值下的非對稱循環(huán)下零件的疲勞強度，不必知道此r下零件的持久極限，而只需知道材料在r=-1時的持久極限及折算系數(shù)即可計算其疲勞強度。,,(2)應(yīng)力均值=C （單向穩(wěn)定變應(yīng)力）,,,(3)應(yīng)力最小值=C （單向穩(wěn)定變應(yīng)力）,,,規(guī)律性不穩(wěn)定變應(yīng)力,機械零件的疲勞強度計算3,若應(yīng)力每循環(huán)一次都對材料的破壞起相同的作用，則應(yīng)力 1 每循環(huán)一次對材料的損傷率即為1/N1，而循環(huán)了n1次的1對材料的

12、損傷率即為n1/N1。如此類推，循環(huán)了n2次的2對材料的損傷率即為n2/N2，。,當損傷率達到100%時，材料即發(fā)生疲勞破壞，故對應(yīng)于極限狀況有：,,零件疲勞強度計算（單向不穩(wěn)定變應(yīng)力）,機械零件的疲勞強度計算4,當零件上同時作用有同相位的穩(wěn)定對稱循環(huán)變應(yīng)力sa 和ta時，由實驗得出的極限應(yīng)力關(guān)系式為：,式中 ta及sa為同時作用的切向及法向應(yīng)力 幅的極限值。,若作用于零件上的應(yīng)力幅sa及ta如圖中M點表示，則由于此工作應(yīng)力點在 極限以內(nèi)，未達到極限條件，因而是安全的。,由于是對稱循環(huán)變應(yīng)力，故應(yīng)力幅即為最大應(yīng)力?；【€ AMB 上任何一個點即代表一對 極限應(yīng)力a及a。,計算安全系數(shù)：,零件疲勞

13、強度計算（雙向穩(wěn)定變應(yīng)力）,在綜合考慮零件的性能要求和經(jīng) 濟性后，采用具有高疲勞強度的材料，并配以適當?shù)臒崽幚砗透鞣N表面強化處理。,適當提高零件的表面質(zhì)量，特別是提高有應(yīng)力集中部位的表面加工 質(zhì)量，必要時表面作適當?shù)姆雷o處理。,盡可能降低零件上的應(yīng)力集中的影響，是提高零件疲勞強度的首要措施。,盡可能地減少或消除零件表面可能發(fā)生的初始裂紋的尺寸，對于延 長零件的疲勞壽命有著比提高材料性能更為顯著的作用。,減載槽,在不可避免地要產(chǎn)生較大應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)處，可采用減載槽來降低應(yīng)力集中的作用。,提高疲勞強度的措施,本章小結(jié),極限應(yīng)力線圖 零件的疲勞強度計算,,在工程實際中，往往會發(fā)生工作應(yīng)力小于許用應(yīng)力時所發(fā)生的突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為低應(yīng)力脆斷。,對于高強度材料，一方面是它的強度高（即許用應(yīng)力高），另一方面則是它抵抗裂紋擴展的能力要隨著強度的增高而下降。因此，用傳統(tǒng)的強度理論計算高強度材料結(jié)構(gòu)的強度問題，就存在一定的危險性。,斷裂力學(xué)是研究帶有裂紋或帶有尖缺口的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的強度和變形規(guī)律的學(xué)科。,通過對大量結(jié)構(gòu)斷裂事故分析表明，結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂紋和缺陷的存在是導(dǎo)致低應(yīng)力斷裂的內(nèi)在原因。,實踐表明：對于采用低中強度材料的小型結(jié)構(gòu)，只用傳統(tǒng)的強度計算方法進行設(shè)計是足夠的。對于高強度鋼材的結(jié)構(gòu)和大型焊接件，高周疲勞強度的計算公式不再適用，而應(yīng)考慮防止發(fā)生低應(yīng)力脆斷的問題。,機械零件的抗斷裂強度,