第三章机械零件的强度精选文档.ppt
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1、第三章机械零件的强度1本讲稿第一页,共四十八页本讲稿第二页,共四十八页本讲稿第三页,共四十八页本讲稿第四页,共四十八页第三章第三章 机械零件的强度机械零件的强度一、一、复复习习基本概念基本概念1、载荷(、载荷(load)作用在零件作用在零件上的外力上的外力公称载荷(公称载荷(nominalload)按理论力学按理论力学方法计算出方法计算出来的载荷来的载荷用用Fn、Mn、Tn表示表示计算载荷(计算载荷(calculatedload)考虑动力参数、工考虑动力参数、工作阻力的变动而计作阻力的变动而计算出的载荷算出的载荷用用Fca、Mca、Tca表示表示Fca=KFnK载荷系数(工况系数)载荷系数(工
2、况系数)本讲稿第五页,共四十八页用用lim表示表示强度极限强度极限B,屈服极限,屈服极限S,疲劳极限,疲劳极限r许用应力(许用应力(allowablestress)用用ca表示表示极限应力(极限应力(ultimatestress)2、应力(、应力(stress)工作应力(工作应力(working stress)计算应力(计算应力(calculatedstress)按材料力学公式按材料力学公式求出的作用在零求出的作用在零件剖面上的应力件剖面上的应力按一定的强度理按一定的强度理论求出的与单向论求出的与单向拉伸同等作用的拉伸同等作用的应力应力材料某个机械材料某个机械性能极限值性能极限值计算应力允许达
3、计算应力允许达到的最大值到的最大值用用表示表示本讲稿第六页,共四十八页3、安全系数(、安全系数(safetyfactor)安全系数安全系数极限应力与许极限应力与许用应力的比值用应力的比值安全系数计算值安全系数计算值极限应力与计极限应力与计算应力的比值算应力的比值引入安全系数的原因:引入安全系数的原因:应力计算时的载荷不精确性;应力计算时的载荷不精确性;力学模型与实际状况的差异;力学模型与实际状况的差异;材料机械性能的不均匀性;材料机械性能的不均匀性;零件使用场合的重要性。零件使用场合的重要性。本讲稿第七页,共四十八页随机变应力随机变应力静应力静应力规律性不稳定变应力规律性不稳定变应力二、应力的
4、分类二、应力的分类1、应力种类、应力种类变应力:变应力:不稳定变应力:不稳定变应力:稳定循环变应力稳定循环变应力本讲稿第八页,共四十八页2、稳定循环变应力的基本参数和种类、稳定循环变应力的基本参数和种类a)基本参数基本参数应力循环特性应力循环特性最大应力最大应力最小应力最小应力平均应力平均应力应力幅应力幅b)稳定循环变应力种类:稳定循环变应力种类:-1r+1不对称循环变应力不对称循环变应力 r=+1静应力静应力r=1对称循环变应力对称循环变应力 r=0脉动循环变应力脉动循环变应力本讲稿第九页,共四十八页注意:静应力只能由静载荷产生,而变应力可能由变载荷产生,注意:静应力只能由静载荷产生,而变应
5、力可能由变载荷产生,也可能由静载荷产生也可能由静载荷产生名义应力名义应力由名义载荷产生的应力由名义载荷产生的应力计算应力计算应力由计算载荷产生的应力由计算载荷产生的应力3)名义应力和计算应力)名义应力和计算应力本讲稿第十页,共四十八页一、单向应力下的塑性材料零件一、单向应力下的塑性材料零件 强度条件:强度条件:或或 补充:补充:静应力时机械零件的强度计算静应力时机械零件的强度计算二、复合应力时的二、复合应力时的塑性塑性材料零件材料零件按第三或第四强度理论对弯扭复合应力进行强度计算按第三或第四强度理论对弯扭复合应力进行强度计算 由第三强度理论由第三强度理论 (最大剪应力理论)(最大剪应力理论)由
6、第四强度理论:由第四强度理论:(最大变形能理论)(最大变形能理论)本讲稿第十一页,共四十八页复合应力计算安全系数为:复合应力计算安全系数为:三、三、三、三、脆性脆性脆性脆性材料与材料与材料与材料与低塑性低塑性低塑性低塑性材料材料材料材料脆性材料极限应力:脆性材料极限应力:(强度极限)(强度极限)1 1、单向应力状态、单向应力状态 强度条件:强度条件:或或 或或 失效形式:断裂失效形式:断裂 本讲稿第十二页,共四十八页按第一强度条件:按第一强度条件:(最大主应力理论)(最大主应力理论)注意:低塑性材料(低温回火的高强度钢)注意:低塑性材料(低温回火的高强度钢)强度计算应计入应力集中的影响强度计算
7、应计入应力集中的影响 脆性材料(铸铁)脆性材料(铸铁)强度计算不考虑应力集中强度计算不考虑应力集中一般工作期内应力变化次数一般工作期内应力变化次数10103 3按静应力强度计算按静应力强度计算2 2、复合应力下工作的零件、复合应力下工作的零件本讲稿第十三页,共四十八页1 1、失效形式:疲劳、失效形式:疲劳破坏破坏2 2、疲劳破坏、疲劳破坏特征特征:1 1)断裂过程:)断裂过程:产生初始裂纹产生初始裂纹 (应力较大处)(应力较大处)裂纹尖端在切应力作用下,反复扩裂纹尖端在切应力作用下,反复扩 展,直至产生疲劳裂纹。展,直至产生疲劳裂纹。2 2)断裂面:)断裂面:光滑区(疲劳发展区)光滑区(疲劳发
8、展区)粗糙区(脆性断裂区)粗糙区(脆性断裂区)3 3)无明显塑性变形的脆性突然断裂)无明显塑性变形的脆性突然断裂 4 4)破坏时的应力(疲劳极限)远小于材料的屈服极限)破坏时的应力(疲劳极限)远小于材料的屈服极限 3-1 3-1 材料的疲劳特性材料的疲劳特性一、变应力作用下机械零件的失效特征一、变应力作用下机械零件的失效特征3 3、疲劳破坏的机理:损伤的累积、疲劳破坏的机理:损伤的累积4 4、影响因素:不仅与材料性能有关,变应力的循环特性,、影响因素:不仅与材料性能有关,变应力的循环特性,应力循环次数,应力幅都对疲劳极限有很大影响应力循环次数,应力幅都对疲劳极限有很大影响。本讲稿第十四页,共四
9、十八页2-2 疲劳曲线和极限应力图两个概念:两个概念:2)疲劳寿命N:材料疲劳失效前所经历的应力循环次数。二二、疲劳曲线(、疲劳曲线(-N N 曲线)曲线)是在应力比r一定时,表示疲劳极限 与循环次数 N 之间关系的曲线。r不同或 N 不同时,疲劳极限 则不同。在疲劳强度计算中,取 。1)材料的疲劳极限疲劳极限 :在应力比为 r 的循环应力作用下,应 力循环 N 次后,材料不发生疲劳破坏时所能承受的最大应力 。(变应力的大小可按其最大应力进行比较)本讲稿第十五页,共四十八页疲劳曲线疲劳曲线和极限应力图典型的疲劳曲线如右图所示:可以看出:随 N 的 增大而减小。但是当 N 超过某一循环次数 N0
10、 时,曲线 趋于水平。即 不再随 N的增大而减小。N0 -循环基数。以 N0 为界,曲线分为两个区:1)无限寿命区:当 N ND 时,曲线为水平直线,对应的疲劳极 限是一个定值,用 表示。它是表征材料疲劳强度的重要指标,是疲劳设计的基本依据。sN 疲劳曲线有限寿命区无限寿命区本讲稿第十六页,共四十八页疲劳曲线2疲劳曲线和极限应力图 可以认为:当材料受到的应力不超过 时,则可以经受无限次的应力循环而不疲劳破坏。寿命是无限的。与曲线的两个区相对应,疲劳设计分为:2)有限寿命区:非水平段(NND)的疲劳极限称为条件疲劳极 限,用 表示。当材料受到的工作应力超过 时,在疲劳破坏之前,只能经受有限次的应
11、力循环。寿命是有限的。1)无限寿命设计:N ND 时的设计。取 2)有限寿命设计:N ND 时的设计。取 =设计中常用的是疲劳曲线上的 CD 段,其方程为:(常数)称为疲劳曲线方程本讲稿第十七页,共四十八页疲劳曲线3疲劳曲线和极限应力图则注:1)计算 时,如 N ,则取 N 。式中:寿命系数;m 材料常数(寿命指数),其值见教材 P23。循环基数,其值与零件材质有关,见教材 P23。2)工程中常用的是对称循环应力(=-1)下的疲劳极限,计算时,只须把 和 换成 和 即可。本讲稿第十八页,共四十八页极限应力图疲劳曲线和极限应力图3)对于受切应力的情况,则只需将各式中的 换成 即可。4)当N()时
12、,因 N 较小,可按静强度计算。二、极限应力图(等寿命曲线)是在疲劳寿命N 一定时,表示疲劳极限 与应力比r之间关系的线图。疲劳寿命为 (无限寿命)时的 极限应力图如右图所示。无限寿命极限应力线本讲稿第十九页,共四十八页极限应力图2极限应力线上的点称为极限应力点。三个特殊点 A、B、C 分别为对称循环、脉动循环、以及静应力下的极限应力点。极限应力线上的每个点,都表示了某个应力比下的极限应力 对于高塑性钢,常将其极限应力线简化为折线 ABDC。疲劳强度线AB段的方程为:式中:材料常数,其值见教材P25。疲劳曲线和极限应力图屈服强度线本讲稿第二十页,共四十八页极限应力图3疲劳曲线和极限应力图对于低
13、塑性钢或铸铁,其极限应力线可简化为直线AC。注:1)-N曲线的用途:在于根据 确定某个循环次数 N 下的条件疲劳极限 。2)极限应力线图的用途:在于根据 确定非对称循环应力下的疲劳极限以计算安全系数。3)对于切应力,只需将各式中的 换成 即可。本讲稿第二十一页,共四十八页对称循环变应力对称循环变应力:平均应力平均应力m0最大应力最大应力maxa脉动循环变应力脉动循环变应力:平均应力平均应力m m0.50.50 0应力幅应力幅a a0.50.50 0静应力静应力:平均应力平均应力ms应力幅应力幅a0maxmaxm+am+aSS的变应力的变应力 OAOA G G C C区域为安全区区域为安全区AG
14、CAGC折线为疲劳极限折线为疲劳极限本讲稿第二十二页,共四十八页曲线上的点对应着不同应力循环特性下的材料疲劳极限曲线上的点对应着不同应力循环特性下的材料疲劳极限AA对称疲劳极限点对称疲劳极限点 D D脉动疲劳极限点脉动疲劳极限点 C C 屈服极限点屈服极限点本讲稿第二十三页,共四十八页2-3影响疲劳强度的因素3-2 机械零件的疲劳强度计算前边提到的各疲劳极限,实际上是材料的力学性能指标,是用试件通过试验测出的。而实际中的各机械零件与标准试件,在形体,表面质量以及绝对尺寸等方面往往是有差异的。因此实际机械零件的疲劳强度与用试件测出的必然有所不同。一、影响零件疲劳强度的主要因素 有以下三个:P41
15、 1 1、应力集中的影响、应力集中的影响 机械零件上的应力集中会加快疲劳裂纹的形成和扩展。从而导致零件的疲劳强度下降。用用有效有效应力集中系数 、计入应力集中的影响。(、的值见教材39页或有关手册)疲劳强度设计的主要目的是计算危险剖面处的安全系数,以 判断零件的安全程度。安全条件是:S S 。本讲稿第二十四页,共四十八页影响疲劳强度的主要因素2 影响零件疲劳强度的主要因素注:当同一剖面上同时有几个应力集中源时,应采用其中最大的疲 劳缺口系数进行计算。2、尺寸的影响、尺寸的影响 零件的尺寸越大,在各种冷、热加工中出现缺陷,产生微观裂纹等疲劳源的可能性(机会)增大。从而使零件的疲劳强度降低。用尺寸
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