第3章+机械零件的强度.ppt

3-0概述,1.载荷,工作载荷：,名义载荷：,计算载荷：,机器正常工作时所受的实际载荷(一般难以确定),按原动机功率求得,(理想状态),kW,rpm,载荷系数(考虑各种附加载荷),2.应力,静应力：,变应力：,不随时间而变的应力,随时间而变的应力,应力变化次数小于103时,稳定循环：,不稳定循环：,随机：,不随时间变,之一随时间变,变化无规律,第三章机械零件的强度,机械设计（第八版）,3-0概述3-1材料的疲劳特性3-2机械零件的疲劳强度计算3-3机械零件的抗断裂强度3-4机械零件的接触强度3-5机械零件可靠性设计简介,3-1材料的疲劳特性,1.材料的抗疲劳性能-N曲线,少应力变化次数,应变疲劳(低周疲劳),有限寿命疲劳阶段,无限寿命疲劳阶段,3-1材料的疲劳特性,2.循环特性r,对称循环变应力:r=-1,脉动循环变应力:r=0,静应力：r=1,其它：r=C,疲劳曲线（1）,1.疲劳曲线及公式描述,有限寿命疲劳曲线（CD段）,无限寿命疲劳曲线（D点以后）,2.循环基数N0,当ND不大时，N0ND而当很大时，N0ND,疲劳曲线（2）,3.有限寿命区间内任意点疲劳极限的计算,KN称为寿命系数,4.材料的m和N0,对于不同的材料，m值由试验决定，而N0值则是人为规定的。,钢材:在弯曲疲劳和拉压疲劳时,m=620，N0=（110）106；,在零件受弯曲疲劳时,中等尺寸零件:m=9，N0=5106；大尺寸零件:m=9，N0=107。,等寿命疲劳线图,1.材料的极限应力线图,图示的疲劳曲线为某一给定循环次数下的疲劳极限的特性。,图1材料疲劳等寿命曲线,等寿命疲劳线图,2.安全工作区,等寿命疲劳线图,3.曲线制作,已知：-1、0和s，制作下图。,等寿命疲劳线图,直线AG方程：,直线CG方程：,材料常数：,3-2机械零件的疲劳强度计算,（0）零件的极限应力线图（1）单向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算（2）单向不稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算（3）双向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算（4）提高机械零件疲劳强度的措施,（0）零件的极限应力线图,1.材料的极限应力线图,2.零件的极限应力线图,弯曲疲劳极限的综合影响系数,在不对称循环时，K是试件与零件极限应力幅的比值。,（0）零件的极限应力线图,3.弯曲疲劳极限综合影响系数K的计算,式中：k零件的有效应力集中系数；零件的尺寸系数；零件的表面质量系数；q零件的强化系数。,以上分析是针对正应力的，对于切应力也相似。,（1）单向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算,计算零件疲劳强度的基本方法:,零件危险截面上的max和min；,平均应力m和应力幅a,标出工作应力点M；,找出和工作应力点相对应的疲劳强度极限；,计算零件工作的安全系数。,（1）单向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算,1.变应力的循环特性保持不变（r=C）,2.变应力的平均应力保持不变（m=C）,3.变应力的最小应力保持不变（min=C）,4.等效对称循环变应力,具体设计零件时，如果难于确定应力可能的变化规律，在实践中往往采用r=C时的公式。,1.变应力的循环特性保持不变（r=C）,2.变应力的平均应力保持不变（m=C）,3.变应力的最小应力保持不变（min=C）,4.应力的等效转化,公式中分子是材料的对称循环弯曲疲劳极限，分母看成是一个与原来作用的不对称循环变应力等效的对称循环变应力。,应力的等效转化：,计算安全系数为：,（2）单向不稳定变应力时零件的疲劳强度计算,不稳定变应力可分为非规律性的和规律性的两大类。,疲劳累积假说：Miner法则,试验验证了假说的正确性：,（2）单向不稳定变应力时零件的疲劳强度计算,根据式（3-1a）可得：,不稳定变应力的计算应力：,设计准则：,强度条件：,（3）双向稳定变应力时零件的疲劳强度计算,1.极限应力关系,2.工作点M,M点的极限圆内，则为安全的；M点在极限圆外，则一定要破坏。,（3）双向稳定变应力时零件的疲劳强度计算,3.计算安全系数,4.不对称循环的变应力,（4）提高机械零件疲劳强度的措施,尽可能降低零件上的应力集中的影响,可采用减荷槽来降低应力集中的作用；,（4）提高机械零件疲劳强度的措施,选用疲劳强度高的材料；提高材料疲劳强度的热处理方法及强化工艺；提高零件的表面质量；尽可能地减小或消除零件表面可能发生的初始裂纹的尺寸，对于延长零件的疲劳寿命有着比提高材料性能更为显著的作用。,3-3机械零件的抗断裂强度,低应力脆断：按常规的强度理论，能满足强度条件，即工作应力小于许用应力，但在实际的使用中又会发生突然性的断裂。,大量事故分析表明：大部份低应力脆断事故发生在应用了高强度钢材的结构或大型焊接件中。,实验研究表明：高强度材料的强度越高，其抵抗裂纹扩展能力就越低。,断裂力学：它研究带有裂纹或带有尖缺口的结构或构件的强度和变形规律的学科。,3-4机械零件的接触强度,（1）曲面相接触的情况（2）接触受力后的变形与应力分布（3）接触应力（赫兹应力）计算,（1）曲面相接触的情况,（2）接触受力后的变形与应力分布,两个轴线平行的圆柱体外接触后的轴向投影图：,（2）接触受力后的变形与应力分布,两个轴线平行的圆柱体内接触后的轴向投影图：,（2）接触受力后的变形与应力分布,受力后，由于材料的弹性变形，接触线变成宽度为2b的一个矩形面。,接触应力H：始终为压应力。,（3）接触应力（赫兹应力）计算,综合曲率半径：,赫兹应力计算公式：,综合曲率：,（3）接触应力（赫兹应力）计算,接触变应力是一个脉动循环变应力；,在接触点（或线）连续改变位置时，对于零件上任一点处的接触应力只能在0到H之间改变。,3-5机械零件可靠性设计简介,可靠性作为产品的一个重要的质量指标特征，它表示产品在规定的工作条件下及规定的使用期限内完成规定功能的能力。如果在产品的设计过