湖南大学机械设计课件第3章

1、精选优质文档-倾情为你奉上第三章 机械零件的强度（一）教学要求：了解交变应力与疲劳失效，疲劳强度的基本理论。熟悉疲劳失效的过程、应力循环特征及术语、常见的交变应力规律掌握s N 疲劳曲线，机械零件的持久极限计算。注意工程应用分析时的简化处理方法。（二）教学的重点与难点交变应力及其描述，疲劳破坏原因、特征，疲劳曲线，机械零件的持久极限计算。难点：极限应力图绘制及应用。（三）教学时数： 2学时静应力强度若整个工作寿命期限内应力变化次数<103，则此时按静应力强度设计，如材料力学中公式实际上，很多零件是在变应力条件下工作的，此时疲劳破坏是其主要破坏形式。 疲劳破坏交变应力作用下本章讨论 脆断低

2、应力作用下 接触强度§3-1 疲劳曲线一、基本概念1、交变应力的定义：工作时应力随时间而变化2、交变应力的描述：最大应力max最小应力min平均应力m 应力幅值a 应力循环次数N（对钢材，常定为106108）循环特性（应力比） 3、交变应力的类型：对称循环交变应力=-1，如车轮受力脉动循环交变应力=0，如齿轮受力试验表明：-1与强度极限的大致关系为：-1拉»0.28b-1弯»0.4b-1扭»0.22b4、疲劳破坏的特点：破坏时所受应力远小于强度极限。5、疲劳破坏的原因：微裂纹产生和不断扩展。二、-N疲劳曲线记录试件受交变应力作用时，在不同的最大应力max

3、作用下引起破坏所经历的应力循环次数N，得到-N曲线。maxN约103约104>107静应力强度低周疲劳高周疲劳本书讨论ABCDCD段上任一点处的疲劳极限称为有限寿命疲劳极限ND点以后称为无限寿命疲劳阶段D点处称为持久疲劳极限在CD段： m为材料常数（对钢材料： 在弯曲和拉压时，m=620，常可取为9）D点后： 常可设一循环基数N0，此时的应力记为rN0（或记为r）应有： 故： 式中：寿命系数三、等寿命疲劳曲线（又称极限应力曲线、疲劳极限图）m=max+min2a=maxmin2注意：关键值-1（对称循环疲劳极限）和s（屈服极限）max=+0.6=+0.3=0=-1NN0=107maxmi

4、n=此图的作法： 不同的值下作出max-N图；取一循环基数N0（如107）；由此作垂线与各max-N图相交；将各交点的值经过处理后描于ma图上；am简化为am-1s应力在此区域内，无事！应力在此区域外，破坏！即得等寿命疲劳曲线。上图常用折线图代替。注意几个关键值：=2 -1-00实际上是直线A´G的斜率对碳钢：=0.10.2对合金钢：=0.20.3s屈服极限-1对称循环疲劳极限极限应力幅极限平均应力材料常数-1=a´+m´0脉动循环疲劳极限直线A´G´的方程为：直线C´G´的方程为：a´+m´ = s&#

5、167;3-2 疲劳强度计算-1-1e=K试验件疲劳极限综合影响系数实际零件的疲劳极限一般会小于试验件的疲劳强度，因为加工和工作时会有一些不确定的因素影响。故：以弯曲为例零件的疲劳极限应为：从图形上考虑此问题，可将极限应力线图中的A´G´线下移（ C´G´线不变）至AG线。通过求AG线的方程（与上节类似），可得：e=K=K12-100零件的材料常数为(弯曲时)：K的计算公式：其中四个系数的值均可查表得到。切应力的推算与上类似！略 一、单向稳定变应力时疲劳强度的计算1、=C时（例如转轴，C代表常数）该点处：m=mea=ae由原点向工作应力点M连线并延长到与

6、AG线相交于M´点(由危险截面的max与min求得该点的m和a)2、m=C时（例如振动着的受载弹簧,C代表常数）m=me该点处：a=ae过工作应力点M作垂线与AG线相交于M´点(由危险截面的max与min求得该点的m和a)3、min=C时（例如紧螺栓联结中螺栓受轴向变载荷，C代表常数）注意：min=m-aCa=aem=me该点处：过工作应力点M作与水平方向成45º的斜线，与AG线相交于M´点(由危险截面的max与min求得该点的m和a)同上理，可以求出M ´点处的极限应力max´mAGCaIIIIIII区： min恒为负值，很少见；I

7、II区： 按静强度计算。实际上，仅考虑此区二、单向不稳定变应力时疲劳强度的计算 非规律性按大量试验找统计分布规律，统计疲劳强度。 规律性按疲劳损伤累积假说（Miner法则）。a无巨大差别，无短时强烈过载时，取1各级应力由大小时，取值<1各级应力由小大时，取值>1i=1zniNi=0.72.2试验表明：，经过一系列推导，可得强度条件公式：三、双向稳定变应力时疲劳强度的计算指同时受法向和切向对称循环稳定变应力。介绍略。四、提高疲劳强度的措施1、减少应力集中如设置圆角、减少截面形状的突变，加减载槽。2、提高表面质量，减少裂纹。3、改选疲劳强度高的材料，并选择恰当的热处理方法。§3-3 零件的抗断裂强度工作应力<许用应力时却突然断裂，称为低应力脆断。分析表明：大部分发生在高强度钢材结构和大型焊件上。内在原因：内部有裂纹和缺陷。强度高使得抗裂纹扩展能力由断裂力学讨论此问题工程中认为>0.1mm是宏观裂纹。 应力强度因子KI（KII、KIII）启用了 两个新指标 平面应变断裂韧度KICKI<KIC 裂纹不会失稳扩展KIKIC 裂纹会失稳扩展§3-4 零件的接触强度接触有外接触内接触两种状况接触分共形面如平面与平面异形面线接触如齿面间点