机械设计CH7-2机械零件的疲劳强度ppt课件

1、多媒体CAI课件设计基础 第一章第第7章章 机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度 计划学时：计划学时：2h 向敬忠向敬忠基本要求及重点、难点基本要求及重点、难点7.1 变应力变应力7.2 疲劳破坏的特征疲劳破坏的特征7.3-N疲劳曲线疲劳曲线7.4 疲劳极限应力图等寿命疲劳曲线）疲劳极限应力图等寿命疲劳曲线）7.5 影响机械零件强度的主要因素影响机械零件强度的主要因素7.6 零件的许用疲劳极限应力简图零件的许用疲劳极限应力简图7.7 稳定变应力时安全系数的计算稳定变应力时安全系数的计算多媒体CAI课件设计基础 第一章基本要求基本要求:1变应力的类型和特征；变应力的类型和特征；2疲劳曲线及其方程

2、；疲劳曲线及其方程；3材料和零件的简化极限应力图；材料和零件的简化极限应力图；4影响机械零件疲劳极限的因素；影响机械零件疲劳极限的因素；5稳定变应力下机械零件的疲劳强度稳定变应力下机械零件的疲劳强度计算。计算。重点、难点：重点、难点：1材料和零件的简化极限应力图的画法材料和零件的简化极限应力图的画法 2影响机械零件疲劳极限的因素；影响机械零件疲劳极限的因素；3单向稳定变应力下安全系数的计算。单向稳定变应力下安全系数的计算。作业作业:多媒体CAI课件设计基础 第一章7.1 变应力变应力 随时间作周期性变化的应力随时间作周期性变化的应力 )(maxmax)(minmin)( 2minmaxmm)(

3、 2minmaxaa) 1r1( rmaxmin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： 循环特性：循环特性：多媒体CAI课件设计基础 第一章1r 静应力静应力 1r对称循环应力对称循环应力 多媒体CAI课件设计基础 第一章非对称循环应力非对称循环应力 1r10r 脉动循环应力脉动循环应力 多媒体CAI课件设计基础 第一章在静载荷作用下，变应力示例之一在静载荷作用下，变应力示例之一多媒体CAI课件设计基础 第一章在静载荷作用下，变应力示例之二在静载荷作用下，变应力示例之二多媒体CAI课件设计基础 第一章在静载荷作用下，变应力示例之三在静载荷作用下，变应力示例

4、之三多媒体CAI课件设计基础 第一章多媒体CAI课件设计基础 第一章 在一定循环特性在一定循环特性r r下的变应力，经过下的变应力，经过N N次循次循环后，材料不发生破坏的应力最大值称为在一环后，材料不发生破坏的应力最大值称为在一定循环特性下的疲劳极限。定循环特性下的疲劳极限。如对称循环用，脉动循环用。如对称循环用，脉动循环用。 rNrN1 -0多媒体CAI课件设计基础 第一章7.2疲劳破坏的特征疲劳破坏的特征 实践表明，长期处在交变应力下工作的杆实践表明，长期处在交变应力下工作的杆件，即使用塑性较好的材料制成，且其最大工件，即使用塑性较好的材料制成，且其最大工作应力远低于材料的强度极限，也常

5、在没有明作应力远低于材料的强度极限，也常在没有明显塑性变形的情况下发生突然断裂。这种现象显塑性变形的情况下发生突然断裂。这种现象称为疲劳破坏。称为疲劳破坏。 汽锤杆疲劳破坏后的断口汽锤杆疲劳破坏后的断口 裂纹源裂纹源光滑区光滑区 粗糙区粗糙区 多媒体CAI课件设计基础 第一章7.3疲劳曲线疲劳曲线 N 在任意给定的循环特性在任意给定的循环特性r r条件下，表示应力循环次数条件下，表示应力循环次数N N与与疲劳极限的关系曲线疲劳极限的关系曲线 多媒体CAI课件设计基础 第一章多媒体CAI课件设计基础 第一章AB段段 静应力强度阶段静应力强度阶段AC段段 低周疲劳阶段低周疲劳阶段BC段段这一阶段的

6、疲劳破坏已伴随着塑这一阶段的疲劳破坏已伴随着塑性变形，但应力循环次数相对很小。性变形，但应力循环次数相对很小。 CD段段 有限寿命疲劳阶段有限寿命疲劳阶段 rN有效寿命疲劳极限有效寿命疲劳极限 * *疲劳极限是指在一定循环特性下，应疲劳极限是指在一定循环特性下，应力循环次数为力循环次数为N N时的极限应力，时的极限应力，r r，N N不同不同极限应力也不一样。极限应力也不一样。 多媒体CAI课件设计基础 第一章CD段的设计段的设计 有限疲劳设计有限疲劳设计 D43NN)(1010 CNmrN * *当工作的变应力的最大应力小于当工作的变应力的最大应力小于D D点的应点的应力，可认为无论应力变化

7、多少次，材料都不力，可认为无论应力变化多少次，材料都不会破坏。会破坏。 D点以后的阶段点以后的阶段 无限疲劳阶段无限疲劳阶段 持久疲劳极限持久疲劳极限 r多媒体CAI课件设计基础 第一章各种工程材料各种工程材料 76D102510N0N循环基数循环基数 D0NN 代替 rr代替DCmrmrNNNNCNN0NrmrrNKNN0多媒体CAI课件设计基础 第一章mNNNK0寿命系数寿命系数 m材料常数材料常数 对于钢材，在弯曲疲劳或拉压疲劳时对于钢材，在弯曲疲劳或拉压疲劳时 6010)101 (,206Nm在初步计算时，钢制零件受弯曲疲劳在初步计算时，钢制零件受弯曲疲劳中等尺寸零件取中等尺寸零件取

8、60105, 9Nm大尺寸零件取大尺寸零件取 7010, 9NmC点以后的阶段点以后的阶段 高周疲劳阶段高周疲劳阶段 多媒体CAI课件设计基础 第一章7.4疲劳极限应力图等寿命疲劳曲线）疲劳极限应力图等寿命疲劳曲线） 材料在相同的循环次数和不同的循环特性材料在相同的循环次数和不同的循环特性下有不同的疲劳极限，可绘制出相应的疲劳极下有不同的疲劳极限，可绘制出相应的疲劳极限应力图。对于塑性材料其极限应力图呈抛物限应力图。对于塑性材料其极限应力图呈抛物线分布。线分布。 * *三个特殊点三个特殊点), 0(A1)2,2(B00)0 ,(FB多媒体CAI课件设计基础 第一章材料的极限应力简图材料的极限应

9、力简图折线折线ABESABES001/ )2(tan多媒体CAI课件设计基础 第一章r接近1时（ 较小时可按静强度计算aES为屈服极限曲线，线上各点均为为屈服极限曲线，线上各点均为 sammax其他的按疲劳强度计算其他的按疲劳强度计算 * *三个区三个区疲劳和塑性安全区疲劳和塑性安全区 疲劳失效区疲劳失效区 塑性失效区塑性失效区 多媒体CAI课件设计基础 第一章7.5影响机械零件强度的主要因素影响机械零件强度的主要因素 1.应力集中的影响应力集中的影响 零件受载时，几何形状、尺寸的突变零件受载时，几何形状、尺寸的突变 应力集应力集中中应力集中源：轴上环槽、轴肩圆角、横向孔、应力集中源：轴上环槽

10、、轴肩圆角、横向孔、键槽、外花键等键槽、外花键等 有效应力集中系数有效应力集中系数)(kk) 1(1qk) 1(1qk式中：式中： ， 考虑零件几何形状的理论应力系数。考虑零件几何形状的理论应力系数。 考虑材料对应力集中感受程度的敏性系数。考虑材料对应力集中感受程度的敏性系数。qkKD)(多媒体CAI课件设计基础 第一章多媒体CAI课件设计基础 第一章多媒体CAI课件设计基础 第一章多媒体CAI课件设计基础 第一章多媒体CAI课件设计基础 第一章注意问题：注意问题： * * 强度极限愈高钢的敏性系数值愈大，说明对应力集中愈强度极限愈高钢的敏性系数值愈大，说明对应力集中愈敏感。铸铁由外引起的应力

11、集中远低于内部组织的应力集中，敏感。铸铁由外引起的应力集中远低于内部组织的应力集中，故取：故取： 而而0q1kk* * 在缺乏在缺乏 数据时数据时) 1(061kk* * 降低应力集中的措施：减缓零件几何尺寸的突变、增大降低应力集中的措施：减缓零件几何尺寸的突变、增大过渡圆角半径、采用卸载结构等。过渡圆角半径、采用卸载结构等。 * * 若在同一截面上同时有几个应力集中源时，应采用最大若在同一截面上同时有几个应力集中源时，应采用最大有效应力集中系数进行计算。有效应力集中系数进行计算。 多媒体CAI课件设计基础 第一章2.尺寸的影响尺寸的影响 尺寸系数尺寸系数 )(多媒体CAI课件设计基础 第一章

12、* * 当其他条件相同时，当其他条件相同时，尺寸愈大，对零件疲劳强尺寸愈大，对零件疲劳强度的不良影响更加显著。度的不良影响更加显著。 多媒体CAI课件设计基础 第一章多媒体CAI课件设计基础 第一章3.表面状态的影响表面状态的影响 表面状态系数表面状态系数 )(多媒体CAI课件设计基础 第一章多媒体CAI课件设计基础 第一章注意问题：注意问题： * * 在缺乏数据时在缺乏数据时4 . 06 . 0* * 钢的强度极限愈高，表面愈粗糙，表面状态系数愈低。钢的强度极限愈高，表面愈粗糙，表面状态系数愈低。所以在采用高强度钢时，常用提高表面加工质量的方法来提所以在采用高强度钢时，常用提高表面加工质量的

13、方法来提高零件的疲劳强度。铸铁对加工的表面状态极不敏感，一般高零件的疲劳强度。铸铁对加工的表面状态极不敏感，一般取：取： 1* * 常用的改善表面状态措施有：淬火、渗碳、渗氮等热处常用的改善表面状态措施有：淬火、渗碳、渗氮等热处理工艺，以及抛光、喷丸、滚压等表面强化处理工艺。改善理工艺，以及抛光、喷丸、滚压等表面强化处理工艺。改善后的表面强化系数通常大于后的表面强化系数通常大于1 1，一般取，一般取1 1。 多媒体CAI课件设计基础 第一章 4.综合影响系数综合影响系数 kKD)(kKD)(* * 实验表明，应力集中、零件尺寸和表面状态都只对应力实验表明，应力集中、零件尺寸和表面状态都只对应力

14、幅产生影响，而对平均应力没有明显影响。幅产生影响，而对平均应力没有明显影响。 注意问题：注意问题： * * 计算时，零件的工作应力要乘以综合影响系数，或材料计算时，零件的工作应力要乘以综合影响系数，或材料极限应力幅要除以综合影响系数。极限应力幅要除以综合影响系数。 多媒体CAI课件设计基础 第一章多媒体CAI课件设计基础 第一章7.6 零件的许用疲劳极限应力简图零件的许用疲劳极限应力简图 对材料的简化疲劳极限图，考虑疲劳强度的综合影响系对材料的简化疲劳极限图，考虑疲劳强度的综合影响系数数 或或 和寿命系数和寿命系数 ，对其进行修正，得，对其进行修正，得 DK )(DK )(NK)(, 0(1D

15、NKKA)(,2(00DNNKKKC* * 是按静应力强度考是按静应力强度考虑的，不需修正。虑的，不需修正。 BDDK )/(多媒体CAI课件设计基础 第一章* * AB AB线的斜率：线的斜率： 001/ )2(tan* * 线的斜率：线的斜率： DADK )/(* * 与与 相同不变。相同不变。 ESBD设设 上的坐标为上的坐标为 BCA),(am可得可得 和和 的直线方程：的直线方程： DCABDmaDmaDKK）（，即：11)(Sma* *对于剪切应力，只需用对于剪切应力，只需用 来代替上述理论中的来代替上述理论中的 即可。即可。 多媒体CAI课件设计基础 第一章7.7稳定变应力时安全

16、系数的计算稳定变应力时安全系数的计算 单向稳定变应力单向稳定变应力 在每次循环中，平均应力、在每次循环中，平均应力、应力幅和循环特性，其中一项保持不变的变应力应力幅和循环特性，其中一项保持不变的变应力 稳定变应力稳定变应力在每次循环中，平均应力、应力在每次循环中，平均应力、应力幅和周期都不随时间变化的变应力幅和周期都不随时间变化的变应力 解析法计算零件疲劳强度的步骤：解析法计算零件疲劳强度的步骤：根据材料几次零件危险截面处的情况画出零件的极限应根据材料几次零件危险截面处的情况画出零件的极限应力简图；力简图； 求出危险截面工作应力的最大值求出危险截面工作应力的最大值 和最小值和最小值 ； max

17、min多媒体CAI课件设计基础 第一章计算计算 ， ，并在图中找出对应的工作应力点，并在图中找出对应的工作应力点M( , )M( , )或或N N点；点； mama根据单向稳定类型及根据单向稳定类型及M( , )M( , )求出折线求出折线 上对上对应的极限应力应的极限应力( , )( , )点，那么点，那么 ； mamaBDAamlim疲劳强度校核疲劳强度校核 maxlimSSca多媒体CAI课件设计基础 第一章7.7.1变应力循环特性不变变应力循环特性不变 Cr Crmamaamam11maxmin可见可见Cr 必有必有Cma例如例如多媒体CAI课件设计基础 第一章1. 图解法图解法 过坐

18、标原点过坐标原点O O0 0，0 0点和点和M( , )M( , )做一条直线与做一条直线与 交交于于 ( , )( , )点或点或N N点交点交 为为 点）。点）。 maDCAMmaBDN*比例尺比例尺 多媒体CAI课件设计基础 第一章应力幅安全系数应力幅安全系数 maxmaxSOMMOSamam安全系数安全系数 aaaaSS疲劳失效疲劳失效 塑性破坏塑性破坏 SSams多媒体CAI课件设计基础 第一章2.解析法解析法 当当M M点疲劳区时，过点疲劳区时，过O O，M M两点列直线方程，联解两点列直线方程，联解 的方的方程求出交点程求出交点 的坐标的坐标( , )( , )，DCAMma得安

19、全系数计算公式得安全系数计算公式)(1SkKSmaDN得安全系数计算公式得安全系数计算公式)(1amaDNaaaSkkS多媒体CAI课件设计基础 第一章当当N N点为于塑性区，则应屈服安全系数点为于塑性区，则应屈服安全系数 SSams留意留意 作图法准确性取决于作图，但可直接判断工作点所作图法准确性取决于作图，但可直接判断工作点所在的区域，而解析法则无法判断，所以为了安全起在的区域，而解析法则无法判断，所以为了安全起见，采用解析法计算时，疲劳强度和屈服强度安全见，采用解析法计算时，疲劳强度和屈服强度安全系数都需要进行计算。系数都需要进行计算。 多媒体CAI课件设计基础 第一章示示 例例7.7.2变应力的平均应力不变变应力的平均应力不变 Cm多媒体CAI课件设计基础 第一章过过M( , )M( , )做一条垂直横坐标的直线，列直线方程做一条垂直横坐标的直线，列直线方程 ma多媒体CAI课件设计基础 第一章得安全系数计算公式得安全系数计算公式)()()(1SkkkSmaDmDN得安全系数计算公式得安全系数计算公式)(1aaDmNSkkS当当N N点为于塑性区，则应屈服安全系数点为于塑性区，则应屈服安全系数 S