强度及刚度设计

1、强度与刚度设计定义强度：材料或零构件抵抗外力而不发生失效 的能力。定义刚度：材料在受力时抵抗弹性变形的能力。强度设计常规强度设计现代强度设计一、常规机械强度设计理论：一、常规机械强度设计设计步骤： （1）由理论力学确定零构件所受外力； （2）由材料力学（有时采用弹性力学或塑性力学）计算其 内力； （3）由机械原理和机械零件确定其结构尺寸和形状； （4）计算该零构件的工作应力或安全系数。一、常规机械强度设计设计四个螺栓的直径一、常规机械强度设计1.受力分析一、常规机械强度设计2.计算内力：由 Q=QP+KCF 及下图得总拉力Q=3962N一、常规机械强度设计3.确定尺寸： 根据许用应力和安全系数

2、可的危险剖面的直径d9.054mm 因此，选用M12的螺栓。一、常规机械强度设计4.校核（1）联接结合面下端的挤压应力 pmax=1.267MPap 联接结合面下端不致压溃。（2）联接结合面上端的残余应力 pmin=0.114MPa0 即联接结合面上端受压处不会产生缝隙一、常规机械强度设计特点：1.假设制造机械零构件的材料性能是均匀的、各向同性的、连续的实体；2.承受较为简单的载荷作用；3.应用弹性变形理论。一、常规机械强度设计存在的问题：1.应力的多轴性和变形的弹塑性；2.疲劳破坏的普遍性；3.疲劳与蠕变的交互作用；4.强度中的寿命计算；5.疲劳强度可靠性；6.局部应力应变分析；7.断裂力学

3、二、现代机械强度设计理论：1.应力应变分析方法及线弹性强度理论2.弹塑性强度理论3.含裂纹体的强度理论4.疲劳强度理论1.应力应变分析方法及线弹性强度理论弹性力学基本方程一点处的应力应变主应力主平面设计计算方程求解：解析法、有限元法坐标变换强度准则1.应力应变分析方法及线弹性强度理论特点： 考虑了材料的线弹性变形，即应力应变是线性关系，运用弹性力学、形变能理论、最大剪应力理论等确定主应力和主平面，能较好的解决复杂应力的问题。2.弹塑性强度理论变形分析应力状态分析（弹性极限状态、弹塑性状态、塑形极限状态）各状态的极限载荷2.弹塑性强度理论特点： 基本假设：除理想弹性这一点外，其余同弹性力学。即平

4、衡方程、几何方程均相同 应力应变之间的关系是非线性的，其非线性性质与具体材料有关2.弹塑性强度理论特点：3)应力与应变之间没有一一对应的关系，它与加载历史有关不惟一性；4)在变形体中存在弹性变形区和塑性变形区，因而在求解问题时，需要找出弹性区和塑性区的分界线（屈服准则）；2.弹塑性强度理论特点：5)在分析问题时，需要区分是加载过程还是卸载过程。在加载过程中，使用塑性的应力应变关系方程；在卸载过程中，使用广义胡克定律。3.含裂纹体的强度理论确定结构及受力应力强度因子K判断是否处于裂纹的稳定扩展阶段由最大应力求出临界裂纹尺寸a确定Paris公式中的各项系数求裂纹扩展寿命G准则K准则Paris公式用

5、于研究裂纹扩展速率，作为设计选材时的参考，以及计算裂纹体的剩余寿命。3.含裂纹体的强度理论应力强度因子的特性：1.应力强度因子是裂纹尖端应力应变场强 度的度量；2.应力强度因子是裂纹尖端应力应变场具 有奇异性的度量；3.应力强度因子的临界值是材料本身的固 有属性。aK4.疲劳强度理论设计准则：1.无限寿命设计：对疲劳强度要求高。钢轨、桥梁、车轴等的设计。 1应力只要不超过应力只要不超过 ，则，则N可无限增可无限增大大1有限寿命区无限寿命区4.疲劳强度理论设计准则：2.安全寿命设计（有限寿命设计）：要求零部件或结构在给定的使用周期内不能产生任何疲劳缺陷。常用于飞机、汽车、压力容器等的设计中。 N

6、1有限寿命区无限寿命区4.疲劳强度理论设计准则：3.破损-安全设计：承认裂纹可以出现，但在被检测和维修之前，不会导致整个结构的破坏。（避免因安全系数造成重量过大，例如在航空工业）4.损伤-容限设计：假设裂纹预先存在，用断裂力学方法分析其寿命。是3的进一步改进。 二、现代机械强度设计设计步骤：1.根据常规设计方法，初步确定结构形状及尺寸；2.应用有限元法分析应力、应变分布；3.用声、光、电等检测手段，确定零构件缺陷尺寸和位置；4.对于无缺陷材料，计算服役寿命=裂纹形成寿命+裂纹扩展寿命；5.对于有缺陷材料，用断裂力学方法计算裂纹扩展寿命。案例分析装载机前车架案例分析装载机前车架 轮式装载机的车架

7、由前车架和后车架组成。前车架是装载机的基础承载构件，是车架的主要承载体；后车架为箱形结构，受力较小。因此，这里只计算前车架的强度及刚度。 前车架是由薄钢板焊接而成的三维空间结构，形状较为复杂，用常规的力学方法无法对其进行精确计算。为此，这里采用现代强度及刚度设计方法。该车架采用四板组焊的焊接工艺。车架为左右对称结构，有一纵向对称轴。其上作用有掘起力、铲入力。由结构的对称性，可取结构的一半进行强度及刚度的计算与分析。案例分析装载机前车架前车架案例分析装载机前车架1.受力分析（1）扭转工况：车架上的载荷作用点离对称轴有偏 距，相当于加以极限扭矩，使车架产生扭转。（2）弯曲工况：最大载荷作用在对称轴

8、上，沿铅垂 方向产生偏载，使车架处于弯曲工况状态。（3）弯扭联合工况：将弯曲工况和扭转工况组合在 一起即为弯扭工况。车架受载最为严重的工况 是弯曲工况和弯扭联合工况，与车架结构强度 及刚度直接有关的亦主要是这2种工况。在车 架的载荷计算工况中，车架所受的最大载荷是 最大牵引力，为158kN，最大掘起力为 210.9kN。案例分析装载机前车架2.有限元法：对结构进行网格划分案例分析装载机前车架3.约束条件 在上述3种载荷计算工况下，约束部位为车架内各铰孔及车架底部与前桥的联接部位，各铰孔内结点的方向、y方向、方向位移均被限制为零。底部联接部位沿纵向（方向）位移及横向（y方向）位移为零。案例分析装

9、载机前车架4.强度计算 车架钢板材料为40Cr，屈服极限s340MPa，安全系数2，许用应力170MPa，计算图1所示各截面的应力大小，计算结果见表1。高应力区案例分析装载机前车架5.分析 有限元计算结果表明，轮式装载机车架高应力区在、截面处，即铰孔处。由于外载荷作用在铰孔处，且易形成应力集中，所以铰孔处应力最高，强度偏低。最大应力发生在截面处，即外侧板上铰孔处，其值为136.2MPa，但仍低于材料的许用应力，可见仍能满足强度条件。车架其它截面的应力值较小，因而比较安全。 因此，做改进设计时可考虑将外侧板铰孔适当加强，加强措施包括增加相应的板厚或在铰孔处设置加强筋等。同时，其它部位应力较低，可以考虑采取适当措施（如减薄板的厚度），达到节省材料、减轻重量的目的。三、提高强度的措施1.采用合理的截面形状三、提高强度的措施2.载荷分流：对于承受较大载荷的零件，可通过将部分载荷分流到其他零件的方法降低关键零件的危险程度。三、提高强度的措施3.载荷均布三、提高强度的措施4.改善轴承支撑结构三、提高强度的措施5.充分发挥材料 特性三、提高强度的措施6.合理强化双层套装结