工程力学——动载荷和交变应力-PPT课件

1、第13章 动载荷与交变应13.1 动 载 荷13.2 交 变 应 力13.1 动 载 荷13.1.1 动载荷概念静载荷是指构件上的载荷从零开始平稳地增加到最终值。因加载缓慢，加载过程中构件上各点的加速度很小，可认为构件始终处于平衡状态，加速度影响可略去不计。动载荷是指随时间作明显变化的载荷，即具有较大加载速率的载荷。在动载荷作用下构件内产生的应力称为动应力。13.1.2 构件做匀加速直线运动或等角速转动时的动应力计算一、动应力分析中的动静法加速度为的质点，惯性力为其质量m与的乘积，方向与相反。达朗贝尔原理指出，对做加速度运动的质点系，如假想在每一质点上加上惯性力，则质点系上的原力系与惯性力系组

2、成平衡力系。这样，可把动力学问题在形式上作为静力学问题处理，这就是动静法。二、匀加速直线运动构件中的动应力分析例13-1 一钢索起吊重物如图13.1所示，以等加速度提升。重物M的重力为W，钢索的横截面积为A，钢索的重量与W相比甚小而可略去不计。试求钢索横截面上的动应力d。图13.1三、等角速度转动构件内的动应力分析例13-2 如图13.2中一平均直径为D，壁厚为t的薄壁圆环，绕通过其圆心且垂直于环平面的轴做匀速转动。已知环的角速度，环的横截面积A和材料的容重，求此环横截面上的正应力。图13.213.1.3 构件受冲击载荷作用时的动应力计算一、工程中的冲击问题锻锤与锻件的撞击，重锤打桩，用铆钉枪

3、进行铆接，高速转动的飞轮突然刹车等均为冲击问题，其特点是冲击物在极短瞬间内速度变为零，被冲击物在此瞬间经受很大的动应力和动载荷。二、求解冲击问题的能量法冲击问题极其复杂，难以精确求解。工程中常采用一种较为简略但偏于安全的估算方法能量法，来近似估算构件内的冲击载荷和冲击应力。在冲击应力估算中作如下基本假定：(1) 不计冲击物的变形；(2) 冲击物与构件(被冲击物)接触后无回弹，二者合为一个运动系统；(3) 构件的质量(惯性)与冲击物相比很小，可略去不计，冲击应力瞬时传遍整个构件；(4) 材料服从胡克定律；(5) 冲击过程中，声、热等能量损耗很小，可略去不计。三、杆件受冲击时的应力和变形分析计算下

4、面以自由落体冲击为例研究冲击问题的一般解决方法(如图13.3所示)。冲击过程中，设重量为W的冲击物一经与弹簧接触就互相附着共同运动。如省略弹簧的质量，只考虑其弹性，可简化成单自由度的运动体系。图13.3图13.4图13.513.2 交 变 应 力13.2.1 交变应力基本概念一、交变应力在机械设备中，许多零件(如泥浆泵主轴、齿轮等)的工作应力都随时间作周期性变化，这种应力称为交变应力。如图13.6所示，火车轮轴的结构及受力，载荷F虽说不随时间变化，但由于轴以角速度旋转，故轴上点C的应力却随时间t作周期性变化，如图13.7所示。图13.6图13.7图13.8当然，还有不对称循环交变应力、静应力等

5、，如图13.9所示。图13.913.2.2 构件在交变应力作用下的失效疲劳失效一、疲劳失效特点(1) 在交变应力下构件破坏时，最大应力不仅低于材料强度极限和屈服极限，甚至低于比例极限。(2) 在交变应力作用下，构件破坏前，总是要经历若干次应力重复；而且即使是塑性很好的材料，在经历若干次应力重复后，也会像脆性材料一样突然断裂，断裂前没有明显的塑性变形。(3) 疲劳破坏的断口存在三个区域：如图13.10所示。疲劳源区在光滑区内有以微裂纹起始点，又称为裂纹源(区域)为中心并逐渐扩展的弧形曲线；疲劳扩展区又称为光滑区(区域)，有明显的纹条，类似被海浪冲击后的海滩，它是由裂纹的传播所形成的；瞬间断口区又

6、称为粗糙区(区域)，它是由瞬间断裂所形成的。图13.10二、疲劳失效原因疲劳失效的原因是裂纹不断地产生和扩展的结果。三、疲劳断裂类型(1) 常温环境的疲劳断裂。(2) 非常温环境的疲劳断裂腐蚀疲劳(锅炉、压力容器)。(3) 磨损疲劳(齿轮、叠板弹簧)。13.2.3 构件的疲劳极限图13.1213.2.4 构件的疲劳强度条件图13.1313.2.5 提高构件疲劳强度的措施疲劳裂纹主要形成于构件表面和应力集中部位。故提高疲劳强度应从以下方面着手：(1) 合理设计构件外形(或减缓应力集中)。设计构件外形时，应当力求采用合理的外形，以减少应力集中的影响。例如，在构件截面变化处，采用圆角过渡，而且圆角的半径应尽可能的大。在机械零件配合处应增大轴的直径，采用圆角过渡，还应尽量避免在构件上开方形或带有尖角的孔和槽，从而降低应力集