工程力学-第二十章

第二十章动载荷与交变应力CONTNET01动载荷02交变应力01动载荷20.2.1交变应力的概述某些构件（如泥浆泵主轴、齿轮等）工作时承受的载荷常随着时间作周期性改变，相应地构件内所产生的应力也作周期性变化，这种应力称为交变应力。1．交变应力的概念20.2.1交变应力的概述构件内产生交变应力的原因可分两种：一是构件受交变载荷的作用；另一种是载荷不变，由于构件本身转动引起构件内部应力发生交替变化。如图所示火车轮轴即属于后一种情况。当轮轴旋转一周，轮轴横截面边缘上C点的位置将按1-2-3-4-1变化，同时C点的应力也经历了从σmax-0-σmin-0-σmax的变化，这种应力每重复变化一次的过程，称为一个应力循环。2．产生交变应力的原因20.2.1交变应力的概述3．交变应力涉及的一些概念20.2.1交变应力的概述4．交变应力的分类20.2.1交变应力的概述20.2.2疲劳失效1．疲劳失效的特点构件在交变应力作用下的破坏形式与静载荷时完全不同，其主要特点是：破坏时，构件内的最大应力远低于材料的强度极限，甚至低于屈服极限。不论是塑性材料还是脆性材料，均呈脆性断裂，破坏前无明显塑性变形。破坏断口表面一般可明显区分成光滑区和晶粒状的粗糙区。20.2.2疲劳失效2．疲劳失效的原因通常认为，产生疲劳破坏的原因有：由于疲劳破坏是在构件没有明显的塑性变形时突然发生的，因此常会产生严重的后果。当交变应力的大小超过一定限度时，经过多次应力循环，在构件中的应力最大处和材料缺陷处产生了微裂纹。随着应力循环次数增加，微裂纹逐渐扩大，裂纹两边的材料时合时分，不断挤压形成断口的光滑区。经过长期运转，裂纹不断扩展，有效面积逐渐缩小，当截面削弱到一定程度时，构件突然断裂，形成断口的粗糙区。20.2.3疲劳极限与疲劳强度计算1．疲劳失效的特点（1）影响材料疲劳极限的因素试验表明，材料是否产生疲劳破坏，不仅与最大应力σmax有关，还与循环特征r以及循环次数N有关。在一定的循环特征下，σmax越大，断裂所经受的循环次数N越少，反之亦然。当σmax降到某一临界值时，材料经受无数次应力循环而仍不发生疲劳破坏，该临界值称为材料在该应力循环特征下的疲劳极限，用σr表示，其中下标r表示其循环特征。试验还表明，在各种应力循环特征下的疲劳极限中，对称循环的疲劳极限σ-1最小。20.2.3疲劳极限与疲劳强度计算如图所示疲劳曲线可以看出，试件断裂前所经受的循环次数随着应力的减小而增加，当应力降到一定数值时，曲线接近水平直线。大量试验结果表明，钢材的疲劳极限和静载荷下的强度极限之间存在以下近似关系：弯曲：σ－1≈0.4σb拉伸：σ－1≈0.28σb扭转：τ1≈0.22τb20.2.3疲劳极限与疲劳强度计算2．构件的疲劳极限疲劳试验机上采用的试件是标准试件，因此得到的试验结果是材料本身的疲劳极限。实际构件的疲劳极限还受构件上应力的变化情况、构件形状尺寸以及构件表面加工质量等因素的影响。因此，材料的疲劳极限不能直接用于构件的疲劳强度计算。综合考虑这些因素后，实际构件在对称循环下的疲劳极限为20.2.3疲劳极限与疲劳强度计算3．构件的疲劳强度条件20.2.3疲劳极限与疲劳强度计算例20-3求如图所示交变应力的平均应力σm、应力幅σa和循环特性r。03本章小结1．动载荷的概念本章总结本章总结2．交变应力（1）交变应力的概念交变应力：构件承受的随着时间作周期性改变的应力。循环特性：交变应力的变化规律用循环特性r来表示，它是交变应力中最大应力和最小应力的比值。（2