《交变应力》课件

交变应力交变应力是指在结构或材料上重复变化的应力。它会导致疲劳，并最终导致材料断裂。课程导言课程介绍本课程主要讲解交变应力，并分析其对材料的影响。学习目标深入了解交变应力的概念，掌握应力分析方法。课程内容涵盖交变应力的定义、来源、影响因素、危害及应力分析方法。学习方式通过课堂讲解、案例分析、实验操作和课后习题等方式学习。什么是应力力的作用当外力作用于物体上时，物体内部会产生抵抗外力的作用力，这种抵抗外力的作用力就是应力。单位面积上的力应力通常用单位面积上的力来表示，即帕斯卡（Pa）。内力与外力应力是物体内部产生的内力，而外力是指作用于物体表面的力。应力的分类正应力垂直作用于物体截面的应力。比如拉伸、压缩应力。切应力平行作用于物体截面的应力。比如扭转、剪切应力。复合应力同时包含正应力和切应力的应力。比如弯曲应力。静态应力和动态应力静态应力静态应力是指大小和方向保持不变的应力。静态应力通常由恒定的载荷引起，例如重物或结构自身的重量。动态应力动态应力是指大小和方向随时间变化的应力。动态应力通常由周期性的载荷引起，例如机器的振动或冲击力。交变应力的定义交变应力是指在时间上发生周期性变化的应力。这种应力通常由振动、冲击或旋转等因素引起，导致材料反复承受拉伸和压缩。交变应力的大小和方向可能随着时间而变化，但其周期性特征是其主要特点。交变应力的特点重复性和周期性交变应力在一定时间内重复出现，且具有明显的周期性特征。幅值和频率交变应力具有幅值和频率，这两个参数决定了应力变化的程度和速度。应力集中交变应力在零件的几何形状突变处更容易产生应力集中，导致材料失效。交变应力的作用促进材料性能提升交变应力可以促使材料内部结构发生改变，从而提高材料的强度、韧性和耐疲劳性能。改善材料表面性质交变应力可以使材料表面形成致密的氧化层或涂层，提高材料的耐腐蚀性和耐磨性。改变材料形状交变应力可以使材料发生塑性变形，从而改变材料的形状和尺寸，满足特定的应用需求。控制材料的微观结构交变应力可以影响材料的晶粒尺寸、晶界结构和相变过程，从而控制材料的微观结构。交变应力的来源旋转机械发动机、涡轮机、泵等旋转机械在运转过程中会产生周期性的应力变化，形成交变应力。冲击载荷锤击、碰撞、爆炸等冲击载荷也会导致材料产生交变应力。振动机械设备的振动会导致部件产生周期性的应力变化，形成交变应力。环境因素风力、温度变化、潮汐等环境因素也会导致结构产生交变应力。交变应力的危害疲劳失效交变应力会导致材料疲劳，最终导致零件断裂，这是交变应力最常见的危害。疲劳失效通常发生在材料内部，难以预测，也难以预防，给生产安全带来重大隐患。应力集中交变应力会加速应力集中区域的疲劳损伤，使得这些区域更容易发生失效。应力集中通常出现在零件的几何形状变化处，例如孔洞、尖角和缺口等，需要注意这些区域的应力变化。疲劳失效和应力集中疲劳失效交变应力会造成材料内部微观裂纹的产生和扩展，最终导致构件断裂。应力集中在结构的几何突变处，例如孔洞、凹槽或缺口，应力会显著增加，从而加速疲劳失效。影响交变应力的因素1材料强度材料强度是指材料抵抗变形和断裂的能力，强度越高，抗交变应力能力越强。2内应力内应力是指材料内部存在的应力，它会影响材料的抗交变应力能力，内应力越大，抗交变应力能力越弱。3表面处理表面处理可以改变材料的表面性质，从而影响材料的抗交变应力能力，例如，表面硬化可以提高材料的抗交变应力能力。4环境温度温度会影响材料的强度和韧性，高温会降低材料的抗交变应力能力，低温会提高材料的抗交变应力能力。材料强度和内应力材料强度材料强度是指材料抵抗外力破坏的能力。材料强度越高，抵抗变形和断裂的能力越强。材料的强度通常用抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等指标来衡量。内应力内应力是材料内部存在的应力，它是由材料内部的结构变化或外力的作用引起的。内应力可以分为残余应力和工作应力两种。表面处理对交变应力的影响表面处理可改变材料的表面结构和性质，如提高硬度和耐腐蚀性。表面处理可以引入残余应力，改变应力分布，降低应力集中，提高抗疲劳性能。例如镀层、喷涂等，可以形成保护层，减缓腐蚀和磨损，提高材料的抗疲劳寿命。零件设计与交变应力结构优化零件设计应考虑材料强度和应力分布，优化结构以减少应力集中。形状设计采用圆角、过渡等形状，避免尖角和突变，减少应力集中。材料选择根据交变应力大小选择合适的材料，高强度材料能够承受更大的应力。尺寸控制合理控制零件尺寸，避免过大或过小，保证足够的强度和刚度。应力集中的控制圆角设计圆角设计可以有效地减小应力集中，提高零件的疲劳强度。过渡设计在形状突变处设计过渡区域，可以使应力分布更加均匀，降低应力集中程度。孔洞设计在设计孔洞时，应尽可能避免形状尖锐，并使用圆角或椭圆形设计，可以有效地减小应力集中。表面处理表面处理可以改善零件的表面光洁度，提高表面强度，减缓疲劳裂纹的扩展。应力分析的方法理论分析法利用材料力学、弹性力学等理论进行计算，得出应力分布和大小。实验测试法通过应力测试仪器，测量实际零件或结构的应力，获取实际数据。数值模拟法利用有限元分析、边界元分析等数值方法，建立模型进行模拟计算，预测应力分布。有限元分析技术有限元分析是一种数值模拟方法，将复杂结构离散成有限个单元，每个单元由节点连接。通过建立单元节点上的应力和位移方程，进行数值计算，得到结构的应力、应变和位移等信息。该方法适用于复杂几何形状和材料非线性情况，广泛应用于工程设计和分析。应力测试的仪器和方法1应变仪应变仪是测试应力的基本工具，通过测量材料的变形来计算应力，有电阻式应变仪和光学应变仪。2压力传感器压力传感器可以直接测量施加在物体上的压力，通常用于测量液压或气压系统中的应力。3光弹性测试光弹性测试是一种光学方法，通过观察光线通过透明材料时的偏振变化来测量应力分布。4有限元分析软件有限元分析软件可用于模拟复杂结构的应力分布，提供精确的应力测试结果。应力测试数据的处理1数据收集应力测试数据由仪器记录，包括应力值、时间、位置等。2数据清洗去除异常值，并进行必要的校正和转换，确保数据的准确性和一致性。3数据分析使用统计方法和软件工具，对数据进行分析，提取关键信息，并进行可视化展示。疲劳强度试验1试验目的确定材料的疲劳寿命2试验方法对试件施加交变载荷3试验结果绘制S-N曲线疲劳强度试验是评估材料在反复载荷下抵抗断裂的能力的关键。它通过模拟实际应用中的交变应力环境，以确定材料的疲劳寿命，即材料在断裂之前能够承受的载荷循环次数。在试验中，通过对试件施加交变载荷，并记录其断裂时的循环次数，可以绘制出S-N曲线，即应力幅值与疲劳寿命之间的关系曲线。该曲线可以为材料的疲劳设计提供重要的参考依据。平面应力状态分析二维应力状态平面应力状态是指物体内部的应力仅分布在两个相互垂直的平面上，而垂直于这两个平面的方向上的应力为零。应用场景平面应力状态广泛应用于薄板、薄壁构件和某些三维结构的分析，例如飞机机翼、薄壁容器等。主应力及其方向定义主应力是指物体内部某一点上所有应力分量中最大的那个，它代表了该点上应力的大小和方向。方向主应力的方向与最大应力分量方向一致，也就是说，主应力方向是物体内部应力最大的方向。重要性主应力的概念在材料强度分析和结构设计中非常重要，它可以帮助我们更好地理解物体内部的应力状态，并预测结构的破坏风险。剪应力和正应力剪应力剪应力是指作用在物体表面上且与该表面平行的一种应力。正应力正应力是指作用在物体表面上且垂直于该表面的一种应力。莫尔应力圆莫尔应力圆是一种图形工具，用于可视化和分析平面应力状态。它将平面应力状态的两个正应力和剪应力表示为一个圆，圆的直径等于两个主应力的差值，圆心位于两个主应力的平均值处。通过莫尔应力圆，可以直观地确定主应力、主应力方向、最大剪应力以及其他相关参数。应力状态的判别11.应力状态类型根据应力分量的不同，可以判断应力状态是单向应力状态、双向应力状态或三向应力状态。22.应力方向应力方向是指应力作用的方向，可以根据应力分量的正负号判断应力是拉应力还是压应力。33.应力大小应力大小是指应力分量的数值，可以根据应力分量的数值大小判断应力的强度。44.应力集中应力集中是指在物体形状突变处或孔洞附近应力值明显增大的现象，可以通过应力分析软件或实验方法进行判断。薄壁构件的应力分析1简化模型假设薄壁构件为薄壳结构，忽略厚度影响。2膜应力理论仅考虑薄壁构件的表面应力，忽略弯曲应力。3应力分布计算薄壁构件在不同载荷下的应力分布情况。4强度校核根据计算结果，评估薄壁构件的强度是否满足设计要求。薄壁构件是指厚度远小于其他尺寸的构件。薄壁构件的应力分析需要考虑其特殊的几何形状和材料特性。厚壁构件的应力分析1应力梯度厚壁构件内部存在明显的应力梯度，靠近内壁的应力较大，靠近外壁的应力较小。2非线性分析由于应力梯度和材料特性，厚壁构件的应力分析通常需要采用非线性有限元方法进行计算。3应力集中厚壁构件的几何形状和加工工艺可能会导致应力集中，需要进行应力集中分析以确保安全。焊接结构的应力分析1应力集中焊缝处应力集中严重2残余应力焊接过程产生的内应力3温度梯度焊接过程温度变化剧烈4材料性能焊接材料和