17第17章動(dòng)載荷簡(jiǎn)介

1、 第一節(jié)第一節(jié) 動(dòng)載荷動(dòng)載荷 第二節(jié)第二節(jié) 交變應(yīng)力與疲勞破壞交變應(yīng)力與疲勞破壞 第三節(jié)第三節(jié) 持久極限持久極限第十七章第十七章 動(dòng)載荷簡(jiǎn)介動(dòng)載荷簡(jiǎn)介v本章研究構(gòu)件在載荷作用下其內(nèi)部的內(nèi)力和應(yīng)力隨本章研究構(gòu)件在載荷作用下其內(nèi)部的內(nèi)力和應(yīng)力隨時(shí)間不斷變化的情況。學(xué)習(xí)時(shí)要了解動(dòng)載荷的概念，時(shí)間不斷變化的情況。學(xué)習(xí)時(shí)要了解動(dòng)載荷的概念，能夠計(jì)算慣性力存在時(shí)的動(dòng)力系數(shù)并進(jìn)行強(qiáng)度校核，能夠計(jì)算慣性力存在時(shí)的動(dòng)力系數(shù)并進(jìn)行強(qiáng)度校核，同時(shí)明確有關(guān)交變應(yīng)力、疲勞破壞與持久極限的知同時(shí)明確有關(guān)交變應(yīng)力、疲勞破壞與持久極限的知識(shí)。識(shí)。教學(xué)目的和要求教學(xué)目的和要求v動(dòng)載荷的概念及動(dòng)載荷條件下的強(qiáng)度計(jì)算；動(dòng)載荷的概念

2、及動(dòng)載荷條件下的強(qiáng)度計(jì)算；v疲勞破壞；疲勞破壞；v持久極限。持久極限。教學(xué)重點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)v動(dòng)載荷條件下的強(qiáng)度計(jì)算；動(dòng)載荷條件下的強(qiáng)度計(jì)算；v疲勞破壞的成因及其特點(diǎn)。疲勞破壞的成因及其特點(diǎn)。教學(xué)難點(diǎn)教學(xué)難點(diǎn)第一節(jié)第一節(jié) 動(dòng)載荷動(dòng)載荷 載荷不隨時(shí)間變化（或變化極其平穩(wěn)緩慢）且使構(gòu)件各部載荷不隨時(shí)間變化（或變化極其平穩(wěn)緩慢）且使構(gòu)件各部件加速度保持為零（或可忽略不計(jì)），此類載荷為件加速度保持為零（或可忽略不計(jì)），此類載荷為靜載荷靜載荷。用用Nj表示，與之相應(yīng)的應(yīng)力稱為表示，與之相應(yīng)的應(yīng)力稱為靜應(yīng)力靜應(yīng)力，用，用j表示。表示。 載荷隨時(shí)間急劇變化且使構(gòu)件的速度有顯著變化（系統(tǒng)載荷隨時(shí)間急劇變化且使構(gòu)件的

3、速度有顯著變化（系統(tǒng)產(chǎn)生慣性力），此類載荷為產(chǎn)生慣性力），此類載荷為動(dòng)載荷動(dòng)載荷。用用Nd表示，與之相應(yīng)的表示，與之相應(yīng)的應(yīng)力稱為應(yīng)力稱為動(dòng)應(yīng)力動(dòng)應(yīng)力，用，用d表示。表示。如圖所示的起重吊車，其吊索吊著重物以等加速度如圖所示的起重吊車，其吊索吊著重物以等加速度a向上向上運(yùn)動(dòng)。若吊索的截面面積為運(yùn)動(dòng)。若吊索的截面面積為A，單位體積重量為，單位體積重量為 ，物體物體的重量為的重量為Q。求繩索在距下端。求繩索在距下端x處的截面上的軸力。處的截面上的軸力。NdxQaQQ + AxgaAx取脫離體受力分析取脫離體受力分析軸力軸力物體重力物體重力繩索自重繩索自重慣性力慣性力dNQAxQAxag0 x ()

4、 1dQAxaNQAxaQAxgg由由令靜荷載在吊索距下端令靜荷載在吊索距下端x處截面上引起的內(nèi)力處截面上引起的內(nèi)力 ()jQAxN1djaNNg1ag 動(dòng)力系數(shù)動(dòng)力系數(shù)djNNmaxmax j強(qiáng)度條件強(qiáng)度條件則則例例17-1 一滑輪起吊裝置如圖所示，已知被提升的物體重量一滑輪起吊裝置如圖所示，已知被提升的物體重量Q=40kN，上升時(shí)的最大加速度，上升時(shí)的最大加速度a=5m/s2，繩索的許用拉應(yīng)力，繩索的許用拉應(yīng)力=90MPa。繩索本身的質(zhì)量忽略不計(jì)。試確定繩索的橫截面。繩索本身的質(zhì)量忽略不計(jì)。試確定繩索的橫截面面積面積A。 Q = 40kNa（a）Q = 40kN（b）Nj= 40kNQ =

5、 40kNa（a）Q = 40kN（b）Nj= 40kN解解 （1）確定動(dòng)內(nèi)力。 40kjNN5111.519.8ag 動(dòng)力系數(shù)動(dòng)力系數(shù)1.51 4060.4kdjNNN（2）確定繩索的橫截面面積）確定繩索的橫截面面積A。由強(qiáng)度條件式有由強(qiáng)度條件式有 ddNA故繩索的橫截面面積為故繩索的橫截面面積為 在計(jì)算動(dòng)力問題時(shí)，需要注意的是對(duì)不同類型的動(dòng)力問在計(jì)算動(dòng)力問題時(shí)，需要注意的是對(duì)不同類型的動(dòng)力問題，其動(dòng)力系數(shù)題，其動(dòng)力系數(shù)是不同的是不同的。23610671. 0109060400mA交變應(yīng)力交變應(yīng)力構(gòu)件內(nèi)一點(diǎn)處的應(yīng)力隨時(shí)間作周期性變化，這種應(yīng)力稱為交構(gòu)件內(nèi)一點(diǎn)處的應(yīng)力隨時(shí)間作周期性變化，這種應(yīng)

6、力稱為交變應(yīng)力。變應(yīng)力。第二節(jié)第二節(jié) 交變應(yīng)力與疲勞破壞交變應(yīng)力與疲勞破壞一、交變應(yīng)力和疲勞破壞的概念一、交變應(yīng)力和疲勞破壞的概念折鐵絲折鐵絲PPPP疲勞破壞疲勞破壞金屬材料若長期處于交變應(yīng)力金屬材料若長期處于交變應(yīng)力下，在最大工作應(yīng)力下，在最大工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于材遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度料的屈服強(qiáng)度，且不產(chǎn)生明顯，且不產(chǎn)生明顯的塑性變形的情況下，也有可的塑性變形的情況下，也有可能發(fā)生突然的斷裂。這種破壞，能發(fā)生突然的斷裂。這種破壞，習(xí)慣上稱為疲勞破壞。習(xí)慣上稱為疲勞破壞。 二、交變應(yīng)力作用下疲勞破壞的特點(diǎn)二、交變應(yīng)力作用下疲勞破壞的特點(diǎn)（1）構(gòu)件破壞時(shí)的最大工作應(yīng)力值往往）構(gòu)件破壞時(shí)的最大工作應(yīng)力值

7、往往遠(yuǎn)低于材料在靜荷遠(yuǎn)低于材料在靜荷載載作用下的極限應(yīng)力。作用下的極限應(yīng)力。（2）構(gòu)件在交變應(yīng)力作用下發(fā)生破壞需要經(jīng)歷一定數(shù)量的）構(gòu)件在交變應(yīng)力作用下發(fā)生破壞需要經(jīng)歷一定數(shù)量的應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力循環(huán)。（3）構(gòu)件材料即使是韌性材料，疲勞破壞也是在沒有明顯）構(gòu)件材料即使是韌性材料，疲勞破壞也是在沒有明顯塑性變形的情況下突然發(fā)生的，在破壞前也沒有明顯的塑塑性變形的情況下突然發(fā)生的，在破壞前也沒有明顯的塑性變形預(yù)兆，呈現(xiàn)出的性變形預(yù)兆，呈現(xiàn)出的脆性破壞脆性破壞的特征。的特征。（4）金屬材料的疲勞斷裂斷口上，有明顯的）金屬材料的疲勞斷裂斷口上，有明顯的光滑區(qū)域與顆光滑區(qū)域與顆粒區(qū)域粒區(qū)域。 (1) 疲勞裂紋的

8、形成。(2) 疲勞裂紋的擴(kuò)展。三、引起疲勞破壞的原因三、引起疲勞破壞的原因 構(gòu)件中的最大工作應(yīng)力達(dá)到一構(gòu)件中的最大工作應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)后，定值時(shí)，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)后，在高應(yīng)力區(qū)形成微觀裂紋即在高應(yīng)力區(qū)形成微觀裂紋即裂紋源裂紋源。 由于裂紋的尖端有高度的應(yīng)力集中，在交變應(yīng)力作用下，由于裂紋的尖端有高度的應(yīng)力集中，在交變應(yīng)力作用下，微觀裂紋逐漸發(fā)展成宏觀裂紋，并不斷擴(kuò)展。裂紋兩側(cè)的材料微觀裂紋逐漸發(fā)展成宏觀裂紋，并不斷擴(kuò)展。裂紋兩側(cè)的材料時(shí)而張開時(shí)而張開, ,時(shí)而壓緊，形成時(shí)而壓緊，形成光滑區(qū)光滑區(qū)。 疲勞裂紋不斷擴(kuò)展，有效面積逐漸減小，當(dāng)裂紋長度達(dá)到疲勞裂紋不斷擴(kuò)展，有效面

9、積逐漸減小，當(dāng)裂紋長度達(dá)到臨界尺寸時(shí)，由于裂紋尖端處于三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)，裂紋以極臨界尺寸時(shí)，由于裂紋尖端處于三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)，裂紋以極快的速度擴(kuò)展從而發(fā)生突然的脆性斷裂，形成快的速度擴(kuò)展從而發(fā)生突然的脆性斷裂，形成粗糙區(qū)粗糙區(qū)。（3）脆性斷裂。）脆性斷裂。應(yīng)力重復(fù)變化一次的過程，應(yīng)力重復(fù)變化一次的過程，稱為一個(gè)稱為一個(gè)應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力循環(huán)。應(yīng)力。應(yīng)力重復(fù)變化的次數(shù)重復(fù)變化的次數(shù) ，稱為，稱為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。2minmaxa2minmaxm平均應(yīng)力平均應(yīng)力應(yīng)力幅應(yīng)力幅第三節(jié)第三節(jié) 持久極限持久極限一、疲勞試驗(yàn)一、疲勞試驗(yàn)幾個(gè)概念幾個(gè)概念（1）持久極限持久極限。標(biāo)準(zhǔn)試件經(jīng)過無窮多次應(yīng)力循環(huán)而

10、不發(fā)。標(biāo)準(zhǔn)試件經(jīng)過無窮多次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生破壞時(shí)的最大應(yīng)力值，稱為該材料的持久極限。生破壞時(shí)的最大應(yīng)力值，稱為該材料的持久極限。持久極持久極限也稱疲勞極限限也稱疲勞極限。（2）條件持久極限條件持久極限。規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)試件在一定循環(huán)次數(shù)下不。規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)試件在一定循環(huán)次數(shù)下不破壞時(shí)的最大應(yīng)力，稱為條件持久極限（或破壞時(shí)的最大應(yīng)力，稱為條件持久極限（或名義持久極名義持久極限限）。）。（3）應(yīng)力壽命曲線應(yīng)力壽命曲線。表示一定循環(huán)特征下標(biāo)準(zhǔn)試件的疲。表示一定循環(huán)特征下標(biāo)準(zhǔn)試件的疲勞強(qiáng)度與疲勞壽命之間關(guān)系的曲線，稱應(yīng)力壽命曲線，也勞強(qiáng)度與疲勞壽命之間關(guān)系的曲線，稱應(yīng)力壽命曲線，也稱稱-N曲線曲線。-N曲線曲線疲勞

11、實(shí)驗(yàn)裝置疲勞實(shí)驗(yàn)裝置1）構(gòu)件外形的影響）構(gòu)件外形的影響 構(gòu)件外形的突變處（槽、孔、缺口、裂紋等）會(huì)引起構(gòu)件外形的突變處（槽、孔、缺口、裂紋等）會(huì)引起應(yīng)力集中應(yīng)力集中現(xiàn)象，現(xiàn)象，在應(yīng)力集中區(qū)域極易引發(fā)疲勞裂紋，會(huì)使構(gòu)件的持久極限顯著降低。在應(yīng)力集中區(qū)域極易引發(fā)疲勞裂紋，會(huì)使構(gòu)件的持久極限顯著降低。 2）構(gòu)件尺寸的影響）構(gòu)件尺寸的影響 尺寸越大，持久極限越低尺寸越大，持久極限越低。大試件中處于高應(yīng)力狀態(tài)的晶粒比小試。大試件中處于高應(yīng)力狀態(tài)的晶粒比小試件的多，故引發(fā)疲勞裂紋的機(jī)會(huì)也多，從而降低了構(gòu)件的持久極限。件的多，故引發(fā)疲勞裂紋的機(jī)會(huì)也多，從而降低了構(gòu)件的持久極限。 3）構(gòu)件表面質(zhì)量的影響）構(gòu)件

12、表面質(zhì)量的影響構(gòu)件表面的加工缺陷（如劃痕、擦傷等）將引起應(yīng)力集中，而構(gòu)件表面的加工缺陷（如劃痕、擦傷等）將引起應(yīng)力集中，而最大應(yīng)力最大應(yīng)力又常發(fā)生在表層，疲勞裂紋也多生成于表層又常發(fā)生在表層，疲勞裂紋也多生成于表層，降低了構(gòu)件的持久極限。，降低了構(gòu)件的持久極限。 （1）減緩構(gòu)件應(yīng)力集中現(xiàn)象。減緩構(gòu)件應(yīng)力集中現(xiàn)象。盡量避免在構(gòu)件上設(shè)計(jì)有盡量避免在構(gòu)件上設(shè)計(jì)有方形或帶有尖角的孔和槽；在截面突變處采用足夠大的過方形或帶有尖角的孔和槽；在截面突變處采用足夠大的過渡圓角，使截面緩慢變化。設(shè)置減荷槽或退刀槽等。渡圓角，使截面緩慢變化。設(shè)置減荷槽或退刀槽等。（2）降低構(gòu)件表面粗糙度。降低構(gòu)件表面粗糙度。加工

13、時(shí)盡量避免使構(gòu)件表面加工時(shí)盡量避免使構(gòu)件表面受到機(jī)械損傷或化學(xué)損傷（如腐蝕等），出現(xiàn)劃痕或凹坑。受到機(jī)械損傷或化學(xué)損傷（如腐蝕等），出現(xiàn)劃痕或凹坑。（3）增加構(gòu)件表層的強(qiáng)度。增加構(gòu)件表層的強(qiáng)度?？刹捎脽崽幚?、滲碳、氮化可采用熱處理、滲碳、氮化等機(jī)械和化學(xué)處理方法來強(qiáng)化表層，使表層強(qiáng)度提高，以等機(jī)械和化學(xué)處理方法來強(qiáng)化表層，使表層強(qiáng)度提高，以提高構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度。提高構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度。本章小結(jié)v1.構(gòu)件在作等加速度直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)載荷系數(shù)為構(gòu)件在作等加速度直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)載荷系數(shù)為 構(gòu)件在動(dòng)載荷作用下的強(qiáng)度條件為構(gòu)件在動(dòng)載荷作用下的強(qiáng)度條件為v2.隨時(shí)間作交替變化的應(yīng)力，稱為交變應(yīng)力。隨時(shí)間作交替變化的應(yīng)力，稱為交變應(yīng)力。 金屬材料若長期處于交變應(yīng)力下，在最大工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于材金屬材料若長期處于交變應(yīng)力下，在最大工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度，且不產(chǎn)生明顯的塑性變形的情況下，也有可料的屈服強(qiáng)度，且不產(chǎn)生明顯的塑性變形的情況下，也有可能發(fā)生突然的斷裂。這種破壞，習(xí)慣上稱為疲勞破壞。能發(fā)生突然的斷裂。這種破壞，習(xí)慣上稱為疲勞破壞。 1ag maxmax j本章小