強(qiáng)度與剛度設(shè)計(jì)

1、強(qiáng)度與剛度設(shè)計(jì)定義強(qiáng)度：材料或零構(gòu)件抵抗外力而不發(fā)生失效 的能力。定義剛度：材料在受力時(shí)抵抗彈性變形的能力。強(qiáng)度設(shè)計(jì)常規(guī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)現(xiàn)代強(qiáng)度設(shè)計(jì)一、常規(guī)機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論：一、常規(guī)機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)步驟： （1）由理論力學(xué)確定零構(gòu)件所受外力； （2）由材料力學(xué)（有時(shí)采用彈性力學(xué)或塑性力學(xué)）計(jì)算其 內(nèi)力； （3）由機(jī)械原理和機(jī)械零件確定其結(jié)構(gòu)尺寸和形狀； （4）計(jì)算該零構(gòu)件的工作應(yīng)力或安全系數(shù)。一、常規(guī)機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)四個(gè)螺栓的直徑一、常規(guī)機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)1.受力分析一、常規(guī)機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)2.計(jì)算內(nèi)力：由 Q=QP+KCF 及下圖得總拉力Q=3962N一、常規(guī)機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)3.確定尺寸： 根據(jù)許用應(yīng)力和安全系數(shù)

2、可的危險(xiǎn)剖面的直徑d9.054mm 因此，選用M12的螺栓。一、常規(guī)機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)4.校核（1）聯(lián)接結(jié)合面下端的擠壓應(yīng)力 pmax=1.267MPap 聯(lián)接結(jié)合面下端不致壓潰。（2）聯(lián)接結(jié)合面上端的殘余應(yīng)力 pmin=0.114MPa0 即聯(lián)接結(jié)合面上端受壓處不會(huì)產(chǎn)生縫隙一、常規(guī)機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)特點(diǎn)：1.假設(shè)制造機(jī)械零構(gòu)件的材料性能是均勻的、各向同性的、連續(xù)的實(shí)體；2.承受較為簡(jiǎn)單的載荷作用；3.應(yīng)用彈性變形理論。一、常規(guī)機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)存在的問題：1.應(yīng)力的多軸性和變形的彈塑性；2.疲勞破壞的普遍性；3.疲勞與蠕變的交互作用；4.強(qiáng)度中的壽命計(jì)算；5.疲勞強(qiáng)度可靠性；6.局部應(yīng)力應(yīng)變分析；7.斷裂力學(xué)

3、二、現(xiàn)代機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論：1.應(yīng)力應(yīng)變分析方法及線彈性強(qiáng)度理論2.彈塑性強(qiáng)度理論3.含裂紋體的強(qiáng)度理論4.疲勞強(qiáng)度理論1.應(yīng)力應(yīng)變分析方法及線彈性強(qiáng)度理論彈性力學(xué)基本方程一點(diǎn)處的應(yīng)力應(yīng)變主應(yīng)力主平面設(shè)計(jì)計(jì)算方程求解：解析法、有限元法坐標(biāo)變換強(qiáng)度準(zhǔn)則1.應(yīng)力應(yīng)變分析方法及線彈性強(qiáng)度理論特點(diǎn)： 考慮了材料的線彈性變形，即應(yīng)力應(yīng)變是線性關(guān)系，運(yùn)用彈性力學(xué)、形變能理論、最大剪應(yīng)力理論等確定主應(yīng)力和主平面，能較好的解決復(fù)雜應(yīng)力的問題。2.彈塑性強(qiáng)度理論變形分析應(yīng)力狀態(tài)分析（彈性極限狀態(tài)、彈塑性狀態(tài)、塑形極限狀態(tài)）各狀態(tài)的極限載荷2.彈塑性強(qiáng)度理論特點(diǎn)： 基本假設(shè)：除理想彈性這一點(diǎn)外，其余同彈性力學(xué)。即平

4、衡方程、幾何方程均相同 應(yīng)力應(yīng)變之間的關(guān)系是非線性的，其非線性性質(zhì)與具體材料有關(guān)2.彈塑性強(qiáng)度理論特點(diǎn)：3)應(yīng)力與應(yīng)變之間沒有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，它與加載歷史有關(guān)不惟一性；4)在變形體中存在彈性變形區(qū)和塑性變形區(qū)，因而在求解問題時(shí)，需要找出彈性區(qū)和塑性區(qū)的分界線（屈服準(zhǔn)則）；2.彈塑性強(qiáng)度理論特點(diǎn)：5)在分析問題時(shí)，需要區(qū)分是加載過程還是卸載過程。在加載過程中，使用塑性的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系方程；在卸載過程中，使用廣義胡克定律。3.含裂紋體的強(qiáng)度理論確定結(jié)構(gòu)及受力應(yīng)力強(qiáng)度因子K判斷是否處于裂紋的穩(wěn)定擴(kuò)展階段由最大應(yīng)力求出臨界裂紋尺寸a確定Paris公式中的各項(xiàng)系數(shù)求裂紋擴(kuò)展壽命G準(zhǔn)則K準(zhǔn)則Paris公式用

5、于研究裂紋擴(kuò)展速率，作為設(shè)計(jì)選材時(shí)的參考，以及計(jì)算裂紋體的剩余壽命。3.含裂紋體的強(qiáng)度理論應(yīng)力強(qiáng)度因子的特性：1.應(yīng)力強(qiáng)度因子是裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng) 度的度量；2.應(yīng)力強(qiáng)度因子是裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)具 有奇異性的度量；3.應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值是材料本身的固 有屬性。aK4.疲勞強(qiáng)度理論設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：1.無限壽命設(shè)計(jì)：對(duì)疲勞強(qiáng)度要求高。鋼軌、橋梁、車軸等的設(shè)計(jì)。 1應(yīng)力只要不超過應(yīng)力只要不超過 ，則，則N可無限增可無限增大大1有限壽命區(qū)無限壽命區(qū)4.疲勞強(qiáng)度理論設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：2.安全壽命設(shè)計(jì)（有限壽命設(shè)計(jì)）：要求零部件或結(jié)構(gòu)在給定的使用周期內(nèi)不能產(chǎn)生任何疲勞缺陷。常用于飛機(jī)、汽車、壓力容器等的設(shè)計(jì)中。 N

6、1有限壽命區(qū)無限壽命區(qū)4.疲勞強(qiáng)度理論設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：3.破損-安全設(shè)計(jì)：承認(rèn)裂紋可以出現(xiàn)，但在被檢測(cè)和維修之前，不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞。（避免因安全系數(shù)造成重量過大，例如在航空工業(yè)）4.損傷-容限設(shè)計(jì)：假設(shè)裂紋預(yù)先存在，用斷裂力學(xué)方法分析其壽命。是3的進(jìn)一步改進(jìn)。 二、現(xiàn)代機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)步驟：1.根據(jù)常規(guī)設(shè)計(jì)方法，初步確定結(jié)構(gòu)形狀及尺寸；2.應(yīng)用有限元法分析應(yīng)力、應(yīng)變分布；3.用聲、光、電等檢測(cè)手段，確定零構(gòu)件缺陷尺寸和位置；4.對(duì)于無缺陷材料，計(jì)算服役壽命=裂紋形成壽命+裂紋擴(kuò)展壽命；5.對(duì)于有缺陷材料，用斷裂力學(xué)方法計(jì)算裂紋擴(kuò)展壽命。案例分析裝載機(jī)前車架案例分析裝載機(jī)前車架 輪式裝載機(jī)的車架

7、由前車架和后車架組成。前車架是裝載機(jī)的基礎(chǔ)承載構(gòu)件，是車架的主要承載體；后車架為箱形結(jié)構(gòu)，受力較小。因此，這里只計(jì)算前車架的強(qiáng)度及剛度。 前車架是由薄鋼板焊接而成的三維空間結(jié)構(gòu)，形狀較為復(fù)雜，用常規(guī)的力學(xué)方法無法對(duì)其進(jìn)行精確計(jì)算。為此，這里采用現(xiàn)代強(qiáng)度及剛度設(shè)計(jì)方法。該車架采用四板組焊的焊接工藝。車架為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，有一縱向?qū)ΨQ軸。其上作用有掘起力、鏟入力。由結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，可取結(jié)構(gòu)的一半進(jìn)行強(qiáng)度及剛度的計(jì)算與分析。案例分析裝載機(jī)前車架前車架案例分析裝載機(jī)前車架1.受力分析（1）扭轉(zhuǎn)工況：車架上的載荷作用點(diǎn)離對(duì)稱軸有偏 距，相當(dāng)于加以極限扭矩，使車架產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。（2）彎曲工況：最大載荷作用在對(duì)稱軸

8、上，沿鉛垂 方向產(chǎn)生偏載，使車架處于彎曲工況狀態(tài)。（3）彎扭聯(lián)合工況：將彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況組合在 一起即為彎扭工況。車架受載最為嚴(yán)重的工況 是彎曲工況和彎扭聯(lián)合工況，與車架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 及剛度直接有關(guān)的亦主要是這2種工況。在車 架的載荷計(jì)算工況中，車架所受的最大載荷是 最大牽引力，為158kN，最大掘起力為 210.9kN。案例分析裝載機(jī)前車架2.有限元法：對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分案例分析裝載機(jī)前車架3.約束條件 在上述3種載荷計(jì)算工況下，約束部位為車架內(nèi)各鉸孔及車架底部與前橋的聯(lián)接部位，各鉸孔內(nèi)結(jié)點(diǎn)的方向、y方向、方向位移均被限制為零。底部聯(lián)接部位沿縱向（方向）位移及橫向（y方向）位移為零。案例分析裝

9、載機(jī)前車架4.強(qiáng)度計(jì)算 車架鋼板材料為40Cr，屈服極限s340MPa，安全系數(shù)2，許用應(yīng)力170MPa，計(jì)算圖1所示各截面的應(yīng)力大小，計(jì)算結(jié)果見表1。高應(yīng)力區(qū)案例分析裝載機(jī)前車架5.分析 有限元計(jì)算結(jié)果表明，輪式裝載機(jī)車架高應(yīng)力區(qū)在、截面處，即鉸孔處。由于外載荷作用在鉸孔處，且易形成應(yīng)力集中，所以鉸孔處應(yīng)力最高，強(qiáng)度偏低。最大應(yīng)力發(fā)生在截面處，即外側(cè)板上鉸孔處，其值為136.2MPa，但仍低于材料的許用應(yīng)力，可見仍能滿足強(qiáng)度條件。車架其它截面的應(yīng)力值較小，因而比較安全。 因此，做改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)可考慮將外側(cè)板鉸孔適當(dāng)加強(qiáng)，加強(qiáng)措施包括增加相應(yīng)的板厚或在鉸孔處設(shè)置加強(qiáng)筋等。同時(shí)，其它部位應(yīng)力較低，可以考慮采取適當(dāng)措施（如減薄板的厚度），達(dá)到節(jié)省材料、減輕重量的目的。三、提高強(qiáng)度的措施1.采用合理的截面形狀三、提高強(qiáng)度的措施2.載荷分流：對(duì)于承受較大載荷的零件，可通過將部分載荷分流到其他零件的方法降低關(guān)鍵零件的危險(xiǎn)程度。三、提高強(qiáng)度的措施3.載荷均布三、提高強(qiáng)度的措施4.改善軸承支撐結(jié)構(gòu)三、提高強(qiáng)度的措施5.充分發(fā)揮材料 特性三、提高強(qiáng)度的措施6.合理強(qiáng)化雙層套裝結(jié)