2.1機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)

1、6 機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)5/28/2021強(qiáng)度與失效強(qiáng)度與失效l失效：產(chǎn)品不能完成預(yù)定功能失效：產(chǎn)品不能完成預(yù)定功能l強(qiáng)度：抵抗失效的能力強(qiáng)度：抵抗失效的能力l承載承載l變形變形l振動振動l摩擦摩擦l腐蝕腐蝕l5 機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)l5.1 常規(guī)機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)常規(guī)機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)l5.2 抗疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)抗疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)l5.3 損傷容限設(shè)計(jì)損傷容限設(shè)計(jì)5.1 常規(guī)機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)常規(guī)機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)l5.1.1 機(jī)械強(qiáng)度的安全性判據(jù)機(jī)械強(qiáng)度的安全性判據(jù)l5.1.2影響安全系數(shù)的因素影響安全系數(shù)的因素l5.1.3 安全系數(shù)計(jì)算安全系數(shù)計(jì)算5.1.1 機(jī)械強(qiáng)度的安全性判據(jù)機(jī)械強(qiáng)度的安全性判據(jù) nn 應(yīng)力

2、應(yīng)力計(jì)算、實(shí)測計(jì)算、實(shí)測許用應(yīng)力許用應(yīng)力由材料、結(jié)構(gòu)及工況由材料、結(jié)構(gòu)及工況規(guī)定規(guī)定 nlim工作安全系數(shù)工作安全系數(shù)計(jì)算計(jì)算許用安全系數(shù)許用安全系數(shù)根據(jù)工況等規(guī)根據(jù)工況等規(guī)定定limn5.1.2 影響安全系數(shù)的因素影響安全系數(shù)的因素n零部件重要程度的影響：零部件重要程度的影響：K1n載荷及應(yīng)力計(jì)算的準(zhǔn)確程度的影響：載荷及應(yīng)力計(jì)算的準(zhǔn)確程度的影響：K2n不同失效形式的影響：不同失效形式的影響：K3n應(yīng)力集中的影響：應(yīng)力集中的影響：K4n截面尺寸的影響：截面尺寸的影響：K5n表面加工狀態(tài)的影響：表面加工狀態(tài)的影響：K6n檢驗(yàn)質(zhì)量的影響：檢驗(yàn)質(zhì)量的影響：K7零部件重要程度系數(shù)：零部件重要程度系數(shù)：

3、K1應(yīng)力計(jì)算的準(zhǔn)確度系數(shù)：應(yīng)力計(jì)算的準(zhǔn)確度系數(shù)：K2l計(jì)算公式準(zhǔn)確，所有作用力及應(yīng)力已知時，取計(jì)算公式準(zhǔn)確，所有作用力及應(yīng)力已知時，取K2=1.0；l計(jì)算公式或圖表，使計(jì)算所得應(yīng)力較實(shí)際應(yīng)力高時，計(jì)算公式或圖表，使計(jì)算所得應(yīng)力較實(shí)際應(yīng)力高時，取取K2=1.0；l計(jì)算應(yīng)力較實(shí)際應(yīng)力低，根據(jù)兩者之差異，可選取計(jì)算應(yīng)力較實(shí)際應(yīng)力低，根據(jù)兩者之差異，可選取K2=1.051.65；失效形式影響系數(shù)：失效形式影響系數(shù)：K3l規(guī)定拉伸失效為理想失效，該失效形式下的規(guī)定拉伸失效為理想失效，該失效形式下的強(qiáng)度極限為拉伸強(qiáng)度極限，強(qiáng)度極限為拉伸強(qiáng)度極限， K3=1.0；則在其；則在其它失效形式下，它失效形式下，

4、K3值分別為：值分別為：屈服強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度3K所考慮的強(qiáng)度極限抗拉強(qiáng)度3K疲勞強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度3K塑性材料塑性材料脆性材料脆性材料疲勞破環(huán)疲勞破環(huán)安全系數(shù)影響因素安全系數(shù)影響因素K4、 K5、 K6、 K7lK4：應(yīng)力集中系數(shù)：應(yīng)力集中系數(shù)l K4 =max/ nlK5：截面尺寸增大系數(shù)：截面尺寸增大系數(shù)l K5 =1/lK6：表面加工狀況系數(shù)：表面加工狀況系數(shù)l K6 =1/lK7：檢驗(yàn)質(zhì)量系數(shù)：檢驗(yàn)質(zhì)量系數(shù),抽檢抽檢1.15-1.30, 逐個檢驗(yàn)逐個檢驗(yàn) l 1.05-1.155.1.3 安全系數(shù)計(jì)算安全系數(shù)計(jì)算l靜應(yīng)力下安全系數(shù)靜應(yīng)力下安全系數(shù) bbn ssn塑性材料塑性材料脆性材料脆性材料

5、7654321KKKKKKKnb5.1.3 安全系數(shù)計(jì)算安全系數(shù)計(jì)算l變應(yīng)力下安全系數(shù)變應(yīng)力下安全系數(shù)交變應(yīng)力交變應(yīng)力等應(yīng)力幅等應(yīng)力幅變應(yīng)力幅變應(yīng)力幅復(fù)合應(yīng)力復(fù)合應(yīng)力對稱循環(huán)對稱循環(huán)非對稱循環(huán)非對稱循環(huán)正應(yīng)力正應(yīng)力剪應(yīng)力剪應(yīng)力等應(yīng)力幅的安全系數(shù)對稱循環(huán)aaeKn11 nn 強(qiáng)度判據(jù)強(qiáng)度判據(jù)疲勞極限有效疲勞極限有效值值11Ke工作應(yīng)力工作應(yīng)力幅幅等應(yīng)力幅的安全系數(shù)不對稱循環(huán)maaKn1不對稱系數(shù)不對稱系數(shù)由下式求得由下式求得1201a變應(yīng)力幅的安全系數(shù)ddeKn11等幅當(dāng)量應(yīng)力等幅當(dāng)量應(yīng)力按按Miner準(zhǔn)則和準(zhǔn)則和S-N曲線求得曲線求得maxmax0iimimdNnNN彎扭同時作用下的安全系數(shù)2

6、2111nnn5.2 抗疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)抗疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)l5.2.1 疲勞破環(huán)及疲勞過程疲勞破環(huán)及疲勞過程l5.2.2 金屬材料的疲勞特性金屬材料的疲勞特性l5.2.3 影響疲勞強(qiáng)度的因素影響疲勞強(qiáng)度的因素l5.2.4 疲勞壽命設(shè)計(jì)疲勞壽命設(shè)計(jì)5.2.1 疲勞破環(huán)及疲勞過程疲勞破環(huán)及疲勞過程l定義：材料或零構(gòu)件在循環(huán)載荷作用下定義：材料或零構(gòu)件在循環(huán)載荷作用下產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展至斷裂的現(xiàn)象稱為疲勞產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展至斷裂的現(xiàn)象稱為疲勞破環(huán)。破環(huán)。l與靜強(qiáng)度破環(huán)的主要區(qū)別：與靜強(qiáng)度破環(huán)的主要區(qū)別：危險(xiǎn)截面危險(xiǎn)截面局部危險(xiǎn)點(diǎn)局部危險(xiǎn)點(diǎn)變形過大變形過大微裂紋擴(kuò)展微裂紋擴(kuò)展疲勞破環(huán)疲勞破環(huán)靜強(qiáng)度破環(huán)靜強(qiáng)度破環(huán)靜載破

7、靜載破壞斷口壞斷口疲勞破疲勞破壞斷口壞斷口疲勞破環(huán)特點(diǎn)疲勞破環(huán)特點(diǎn)l五大特點(diǎn)：五大特點(diǎn)：l低應(yīng)力性；低應(yīng)力性；l突然性；突然性；l時間性；時間性；l敏感性；敏感性；l斷口的疲勞特性。斷口的疲勞特性。疲勞破環(huán)過程疲勞破環(huán)過程l裂紋擴(kuò)展的第一階段裂紋擴(kuò)展的第一階段l裂紋成核階段裂紋成核階段l微觀裂紋擴(kuò)展階段微觀裂紋擴(kuò)展階段l裂紋擴(kuò)展的第二階段裂紋擴(kuò)展的第二階段l宏觀裂紋擴(kuò)展階段宏觀裂紋擴(kuò)展階段l斷裂階段斷裂階段疲勞裂紋形疲勞裂紋形成階段壽成階段壽命命Ni）疲勞裂紋擴(kuò)疲勞裂紋擴(kuò)展階段壽展階段壽命命Np）疲勞的分類疲勞的分類l按疲勞失效周次：高周疲勞、低周疲勞；按疲勞失效周次：高周疲勞、低周疲勞；l按

8、應(yīng)力狀態(tài)分：單軸疲勞、多軸疲勞；按應(yīng)力狀態(tài)分：單軸疲勞、多軸疲勞；l按載荷變化分：恒幅、變幅、隨機(jī)疲勞按載荷變化分：恒幅、變幅、隨機(jī)疲勞l按研究對象分：材料疲勞、結(jié)構(gòu)疲勞按研究對象分：材料疲勞、結(jié)構(gòu)疲勞l按工作環(huán)境分：常規(guī)疲勞、高溫、低溫、熱疲按工作環(huán)境分：常規(guī)疲勞、高溫、低溫、熱疲勞、腐蝕疲勞、接觸疲勞、沖擊疲勞、勞、腐蝕疲勞、接觸疲勞、沖擊疲勞、5.2.2 金屬材料的疲勞特性金屬材料的疲勞特性lS-N曲線曲線5.2.2 金屬材料的疲勞特性金屬材料的疲勞特性l疲勞極限線圖：將不同疲勞極限線圖：將不同r下的疲勞極限畫到一個下的疲勞極限畫到一個圖上圖上05.2.2 金屬材料的疲勞特性金屬材料的疲

9、勞特性l循環(huán)應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變下的材料特性應(yīng)變下的材料特性l材料的循環(huán)硬化和循環(huán)軟化材料的循環(huán)硬化和循環(huán)軟化5.2.2 金屬材料的疲勞特性金屬材料的疲勞特性l循環(huán)應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變下的材料特性應(yīng)變下的材料特性l循環(huán)應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線5.2.3 影響疲勞強(qiáng)度的因素影響疲勞強(qiáng)度的因素l材料組織成分、結(jié)構(gòu)的影響；材料組織成分、結(jié)構(gòu)的影響；l零部件形狀、尺寸和表面狀況的影響；零部件形狀、尺寸和表面狀況的影響；l工作載荷特性的影響；工作載荷特性的影響；l服役環(huán)境和條件的影響。服役環(huán)境和條件的影響。5.2.3 影響疲勞強(qiáng)度的因素影響疲勞強(qiáng)度的因素l1. 應(yīng)力集中的影響應(yīng)力集中的影響l應(yīng)力集中：外形突

10、然變化或材料不連續(xù)應(yīng)力集中：外形突然變化或材料不連續(xù)地方，常產(chǎn)生很大的局部應(yīng)力地方，常產(chǎn)生很大的局部應(yīng)力l理論應(yīng)力集中系數(shù)理論應(yīng)力集中系數(shù)、：在彈性變化：在彈性變化范圍內(nèi)材料的局部應(yīng)力峰值范圍內(nèi)材料的局部應(yīng)力峰值 max與名與名義應(yīng)力義應(yīng)力之比之比 l有效應(yīng)力集中系數(shù)有效應(yīng)力集中系數(shù)K 、K ：實(shí)際衡：實(shí)際衡量應(yīng)力集中對疲勞強(qiáng)度影響的系數(shù)量應(yīng)力集中對疲勞強(qiáng)度影響的系數(shù)5.2.3 影響疲勞強(qiáng)度的因素影響疲勞強(qiáng)度的因素l2. 尺寸影響尺寸影響l尺寸效應(yīng)：疲勞強(qiáng)度隨零件尺寸增大而降低尺寸效應(yīng)：疲勞強(qiáng)度隨零件尺寸增大而降低的現(xiàn)象的現(xiàn)象l尺寸系數(shù)尺寸系數(shù)、：一般零部件或試樣的疲勞：一般零部件或試樣的疲勞

11、極限與幾何相似的標(biāo)準(zhǔn)試樣的疲勞極限之比極限與幾何相似的標(biāo)準(zhǔn)試樣的疲勞極限之比11d5.2.3 影響疲勞強(qiáng)度的因素影響疲勞強(qiáng)度的因素l3. 表面加工方法的影響表面加工方法的影響l不同表面加工的影響：表面加工系數(shù)不同表面加工的影響：表面加工系數(shù)1、腐蝕、腐蝕系數(shù)系數(shù)2 、表面強(qiáng)化系數(shù)、表面強(qiáng)化系數(shù)3l表面加工系數(shù)：某種加工表面的標(biāo)準(zhǔn)光滑試樣表面加工系數(shù)：某種加工表面的標(biāo)準(zhǔn)光滑試樣與磨光國外為拋光的標(biāo)準(zhǔn)光滑試樣疲勞極與磨光國外為拋光的標(biāo)準(zhǔn)光滑試樣疲勞極限之比限之比1115.2.4 疲勞壽命設(shè)計(jì)疲勞壽命設(shè)計(jì)l1. 疲勞壽命設(shè)計(jì)的基本思想：疲勞累積損傷理論疲勞壽命設(shè)計(jì)的基本思想：疲勞累積損傷理論l當(dāng)材料

12、承受高于疲勞極限的應(yīng)力時，每一循環(huán)都使材料當(dāng)材料承受高于疲勞極限的應(yīng)力時，每一循環(huán)都使材料產(chǎn)生一定量的損傷，這種損傷能夠累積，當(dāng)損傷累積到產(chǎn)生一定量的損傷，這種損傷能夠累積，當(dāng)損傷累積到某一臨界值時將產(chǎn)生破壞。某一臨界值時將產(chǎn)生破壞。 lMiner線性累積損傷理論線性累積損傷理論l相同應(yīng)變幅值和平均應(yīng)力的相同應(yīng)變幅值和平均應(yīng)力的 ni個應(yīng)變和應(yīng)力循環(huán)將按線個應(yīng)變和應(yīng)力循環(huán)將按線性累加，形成性累加，形成 ni/Ni的損傷，即消耗掉的損傷，即消耗掉 ni/Ni部分疲勞壽部分疲勞壽命；命； l當(dāng)損傷按線性累加達(dá)到當(dāng)損傷按線性累加達(dá)到1時，疲勞破壞就發(fā)生了。時，疲勞破壞就發(fā)生了。5.2.4 疲勞壽命設(shè)

13、計(jì)疲勞壽命設(shè)計(jì)lMiner線性累積損傷理論基礎(chǔ)線性累積損傷理論基礎(chǔ)疲勞極限：疲勞極限：r條件疲勞極限：條件疲勞極限： rN以以i循環(huán)循環(huán)ni次造成的損傷：次造成的損傷：ni/ Ni；各個不同各個不同r下造成的總損傷：下造成的總損傷： ni/ Ni 注意：事實(shí)上，前面的加注意：事實(shí)上，前面的加載應(yīng)力大小對后面的損傷載應(yīng)力大小對后面的損傷累積有影響。累積有影響。5.2.4 疲勞壽命設(shè)計(jì)疲勞壽命設(shè)計(jì)l2. 常規(guī)疲勞壽命設(shè)計(jì)常規(guī)疲勞壽命設(shè)計(jì)l（1無限壽命設(shè)計(jì)：對疲勞強(qiáng)度要求高。鋼無限壽命設(shè)計(jì)：對疲勞強(qiáng)度要求高。鋼軌、橋梁、車軸等的設(shè)計(jì)。軌、橋梁、車軸等的設(shè)計(jì)。 15.2.4 疲勞壽命設(shè)計(jì)疲勞壽命設(shè)計(jì)l

14、2. 常規(guī)疲勞壽命設(shè)計(jì)常規(guī)疲勞壽命設(shè)計(jì)l（2有限壽命設(shè)計(jì)：要求零部件或結(jié)構(gòu)在給有限壽命設(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。用于飛機(jī)、汽車、壓力容器等的設(shè)計(jì)中。 N15.2.4 疲勞壽命設(shè)計(jì)疲勞壽命設(shè)計(jì)l3. 隨機(jī)載荷下的疲勞壽命隨機(jī)載荷下的疲勞壽命實(shí)測載荷實(shí)測載荷時間歷程時間歷程統(tǒng)計(jì)載荷譜統(tǒng)計(jì)載荷譜疲勞壽命計(jì)算疲勞壽命計(jì)算Miner線性累積準(zhǔn)則線性累積準(zhǔn)則5.3 損傷容限設(shè)計(jì)損傷容限設(shè)計(jì)l8.3.1 損傷容限設(shè)計(jì)的基本思想損傷容限設(shè)計(jì)的基本思想l8.3.2 線彈性斷裂力學(xué)線彈性斷裂力學(xué)l8.3

15、.3 疲勞裂紋擴(kuò)展速率疲勞裂紋擴(kuò)展速率l8.3.4 剩余壽命的估算剩余壽命的估算l8.3.5 斷裂控制斷裂控制5.3.1 損傷容限設(shè)計(jì)的基本思想損傷容限設(shè)計(jì)的基本思想l設(shè)計(jì)思想：允許零件有初始缺陷，或在服役設(shè)計(jì)思想：允許零件有初始缺陷，或在服役過程中出現(xiàn)裂紋，產(chǎn)生破損，但在下次檢修過程中出現(xiàn)裂紋，產(chǎn)生破損，但在下次檢修之前應(yīng)保持一定的剩余強(qiáng)度，能夠正常使用，之前應(yīng)保持一定的剩余強(qiáng)度，能夠正常使用，直到下次檢修予以發(fā)現(xiàn)、修復(fù)或更換。直到下次檢修予以發(fā)現(xiàn)、修復(fù)或更換。l關(guān)鍵問題：如何估算裂紋擴(kuò)展壽命關(guān)鍵問題：如何估算裂紋擴(kuò)展壽命線彈性斷裂力學(xué)線彈性斷裂力學(xué)5.3.2 線彈性斷裂力學(xué)線彈性斷裂力學(xué)l

16、1. 裂紋的基本類型裂紋的基本類型裂紋表面裂紋表面裂紋裂紋前緣前緣IIIIII5.3.2 線彈性斷裂力學(xué)線彈性斷裂力學(xué)l2. 應(yīng)力強(qiáng)度因子與斷裂韌度應(yīng)力強(qiáng)度因子與斷裂韌度l概念的由來：裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場分析概念的由來：裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場分析l裂紋尖端應(yīng)力場的一般表達(dá)式：裂紋尖端應(yīng)力場的一般表達(dá)式： I)(I) I (2ijijfrKaYKI5.3.2 線彈性斷裂力學(xué)線彈性斷裂力學(xué)l2. 應(yīng)力強(qiáng)度因子與斷裂韌度應(yīng)力強(qiáng)度因子與斷裂韌度l應(yīng)力強(qiáng)度因子應(yīng)力強(qiáng)度因子KI：反映裂紋尖端附近：反映裂紋尖端附近區(qū)域的應(yīng)力、應(yīng)變場強(qiáng)弱程度的物理區(qū)域的應(yīng)力、應(yīng)變場強(qiáng)弱程度的物理量。量。l斷裂韌度斷裂韌度Kc：應(yīng)力

17、強(qiáng)度因子的臨界值，：應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值，即發(fā)生脆性斷裂時的應(yīng)力強(qiáng)度因子。即發(fā)生脆性斷裂時的應(yīng)力強(qiáng)度因子。l平面應(yīng)變斷裂韌度平面應(yīng)變斷裂韌度KIc：斷裂韌度的最：斷裂韌度的最低值。低值。l斷裂判據(jù)：斷裂判據(jù)：KIKIc5.3.3 疲勞裂紋擴(kuò)展速率疲勞裂紋擴(kuò)展速率l1. 裂紋擴(kuò)展速率：裂紋擴(kuò)展速率：dNdaNa n研究裂紋擴(kuò)展速率的目的：研究裂紋擴(kuò)展速率的目的：n設(shè)計(jì)選材時的參考；設(shè)計(jì)選材時的參考；n計(jì)算裂紋體的剩余壽命；計(jì)算裂紋體的剩余壽命；caapdNdadaN05.3.3 疲勞裂紋擴(kuò)展速率疲勞裂紋擴(kuò)展速率l疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展的疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展的Paris公式公式mKCdNdan臨界應(yīng)力強(qiáng)度因

18、子幅度臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度n疲勞斷裂韌性疲勞斷裂韌性thKfLKKmax5.3.3 疲勞裂紋擴(kuò)展速率疲勞裂紋擴(kuò)展速率l2. 影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率的因素影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率的因素l平均應(yīng)力：平均應(yīng)力使裂紋擴(kuò)展速率增加平均應(yīng)力：平均應(yīng)力使裂紋擴(kuò)展速率增加l超載：過載峰延緩隨后的低載恒幅下的裂紋擴(kuò)超載：過載峰延緩隨后的低載恒幅下的裂紋擴(kuò)展展l加載頻率：加載頻率減小，裂紋擴(kuò)展速率增大加載頻率：加載頻率減小，裂紋擴(kuò)展速率增大l溫度：溫度提高，裂紋擴(kuò)展速率增大溫度：溫度提高，裂紋擴(kuò)展速率增大5.3.4 剩余壽命的估算剩余壽命的估算l零件的剩余壽命：在已經(jīng)存在裂紋的條件下，零零件的剩余壽命：在已經(jīng)存在裂紋的條件下，零構(gòu)件能夠運(yùn)行的周期數(shù)或時間。即疲勞裂紋的擴(kuò)構(gòu)件能夠運(yùn)行的周期數(shù)或時間。即疲勞裂紋的擴(kuò)展壽命。展壽命。l估算零件剩余壽命的方法：裂紋擴(kuò)展的估算零件剩余壽命的方法：裂紋擴(kuò)展的Paris公公式式mKCdNdaccaamNKCdadN005.3.4 剩余壽命的估算剩余壽命的估算l（1初始裂紋尺寸初始裂紋尺寸a0的確定的確定l儀器靈敏度的尺寸儀器靈敏度的尺寸 l初始裂紋發(fā)生于關(guān)鍵零件的關(guān)鍵部位初始裂紋發(fā)生于關(guān)鍵零件的關(guān)鍵部位