機械設(shè)計第三講

1、機械設(shè)計第三講1第1頁，共18頁，2022年，5月20日，3點28分，星期四二、雙向穩(wěn)定變應(yīng)力時的疲勞強度計算 1、對稱循環(huán)穩(wěn)定變應(yīng)力 當(dāng)零件剖面上同時作用著相位相同的縱向和切向?qū)ΨQ循環(huán)，穩(wěn)定變應(yīng)力a和a時，經(jīng)試驗后極限應(yīng)力關(guān)系為a, a 同時作用正應(yīng)力和切應(yīng)力的應(yīng)力幅極限值（ , 同時作用 ）-1e , -1e 為零件對稱循環(huán)正應(yīng)力和切應(yīng)力時疲勞極限（ , 單獨作用） 在以 的坐標(biāo)系中為一個單位圓 2第2頁，共18頁，2022年，5月20日，3點28分，星期四圓弧AMB任何一點即代表一對極限應(yīng)力 a 和a ，如果工作應(yīng)力點M（ ）在極限圓以內(nèi)，則是安全的。M點所對應(yīng)的極限應(yīng)力點M 確定時，一

2、般認為 比值不變（多數(shù)情況如此）， M 點在OM直線的延長線上，如圖所示M強度條件為： 零件只受對稱循環(huán)切應(yīng)力時的安全系數(shù) 零件只受對稱循環(huán)正應(yīng)力時的安全系數(shù)3第3頁，共18頁，2022年，5月20日，3點28分，星期四當(dāng)零件上所承受的兩個變應(yīng)力均為不對稱循環(huán)的變應(yīng)力時，可先求出然后求出零件的安全系數(shù)：4第4頁，共18頁，2022年，5月20日，3點28分，星期四三、單向不穩(wěn)定變應(yīng)力時的疲勞強度計算 不穩(wěn)定變應(yīng)力可分為非規(guī)律性的和規(guī)律性的兩大類： 非規(guī)律性的不穩(wěn)定變應(yīng)力：其變應(yīng)力參數(shù)的變化要受到很多偶然因素的影響，是隨機地變化的。需要根據(jù)大量的實驗，求得載荷及應(yīng)力的統(tǒng)計分布規(guī)律，然后用統(tǒng)計疲勞

3、強度的方法來處理。 規(guī)律性的不穩(wěn)定變應(yīng)力，其變應(yīng)力參數(shù)的變化有一個簡單的規(guī)律。用疲勞損傷累積假說5第5頁，共18頁，2022年，5月20日，3點28分，星期四 變應(yīng)力1（對稱循環(huán)變應(yīng)力的最大應(yīng)力或不對稱循環(huán)變應(yīng)力的等效對稱循環(huán)變應(yīng)力的等效對稱循環(huán)變應(yīng)力的應(yīng)力幅，下同）作用了n1次，變應(yīng)力2作用了n2次如圖所示。根據(jù)圖所示，可以找出僅有1作用時使材料發(fā)生疲勞破壞的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N1。假設(shè)應(yīng)力每循環(huán)一次都對材料的破壞起相同的作用，則應(yīng)力每循環(huán)一次對材料的損傷率即為1/ N1 ，而循環(huán)了n1次的對材料的損傷率為n1 / N1。如此類推，循環(huán)了n2次的對材料的損傷率為n2 / N2當(dāng)損傷率累計達到100

4、%時，材料就發(fā)生破壞。故對應(yīng)于極限狀況有，一般地寫成一般的寫成6第6頁，共18頁，2022年，5月20日，3點28分，星期四那么N1如何來求呢？根據(jù)rNmN= C= rmN則不穩(wěn)定變應(yīng)力的極限條件為：如果材料在上述應(yīng)力作用下還未達到破壞，則7第7頁，共18頁，2022年，5月20日，3點28分，星期四或者令稱為不穩(wěn)定變應(yīng)力的計算應(yīng)力此時，計算安全系數(shù)及強度條件則為：8第8頁，共18頁，2022年，5月20日，3點28分，星期四提高機械零件疲勞強度的措施：1、盡可能的降低零件上的應(yīng)力集中的影響，是提高零件疲勞強度的首要措施。2、選用疲勞強度高的材料和規(guī)定能夠提高材料疲勞強度的熱處理方法及強化工藝

5、。3、提高零件的表面質(zhì)量。4、盡可能的減少或消除零件表面可能發(fā)生的初始裂紋的尺寸，對于延長零件的疲勞壽命有著比提高材料性能更為顯著的作用。9第9頁，共18頁，2022年，5月20日，3點28分，星期四例題：45號鋼經(jīng)過調(diào)制后的性能為：-1=307Mpa,m=9,N0=5*106。現(xiàn)用此材料作試件進行試驗，以對稱循環(huán)變應(yīng)力1=500Mpa作用104次， 2=400Mpa作用105次，試計算該試件在此條件下的計算安全系數(shù)。若以后再以3=350Mpa作用于試件，還能再循環(huán)多少次才會使試件破壞？解題步驟：1、計算ca,2、計算安全系數(shù)Sca,3、使材料發(fā)生破壞的循環(huán)次數(shù)N1、N2、N3，4、根據(jù)公式計

6、算n310第10頁，共18頁，2022年，5月20日，3點28分，星期四第三章 機械零件的強度 補充：載荷與應(yīng)力的分類 一、載荷的分類 1）循環(huán)變載荷 a) 穩(wěn)定循環(huán)變載荷 b) 不穩(wěn)定循環(huán)變載荷2）隨機變載荷靜載荷變載荷：載荷：1）名義載荷 2）計算載荷 11第11頁，共18頁，2022年，5月20日，3點28分，星期四隨機變應(yīng)力靜應(yīng)力規(guī)律性不穩(wěn)定變應(yīng)力二、應(yīng)力的分類1、應(yīng)力種類變應(yīng)力：不穩(wěn)定變應(yīng)力： 穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力12第12頁，共18頁，2022年，5月20日，3點28分，星期四2、穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力的基本參數(shù)和種類 a) 基本參數(shù) 應(yīng)力循環(huán)特性最大應(yīng)力最小應(yīng)力平均應(yīng)力應(yīng)力幅b) 穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)

7、力種類： -1 +1不對稱循環(huán)變應(yīng)力 =+1 靜應(yīng)力 = 1 對稱循環(huán)變應(yīng)力 = 0 脈動循環(huán)變應(yīng)力13第13頁，共18頁，2022年，5月20日，3點28分，星期四注意：靜應(yīng)力只能由靜載荷產(chǎn)生，而變應(yīng)力可能由變載荷產(chǎn)生，也可能由靜載荷產(chǎn)生名義應(yīng)力由名義載荷產(chǎn)生的應(yīng)力計算應(yīng)力由計算載荷產(chǎn)生的應(yīng)力 3）名義應(yīng)力和計算應(yīng)力14第14頁，共18頁，2022年，5月20日，3點28分，星期四3-3 機械零件的抗斷裂強度低應(yīng)力脆斷：按常規(guī)的強度理論來分析，能滿足強度條件，即工作應(yīng)力小于許用應(yīng)力，但在實際使用中，又往往發(fā)生突然性斷裂。大部分低應(yīng)脆斷事故發(fā)生在應(yīng)用了高強度鋼材的結(jié)構(gòu)或大型的焊接件中，如：飛機

8、構(gòu)件、機器中的重載構(gòu)件以及高壓容器等結(jié)構(gòu)。宏觀裂紋。進一步研究發(fā)現(xiàn)：客觀原因是：高強度材料的大量采用、結(jié)構(gòu)的大型化、焊接工藝使用的普遍化、結(jié)構(gòu)工作條件的復(fù)雜化和載荷形式的多樣性。內(nèi)在原因是：結(jié)構(gòu)存在內(nèi)部裂紋和缺陷。實驗研究表明：高強度材料，一方面是它的強度高（即許用應(yīng)力高），另一方面則是它抵抗裂紋擴展的能力要隨著強度的增高而下降。15第15頁，共18頁，2022年，5月20日，3點28分，星期四斷裂力學(xué)：研究帶有裂紋或帶有尖缺口的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的強度和變形規(guī)律的學(xué)科。 建立的是：構(gòu)件的裂紋尺寸、工作應(yīng)力以及材料抵抗 裂紋擴展能力三者之間的關(guān)系。 度量指標(biāo)：應(yīng)力強度因子KI(或K、K)，KI的值越大

9、，說明應(yīng)力場越強； 平面應(yīng)變斷裂韌度KIc(或Kc、Kc), KIc的值越大，說明材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力愈強。這樣，利用這兩項指標(biāo)判別結(jié)構(gòu)安全性的判別式是： KI KIc 裂紋不會失穩(wěn)擴展；KI KIc 裂紋失穩(wěn)擴展16第16頁，共18頁，2022年，5月20日，3點28分，星期四在運用斷裂力學(xué)對含裂紋的結(jié)構(gòu)進行強度分析和安全性評價時，通常做以下工作：1、1、分析確定裂紋的形狀、大小及分布，以確定初始裂紋的尺寸a0，通常應(yīng)對構(gòu)件進行精確地?zé)o損傷來確定a0;2、對構(gòu)件的工作載荷進行充分的分析，運用斷裂力學(xué)的知識，確定裂紋頂端的應(yīng)力強度因子KI； 3、通過斷裂力學(xué)試驗，測定構(gòu)件材料的斷裂韌度。 4、對構(gòu)件進行安全性判斷。 17第17頁，共18頁，2022年，5月20日，3點28分，星期四說明： 斷裂力學(xué)自二十世紀(jì)五十年代誕生以來，已