動(dòng)載荷與交變應(yīng)力

一、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)件各部件加速度保持為零（或可忽略不計(jì)），此類載荷為靜載荷。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)產(chǎn)生慣性力），此類載荷為動(dòng)載荷。動(dòng)載荷二、動(dòng)響應(yīng)：構(gòu)件在動(dòng)載荷作用下產(chǎn)生的各種響應(yīng)（如應(yīng)力、應(yīng)變、位移等），稱為動(dòng)響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明：在靜載荷下服從虎克定律的材料，只要應(yīng)力不超過比例極限,在動(dòng)載荷下虎克定律仍成立且E靜=E動(dòng)。三、動(dòng)荷系數(shù)：四、動(dòng)應(yīng)力分類：1.簡單動(dòng)應(yīng)力：加速度的可以確定，采用“動(dòng)靜法”求解。2.沖擊載荷：速度在極短暫的時(shí)間內(nèi)有急劇改變，此時(shí)，加速度不能確定，要采用“能量法”求之；3.交變應(yīng)力：應(yīng)力隨時(shí)間作周期性變化，疲勞問題。4.振動(dòng)問題：求解方法很多。交變應(yīng)力1、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)力稱為交變應(yīng)力。折鐵絲PPⅡ.

金屬材料的疲勞破壞

——金屬構(gòu)件在長期交變應(yīng)力作用下所發(fā)生的斷裂破壞。(1)

交變應(yīng)力中的最大應(yīng)力達(dá)到一定值，但最大應(yīng)力小于靜荷載下材料的強(qiáng)度極限甚至屈服極限，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)后突然斷裂;(2)

塑性材料在斷裂前也無明顯的塑性變形;(3)斷口分為光滑區(qū)和粗糙區(qū)。

疲勞破壞疲勞破壞的主要特征：(1)

疲勞裂紋的形成(2)

疲勞裂紋的擴(kuò)展疲勞破壞的過程:(3)

脆性斷裂

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，在高應(yīng)力區(qū)形成微觀裂紋——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，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)而壓緊，形成光滑區(qū)。裂紋源光滑區(qū)粗糙區(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，形成粗糙區(qū)。一、循環(huán)特征：三、應(yīng)力幅：二、平均應(yīng)力：

曲線稱為應(yīng)力譜。應(yīng)力重復(fù)變化一次的過程，稱為一個(gè)應(yīng)力循環(huán)。應(yīng)力重復(fù)變化的次數(shù)，稱為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。smt四、幾種特殊的交變應(yīng)力：1.對(duì)稱循環(huán)：sminsmaxsaTsts2.脈動(dòng)循環(huán)：3.靜循環(huán)：五、穩(wěn)定交變應(yīng)力：循環(huán)特征及周期不變。sminsmaxsatssmsmsminsmax例1發(fā)動(dòng)機(jī)連桿大頭螺釘工作時(shí)最大拉力Pmax=58.3kN，最小拉力Pmin=55.8kN，螺紋內(nèi)徑為d=11.5mm，試求a

、m

和r。解：一、材料持久限(疲勞極限)：

循環(huán)應(yīng)力只要不超過某個(gè)“最大限度”,構(gòu)件就可以經(jīng)歷無數(shù)次循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞，這個(gè)限度值稱為“疲勞極限”，用r

表示。二、—N曲線（應(yīng)力—壽命曲線）：N0—循環(huán)基數(shù)。r—材料持久限。A—名義持久限。N(次數(shù))sNAsAsrN0

材料的疲勞極限

試驗(yàn)表明：在同一循環(huán)特征下，交變應(yīng)力中的smax越大,發(fā)生疲勞破壞所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)N越小，即疲勞壽命越短。反之smax越小，N越大，疲勞壽命越長。經(jīng)過無限次循環(huán)不發(fā)生疲勞破壞時(shí)的最大應(yīng)力稱為材料的疲勞極限。用sr表示，r代表循環(huán)特征。

sr與材料變形形式，循環(huán)特征有關(guān)，用疲勞試驗(yàn)測(cè)定。(1)材料的疲勞極限

彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)一臺(tái)，標(biāo)準(zhǔn)（規(guī)定的尺寸和加工質(zhì)量）試樣一組。記錄每根試樣發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力smax和循環(huán)次數(shù)N。繪出smax－N曲線(2)

彎曲對(duì)稱循環(huán)時(shí)，s-1的測(cè)定（疲勞壽命曲線），又稱為S

－N曲線（S

代表正應(yīng)力s或切應(yīng)力t）。40cr

鋼的smax－

N曲線如圖所示?？梢妔max降至某值后，

smax－N

曲線趨于水平。該應(yīng)力即為s-1

。圖中s-1=590

MPa。

鋁合金等有色金屬，其s－N曲線如圖所示，它沒有明顯的水平部分，規(guī)定疲勞壽命N0＝5×106－107時(shí)的最大應(yīng)力值為條件疲勞極限，用表示。

彎曲（s-1）b

=170－220MPa

拉壓（s-1）t

=120－160MPa低碳鋼：sb=400－500

MPa(3)條件疲勞極限N0=5×106~107

sNO(4)構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度校核

材料的疲勞極限是由標(biāo)準(zhǔn)試樣測(cè)定的。構(gòu)件的外形,尺寸,表面質(zhì)量均可能與標(biāo)準(zhǔn)試樣不同。一般采用有效應(yīng)力集中系數(shù)Ks,尺寸系數(shù)es和表面加工系數(shù)b（均由圖表可查）。對(duì)材