機械零件的強詳解演示文稿

機械零件的強度詳解演示文稿當前第1頁\共有35頁\編于星期五\2點優(yōu)選機械零件的強度當前第2頁\共有35頁\編于星期五\2點靜應力變應力——不隨時間改變或變化緩慢——隨時間作周期性或非周期性變化變應力穩(wěn)定變應力——周期性循環(huán)變應力非穩(wěn)定變應力——非周期性循環(huán)變應力穩(wěn)定變應力非對稱循環(huán)變應力對稱循環(huán)變應力脈動循環(huán)變應力4.1.2應力的分類當前第3頁\共有35頁\編于星期五\2點σ=常數(shù)σttσmaxσminσaσmσmaxσaσmσmaxσaσmin對稱循環(huán)變應力脈動循環(huán)變應力非對稱循環(huán)變應力靜應力OσtOσOσtO當前第4頁\共有35頁\編于星期五\2點幾個應力參數(shù)平均應力：應力幅：對稱循環(huán):σm=0;σa=σmax脈動循環(huán):σm=σa=σmax/2當前第5頁\共有35頁\編于星期五\2點循環(huán)特征：——表示應力變化的情況對稱循環(huán)r=-1脈動循環(huán)r=0非對稱循環(huán)r≠0且|r|≠1;靜應力r=+1用σr表示循環(huán)特征為r的變應力。如σ-1、σ0等當前第6頁\共有35頁\編于星期五\2點注意：變載荷→變應力靜載荷→靜應力？或變應力nP●an當前第7頁\共有35頁\編于星期五\2點主要失效形式：斷裂或塑性變形強度條件：σ≤[σ]或τ≤[τ]許用應力：σlim、τlim—極限應力s—安全系數(shù)4.2機械零件的靜強度當前第8頁\共有35頁\編于星期五\2點塑性材料：σlim=σs；τlim=τs脆性材料：σlim=σB；τlim=τBσB、τB—材料強度極限σs、τs—材料屈服極限強度條件也可用安全系數(shù)來表示當前第9頁\共有35頁\編于星期五\2點4.3機械零件的疲勞強度疲勞斷裂具有以下特征:1)疲勞斷裂的最大應力遠比靜應力下材料的強度極限低,甚至比屈服極限低;2)不管脆性材料或塑性材料,其疲勞斷口均表現(xiàn)為無明顯塑性變形的脆性突然斷裂;3)疲勞斷裂是損傷的積累,它的初期現(xiàn)象是在零件表面或表層形成微裂紋,這種微裂紋隨著應力循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸擴展,直至余下的未裂開的截面積不足以承受外荷載時,零件就突然斷裂在變應力作用下,機械零件的主要失效形式是疲勞斷裂4.3.1疲勞斷裂特征當前第10頁\共有35頁\編于星期五\2點初始裂紋疲勞區(qū)(光滑)粗糙區(qū)強度條件：σlim=？疲勞破壞與零件的變應力循環(huán)次數(shù)有關N—應力循環(huán)次數(shù)σrN—疲勞極限（對應于N）N0—循環(huán)基數(shù)σr—持久極限軸4.3.2疲勞極限對任一給定的應力循環(huán)特性r,當應力循環(huán)N次后,材料不發(fā)生疲勞破壞的最大應力稱為疲勞極限,以σrN

表示。以N或lgN為橫坐標,σrN或lgσrN

為縱坐標,把表示σrN

(或lgσrN

)和N(或lgN)的關系曲線稱為疲勞曲線或σ-N曲線當前第11頁\共有35頁\編于星期五\2點由此得：與應力狀態(tài)有關的指數(shù)金屬材料的疲勞曲線可分為如下兩類:對于大多數(shù)黑色金屬及其合金,當應力循環(huán)次數(shù)N高于某一數(shù)值N0后,疲勞曲線呈現(xiàn)為水平直線;而對有色合金和高硬度合金鋼,無論N值多大,疲勞曲線也不存在水平部分有明顯水平部分的疲勞曲線可以分為兩個區(qū)域:N<N0的部分稱為有限壽命區(qū),N≥N0的部分稱為無限壽命區(qū)s－N疲勞曲線鋼m=9——拉、彎應力、剪應力m=6——接觸應力青銅m=9——彎曲應力m=8——接觸應力當前第12頁\共有35頁\編于星期五\2點對任何材料（標準試件）而言，對不同的應力循環(huán)特性下有不同的持久極限，即每種應力循環(huán)特性下都對應著該材料的最大應力，再由應力循環(huán)特性可求出和、以為橫坐標、為縱坐標，即可得材料在不同應力循環(huán)特性下的極限和的關系圖4.3.3疲勞極限應力圖同一種材料在不同的應力循環(huán)特性下的疲勞極限圖當前第13頁\共有35頁\編于星期五\2點

折線以內(nèi)為疲勞和塑性安全區(qū)，折線以外為疲勞和塑性失效區(qū)，工作應力點離折線越遠，安全程度愈高。當前第14頁\共有35頁\編于星期五\2點4.3.4影響機械零件疲勞強度的主要因素影響機械零件疲勞強度的因素很多,有應力集中、零件尺寸、表面狀況、環(huán)境介質(zhì)、加載順序和頻率等,1.應力集中的影響有效應力集中系數(shù):材料、尺寸和受載情況都相同的一個無應力集中試樣與一個有應力集中試樣的疲勞極限的比值,即式中:σ-1、(σ-1)k———無應力集中試樣和有應力集中試樣的疲勞極限。當前第15頁\共有35頁\編于星期五\2點2.絕對尺寸的影響當其他條件相同時,零件尺寸越大,則其疲勞強度越低。其原因是由于尺寸大時,材料晶粒粗,出現(xiàn)缺陷的概率大,機加工后表面冷作硬化層相對較薄,疲勞裂紋容易形成。截面絕對尺寸對疲勞極限的影響,可用絕對尺寸系數(shù)εσ表示。絕對尺寸系數(shù)定義:直徑為d的試樣的疲勞極限(σ-1)d

與直徑d0=6～10mm的試樣的疲勞極限(σ-

1)d0的比值,即當前第16頁\共有35頁\編于星期五\2點3.表面狀態(tài)的影響表面狀態(tài)包括表面粗糙度和表面處理的情況。零件表面光滑或經(jīng)過各種強化處理(如噴丸、表面熱處理或表面化學處理等),可以提高零件的疲勞強度表面狀態(tài)對疲勞極限的影響可用表面狀態(tài)系數(shù)β表示。表面狀態(tài)系數(shù)定義:試樣在某種表面狀態(tài)下的疲勞極限(σ-

1)β與精拋光試樣(未經(jīng)強化處理)的疲勞極限(σ-

1)β0的比值當前第17頁\共有35頁\編于星期五\2點由實驗得知,應力集中、尺寸效應和表面狀態(tài)只對應力幅有影響,對平均應力沒有影響。通常,可將這三個系數(shù)綜合考慮,稱為綜合影響系數(shù),即在計算時,零件的工作應力幅要乘以綜合影響系數(shù)當前第18頁\共有35頁\編于星期五\2點4.3.5許用疲勞極限應力圖對于有應力集中、絕對尺寸和表面狀態(tài)影響的零件,在計算安全系數(shù)時必須考慮綜合影響系數(shù)(kσ)D或(kτ)D和壽命系數(shù)kN

對疲勞強度的影響在簡化疲勞極限應力圖基礎上得到許用疲勞極限應力當前第19頁\共有35頁\編于星期五\2點4.3.6穩(wěn)定變應力狀態(tài)下機械零件的疲勞強度計算1.許用應力法機械零件在變應力作用下的疲勞強度計算與靜強度計算相似,即零件危險點處的最大工作應力應小于或等于零件的許用應力危險點處的最大工作應力σmax仍按靜載荷時的應力公式計算,其許用應力取零件的疲勞極限σrN除以規(guī)定的安全系數(shù)Sσ當前第20頁\共有35頁\編于星期五\2點零件在對稱循環(huán)下的許用應力用[σ-1]來表示,則對稱循環(huán)下的疲勞強度條件為對某些受不對稱循環(huán)變應力的零件,其疲勞強度條件可取為式中,σa、[σa]分別為零件所受的最大工作應力幅和許用應力幅。當前第21頁\共有35頁\編于星期五\2點進行零件疲勞強度計算時，首先根據(jù)零件危險截面上的σmax及σmin確定平均應力σm與應力幅σa，然后，在極限應力線圖的坐標中標示出相應工作應力點n或m。根據(jù)零件工作時所受的約束來確定應力可能發(fā)生的變化規(guī)律，從而決定以哪一個點來表示極限應力。機械零件可能發(fā)生的典型的應力變化規(guī)律有以下三種：應力比為常數(shù)：r=C平均應力為常數(shù)σm=C最小應力為常數(shù)σmin=C相應的疲勞極限應力應是極限應力曲線上的某一個點所代表的應力。2.安全系數(shù)法危險截面處的S≥[S](1)單向應力狀態(tài)時的安全系數(shù)當前第22頁\共有35頁\編于星期五\2點1、——大多數(shù)轉(zhuǎn)軸中的應力狀態(tài)∴過原點與工作應力點M或N作連線交ADG于M1′和N1′點，由于直線上任一點的應力循環(huán)特性均相同,M1′和N1′點即為所求的極限應力點當前第23頁\共有35頁\編于星期五\2點a)當工作應力點位于OAG內(nèi)極限應力為疲勞極限，按疲勞強度計算零件的極限應力(疲勞極限)正應力安全系數(shù)同理，切應力安全系數(shù)ψσ、ψτ是將平均應力折合為應力幅的等效系數(shù),其大小表示材料對循環(huán)不對稱特性的敏感程度當前第24頁\共有35頁\編于星期五\2點b)工作應力點位于OGC內(nèi)極限應力為屈服極限，按靜強度計算當前第25頁\共有35頁\編于星期五\2點2、——振動中的受載彈簧的應力狀態(tài)需在極限應力圖上找一個其平均應力與工作應力相同的極限應力，如圖，過工作應力點M（N）作與縱軸平行的軸線交AGC于M2′（N2′）點，即為極限應力點

a)當工作應力點位于OAGH區(qū)域極限應力為疲勞極限

強度條件：

b）工作應力點位于GHC區(qū)域極限應力為屈服極限

強度條件為：

當前第26頁\共有35頁\編于星期五\2點3、——變軸向變載荷的緊螺栓聯(lián)接中的螺栓應力狀態(tài)

∴過工作應力點M（N）作與橫坐標成45°的直線，則這直線任一點的最小應力均相同，∴直線與極限應力線圖交點即為所求極限應力點。

當前第27頁\共有35頁\編于星期五\2點a)工作應力點位于OJGI區(qū)域內(nèi)求AG與MM3′的交點:強度條件:極限應力為疲勞極限，按疲勞強度計算當前第28頁\共有35頁\編于星期五\2點c）工作應力位于OAJ區(qū)域內(nèi)b)工作應力點位于IGC區(qū)域極限應力為屈服極限按靜強度計算∵極限應力點為靜強度條件——為負值，工程中罕見，故不作考慮。

當前第29頁\共有35頁\編于星期五\2點5）等效應力幅

注意：1）若零件所受應力變化規(guī)律不能肯定，一般采用r=C的情況計算2）上述計算均為按無限壽命進行零件設計，若按有限壽命要求設計零件時，即應力循環(huán)次數(shù)103(104)<N<No時，這時上述公式中的極限應力應為有限壽命的疲勞極限，即應以σ-1N代σ-1，以σoN代σo3）當未知工作應力點所在區(qū)域時，應同時考慮可能出現(xiàn)的兩種情況4）對切應力上述公式同樣適用，只需將σ改為τ即可。當前第30頁\共有35頁\編于星期五\2點(2)復合應力狀態(tài)時的安全系數(shù)很多零件(如轉(zhuǎn)軸)在工作時同時受有彎曲應力和扭轉(zhuǎn)應力的復合變應力作用。根據(jù)試驗研究和理論分析,可導出零件在對稱循環(huán)彎扭復合應力狀態(tài)下的疲勞強度安全系數(shù)計算式為式中的Sσ和Sτ可根據(jù)下面的公式計算:當前第31頁\共有35頁\編于星期五\2點4.3.7非穩(wěn)定變應力狀態(tài)下機械零件的疲勞強度計算非穩(wěn)定循環(huán)變應力的種類常見的非穩(wěn)定循環(huán)變應力有兩種:規(guī)律性非穩(wěn)定變應力:應力按一定規(guī)律周期性變化,且應力幅也是按一定規(guī)律周期性變化(2)隨機性非穩(wěn)定變應力:應力的變化不呈周期性,而帶有偶然性,隨機性非穩(wěn)定變應力可采用統(tǒng)計概率分布方法轉(zhuǎn)化成規(guī)律性非穩(wěn)定變應力。當前第32頁\共有35頁\編于星期五\2點疲勞損傷累積假說是:在疲勞裂紋形成和擴展的過程中,零件或材料內(nèi)部的損傷是逐漸積累的,積累到一定程度才發(fā)生斷裂。用統(tǒng)計方法進行疲勞強度計算不穩(wěn)定變應力非規(guī)律性規(guī)律性按損傷累積假說進行疲勞強度計算當前第33頁\共有35頁\