工程力學(xué)-第二十章

第二十章動載荷與交變應(yīng)力CONTNET01動載荷02交變應(yīng)力01動載荷20.2.1交變應(yīng)力的概述某些構(gòu)件（如泥漿泵主軸、齒輪等）工作時承受的載荷常隨著時間作周期性改變，相應(yīng)地構(gòu)件內(nèi)所產(chǎn)生的應(yīng)力也作周期性變化，這種應(yīng)力稱為交變應(yīng)力。1．交變應(yīng)力的概念20.2.1交變應(yīng)力的概述構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生交變應(yīng)力的原因可分兩種：一是構(gòu)件受交變載荷的作用；另一種是載荷不變，由于構(gòu)件本身轉(zhuǎn)動引起構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生交替變化。如圖所示火車輪軸即屬于后一種情況。當(dāng)輪軸旋轉(zhuǎn)一周，輪軸橫截面邊緣上C點的位置將按1-2-3-4-1變化，同時C點的應(yīng)力也經(jīng)歷了從σmax-0-σmin-0-σmax的變化，這種應(yīng)力每重復(fù)變化一次的過程，稱為一個應(yīng)力循環(huán)。2．產(chǎn)生交變應(yīng)力的原因20.2.1交變應(yīng)力的概述3．交變應(yīng)力涉及的一些概念20.2.1交變應(yīng)力的概述4．交變應(yīng)力的分類20.2.1交變應(yīng)力的概述20.2.2疲勞失效1．疲勞失效的特點構(gòu)件在交變應(yīng)力作用下的破壞形式與靜載荷時完全不同，其主要特點是：破壞時，構(gòu)件內(nèi)的最大應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的強度極限，甚至低于屈服極限。不論是塑性材料還是脆性材料，均呈脆性斷裂，破壞前無明顯塑性變形。破壞斷口表面一般可明顯區(qū)分成光滑區(qū)和晶粒狀的粗糙區(qū)。20.2.2疲勞失效2．疲勞失效的原因通常認(rèn)為，產(chǎn)生疲勞破壞的原因有：由于疲勞破壞是在構(gòu)件沒有明顯的塑性變形時突然發(fā)生的，因此常會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。當(dāng)交變應(yīng)力的大小超過一定限度時，經(jīng)過多次應(yīng)力循環(huán)，在構(gòu)件中的應(yīng)力最大處和材料缺陷處產(chǎn)生了微裂紋。隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)增加，微裂紋逐漸擴(kuò)大，裂紋兩邊的材料時合時分，不斷擠壓形成斷口的光滑區(qū)。經(jīng)過長期運轉(zhuǎn)，裂紋不斷擴(kuò)展，有效面積逐漸縮小，當(dāng)截面削弱到一定程度時，構(gòu)件突然斷裂，形成斷口的粗糙區(qū)。20.2.3疲勞極限與疲勞強度計算1．疲勞失效的特點（1）影響材料疲勞極限的因素試驗表明，材料是否產(chǎn)生疲勞破壞，不僅與最大應(yīng)力σmax有關(guān)，還與循環(huán)特征r以及循環(huán)次數(shù)N有關(guān)。在一定的循環(huán)特征下，σmax越大，斷裂所經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)N越少，反之亦然。當(dāng)σmax降到某一臨界值時，材料經(jīng)受無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而仍不發(fā)生疲勞破壞，該臨界值稱為材料在該應(yīng)力循環(huán)特征下的疲勞極限，用σr表示，其中下標(biāo)r表示其循環(huán)特征。試驗還表明，在各種應(yīng)力循環(huán)特征下的疲勞極限中，對稱循環(huán)的疲勞極限σ-1最小。20.2.3疲勞極限與疲勞強度計算如圖所示疲勞曲線可以看出，試件斷裂前所經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)隨著應(yīng)力的減小而增加，當(dāng)應(yīng)力降到一定數(shù)值時，曲線接近水平直線。大量試驗結(jié)果表明，鋼材的疲勞極限和靜載荷下的強度極限之間存在以下近似關(guān)系：彎曲：σ－1≈0.4σb拉伸：σ－1≈0.28σb扭轉(zhuǎn)：τ1≈0.22τb20.2.3疲勞極限與疲勞強度計算2．構(gòu)件的疲勞極限疲勞試驗機(jī)上采用的試件是標(biāo)準(zhǔn)試件，因此得到的試驗結(jié)果是材料本身的疲勞極限。實際構(gòu)件的疲勞極限還受構(gòu)件上應(yīng)力的變化情況、構(gòu)件形狀尺寸以及構(gòu)件表面加工質(zhì)量等因素的影響。因此，材料的疲勞極限不能直接用于構(gòu)件的疲勞強度計算。綜合考慮這些因素后，實際構(gòu)件在對稱循環(huán)下的疲勞極限為20.2.3疲勞極限與疲勞強度計算3．構(gòu)件的疲勞強度條件20.2.3疲勞極限與疲勞強度計算例20-3求如圖所示交變應(yīng)力的平均應(yīng)力σm、應(yīng)力幅σa和循環(huán)特性r。03本章小結(jié)1．動載荷的概念本章總結(jié)本章總結(jié)2．交變應(yīng)力（1）交變應(yīng)力的概念交變應(yīng)力：構(gòu)件承受的隨著時間作周期性改變的應(yīng)力。循環(huán)特性：交變應(yīng)力的變化規(guī)律用循環(huán)特性r來表示，它是交變應(yīng)力中最大應(yīng)力和最小應(yīng)力的比值。（2