《交變應(yīng)力》課件

交變應(yīng)力交變應(yīng)力是指在結(jié)構(gòu)或材料上重復(fù)變化的應(yīng)力。它會導(dǎo)致疲勞，并最終導(dǎo)致材料斷裂。課程導(dǎo)言課程介紹本課程主要講解交變應(yīng)力，并分析其對材料的影響。學(xué)習(xí)目標(biāo)深入了解交變應(yīng)力的概念，掌握應(yīng)力分析方法。課程內(nèi)容涵蓋交變應(yīng)力的定義、來源、影響因素、危害及應(yīng)力分析方法。學(xué)習(xí)方式通過課堂講解、案例分析、實驗操作和課后習(xí)題等方式學(xué)習(xí)。什么是應(yīng)力力的作用當(dāng)外力作用于物體上時，物體內(nèi)部會產(chǎn)生抵抗外力的作用力，這種抵抗外力的作用力就是應(yīng)力。單位面積上的力應(yīng)力通常用單位面積上的力來表示，即帕斯卡（Pa）。內(nèi)力與外力應(yīng)力是物體內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)力，而外力是指作用于物體表面的力。應(yīng)力的分類正應(yīng)力垂直作用于物體截面的應(yīng)力。比如拉伸、壓縮應(yīng)力。切應(yīng)力平行作用于物體截面的應(yīng)力。比如扭轉(zhuǎn)、剪切應(yīng)力。復(fù)合應(yīng)力同時包含正應(yīng)力和切應(yīng)力的應(yīng)力。比如彎曲應(yīng)力。靜態(tài)應(yīng)力和動態(tài)應(yīng)力靜態(tài)應(yīng)力靜態(tài)應(yīng)力是指大小和方向保持不變的應(yīng)力。靜態(tài)應(yīng)力通常由恒定的載荷引起，例如重物或結(jié)構(gòu)自身的重量。動態(tài)應(yīng)力動態(tài)應(yīng)力是指大小和方向隨時間變化的應(yīng)力。動態(tài)應(yīng)力通常由周期性的載荷引起，例如機器的振動或沖擊力。交變應(yīng)力的定義交變應(yīng)力是指在時間上發(fā)生周期性變化的應(yīng)力。這種應(yīng)力通常由振動、沖擊或旋轉(zhuǎn)等因素引起，導(dǎo)致材料反復(fù)承受拉伸和壓縮。交變應(yīng)力的大小和方向可能隨著時間而變化，但其周期性特征是其主要特點。交變應(yīng)力的特點重復(fù)性和周期性交變應(yīng)力在一定時間內(nèi)重復(fù)出現(xiàn)，且具有明顯的周期性特征。幅值和頻率交變應(yīng)力具有幅值和頻率，這兩個參數(shù)決定了應(yīng)力變化的程度和速度。應(yīng)力集中交變應(yīng)力在零件的幾何形狀突變處更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致材料失效。交變應(yīng)力的作用促進(jìn)材料性能提升交變應(yīng)力可以促使材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而提高材料的強度、韌性和耐疲勞性能。改善材料表面性質(zhì)交變應(yīng)力可以使材料表面形成致密的氧化層或涂層，提高材料的耐腐蝕性和耐磨性。改變材料形狀交變應(yīng)力可以使材料發(fā)生塑性變形，從而改變材料的形狀和尺寸，滿足特定的應(yīng)用需求。控制材料的微觀結(jié)構(gòu)交變應(yīng)力可以影響材料的晶粒尺寸、晶界結(jié)構(gòu)和相變過程，從而控制材料的微觀結(jié)構(gòu)。交變應(yīng)力的來源旋轉(zhuǎn)機械發(fā)動機、渦輪機、泵等旋轉(zhuǎn)機械在運轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生周期性的應(yīng)力變化，形成交變應(yīng)力。沖擊載荷錘擊、碰撞、爆炸等沖擊載荷也會導(dǎo)致材料產(chǎn)生交變應(yīng)力。振動機械設(shè)備的振動會導(dǎo)致部件產(chǎn)生周期性的應(yīng)力變化，形成交變應(yīng)力。環(huán)境因素風(fēng)力、溫度變化、潮汐等環(huán)境因素也會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生交變應(yīng)力。交變應(yīng)力的危害疲勞失效交變應(yīng)力會導(dǎo)致材料疲勞，最終導(dǎo)致零件斷裂，這是交變應(yīng)力最常見的危害。疲勞失效通常發(fā)生在材料內(nèi)部，難以預(yù)測，也難以預(yù)防，給生產(chǎn)安全帶來重大隱患。應(yīng)力集中交變應(yīng)力會加速應(yīng)力集中區(qū)域的疲勞損傷，使得這些區(qū)域更容易發(fā)生失效。應(yīng)力集中通常出現(xiàn)在零件的幾何形狀變化處，例如孔洞、尖角和缺口等，需要注意這些區(qū)域的應(yīng)力變化。疲勞失效和應(yīng)力集中疲勞失效交變應(yīng)力會造成材料內(nèi)部微觀裂紋的產(chǎn)生和擴展，最終導(dǎo)致構(gòu)件斷裂。應(yīng)力集中在結(jié)構(gòu)的幾何突變處，例如孔洞、凹槽或缺口，應(yīng)力會顯著增加，從而加速疲勞失效。影響交變應(yīng)力的因素1材料強度材料強度是指材料抵抗變形和斷裂的能力，強度越高，抗交變應(yīng)力能力越強。2內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力是指材料內(nèi)部存在的應(yīng)力，它會影響材料的抗交變應(yīng)力能力，內(nèi)應(yīng)力越大，抗交變應(yīng)力能力越弱。3表面處理表面處理可以改變材料的表面性質(zhì)，從而影響材料的抗交變應(yīng)力能力，例如，表面硬化可以提高材料的抗交變應(yīng)力能力。4環(huán)境溫度溫度會影響材料的強度和韌性，高溫會降低材料的抗交變應(yīng)力能力，低溫會提高材料的抗交變應(yīng)力能力。材料強度和內(nèi)應(yīng)力材料強度材料強度是指材料抵抗外力破壞的能力。材料強度越高，抵抗變形和斷裂的能力越強。材料的強度通常用抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度等指標(biāo)來衡量。內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力是材料內(nèi)部存在的應(yīng)力，它是由材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化或外力的作用引起的。內(nèi)應(yīng)力可以分為殘余應(yīng)力和工作應(yīng)力兩種。表面處理對交變應(yīng)力的影響表面處理可改變材料的表面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，如提高硬度和耐腐蝕性。表面處理可以引入殘余應(yīng)力，改變應(yīng)力分布，降低應(yīng)力集中，提高抗疲勞性能。例如鍍層、噴涂等，可以形成保護層，減緩腐蝕和磨損，提高材料的抗疲勞壽命。零件設(shè)計與交變應(yīng)力結(jié)構(gòu)優(yōu)化零件設(shè)計應(yīng)考慮材料強度和應(yīng)力分布，優(yōu)化結(jié)構(gòu)以減少應(yīng)力集中。形狀設(shè)計采用圓角、過渡等形狀，避免尖角和突變，減少應(yīng)力集中。材料選擇根據(jù)交變應(yīng)力大小選擇合適的材料，高強度材料能夠承受更大的應(yīng)力。尺寸控制合理控制零件尺寸，避免過大或過小，保證足夠的強度和剛度。應(yīng)力集中的控制圓角設(shè)計圓角設(shè)計可以有效地減小應(yīng)力集中，提高零件的疲勞強度。過渡設(shè)計在形狀突變處設(shè)計過渡區(qū)域，可以使應(yīng)力分布更加均勻，降低應(yīng)力集中程度。孔洞設(shè)計在設(shè)計孔洞時，應(yīng)盡可能避免形狀尖銳，并使用圓角或橢圓形設(shè)計，可以有效地減小應(yīng)力集中。表面處理表面處理可以改善零件的表面光潔度，提高表面強度，減緩疲勞裂紋的擴展。應(yīng)力分析的方法理論分析法利用材料力學(xué)、彈性力學(xué)等理論進(jìn)行計算，得出應(yīng)力分布和大小。實驗測試法通過應(yīng)力測試儀器，測量實際零件或結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，獲取實際數(shù)據(jù)。數(shù)值模擬法利用有限元分析、邊界元分析等數(shù)值方法，建立模型進(jìn)行模擬計算，預(yù)測應(yīng)力分布。有限元分析技術(shù)有限元分析是一種數(shù)值模擬方法，將復(fù)雜結(jié)構(gòu)離散成有限個單元，每個單元由節(jié)點連接。通過建立單元節(jié)點上的應(yīng)力和位移方程，進(jìn)行數(shù)值計算，得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變和位移等信息。該方法適用于復(fù)雜幾何形狀和材料非線性情況，廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計和分析。應(yīng)力測試的儀器和方法1應(yīng)變儀應(yīng)變儀是測試應(yīng)力的基本工具，通過測量材料的變形來計算應(yīng)力，有電阻式應(yīng)變儀和光學(xué)應(yīng)變儀。2壓力傳感器壓力傳感器可以直接測量施加在物體上的壓力，通常用于測量液壓或氣壓系統(tǒng)中的應(yīng)力。3光彈性測試光彈性測試是一種光學(xué)方法，通過觀察光線通過透明材料時的偏振變化來測量應(yīng)力分布。4有限元分析軟件有限元分析軟件可用于模擬復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，提供精確的應(yīng)力測試結(jié)果。應(yīng)力測試數(shù)據(jù)的處理1數(shù)據(jù)收集應(yīng)力測試數(shù)據(jù)由儀器記錄，包括應(yīng)力值、時間、位置等。2數(shù)據(jù)清洗去除異常值，并進(jìn)行必要的校正和轉(zhuǎn)換，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性。3數(shù)據(jù)分析使用統(tǒng)計方法和軟件工具，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提取關(guān)鍵信息，并進(jìn)行可視化展示。疲勞強度試驗1試驗?zāi)康拇_定材料的疲勞壽命2試驗方法對試件施加交變載荷3試驗結(jié)果繪制S-N曲線疲勞強度試驗是評估材料在反復(fù)載荷下抵抗斷裂的能力的關(guān)鍵。它通過模擬實際應(yīng)用中的交變應(yīng)力環(huán)境，以確定材料的疲勞壽命，即材料在斷裂之前能夠承受的載荷循環(huán)次數(shù)。在試驗中，通過對試件施加交變載荷，并記錄其斷裂時的循環(huán)次數(shù)，可以繪制出S-N曲線，即應(yīng)力幅值與疲勞壽命之間的關(guān)系曲線。該曲線可以為材料的疲勞設(shè)計提供重要的參考依據(jù)。平面應(yīng)力狀態(tài)分析二維應(yīng)力狀態(tài)平面應(yīng)力狀態(tài)是指物體內(nèi)部的應(yīng)力僅分布在兩個相互垂直的平面上，而垂直于這兩個平面的方向上的應(yīng)力為零。應(yīng)用場景平面應(yīng)力狀態(tài)廣泛應(yīng)用于薄板、薄壁構(gòu)件和某些三維結(jié)構(gòu)的分析，例如飛機機翼、薄壁容器等。主應(yīng)力及其方向定義主應(yīng)力是指物體內(nèi)部某一點上所有應(yīng)力分量中最大的那個，它代表了該點上應(yīng)力的大小和方向。方向主應(yīng)力的方向與最大應(yīng)力分量方向一致，也就是說，主應(yīng)力方向是物體內(nèi)部應(yīng)力最大的方向。重要性主應(yīng)力的概念在材料強度分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計中非常重要，它可以幫助我們更好地理解物體內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，并預(yù)測結(jié)構(gòu)的破壞風(fēng)險。剪應(yīng)力和正應(yīng)力剪應(yīng)力剪應(yīng)力是指作用在物體表面上且與該表面平行的一種應(yīng)力。正應(yīng)力正應(yīng)力是指作用在物體表面上且垂直于該表面的一種應(yīng)力。莫爾應(yīng)力圓莫爾應(yīng)力圓是一種圖形工具，用于可視化和分析平面應(yīng)力狀態(tài)。它將平面應(yīng)力狀態(tài)的兩個正應(yīng)力和剪應(yīng)力表示為一個圓，圓的直徑等于兩個主應(yīng)力的差值，圓心位于兩個主應(yīng)力的平均值處。通過莫爾應(yīng)力圓，可以直觀地確定主應(yīng)力、主應(yīng)力方向、最大剪應(yīng)力以及其他相關(guān)參數(shù)。應(yīng)力狀態(tài)的判別11.應(yīng)力狀態(tài)類型根據(jù)應(yīng)力分量的不同，可以判斷應(yīng)力狀態(tài)是單向應(yīng)力狀態(tài)、雙向應(yīng)力狀態(tài)或三向應(yīng)力狀態(tài)。22.應(yīng)力方向應(yīng)力方向是指應(yīng)力作用的方向，可以根據(jù)應(yīng)力分量的正負(fù)號判斷應(yīng)力是拉應(yīng)力還是壓應(yīng)力。33.應(yīng)力大小應(yīng)力大小是指應(yīng)力分量的數(shù)值，可以根據(jù)應(yīng)力分量的數(shù)值大小判斷應(yīng)力的強度。44.應(yīng)力集中應(yīng)力集中是指在物體形狀突變處或孔洞附近應(yīng)力值明顯增大的現(xiàn)象，可以通過應(yīng)力分析軟件或?qū)嶒灧椒ㄟM(jìn)行判斷。薄壁構(gòu)件的應(yīng)力分析1簡化模型假設(shè)薄壁構(gòu)件為薄殼結(jié)構(gòu)，忽略厚度影響。2膜應(yīng)力理論僅考慮薄壁構(gòu)件的表面應(yīng)力，忽略彎曲應(yīng)力。3應(yīng)力分布計算薄壁構(gòu)件在不同載荷下的應(yīng)力分布情況。4強度校核根據(jù)計算結(jié)果，評估薄壁構(gòu)件的強度是否滿足設(shè)計要求。薄壁構(gòu)件是指厚度遠(yuǎn)小于其他尺寸的構(gòu)件。薄壁構(gòu)件的應(yīng)力分析需要考慮其特殊的幾何形狀和材料特性。厚壁構(gòu)件的應(yīng)力分析1應(yīng)力梯度厚壁構(gòu)件內(nèi)部存在明顯的應(yīng)力梯度，靠近內(nèi)壁的應(yīng)力較大，靠近外壁的應(yīng)力較小。2非線性分析由于應(yīng)力梯度和材料特性，厚壁構(gòu)件的應(yīng)力分析通常需要采用非線性有限元方法進(jìn)行計算。3應(yīng)力集中厚壁構(gòu)件的幾何形狀和加工工藝可能會導(dǎo)致應(yīng)力集中，需要進(jìn)行應(yīng)力集中分析以確保安全。焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析1應(yīng)力集中焊縫處應(yīng)力集中嚴(yán)重2殘余應(yīng)力焊接過程產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力3溫度梯度焊接過程溫度變化劇烈4材料性能焊接材料和