第3章机械零件的强度hm.ppt

单击以编辑母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 机械零件的强度,强度准则,是设计机械零件的最基本准则，即,。,强度问题：,静应力强度,：通常认为在机械零件整个工作寿命期间应力变化次数小于,10,3,的通用零件，均按静应力强度进行设计。（材料力学范畴）,变应力强度,：在变应力作用下，零件产生疲劳破坏。,疲劳破坏的定义：,金属材料试件在交变应力作用下，经过长时间的试验而发生的破坏。,疲劳破坏的特征：,1,）零件的最大应力在远小于静应力的强度极限时，就可能发生破坏；,2,）即使是塑性材料，在没有明显的塑性变形下就可能发生突然的脆性断裂。,初始裂纹,疲劳区,(,光滑,),粗糙区,轴,疲劳破坏的原因：,材料内部的缺陷、加工过程中的刀痕或零件局部的应力集中等导致产生了微观裂纹，称为,裂纹源,。,在交变应力作用下，随着循环次数的增加，裂纹不断扩展，直至零件发生突然断裂。,影响零件疲劳极限的因素：,材料特性,载荷状况,零件状况,环境状况,载荷分类：,应力分类：,变应力参数：,对于稳定循环变应力，用下列变应力参数表示变应力状况。,描述规律性的交变应力可有,5,个参数，但其中只有,2,个参数是独立的。,几种典型变应力的循环特征和应力特点,循环名称,循环特性,应力特点,对称循环,r=-1,脉动循环,r=0,非对称循环,-1r1,3-1,材料的疲劳特性,材料的疲劳特性描述参数：,1,）最大应力,2,）应力循环次数,N,3,）应力比（或循环特性）,r,（）,机械零件材料的抗疲劳特性是通过试验来测定的,，即在材料的标准试件上加上一定应力比的等幅变应力，通常是加上应力比,r=-1,的对称循环应力或是,r=0,的脉动循环应力，通过试验，记录出在不同最大应力下引起试件疲劳破坏所经历的应力循环次数,N,。,在任一给定循环特性,r,的条件下，应力循环,N,次后，材料不发生疲劳破坏时的最大应力称为,疲劳极限,。,max,N,A,D,C,B,疲劳曲线（,N,曲线）,在一定的应力比,r,下，疲劳极限（以最大应力,max,表征）与应力循环次数,N,的关系曲线。,(,一,),N,疲劳曲线,曲线,CD,段代表,有限寿命疲劳阶段,，有限寿命疲劳极限用符号 表示。,D,点以后称为,无限寿命疲劳阶段,，无限寿命疲劳极限用 表示。,在做疲劳试验时，常规定一个循环次数 （称为,循环基数,）。,用,N,0,和与,N,0,相对应的疲劳极限 （简写为 ）来近似代表 和 。,根据 及 来求有限寿命区间内任意循环次数 的表达式 。,寿命系数，即 。,m,材料常数，其值由试验来决定。,钢材，弯曲和拉压疲劳，,m,=620,，。,钢制零件受弯曲疲劳时，中等尺寸取,m,=9,，,大尺寸零件取,m,=9,当,N,大于疲劳曲线转折点,D,所对应的循环次数,N,D,时，式中的,N,就取为,N,D,，用 代表 。,说明：曲线,CD,和,D,以后两段所代表的疲劳通常统称为高周疲劳，大多数通用机械零件及专用零件的失效都是由高周疲劳引起的。,等寿命曲线或极限应力线图（,N,曲线）,在特定寿命条件下，最大应力,max,=,m,+,a,与应力比 的关系,。,(,二,),等寿命疲劳曲线,(,疲劳极限应力线图,),材料试验一般只给,出,r=-1,及,r=0,时的疲,劳极限，即,1,、,0,。为获得各种不同循环特性,r,时的疲劳极限，常借助简化的疲劳极限应力图。,以 为横坐标、为纵坐标，即可得材料在不同应力循环特性下的极限 和 的关系图。,材料的简化极限应力线图，可根据材料的三个试验数据 和 而作出。,极限应力线，其上各点的坐标为,材料的极限平均应力,材料的极限应力幅,材料的最大极限应力：,段,A,直线的方程为：,C,直线的方程为：,y,为试件受循环弯曲应力时的材料常数，其值由试验及下式决定：,对于碳钢，,y,0.10.2,，对于合金钢，,y,0.20.3,。,上各点：如果 不会疲劳破坏,上各点：如果 不会屈服破坏,折线以内为疲劳和塑性安全区，折线以外为疲劳和塑性失效区，工作应力点离折线越远，安全程度愈高。,A,对称疲劳极限点,D,脉动疲劳极限点,G,强度极限点,C ,屈服极限点,小结：,对称极限点,强度极限点,脉动疲劳极限点,屈服极限点,对称极限点,强度极限点,脉动疲劳极限点,屈服极限点,简化极限应力线图：,简化极限应力图,作法：考虑材料的最大应力不超过疲劳极限，得 及延长线,考虑塑性材料的最大应力不超过屈服极限，得,3-2,机械零件的疲劳强度计算,零件的,极限应力线图,由于零件几何形状的变化、尺寸大小、加工质量及强化因素等的影响，使得,零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳极限,。,以,弯曲疲劳极限的综合影响系数,表示材料对称循环弯曲疲劳极限,-1,与零件对称循环弯曲疲劳极限,-1e,的比值，即：,在不对称循环时，,是试件与零件,极限应力幅的比值,。,将零件材料的极限应力线图中的直线,A,D,G,按比例向下移，成为右图所示的直线,ADG,，而极限应力曲线的,CG,部分，由于是按照静应力的要求来考虑的，故不须进行修正。这样就得到了零件的极限应力线图。,强调：,1.,2.,CG,段按照静应力要求考,虑，不需修正。,3.AGC,为零件,持久,疲劳,强度曲线。,零件弯曲疲劳强度的综合影响系数的计算：,敏感系数,s,q,一、单向稳定变应力时的疲劳强度计算,1,、,大多数转轴中的应力状态,过原点与工作应力点,M,或,N,作连线交,ADG,于,M,1,和,N,1,点，由于直线上任一点的应力循环特性均相同,M,1,和,N,1,点即为所求的极限应力点,。,t,t,0,a,b,a),当工作应力点位于,OAG,内,极限应力为疲劳极限，按疲劳强度计算,零件的极限应力，疲劳极限：,强度条件为：,b),工作应力点位于,OGC,内,极限应力为屈服极限，按静强度计算,2,、,振动中的受载弹簧的应力状态,需在极限应力图上找一个其平均应力与工作应力相同的极限应力，过工作应力点,M,（,N,）作与纵轴平行的轴线交,AGC,于,M,2,（,N,2,）点，即为极限应力点,。,b,）工作应力点位于,GHC,区域,极限应力为屈服极限,强度条件为：,0,t,m,a),当工作应力点位 于,OAGH,区域,极限应力为疲劳极限,强度条件：,3,、,变轴向变载荷的紧螺栓联接中的螺栓应力状态,过工作应力点,M,（,N,）作与横坐标成,45,的直线，则这直线任一点的最小应力 均相同，直线与极限应力线图交点 即为所求极限应力点。,求,AG,与,MM,3,的交点,:,强度条件,:,a),工作应力点位于,OJGI,区域内,极限应力为疲劳极限，按疲劳强度计算,b),工作应力点位于,IGC,区域,极限应力为屈服极限按静强度计算,极限应力点为,静强度条件,c,）工作应力位于,OAJ,区域内,为负值，工程中罕见，故不作考虑。,5,）等效应力幅,注意：,1,）若零件所受应力变化规律不能肯定，一般采用,=C,的情况计算。,2,）上述计算均为按无限寿命进行零件设计，若按有限寿命要求设计零件时，即应力循环次数,10,3,(10,4,),NN,o,时，这时上述公式中的极限应力应为有限寿命的疲劳极限,，即应以,-1N,代,-1,，以,oN,代,o,3,）当未知工作应力点所在区域时，应同时考虑可能出现的两种情况。,4,）对切应力上述公式同样适用，只需将,改为,即可。,二、单向不稳定变应力时的疲劳强度计算,不稳定变应力,规律性：机床、机械手,非规律性：汽车弹簧,0,t,T,规律性不稳定变应力,疲劳损伤积累假说,（,M.A.Miner,）转换为稳定变应力,。,非规律性不稳定变应力统计强度理论转换为规律性不稳定变应力疲劳损伤积累假说转换为稳定变应力,0,t,若应力每循环一次都对材料的破坏起相同的作用，则应力,1,每循环一次对材料的损伤率即为,1/,N,1,，而循环了,n,1,次的,1,对材料的损伤率即为,n,1,/,N,1,。如此类推，循环了,n,2,次的,2,对材料的损伤率即为,n,2,/,N,2,，,。,当损伤率达到,100%,时，材料即发生疲劳破坏，故对应于极限状况有：,规律性不稳定变应力,疲劳损伤累积假说数学表达式：,试验证明：,1,）当各个作用的应力幅无很大的差别以及无短时的强烈过载时，这个规律是正确的；,2,）当各级应力先作用最大的，然后依次降低时，数学表达式等号右边将不等于,1,而小于,1,；,3,）当各级应力先作用最小的，然后依次升高时，数学表达式等号右边将大于,1,。,通过大量试验，有以下关系：,解释如下：,使初始疲劳裂纹产生和使裂纹扩展所需的应力水平是不同的。,递升的变应力不易产生破坏，是由于前面施加的较小的应力对材料不但没有使初始疲劳裂纹产生，而且对材料起了强化的作用，即表达式右边的值大于,1,。,递减的变应力却由于开始作用了最大的变应力，引起了初始裂纹，则以后施加的应力虽然较小，单仍能够使裂纹扩展，故对材料有削弱的作用，即表达式右边的值小于,1,。,三、双向稳定变应力时的疲劳强度计算,对称循环稳定变应力,当零件剖面上同时作用着相位相同的纵向和切向对称循环，稳定变应力,a,和,a,时，经试验后极限应力关系为,a,a,同时作用正应力和切应力的应力幅极限值（,同时作用）,-1e,-1e,为零件对称循环正应力和切应力时疲劳极限（,单独作用）,在以 的坐标系中为一个单位圆,圆弧,AM,B,任何一点即代表一对极限应力,a,和,a,，如果工作应力点,M,（）在极限圆以内，则是安全的。,M,点所对应的极限应力点,M,确定时，一般认为 比值不变（多数情况如此），,M,点在,OM,直线的延长线上，如图所示,M,。,强度条件为：,零件只受对称循环切应力时的安全系数,零件只受对称循环正应力时的安全系数,四、提高机械零件疲劳强度的措施,1,、尽可能降低零件上应力集中的影响，是提高零件疲劳强度的首要措施。,2,、选用疲劳强度高的材料和规定能够提高材料疲劳强度的热处理方法及强化工艺。,3,、提高零件的表面质量。,4,、尽可能地减小或消除零件表面可能发生的初始裂纹的尺寸，对于延长零件的疲劳寿命有更为显著的作用。,牢记影响应力集中的,四大因素,：,有效应力集中、尺寸因素、表面质量、表面强度,小结：,3-3,机械零件的抗断裂强度,低应力脆断：,在工作应力小于许用应力时发生的突然断裂。,大部分低应力脆断事故均发生在应用了,高强度钢材,的结构或大型的焊接件中。,断裂力学理论：,研究带有裂纹或带有尖缺口的结构或构件的强度和变形规律的学科。断裂力学建立了构件的裂纹尺寸、工作应力以及材料抵抗裂纹扩展能力三者之间的定量关系。上述裂纹是指,宏观裂纹（裂纹尺寸大于,0.1mm,）,。,断裂力学在工程上,主要应用于估计含裂纹构件的安全性和使用寿命，确定构件在工作条件下所允许的最大裂纹尺寸，用断裂力学指导结构的安全性设计。,传统的强度理论与断裂力学理论的比较：,1.,传统的强度理论,运用应力和许用应力来度量和控制结构的强度与安全性。,2.,断裂力学理论,运用应力强度因子和平面应变断裂韧度两个新的度量指标。,a),应力强度因子：反映裂纹顶端附近各点应力大小的物理量，表征裂纹顶端附近应力场的强弱。,b),平面应变断裂韧度：取决于材料性质的参数，反映材料阻止裂纹失稳扩展的能力。,3.,运用断裂力学对含裂纹结构进行强度分析和安全性评价步骤：,初始裂纹,应力强度因子,平面应变断裂韧度,安全性判断,3-4,机械零件的接触强度,L,F,F,b,曲率半径,泊松比,弹性模量,式中：正号用于外接触，负号用于内接触。,3-5,机械零件可靠性设计简介（,自学,）,可靠性是产品的一个重要的质量指标特征。,传统的设计方法：,把设计变量（工作载荷、极限应力、零件的尺寸）当做确定性变量来看；,可靠性设计：,通过概率与统计的方法来分析和处理这些随机变量，进行概率设计。,概率设计：,产品在规定的工作条件下及规定的使用期限内完成规定功能的概率。,可靠度：,反映产品可靠性的定量指标之一。,应力,强度干涉模型：,广义上：,一切引起失效的外部作用参数叫做应力，把零件本身抵抗失效的能力叫做强度，通过判断应力是否超过强度判断零件的安全性。,若将应力强度视为随机变量，通过计算强度高于应力的概率，确定零件的可靠度。根据这一思想建立的可靠度计算模型称为,应力,强度干涉模型,。,狭义上：,以零件的强度指标和作用应力均为随机变量的客观事实为基础建立的可靠度模型称为,应力,强度干涉模型,。,小论文选题,机械可靠性设计,（,1,）机构可靠性设计研究状况及发展态势,国内外研究机构、主要研究内容、应用背景、发展趋势,（,2,）机械零件可靠性设计（国内外研究机构、主要研究内容、应用背景、发展趋势）,机械可靠性设计的定义、特点、研究内容、设计方法与步骤；,机械零件可靠性设计原理与可靠度计算方法；,机械零件静强度可靠性设计；,机械零件疲劳强度可靠性设计；,机械可靠性优化设计；,可靠性试验。,资料查阅：,1.,图书馆纸质相关书籍；,2.,电子期刊,（,1,）超星、书生电子图书馆,（,2,）中文期刊网、优秀硕博论文数据库,（,3,）外文,ASME(,美国机械工程师协会电子期刊）,PQDT,（美国,ProQuest,博硕士论文全文）,