强度与刚度设计分解
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一、常规机械强度设计
存在的问题: 1.应力的多轴性和变形的弹塑性; 2.疲劳破坏的普遍性; 3.疲劳与蠕变的交互作用; 4.强度中的寿命计算; 5.疲劳强度可靠性; 6.局部应力应变分析; 7.断裂力学
二、现代机械强度设计
理论:
1.应力应变分析方法及线弹性强度理论 2.弹塑性强度理论 3.含裂纹体的强度理论 4.疲劳强度理论
2.弹塑性强度理论
变形分析
应力状态分析 (弹性极限状态、弹塑性状 态、塑形极限状态)
各状态的 极限载荷
2.弹塑性强度理论
特点:
1)基本假设:除理想弹性这一点外, 其余同弹性力学。即平衡方程、几 何方程均相同 2)应力应变之间的关系是非线性的, 其非线性性质与具体材料有关
2.弹塑性强度理论
特点:
强度与刚度设计
定义
强度:材料或零构件抵抗外力而不发生失效 的能力。
定义
刚度:材料在受力时抵抗弹性变形的能力。
强度设计
常规 强度设计
现代 强度设计
一、常规机械强度设计
理论:
一、常规机械强度设计
设计步骤: (1)由理论力学确定零构件所受外力; (2)由材料力学(有时采用弹性力学或塑性力学)计算其 内力; (3)由机械原理和机械零件确定其结构尺寸和形状; (4)计算该零构件的工作应力或安全系数。
案例分析——装载机前车架
案例分析——装载机前车架
轮式装载机的车架由前车架和后车架组成。前 车架是装载机的基础承载构件,是车架的主要承 载体;后车架为箱形结构,受力较小。因此,这 里只计算前车架的强度及刚度。 前车架是由薄钢板焊接而成的三维空间结构, 形状较为复杂,用常规的力学方法无法对其进行 精确计算。为此,这里采用现代强度及刚度设计 方法。该车架采用四板组焊的焊接工艺。车架为 左右对称结构,有一纵向对称轴。其上作用有掘 起力、铲入力。由结构的对称性,可取结构的一 半进行强度及刚度的计算与分析。
案例分析——装载机前车架 前车架
案例分析——装载机前车架
1.受力分析 (1)扭转工况:车架上的载荷作用点离对称轴有偏 距,相当于加以极限扭矩,使车架产生扭转。 (2)弯曲工况:最大载荷作用在对称轴上,沿铅垂 方向产生偏载,使车架处于弯曲工况状态。 (3)弯扭联合工况:将弯曲工况和扭转工况组合在 一起即为弯扭工况。车架受载最为严重的工况 是弯曲工况和弯扭联合工况,与车架结构强度 及刚度直接有关的亦主要是这2种工况。在车 架的载荷计算工况中,车架所受的最大载荷是 最大牵引力,为158kN,最大掘起力为 210.9kN。
案例分析——装载机前车架
2.有限元法:对结构进行网格划分
案例分析——装载机前车架
3.约束条件
在上述3种载荷计算工况下,约束部位为车 架内各铰孔及车架底部与前桥的联接部位, 各铰孔内结点的x方向、y方向、z方向位 移均被限制为零。底部联接部位沿纵向 (z方向)位移及横向(y方向)位移为零。
4.校核 (1)联接结合面下端的挤压应力 σpmax=1.267MPa<[σp] 联接结合面下端不致压溃。 (2)联接结合面上端的残余应力 σpmin=0.114MPa>0 即联接结合面上端受压处不会产生缝隙
一、常规机械强度设计
特点:
1.假设制造机械零构件的材料性能是均匀的、 各向同性的、连续的实体; 2.承受较为简单的载荷作用; 3.应用弹性变形理论。
二、现代机械强度设计
设计步骤: 1.根据常规设计方法,初步确定结构形状及 尺寸; 2.应用有限元法分析应力、应变分布; 3.用声、光、电等检测手段,确定零构件缺 陷尺寸和位置; 4.对于无缺陷材料,计算服役寿命=裂纹形成 寿命+裂纹扩展寿命; 5.对于有缺陷材料,用断裂力学方法计算裂 纹扩展寿命。
3)应力与应变之间没有一一对应的关系,它 与加载历史有关——不惟一性; 4)在变形体中存在弹性变形区和塑性变形区, 因而在求解问题时,需要找出弹性区和塑 性区的分界线(屈服准则);
2.弹塑性强度理论
特点:
5)在分析问题时,需要区分是加载过程还是 卸载过程。在加载过程中,使用塑性的应 力应变关系方程;在卸载过程中,使用广 义胡克定律。
一、常规机械强度设计 设计四个螺栓的直径
一、常规机械强度设计
1.受力分析
一、常规机械强度设计
2.计算内力: 由 Q=QP+KCF 及下图得总拉力Q=3962N
一、常规机械强度设计
3.确定尺寸:
根据许用应力和安全系数可的危险剖面的 直径d≥9.054mm 因此,选用M12的螺栓。
一、常规机械强度设计
1.应力强度因子是裂纹尖端应力应变场强 度的度量; 2.应力强度因子是裂纹尖端应力应变场具 有奇异性的度量; 3.应力强度因子的临界值是材料本身的固 有属性。
4.疲劳强度理论
设计准则: 1.无限寿命设计:对疲劳强度要求高。钢轨、桥梁、 车轴等的设计。
1
有限寿命区
应力只要不超过 1 ,则N可无限增 大
3.含裂纹体的强度理论
确定结构及受力 应力强度因子K 判断是否处于裂纹 的稳定扩展阶段 G准则 K准则 确定Paris公式中 的各项系数 由最大应力求出临 界裂纹尺寸a
求裂纹扩展寿命
Paris公式用于研究裂纹扩展速率,作为设计选材时的 参考,以及计算裂纹体的剩余寿命。
3.含裂纹体的强度理论
应力强度因子的特性:
1.应力应变分析方法及线弹性强度理论
弹性力学 基本方程
一点处的 应力应变
方程求解: 解析法、 有限元法
主应力 主平面
坐标变换 强度准则
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设计计算
1.应力应变分析方法及线弹性强度理论
特点:
考虑了材料的线弹性变形,即应力应变是 线性关系,运用弹性力学、形变能理论、 最大剪应力理论等确定主应力和主平面, 能较好的解决复杂应力的问题。
无限寿命区
4.疲劳强度理论
设计准则: 2.安全寿命设计(有限寿命设计):要求零部件或结 构在给定的使用周期内不能产生任何疲劳缺陷。 常用于飞机、汽车、压力容器等的设计中。
1N
有限寿命区
无限寿命区
4.疲劳强度理论
设计准则: 3.破损-安全设计:承认裂纹可以出现,但在被检测 和维修之前,不会导致整个结构的破坏。(避免 因安全系数造成重量过大,例如在航空工业) 4.损伤-容限设计:假设裂纹预先存在,用断裂力学 方法分析其寿命。是3的进一步改进。