机械设计第九版第三章3

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给定任意两个参数, 其它三个可算出
r = -1 对称循环应力
r=0
脉动循环应力
r = 1 静应力
任意交变应力都可看作对称循环和静应力的叠加
任何交变应力的 研究可以转化为 对称循环和静应 力的研究
交变应力下,零件的主要损坏形式是疲劳断裂。 疲劳断裂过程: 1、零件表层产生微小裂纹 2、随着循环次数增加,微裂纹逐渐扩展 3、当剩余材料不足以承受载荷时,突然脆性断裂
材料对称循环 弯曲疲劳极限 综合影响系数
s 1 Ks s 1e
>1 零件对称循环 弯曲疲劳极限
A'D'G' 按比例向下移(除以综合影响系数Kσ),成为ADG。 CG是按照静应力的要求来考虑的,不须修正。 零件受循环弯曲应 力时的材料常数
σs m s -1 sa
σe s / Ks
计算安全系数及疲劳强度条件为:
sa s max sm S ca S s max s m s a
极限应力曲线上的 某一个点,具体位 置要分情况讨论
机械零件可能发生的典型的应力变化规律有以下三种: 应力比为常数:r=C 平均应力为常数:σm=C 最小应力为常数:σmin=C (多数转轴中的应力状态) (振动中的受载弹簧) (螺栓受轴向变载荷)
强度条件为
例题3-1 45钢经过调质后的性能为: σ-1=307MPa,m=9, N0=5×106,以σ1=500MPa作用104次,以σ2=400MPa作用105 次,计算安全系数,若再以σ3=350MPa作用于试件,还能循 环多少次?
四、双向稳定变应力时的疲劳强度计算
机械零件的疲劳强度计算4
公式为圆的方程,由于应力都为正值,在第一象限。
由于是对称循环变应力,故应力幅即为最大应力。弧线 AM'B 上任何一个点即代表一对极限应力σa′及τa′。
若作用于零件上的应力幅σa及τa如图中M点表示,则由
于此工作应力点在极限以内,未达到极限条件,因而是安 全的。
s -1e OB OA -1e 切向应力安全系数 S 法向应力安全系数 Ss τ s a OD a OC

σad=Kσσa+υσσm
安全系数计算公式改写为
s 1 Sca s ad
机械零件的疲劳强度计算3
三、单向不稳定变应力时的疲劳强度计算 不稳定变应力 非规律性 规律性 用统计方法进行疲劳强度计算 按损伤累积假说进行疲劳强度计算
规律性不稳定变应力示意图
s 4小于无限寿命时对应的应力s -1,可忽略
疲劳损伤线性累积假说的数学表达式一般可以写成
试验证明,当各个作用的应力幅无巨大差别以及无短 时的强烈过载时,这个规律是正确的,当各级应力先大后 小,等式右边小于1;反之大于1
不稳定变应力时的极限条件
若材料在这些应力作用下还未达到破坏
不稳定变应力时的计算应力
将多个作用次数 不同的应力值等 效为一个计算值
计算举例 假设某种钢材承受500MPa对称循环应力时,循环次数 为10万次,400MPa时,循环次数为12万次,300MPa时,循 环次数为14万次,现在500MPa作用2万次, 400MPa时作用 3万次, 300MPa作用7万次,问是否损坏? 应力 500 400 300 循环次数 10万 12万 14万 实际作用次数 2万 3万 7万 损伤率 20% 25% 50%
(2)在不可避免地要产生较大应力集中的结构处,可采 用减载槽来降低应力集中的作用。
做成圆角轴 承装不进去
举例:某零件左边固定,右边施加向下的力
应力集中出现在拐角处
倒角可减少应力最大值(增加材料的方法)
减载槽也可减少应力值(减少材料的方法)
(3)综合考虑零件的性能要求和经济性后,采用高疲劳 强度的材料,并配以适当的热处理和各种表面强化处理。
公式推导
3.最小应力为常数:σmin=C
P
Q
若LM'与横坐标夹角为45° 对于LM'上任意一点
当工作点是位于OJGI区域的M时,零件的疲劳强度条件为
当工作点是位于GCI区域的N时,零件的疲劳强度条件为
4.等效循环变应力 3-17式
将它整体看做一个对称循环 变力,幅值为Kσσa+υσσm,平 均值为0
对于扭转剪切,将前面公式中的σ 换成τ
υτ—试件受循环切应力时的材料常数 Kτ —剪切疲劳极限的综合影响系数
kτ﹣零件的有效应力集中系数 ετ﹣零件的尺寸及截面形状系数 βτ﹣零件的表面质量系数 βτ﹣零件的强化系数
二、单向稳定变应力时的疲劳强度计算
机械零件的疲劳强度计算2
进行零件疲劳强度计算时,首先根据零件危险截面上 的 σmax 及 σmin,确定平均应力σm与应力幅σa,然后,在极 限应力线图的坐标中标示出相应工作应力点M或N。
对于线接触的情况,接触应力可用赫兹应力公式计算。
F 1 1 B 1 2 sH 2 1 12 1 2 E E 2 1
式中ρ1和ρ2 分别为两零件初始接触线处的曲率半径, 其 中正号用于外接触,负号用于内接触。μ1、μ2 为泊松比, E1、E2为弹性模量
若应力每循环一次都对材料的破坏起相同的作用,则 应力 σ1 每循环一次对材料的损伤率即为1/N1,而循环了n1次 的σ1对材料的损伤率即为n1/N1。如此类推,循环了n2次的σ2 对材料的损伤率即为n2/N2,……。
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:
n1 n2 n3 1 N 1 N 2 N3
当零件上同时作用有同相位的稳定对称循环变应力σa 和τa时,由实验得出的极限应力关系式为: 切向应力幅
的极限值
法向应力幅 的极限值
2 2
a sa 1 s 1e 1e
零件受对称循环切应力 时的疲劳极限 零件受对称循环弯曲应 力时的疲劳极限
第三章 机械零件的强度
3-1材料的疲劳强度(基础) 3-2机械零件的疲劳强度(重点+难点) 3-3机械零件的抗断裂强度(了解)
3-4机械零件的接触强度(了解)
3-1材料的疲劳特性
一、交变应力的描述 sm─平均应力 sa─应力幅值 smax─最大应力 smin─最小应力
r ─应力比
描述规律性的交变应力可有5个参数,但其中只有两个 参数是独立的。
m rN
m和C为材料常数
s r
ND
D点以后的疲劳曲线呈一水平线,代表着无限寿命 区,其方程为:
s rN s r
(N ND )
s r
N0 ND
由于ND很大,在作疲劳试验时,常规定一个循环次数 N0(称为循环基数),用N0及其相对应的疲劳极限σr来近似代 表ND和 σr∞,于是有:
sr
表面处理之一喷丸
(4)适当提高零件的表面质量,特别是提高有应力集中 部位的表面加工质量,必要时表面作适当的防护处理。
(5)尽可能地减少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着比提高材料性能更 为显著的作用。
3-3机械零件的抗断裂强度
机械零件的抗断裂强度
低应力脆断:在工程实际中,往往会发生工作应力小 于许用应力时所发生的突然断裂。 原因:结构内部裂纹和缺陷。 本质原因:对于高强度材料,抵抗裂纹扩展的能力随 着强度的增高而下降。用传统的强度理论计算高强度材料 结构的强度问题,就存在一定的危险性。 断裂力学: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。
为什么ADG 加 撇,C不加呢?
1、纵坐标上取一点(0, σ-1),σ-1为对称循环应力
2、取第二点(σ0/2,σ0/2),σ0为脉动循环应力
3、取第三点(σs,0),作45°射线,σs为屈服极限
纵坐标值= 斜率× 横坐标值+
直线与纵坐标交点
s s m s 1 sa
令 为材料常数
(3)通过断裂力学实验,测定材料的断裂韧度
(4)安全性判断
无损探伤原理
3-4机械零件的接触强度
机机械零件的接触强度
当两零件以点、线相接处时,其接触的局部会引起较 大的应力。这局部的应力称为接触应力。
接触失效形式:为疲劳点蚀。 后果:减少了接触面积、损坏了零件的光滑表面、降低了 承载能力、引起振动和噪音。
为了度量含裂纹结构体的强度,在断裂力学中运用了 应力强度因子KI(或KⅡ、KⅢ)和断裂韧度KIC (或KⅡC、 KⅢC)这两个新的度量指标来判别结构安全性,即: KI<KIC时,裂纹不会失稳扩展。
KI≥KIC时,裂纹失稳扩展。 基于断裂力学的强度分析的步骤: (1)以无损探伤确定裂纹的形状、大小及分布(类似B超) (2)分析工作载荷,确定应力强度因子
OM ' Sca OM S Ss
2 S2 Ss
OA OC 2 OD 2

1 OC 2 OD 2 2 OA OB 2

1 1 1 2 2 S Ss

符号总结 σ﹣法向应力 下标 τ﹣切向应力 a﹣幅值
σa﹣法向应力幅值 τa﹣切向应力幅值
举例: σm﹣法向应力平均值 τm﹣切向应力平均值
m﹣平均值
下标 -1﹣对称循环应力 0﹣脉动循环应力 举例: σ-1﹣对称循环法向应力 σ0﹣脉动循环法向应力
υ﹣材料常数 υσ﹣受法向应力材料常数
υτ﹣受切向应力材料常数
K﹣综合影响系数 Kσ﹣法向应力时综合影响系数 Kτ﹣切向应力时综合影响系数
下标带“e”表示零件
σ-1﹣材料对称循环法向应力 σ-1e﹣零件对称循环法向应力
纵坐标值=斜率×(横坐标值﹣直线与横坐标交点)
sm sS sa
3-2机械零件的疲劳强度
一、零件的极限应力线图
机械零件的疲劳强度计算1
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 材料试件的疲劳极限
Hale Waihona Puke Baidu
>
零件的疲劳极限
定义综合影响系数为材料试件的疲劳极限与零件的疲 劳极限的比值。
带撇的表示极限值
σmax﹣最大法向应力值 σ'max﹣最大法向应力极限值
σa﹣法向应力幅值 σ'a﹣法向应力幅值的极限值
S﹣安全系数
Sca﹣计算安全系数 Sτ﹣切向应力安全系数
Sσ﹣法向应力安全系数
五、提高机械零件疲劳强度的措施
机械零件的疲劳强度计算5
(1) 降低零件上的应力集中的影响。零件上应尽量避免 带尖角的孔或槽,在阶梯杆截面的突变处要用圆弧过渡
微裂纹 扩展区
断裂区
s-N疲劳曲线(应力比r恒定,不同的σmax对应的循环次数N)
多数零件在此阶段 破坏,即承受交变 应力1万次以上
静载 破坏
低周 疲劳
高周疲劳
无限寿命
任取一点, 横坐标为N,纵坐标为σrN
机械零件的疲劳大多发生在s-N曲线的CD段,可用 下式描述:
s N C ( NC N ND )
1. 应力比为常数:r=C
r为常数
也为常数
只有过原点的射线满足关系
当工作点是位于AOG区域的M时,零件的疲劳强度条件为 推导见下页 当工作点是位于GOC区域的N时,零件的疲劳强度条件为 静强度校核
公式推导
D E B
2.平均应力为常数:σm=C
当工作点是位于AOHG区域的M时,零件的疲劳强度条件为 推导见下页 当工作点是位于GCH区域的N时,零件的疲劳强度条件为
已知
s N s N0
m rN m r
将σrN变换到等式左边,其余变换到等式右边
s rN s r m
N0 N
根据上式,规定循环次数N,可算出对应疲劳极限σrN sr、N0及m的值由材料试验确定。
等寿命疲劳曲线(相同循环次数,不同应力比)
应 力 幅 值
应力平均值
为方便计算,常将等寿命曲线用直线来近似替代。
σes me s -1e s ae
s me sS s ae
综合影响系数计算公式
kσ﹣零件的有效应力集中系数 εσ﹣零件的尺寸及截面形状系数 βσ﹣零件的表面质量系数 βq﹣零件的强化系数
kσ=1+qσ(ασ-1)
应力集中敏感系数 理论应力集中系数
理论应力集中系数ασ(P39) D和d越接近,应力 集中情况越不明显
r越大,应力集中 情况越不明显
理论应力集中系数ασ(P39)
理论应力集中系数ασ(P39)
应力集中敏感系数qσ
弯曲应力取括号外数字,扭转剪切应力取括号内数字
零件的尺寸及截面形状系数εσ(标准形状圆柱、尺寸10mm)
零件的表面质量系数βσ(表面粗糙度对表面质量的影响) 抛光
未加工
零件的强化系数βq
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