机械强度及理论解析
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按材料性质分类
❖ 脆性材料强度：研究脆性材料的强度问题； ❖ 塑性材料强度：塑性材料的强度问题； ❖ 带裂纹材料强度 ：研究含裂纹体材料的强度问题 。
10
按载荷性质分类
静强度：材料在静载荷下的强度 ； 冲击强度：材料在冲击载荷下的强度，是金属材 料抵抗冲击破坏的能力； 疲劳强度：材料在循环载荷作用下的强度 。
11
按环境条件分类
高温强度； 低温强度； 腐蚀强度等。
12
力学模型的简化
在进行结构强度计算时，需要根据零件和构 件的不同形状，将其简化为杆、杆系、板、 壳、块和无限大物体等力学模型，不同的力 学模型有不同的强度计算方法。
13
1.3 常规机械强度理论
设计计算步骤：
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
5
强度与失效（广义与狭义）
▪ 失效：产品不能完成预定功能
承载
变形
振动 摩擦
腐蚀
……
强度：抵抗失效的能力
6
1940年美国西海岸华盛顿州世界第三的Tacoma大桥，中央跨距 853m，悬索桥结构，建成四个月在19ms-1的小风下塌毁。
1.2 机械强度研究的内容
材料强度
结构强度
在不同的影响因素下，材料的各种力学 性能指标。
16
静应力下安全系数
塑性材料
s
ns
脆性材料
b
nb
n b K1K2K3K4K5K6K7
17
wenku.baidu.com
零部件重要程度系数：K1
18
应力计算的准确度系数：K2
❖ 计算公式准确，所有作用力及应力已知时， 取K2=1.0；
❖ 计算公式或图表，使计算所得应力较实际应 力高时，取K2=1.0；
❖ 计算应力较实际应力低，根据两者之差异， 可选取K2=1.05—1.65；
现代机械强度理论及应用
现代设计与分析技术研究所 何雪浤
1
掌握三大问题
• 为什么要学习本课程？即了解强度 研究的重要地位。
• 常规与现代机械强度理论的区别和 联系。
• 研究生的学习目的、学习方式。
2
1绪 论
1.1 机械设计与机械强度 1.2 机械强度研究的内容 1.3 常规机械强度理论 1.4 现代机械强度理论 1.5 本课程的任务与要求 参考文献
24
1.4 现代机械强度理论
3 弹性应力应变状态下强度理论 3.1 应力状态分析 3.2 应变状态分析 3.3 弹性的应力应变关系 3.4 应变能 3.5 机械强度理论
25
1.4 现代机械强度理论
4 弹塑性应力应变关系及屈服准则 4.1 弹塑性应力—应变关系的特点及几种理想模型 4.2 增量理论 4.3 全量理论 4.4 两个常用的屈服准则 4.5 圆轴的弹塑性扭转问题 4.6 梁的弹塑性弯曲问题
3
1.1 机械设计与机械强度
现代机械设计
环境
功
重量
能
经济性
安全性
质量
……
材料 结构
强度
4
1.1 机械设计与机械强度
什么是强度？ 材料或零构件抵抗外力而不
发生失效的能力。
是机械的最基本的要求
机械强度是机械工程中一门重要的应用基础学科。它是 以机械学和力学为基础，与光学、电学、磁学、声学等 现代测试手段与计算机技术、信息处理及图像处理等高 新技术相结合的高度综合的工程技术学科。
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。
21
1.3 常规机械强度理论
存在问题： 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；…
22
1.4 现代机械强度理论
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
23
1.4 现代机械强度理论
2 弹性平面问题基本方程 2.1 平面应力概念及方程 2.1.1 平面应力问题的基本概念 2.1.2 平衡方程 2.1.3 几何方程 2.1.4 物理方程 2.1.5 边界条件 圣维南原理 2.1.6 变形协调方程 2.2 平面应变概念及解法
26
1.4 现代机械强度理论
5 含裂纹体的强度理论 5.1 裂纹的基本类型 5.2 裂纹尖端附近的应力场和位移场 5.3 应力强度因子及其求法 5.4 脆性断裂的K准则 5.5 线弹性断裂力学在小范围屈服中的推广 5.6 裂纹张开位移COD和J积分 5.7 裂纹扩展速率
27
1.4 现代机械强度理论
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。
14
1.3 常规机械强度理论
n n
应力 计算、实测
许用应力
由材料、结构及工况规定
lim
n
许用安全系数
根据工况等规定
工作安全系数 计算
n lim
影响安全系数的因素
1. 零部件重要程度的影响：K1 2. 载荷及应力计算的准确程度的影响：K2 3. 不同失效形式的影响：K3 4. 应力集中的影响：K4 5. 截面尺寸的影响：K5 6. 表面加工状态的影响：K6 7. 检验质量的影响：K7
6 疲劳强度理论 6.1 疲劳破坏与疲劳分析 6.2 疲劳载荷的处理 6.3 循环载荷下金属材料的特性 6.4 疲劳裂纹形成寿命估算 6.5 疲劳裂纹扩展寿命估算
28
应用现代强度理论进行设计的步骤
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
根据材料性质、载荷性质和环境条件等 的不同，可以做不同的分类。
指机械零件和构件的强度，它涉及到力学模 型的简化、应力分析方法、材料强度、强度
准则、寿命估算以及安全系数等问题。
8
影响材料强度的因素
➢ 材料的化学成分； ➢ 加工工艺； ➢ 热处理； ➢ 应力状态； ➢ 载荷性质； ➢ 加载速率； ➢ 温度和介质等。
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失效形式影响系数：K3
➢ 规定拉伸失效为理想失效，该失效形式下的强度
极限为拉伸强度极限， K3=1.0；则在其它失效形
式下， K3值分别为： 塑性材料
抗拉强度 K3 屈服强度
脆性材料 疲劳破环
抗拉强度 K3 所考虑的强度极限
抗拉强度 K3 疲劳强度
20
1.3 常规机械强度理论
特点： 1. 假设制造机械零构件的材料性能是均匀
按材料性质分类
❖ 脆性材料强度：研究脆性材料的强度问题； ❖ 塑性材料强度：塑性材料的强度问题； ❖ 带裂纹材料强度 ：研究含裂纹体材料的强度问题 。
10
按载荷性质分类
静强度：材料在静载荷下的强度 ； 冲击强度：材料在冲击载荷下的强度，是金属材 料抵抗冲击破坏的能力； 疲劳强度：材料在循环载荷作用下的强度 。
11
按环境条件分类
高温强度； 低温强度； 腐蚀强度等。
12
力学模型的简化
在进行结构强度计算时，需要根据零件和构 件的不同形状，将其简化为杆、杆系、板、 壳、块和无限大物体等力学模型，不同的力 学模型有不同的强度计算方法。
13
1.3 常规机械强度理论
设计计算步骤：
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
5
强度与失效（广义与狭义）
▪ 失效：产品不能完成预定功能
承载
变形
振动 摩擦
腐蚀
……
强度：抵抗失效的能力
6
1940年美国西海岸华盛顿州世界第三的Tacoma大桥，中央跨距 853m，悬索桥结构，建成四个月在19ms-1的小风下塌毁。
1.2 机械强度研究的内容
材料强度
结构强度
在不同的影响因素下，材料的各种力学 性能指标。
16
静应力下安全系数
塑性材料
s
ns
脆性材料
b
nb
n b K1K2K3K4K5K6K7
17
wenku.baidu.com
零部件重要程度系数：K1
18
应力计算的准确度系数：K2
❖ 计算公式准确，所有作用力及应力已知时， 取K2=1.0；
❖ 计算公式或图表，使计算所得应力较实际应 力高时，取K2=1.0；
❖ 计算应力较实际应力低，根据两者之差异， 可选取K2=1.05—1.65；
现代机械强度理论及应用
现代设计与分析技术研究所 何雪浤
1
掌握三大问题
• 为什么要学习本课程？即了解强度 研究的重要地位。
• 常规与现代机械强度理论的区别和 联系。
• 研究生的学习目的、学习方式。
2
1绪 论
1.1 机械设计与机械强度 1.2 机械强度研究的内容 1.3 常规机械强度理论 1.4 现代机械强度理论 1.5 本课程的任务与要求 参考文献
24
1.4 现代机械强度理论
3 弹性应力应变状态下强度理论 3.1 应力状态分析 3.2 应变状态分析 3.3 弹性的应力应变关系 3.4 应变能 3.5 机械强度理论
25
1.4 现代机械强度理论
4 弹塑性应力应变关系及屈服准则 4.1 弹塑性应力—应变关系的特点及几种理想模型 4.2 增量理论 4.3 全量理论 4.4 两个常用的屈服准则 4.5 圆轴的弹塑性扭转问题 4.6 梁的弹塑性弯曲问题
3
1.1 机械设计与机械强度
现代机械设计
环境
功
重量
能
经济性
安全性
质量
……
材料 结构
强度
4
1.1 机械设计与机械强度
什么是强度？ 材料或零构件抵抗外力而不
发生失效的能力。
是机械的最基本的要求
机械强度是机械工程中一门重要的应用基础学科。它是 以机械学和力学为基础，与光学、电学、磁学、声学等 现代测试手段与计算机技术、信息处理及图像处理等高 新技术相结合的高度综合的工程技术学科。
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。
21
1.3 常规机械强度理论
存在问题： 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；…
22
1.4 现代机械强度理论
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
23
1.4 现代机械强度理论
2 弹性平面问题基本方程 2.1 平面应力概念及方程 2.1.1 平面应力问题的基本概念 2.1.2 平衡方程 2.1.3 几何方程 2.1.4 物理方程 2.1.5 边界条件 圣维南原理 2.1.6 变形协调方程 2.2 平面应变概念及解法
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1.4 现代机械强度理论
5 含裂纹体的强度理论 5.1 裂纹的基本类型 5.2 裂纹尖端附近的应力场和位移场 5.3 应力强度因子及其求法 5.4 脆性断裂的K准则 5.5 线弹性断裂力学在小范围屈服中的推广 5.6 裂纹张开位移COD和J积分 5.7 裂纹扩展速率
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1.4 现代机械强度理论
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。
14
1.3 常规机械强度理论
n n
应力 计算、实测
许用应力
由材料、结构及工况规定
lim
n
许用安全系数
根据工况等规定
工作安全系数 计算
n lim
影响安全系数的因素
1. 零部件重要程度的影响：K1 2. 载荷及应力计算的准确程度的影响：K2 3. 不同失效形式的影响：K3 4. 应力集中的影响：K4 5. 截面尺寸的影响：K5 6. 表面加工状态的影响：K6 7. 检验质量的影响：K7
6 疲劳强度理论 6.1 疲劳破坏与疲劳分析 6.2 疲劳载荷的处理 6.3 循环载荷下金属材料的特性 6.4 疲劳裂纹形成寿命估算 6.5 疲劳裂纹扩展寿命估算
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应用现代强度理论进行设计的步骤
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
根据材料性质、载荷性质和环境条件等 的不同，可以做不同的分类。
指机械零件和构件的强度，它涉及到力学模 型的简化、应力分析方法、材料强度、强度
准则、寿命估算以及安全系数等问题。
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影响材料强度的因素
➢ 材料的化学成分； ➢ 加工工艺； ➢ 热处理； ➢ 应力状态； ➢ 载荷性质； ➢ 加载速率； ➢ 温度和介质等。
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失效形式影响系数：K3
➢ 规定拉伸失效为理想失效，该失效形式下的强度
极限为拉伸强度极限， K3=1.0；则在其它失效形
式下， K3值分别为： 塑性材料
抗拉强度 K3 屈服强度
脆性材料 疲劳破环
抗拉强度 K3 所考虑的强度极限
抗拉强度 K3 疲劳强度
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1.3 常规机械强度理论
特点： 1. 假设制造机械零构件的材料性能是均匀