机械零件常规疲劳强度设计方法的研究

摘
要： 绝大多数 的机械零部件 ， 都是在变载荷情况下工作的 ， 这些 零部件 ， 劳破坏是 主要 的破坏形式。疲劳强度 疲
计算是重要的强度计算之一。应用疲劳强度计算 的理论和方法 ， 可使机 械的承载能力 大、 重量轻 、 成本低和寿命长。
机械零部件在循环变应力下的疲劳破坏 ， 与在静应力下的失效有本质 的区别 。静强度失效 ， 是由于在零部件 的危 险
３ 无 限寿命 设计
无 限寿命设计要 求零部 件或构件在元 限长 的使 用 时 间 内不发 生疲 劳破 坏 。Ｓ— 曲线 的水平 段表 Ｎ 示零 部件 的疲劳寿命 是无 限 的。所 以将零部 件或构
件 的工作应 力限制 在 它 的疲 劳 极 限 以下 ， 可得 零 就
疲劳 失效 的问题也会 越来越 突出 、 越严重 。因此 ， 尽
使用寿命前提下 ， 采用超过疲劳极限的工作应力来
进行疲 劳设计 ， 以避 免发 生疲劳 破坏 ， 这就是 有限寿
用标 准试样 疲 劳试验先 得到 材料 的疲 劳极 限、 Ｓ—Ｎ
曲线 及疲 劳极 限图等 ， 考虑零部件 由于尺寸 、 面 在 表 状况及 几何形 状 引起 的引力集 中等影响 因素而进行
计算 。校核计 算 ， 常用安全 系数 ， 此时 的疲 劳强度判 据为 ： 算安全 系数应 大于或等 于其许 用安全 系数 ， 计 即 ｎ ｎ 。疲劳 强度设计 的另一 内容是 ， ≥［ ］ 对零部 件
寿命进行估算 ， 是它满足使用期限要求。
２ 常规 疲 劳设 计 的方 法
常规 疲 劳设计 是 指假设 零 部件没 有初 始裂 纹 ，
线一般是 由两根直线组成 的折线 ， 按水平线部分进 行设 计计算 称为无 限 寿命设 计 ， 按斜 线 部分 进行 设
计计 算称 为有 限寿命设 计 。
生产带来 巨大 的损 失 。随着 我 国建设 和ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ产 的迅 速
发展 ， 对各 种机 械设 备 的需求 量将逐 年增 加 。所 以 ，
展很 快 ， 新要求 较快 ， 更 不需要很 长 的使用 寿命 。还 有些 产 品 ， 例如导 弹 、 鱼雷等 ， 是一次性 消耗 的， 则 除 此之外 ， 轻重量亦 是 提高 这类 产 品性 能水 平 的关 减 键 。为此 ， 整 台产 品需要较长 寿命 ， 即使 也愿 以定期 更 换某些 零部 件的 办法 ， 其 设计 寿 命缩 短 而重 量 使 减轻 。为 了充 分利用 材 料 的承载 能力 ， 小零 部 件 减 或构 件 的截面积 ， 减轻重量 ， 保零部 件或构件 的 在确
５ 迈 因纳 理 论
１２ ６４年 ， 尔姆 格 伦 旧提 出 了疲 劳损 伤 累计 是 帕
准 则。
１ 机 械 强度 设 计 的步 骤
在机 械 强度设 计 中 ， 一般 先 以静强 度计算 确定
４ 有 限寿命 设 计
某些 机械产 品 ， 如飞 机 、 汽车 等等 ， 因为技 术 发
零 部件 的初步尺 寸 ， 然后在 此基础上 ， 险部位 或 对危
截面， 经常 在最高 峰值应力处 ， 进行疲劳强 度的校核
５ ９
件或 材料 的 Ｓ—Ｎ 曲线 ， 中主 要 是 曲线 的斜 线 部 其 分 ， 计计算 的重 点是 裂 纹 的形 成 寿命 。有 限寿命 设 设计是 根据 迈 因纳 （ ｎ ｒ定 理进 行 的。 Ｍｉｅ）
图 １中 小 于 材料 的疲 劳极 限 ｏ一１ｏ － ，４就 可 － 以作用 无 限多次 循 环 而不 引起 疲 劳 破坏 。所 以 ， 可
第２卷 ７
第 １ 期
甘肃科技
Ｇａ ｓ ｃｅ ｃ ｎ ｃ ｎ ｌ ｇ ｎ ｕ Ｓ ｉｎ ｅ ａ ｄ Ｔｅ ｈ ｏｏ ｙ
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Ⅳ０ １ ．
２ １ 年 １月 ０１
Ｊ ｎ ２ １ ａ． ０ｌ
机 械 零 件 常规 疲 劳 强 度 设 计 方 法 的 研 究
郝 立红
（ 兰州 交 通 大学 博 文 学 院 ， 肃 兰 州 ７ ００ ） 甘 ３００
命 设计 准则 ， 称 为安 全 寿命 设计 准则 。按 此 准则 也 进行 疲 劳设计及 寿命 估算 ， 本依据 是零部件 、 其基 构
第 １期
郝 立红 ： 械零 件 常规疲 劳强度设 计方 法 的研究 机
推 ，３次循环 的 盯 ｎ ３对 材料 的损 伤 为 Ｄ ３ Ｎ 。 ｎ ／ ３
部 件结 构 的寿命 在理 论 上是 无 限 的 ， 这是 做早 的疲 劳设计 准则 ， 利用 这种准则 来进行设计 ， 常会造成零
行 了详 细 系统 的分 析 总结 ， 望 能对进 一步 深入 研 希 究起 到促进 作用 。
部 件或构 件尺寸较 大 ， 过于笨重 ， 但对长 时间运转 的 零 部件或 构件 ， 一准 则仍 是 一个 较好 的疲 劳设 计 这
截面中 ， 产生过大的残余变形或最终断裂。而疲 劳破坏是由于在零 部件 的高局部应力区 ， 较弱 的晶粒在变应力下形
成微 裂纹 ， 发 展 成 宏 观 裂纹 ， 纹 继 续扩 展 导 致 最终 的疲 劳 破 坏 。 然后 裂
关键 词： 机械零件 ； 常规 ； 应力集中； 设计方法 ； 疲劳强度
中 图分 类 号 ：Ｂ ４ Ｔ ７１
在机 械零 部件 和工程构 件的三种 主要 失效形式
疲 劳强度设 计 的方 法。 以对 数坐 标得 到 的 Ｓ—Ｎ曲
（ 损、 磨 腐蚀 、 断裂 ） ， 劳断裂 约 占机械 破 断事故 中 疲
中的 ５ ％ ～９ ％ ， 为疲 劳 断裂 多是 突 然 发生 的， ０ ０ 因 常会 导致灾难 性 的设备 损失 和人 身 事故 ， 社会 和 给
早地 掌握疲 劳强度 设 计 的基本 原 理和 方法 ， 在机 并 械设计 、 制造 、 材料 、 艺分 析运 行 和维修 等 各个 环 工
节 中予 以运用 ， 就会 防 止或 大大 减少 设备 疲 劳断 裂
事 故 的发 生 ， 到巨大 的经 济和社会效 益 。 收 针对 机 械零 部件 常 规疲 劳强 度 的研 究 现状 ， 进