机械零件常规疲劳强度设计方法的研究
第三章 机械零件的疲劳强度计算
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机械设计 第三章 机械零件的疲劳强度计算
机械设计
3.2 材料的疲劳特性
3.2.1 材料的疲劳曲线
表示N次循环和疲劳极限间的关系曲线，称为疲劳曲线。
机械设计
曲线的BC段，随着循环次数的增加， 使材料疲劳破坏的最大应力不断下降。 C点相应的循环次数大约为104。把这一 阶段的疲劳现象称为应变疲劳。由于 应力循环次数相对很少，所以也叫低 周疲劳。
机械设计 第三章 机械零件的疲劳强度计算
机械设计
当N≥104时，称为高周循环疲劳。曲
线CD代表有限疲劳阶段。D点对应的 疲劳极限ND称为循环基数，用N0表示。 曲线CD段上任何一点所代表的疲劳极 限，称为有限寿命疲劳极限。
机械设计
1.稳定循环变应力
1) 对称循环变应力
最大应力σmax和最小应力σmin的
绝对值相等而符号相反
即σmax＝-σmin
例如，转动的轴上作用一方向 不变的径向力，则轴上各点的弯曲 应力都属于对称循环变应力
机械设计 第三章 机械零件的疲劳强度计算
机械设计
2) 脉动循环变应力 脉动循环变应力中
σmin＝0
劳极限。连接A′、D′得
直线A′D′
机械设计 第三章 机械零件的疲劳强度计算
机械设计
取C点的坐标值等于材料的 屈服极限σS，并自C点作一直 线与直线CO成45°的夹角， 交A′D′的延长线于 G′， 则CG′上的任何一
浅谈机械零件的疲劳强度
浅谈机械零件的疲劳强度内容摘要机械零件因生产制造不合格而毁坏，是造成机械设备运行出现异常的首要缘故。
在机械设备运作历程中，机械零件通过高温、高压等各种原因影响，产生衰老、损坏这些。
因此在机械零件的生产过程中，就必须对机械零件自身品质严格把关，尤其是对机械零件疲劳强度要良好掌握。
文中就提升机械零件疲劳强度的措施探讨，明确提出几个提议。
关键词：机械零件；疲劳强度；措施机械零件因生产制造不合格而毁坏，是造成机械设备运行出现异常的首要缘故。
在机械设备运作历程中，机械零件通过高温、高压等各种原因影响，产生衰老、损坏这些。
因此在机械零件的生产过程中，就需要对机械零件自身品质严格把关，尤其是对机械零件疲劳强度要良好掌握。
文中就提升机械零件疲劳强度的措施探讨，明确提出几个提议。
1 影响机械零件疲劳强度的因素1.1 应力集中的影响一切构造，像发动机轴、盘、机匣等都必然地存有阶梯、打孔、棒槽等造成横截面基因突变的地区。
当构造承受力时，在这种地区便会发生部分内应力集中扩大的状况，称之为应力集中。
很多疲惫毁坏安全事故和实验结果显示，疲惫源一直产生在应力集中的地区，应力集中使构造的疲劳强度减少，对疲劳强度有很大的影响，并且是影响疲劳强度众多要素中起关键功能的一个要素。
例如，法国陨星号飞机场便是由于整体机身枷钉孔处的应力集中造成气密性驾驶舱开裂而坠毁；原苏联设计的米文件格式飞机场就发生过很多飞机翼承重梁根处地脚螺栓孔处的疲惫裂痕；一IS发动机预制构件的疲惫裂痕大多数发生在有应力集中的斜角或健槽处这些。
1.2 表面状态的影响试样的制取技术对疲劳强度有较大影响，这一点早就在年就由不一样的专家学者表明了，那时候就已确立，试件表层上即使发生微小的伤疤也会使钢的疲劳强度显着降低。
进一步的研究表明，各种各样钢的疲惫特性所受表层问题的影响不一样。
钢的抗压强度愈高，缺点是疲劳强度减少愈大。
1.3 尺寸的影响尺寸对疲劳强度的不良影响的表述具体有内应力集中梯度方向的影响。
机械零件的疲劳强度设计
累积循环次数
疲劳寿命
－－寿命损伤率
显然，在 的单独 作用下，
当 ， 寿命损伤率＝1 时，就会发生疲劳破坏。
受变幅循环应力时零件的疲劳强度
Minger法则：在规律性变幅循环应力中各应力的作用下，损伤是独 立进行的，并且可以线性地累积成总损伤。当各应力的寿命损伤率 之和等于1时，则会发生疲劳破坏。
即：
上式即为Miner法则的数学表达式，亦即疲劳损伤线性累积假说。
注：在计算时，对于小于 的应力，可不考虑。
二、疲劳强度设计
损伤等效
根据Miner法则，将规律性变幅循环应力 等效恒幅循环应力
（简称等效应力）
－－等效应力的大小 －－等效循环次数
受变幅循环应力时零件的疲劳强度
在计算中，上述三个系数都只计在应力幅上，故可将三个系数 组成一个综合影响系数：
零件的疲劳极限为：
用表面状态系数 、 计入表面质量的影响。
（ 、 的值见教材或有关手册 ）
屈服强度线
§2-4 受恒幅循环应力时零件的疲劳强度
疲劳强度设计的主要内容之一是计算危险剖面处的安全系数，以 判断零件的安全程度。安全条件是：S ≥ 。
概 述
C）疲劳破坏是一个损伤累积的过程，需要时间。寿命可计算。 d) 疲劳断口分为两个区：疲劳区和脆性断裂区。
二、循环应力的类型
脆性断裂区
疲劳区
疲劳源
疲劳纹
循环应力可用smax 、 smin 、 sm 、 sa 、 这五个参数中的任意两个参 数表示。
概 述
规律性变幅循环应力
按最大应力计算的安全系数为：
≥
受恒幅循环应力时零件的疲劳强度
受恒幅循环应力时零件的疲劳强度
注：1）应力增长规律为 时，按应力幅计算的安全系数 等与按最大应力计算的安全系数。
机械设计中的疲劳强度分析
机械设计中的疲劳强度分析在机械设计领域，疲劳强度是一个至关重要的考量因素。
当机械零部件在循环载荷作用下工作时，即使所承受的应力远低于材料的屈服强度，经过一定的循环次数后，也可能会发生突然的断裂，这种现象被称为疲劳失效。
疲劳失效是机械零件和结构失效的主要形式之一，它往往会带来严重的后果，如设备损坏、生产停滞甚至人员伤亡。
因此，在机械设计过程中，对疲劳强度进行准确的分析和评估具有极其重要的意义。
要理解疲劳强度，首先需要了解疲劳破坏的特点。
与静态载荷下的破坏不同，疲劳破坏具有以下几个显著特征。
其一，疲劳破坏是在循环载荷作用下逐渐发展的，其破坏过程通常经历了裂纹萌生、裂纹扩展和最终断裂三个阶段。
在初始阶段，微观裂纹在材料表面或内部的缺陷处形成，随着循环次数的增加，裂纹逐渐扩展，直到达到临界尺寸时发生突然的断裂。
其二，疲劳破坏时，零件所承受的最大应力通常远低于材料的抗拉强度，甚至可能低于屈服强度。
这是因为疲劳破坏是由循环应力引起的累积损伤导致的，而不是一次性的过载。
其三，疲劳破坏对零件的表面状态和内部缺陷非常敏感。
零件表面的粗糙度、划痕、腐蚀等都会加速疲劳裂纹的萌生和扩展，而内部的夹杂物、气孔等缺陷也会降低材料的疲劳强度。
那么，如何对机械零件的疲劳强度进行分析呢？目前，常用的方法主要有两种：试验法和分析法。
试验法是通过对实际零件或试样进行疲劳试验来确定其疲劳强度。
这种方法直观可靠，但成本较高，且试验周期长。
在疲劳试验中，通常将试样或零件在特定的加载条件下进行循环加载，直到发生疲劳破坏。
通过记录加载次数和应力水平，可以得到零件的疲劳寿命曲线，即 SN 曲线。
SN 曲线反映了应力水平与疲劳寿命之间的关系，是评估零件疲劳强度的重要依据。
然而，由于试验条件的限制，试验法往往难以完全模拟零件在实际工作中的复杂载荷和环境条件。
分析法则是基于材料的力学性能和零件的几何形状、载荷条件等，通过理论计算或数值模拟来预测零件的疲劳强度。
机械工程中的疲劳分析与寿命预测研究
机械工程中的疲劳分析与寿命预测研究在机械工程领域中，疲劳分析和寿命预测是非常重要的研究方向。
这两个方面的研究对于确保机械零部件的可靠性和持久性至关重要，对于提高机械设备的工作效率和使用寿命起到重要作用。
疲劳分析是指对材料或结构在交变载荷作用下的疲劳破坏进行分析和评估。
在实际工程中，机械零部件和结构往往会受到频繁的载荷作用，长期以来这也是导致机械元件失效的主要原因之一。
因此，疲劳分析的研究对于在设计过程中预测并避免疲劳破坏具有重要意义。
在疲劳分析中，首先需要对材料的疲劳性能进行研究与评估。
这包括了材料的疲劳极限、疲劳寿命、疲劳强度等指标的测定。
疲劳性能的研究和评估是通过试验和模拟计算相结合的方法进行的。
试验过程中，需要对材料样品进行交变载荷的加载并记录其变形和破坏情况，通过统计学方法对实验数据进行处理，推导出材料的疲劳性能指标。
而模拟计算则使用有限元分析等数值方法，将材料的应力应变状态模拟出来，并据此进行预测和评估。
疲劳寿命的预测是疲劳分析的核心内容之一。
通过对材料进行疲劳试验，得到疲劳寿命与载荷幅值之间的关系，可以建立起寿命预测模型。
寿命预测模型可以用于评估机械零部件在不同载荷情况下的使用寿命和可靠性，帮助优化设计和改进材料选择。
寿命预测模型的建立需要考虑多个因素，包括材料的强度、韧性、疲劳裂纹扩展机制等。
通过综合考虑这些因素，可以建立出较为准确的预测模型，提高机械设备的可靠性和使用寿命。
除了疲劳分析和寿命预测，机械工程中还有一些其他的研究方法和技术可以确保机械设备的可靠性。
例如，使用材料疲劳的抗疲劳性能较好，具有较长的使用寿命，可以提高机械设备的可靠性。
此外，机械工程师还可以通过改变结构的设计和制造工艺，减少应力集中，提高机械零部件的强度和韧性，从而降低疲劳破坏的风险。
另外，定期的维护和保养也是确保机械设备可靠性的重要措施之一，可以在设备使用过程中发现并修复潜在的问题。
综上所述，机械工程中的疲劳分析和寿命预测研究对于确保机械零部件的可靠性和使用寿命具有重要意义。
机械结构的疲劳特性测试与分析方法研究
机械结构的疲劳特性测试与分析方法研究导言：疲劳是机械结构中最常见的失效模式之一。
了解机械结构的疲劳特性，对于提高其可靠性和寿命具有重要意义。
本文将探讨机械结构的疲劳特性测试与分析方法的研究，旨在为工程师提供一些方法与思路。
疲劳特性测试：1. 构件表面应力分析机械结构在工作过程中会承受不同方向的应力，而应力是导致疲劳破坏的主要原因。
通过使用应力分析仪器，如应变计和应力计，可以测量和分析机械结构在工作条件下的表面应力分布情况。
2. 疲劳强度试验疲劳强度试验是了解机械结构的抗疲劳能力的关键方法之一。
通过在试验台上加载不同幅度和频率的载荷，可以模拟真实工作条件下的疲劳载荷。
在试验过程中，记录并分析结构是否发生破裂或变形，来评估其疲劳强度。
3. 声发射测试声发射测试是一种无损检测方法，可用于监测机械结构中的裂纹或损伤的形成和扩展情况。
通过分析声发射信号的频率和幅度，可以判断结构是否发生了疲劳破坏。
疲劳特性分析方法：1. 线性疲劳损伤累积线性疲劳损伤累积方法基于线性累积原理，将疲劳寿命预测为一系列载荷循环引起的微小疲劳损伤之和。
通过测量和分析载荷的频率和应力幅度，可以预测结构的疲劳寿命。
2. 非线性疲劳损伤累积非线性疲劳损伤累积方法考虑了载荷循环过程中应力幅度的变化，能够更准确地预测机械结构的疲劳寿命。
该方法通常使用应力-寿命曲线和等效应力法来描述非线性疲劳损伤的变化规律。
3. 疲劳断裂力学疲劳断裂力学是研究机械结构在疲劳加载下破裂行为的一门学科。
通过分析结构的应力场和裂纹扩展行为，可以预测结构在疲劳加载下发生破裂的位置和时间。
结论：机械结构的疲劳特性测试与分析方法的研究对于提高结构的可靠性和寿命具有重要意义。
通过实施疲劳特性测试，我们可以了解结构的应力分布和承受能力，进而根据不同的分析方法预测结构的疲劳寿命。
这些研究成果将为工程师在设计和制造中提供可靠的指导和依据。
希望未来能有更多的研究和探索，提升机械结构的疲劳特性研究水平，促进机械工程的进步与发展。
第2章机械零件的疲劳强度计算机械设计课件
作σ
自用盘编号JJ321002
r∞
，通常用N0次数下的σ r取代，σ r值由实验得到。
σ
rN
轻合金材料的循环基数通常取为： N0≈2.5×108 σ
r
0
N0
N
图2—5 轻合金材料的σ—N曲线 N0称为循环基数，对应的疲劳极限σ r称为该材料的疲
劳极限。 对于钢材：当HB≤350时：N0≈106~107；
α
σ
、α
τ
——理论应力集中系数，查教材P39 ~ P41附表
自用盘编号JJ321002
3—1 ~ 附表3—3或查手册和其它资料。 若一个剖面上有几个不同的应力集中源，则零件的疲劳 强度由各kσ （kτ ）中的最大值决定。
3、尺寸效应的影响 材料的疲劳强度极限是对一定尺寸的光滑试件进行实验 得出的，考虑到零件尺寸和试件的尺寸不同，其疲劳强度 也不一样，故引入一个尺寸系数ε： 1d 1d 直径d的 ; 1 1 标准试件的 εσ 、ετ的值可查教材P42 ~ P43附图3—2、3—3，附 表3—7或查手册及有关资料。 4、表面质量的影响 零件表面的加工质量，对疲劳强度也有影响，加工表面 的粗糙度值越小，应力集中越小，疲劳强度越高。因此引 入一个表面质量系数β 来考虑零件表面的加工质量不同对 疲劳强度的影响。 β可查教材P44附图3—4
max
自用盘编号JJ321002
min r max
称r为应力循环特性，表示了变应力 的变化性质。
σa σ r=-1
r=-1 t
σ
r=0 t t r=+1 t + σm
t 左边区域： σ 压应力为主， Ⅱ区： 零件在压缩 - 1 ＜ r ＜0 变应力时破 σ 坏的情况较 Ⅰ区： 少，故不予 0 ＜r ＜+ 1 以分析。 45° - σm σ 0 0
机械零件课程中的疲劳试验设计及分析
机械零件课程中的疲劳试验设计及分析张旦闻α摘 要 在机械零件的教学中开设了一个可观测疲劳全过程的试验,拍摄了各阶段典型疲劳裂纹形貌的教学图片.介绍了这项试验的实施和试验内容,分析了这项试验对机械零件课程教学的联系与作用.关键词 疲劳试验,机械零件,试验课分类号 G 642;T G 111.8在机械零件课程的教学过程中,变载荷作用下机械零件的疲劳失效分析和计算问题贯穿于整个教学内容之中,成为机械零件课程教学的重点和难点,学生对于基本疲劳理论的理解和对疲劳的感性认识非常重要.但纵观机械专业教学的全过程,始终没有针对疲劳问题开设相应试验来加强学生对于这一概念的理解和认识.而在以静力学为主的材料力学的教学过程中,有关疲劳的试验教学几乎是空白.学生在进入机械零件等专业课程有关疲劳的分折、计算和工艺设计的学习过程中,往往会感到学习困难、吃力、缺乏灵活运用和综合分析的能力,教学效果受到影响.综上所述,在机械零件课程中开设紧扣教学内容的疲劳试验十分必要.初步的教学实践表明:这样能激发学生对机械设计课程的学习兴趣,进一步提高学习效率和教学质量,简化课堂教学内容,加深了学生对疲劳问题的实践认识,为从事其它机械设计打下基础.开设疲劳试验的困难在于疲劳裂纹是在材料内部发生的,用于科学研究的接触疲劳试验只能得到最终的试验数据和疲劳剥落外貌,而不能对疲劳发展过程进行连续观测,因而不宜将这种试验直接引入到教学中去.为此我们要对试验设备和试样进行改造,围绕教材和课堂教学制订试验教学内容,促进机械零件教学质量更进一步提高.1 试验设备及试样结构接触疲劳试验是在改进的JPM —1型接触疲劳试验机上进行的.由于试验时间短(1小时以内),可去掉冷却装置.为简化操作,我们省去了灵敏度自动控制系统,使其运转简单可靠、维护方便.对试样的结构改进尤为重要,将原来对称式试样改为非对称式结构,如图1所示,其目的是使疲劳裂纹发生外端的圆柱面上,以便观测.在接触应力的作用下试样的疲劳裂纹首先在预先抛光过的外端面上产生并扩展,通过定时停机,取下试样,对裂纹进行显微观测,使学生了解疲劳裂纹的萌生、扩展过程,裂纹在不同应力作用下的扩展第13卷第2期1998年6月 洛阳大学学报JOU RNAL O F LUO YAN G UN I V ER S IT Y V o l .13N o.2Jun . 1998α作者单位:洛阳大学机械工程系,河南省洛阳市,471000收稿日期:1998—03—05图1 试样结构速度以及硬度对疲劳寿命的影响等.2 接触疲劳试验内容试样的工作应力ΡH设在高应力区(如材料为GC r15为3500M Pa左右).试样预先作端面金相抛光处理,具体试验内容和步骤如下:(1)在试验加载运行10分钟后,卸下试样、用有机溶剂清洗试样抛光表面,然后在金相显微镜下寻找试样端面次表层(距接触表1mm内的环形区域)的裂纹.选择2至3个裂纹作为观测对象,并在试样相应位置上作上记号以便下一次对同一裂纹作跟踪观测.裂纹在萌生扩展阶段的形态如图2所示.(2)在裂纹扩展阶段、测量裂纹的扩展速度.当机器以恒速运行条件下,测量裂纹长度与时间的关系.(3)比较不同硬度的试样在相同应力状态下裂纹扩展速度和疲劳寿命的区别或比较相同试样在不同应力下裂纹扩展速度的不同.图2 裂纹在萌生扩展阶段的形态3 试验与教学内容的联系首先,根据试验观测,疲劳裂纹起源于材料的缺陷部位,这种缺陷以冶金夹杂物为・9・洛阳大学学报 1998主[1].裂纹萌生时间占试样疲劳寿命的10%左右,而裂纹的扩展期较长,从裂纹进入扩展直至疲劳断裂所对应的时间占试样疲劳寿命的90%左右[2].由此说明:材料的内部缺陷诱发裂纹产生,而裂纹的扩展以及裂纹之间的相互连通最终导致疲劳点蚀1因此,减少材料内部缺陷对疲劳寿命至关重要.冶金夹杂物的数目是随着零件尺寸的增大而增加,这就对机械零件疲劳强度计算中引入绝对尺寸系数ΕΡ,ΕΣ(螺拴和轴疲劳强度计算中的尺寸系数Ε以及齿轮弯曲疲劳强度计算中的尺寸系数Y x 的必要性加以论证.第二,通过试验观察,学生了解到疲劳裂纹起源于接触面的次表层上,进而向表面扩展.说明这种表面失效形式与试样表面机械性能有密切的联系1在选择齿轮材料的基本要求、疲劳失效分析、提高齿轮抗疲劳点蚀能力的措施以及润滑油粘度选择等内容的教学中,就可通过试验加以生动的说明.需要说明的是:硬度和韧性之间有一个合理组合的问题并不是一味提高硬度就一定能提高接触疲劳强度.轴承钢只有当HRC =62时接触疲劳强度最高,而硬度过高其接触疲劳强度有所下降[3].第三,试样卸载后其内部的裂纹随下一次加载而继续扩展,直至断裂的现象是疲劳损伤积累理论的一个佐证.在学习“把非稳定变应力(Ρi ,n i )转化成稳定变应力(Ρ,n e )后就使得应力Ρ循环n e 与诸应力Ρi 各自循环n i 次对材料所造成的损伤相当”[4]的计算理论时,学生就容易接受和理解,减少了这一部分的教学难度.在处理复杂载荷作用下的机械零件疲劳强度的问题时就不再困难了.4 疲劳试验课程安排由于疲劳试验的特殊性,试验前实验教师应将试验机、试样、金相显微镜准备好.试样可按不同硬度、不同材料分成2～3组.试验应力设置在快速疲劳区,使试样的疲劳寿命在30～50分钟左右(也可以在试验前对试样进行抛光,加载运行产生合适的裂纹后,再由学生继续试验).显微镜为200倍和50倍两种,并配以测微目镜以便读数.每班分成2～3组,开机10分钟后,第一组进行试样观测,第二组换上不同试样在相同或不同应力下试验.以此循环直至试样疲劳破坏.实验教师2名,一个负责疲劳实验机,指导学生正确的使用和安装试样.另一名负责金相抛光和显微观测.实验教师在实验前结合典型的疲劳裂纹图片进行讲解说明,根据实验内容提出实验的基本要求和注意事项,布置思考题,进一步加深对课堂理论概念的理解.任课教师可结合实验数据、图片在不同章节对实验结果进一步的分析,在学生具备一定实践的认识以后,课堂教学内容适当精简,调动学生的自学能力,通过课堂讨论、讲评达到教学目的.由于疲劳实验与教材的不同章节、不同研究对象发生联系.需要教师在实验安排和实验内容上结合教材与实验教师密切合作,组织好疲劳实验和裂纹观测这两个环节,就一定能达到预期的实验教学目的.参考文献1 陈清.金属热处理学报,1989(12)2 邵尔玉.W EA R ,1990,(12)3 吴宗泽.机械零件1中央广播电视大学出版社,19934 曹仁政.机械零件.北京:冶金工业出版社,1985・19・第2期 张旦闻:机械零件课程中的疲劳试验设计及分析 Fa tigue Test D esign and Ana lysis of M echan ica l Parts CourseZhang D anw ei(D epartm en t in M echan ical Engineering )AB STRA CT In m echan ical parts cou rse ,a test on ob servab le fatigue p rocess is offered .T each ing charts of typ ical fatigue crack ing fo r m are sho t .T he enfo rcem en t and con ten ts of th is test are in troduced .A nd the teach ing connecti on and acti on to m echan i 2cal p arts cou rse fo r th is test are analyzed .KEY W ORD S fatigue test ,m echan ical parts ,test cou rse(上接80页)The CA I Teach i ng Sof tware i n GraphCourse of Eng i neer i ng Spec i a l ityYu L ili(D epartm en t of E lectron ic Engineering )AB STRCT A cco rding to teach ing charateristics of grap h cou rse fo r engineering speciality ,u sing A u to CAD as developm en t p latfo r m ,an i m p lem en tati on of design ing CAD is pu t fo r w ard .KEY W ORD S com pu ter softw are ,CA I ,exam inati on questi on s bank ・29・洛阳大学学报 1998。
机械零件的疲劳强度计算
机械零件的疲劳强度计算1.疲劳强度计算基础疲劳强度计算的基础是疲劳试验数据。
通过疲劳试验，可以得到不同应力水平下的应力与循环寿命的关系，即疲劳试验曲线。
然后通过统计方法，计算出零件在极限寿命设计条件下的疲劳强度。
2.标准疲劳曲线标准疲劳曲线是指确定零件疲劳强度的一种方法。
根据标准疲劳曲线，可以通过查表或计算，得到具体应力水平下的寿命和强度。
3.应力集中系数机械零件在实际工作中常常存在应力集中现象。
应力集中系数是考虑应力集中对零件疲劳强度影响的一个修正系数。
根据零件形状和载荷条件，可以确定相应的应力集中系数，从而修正零件的疲劳强度。
4.疲劳裕度系数疲劳裕度系数是指零件的实际应力与允许应力之比。
疲劳裕度系数是确定零件设计是否合理的一个重要参数。
如果疲劳裕度系数小于1，说明零件存在疲劳强度不足的风险；如果疲劳裕度系数大于1，说明零件在设计寿命内连续运行是安全的。
5.SN曲线法SN曲线法是一种常用的疲劳强度计算方法，通过试验或经验得到不同应力水平下的应力与寿命关系，即SN曲线。
通过与实际应力相比较，可以得到零件的寿命。
6.工程应力法工程应力法是一种简化的疲劳强度计算方法。
该方法根据零件在实际工况中的应力分布情况，选择合适的应力部位，计算得到平均应力，然后根据SN曲线法得到寿命。
7.有限元分析方法有限元分析方法是一种基于数值模拟的疲劳强度计算方法。
通过建立零件的有限元模型，并给定边界条件和载荷条件，可以计算出零件的应力分布情况。
然后通过与SN曲线法相结合，得到零件的疲劳寿命。
总之，机械零件的疲劳强度计算是一个复杂的工作，需要深入研究零件的应力分布、载荷条件、材料性能以及疲劳试验数据等方面，综合运用不同的计算方法和理论，以保证零件在实际工作条件下的安全性和可靠性。
机械零件的疲劳强度设计
数值模拟
使用计算机模型模拟零件受 循环载荷后的疲劳行为。
统计分析
通过分析样本数据，推导疲 劳寿命的概率分布。
疲劳试验与数据分析
1
试验设计
制定疲劳试验方案，包括加载方式、载荷幅值和试验样本数。
2
试验执行
进行疲劳试验，记录试验数据，如载荷响应和失效时间。
3
数据分析
对试验数据进行统计分析，得出寿命曲线和可靠性评估。
疲劳强度设计是确保机械零件可靠性和安 全性的关键步骤。
疲劳强度设计的工度钢。
几何设计
优化零件几何形状，减少应力集中和裂纹生成的可能性。
加工和热处理
精确控制加工过程和热处理参数，提高零件的疲劳强度和寿命。
案例分析及总结
案例1 案例2 总结
通过疲劳强度设计，延长了某机械组件的 使用寿命。
疲劳断裂导致一架飞机的事故，强调了疲 劳强度设计的重要性。
机械零件的疲劳强度设计
欢迎来到本次精彩的演讲！我们将探讨机械零件的疲劳强度设计，包括定义、 重要性、原因及机理、寿命评估方法、试验与数据分析、工程实践和案例分 析。
机械零件疲劳强度的定义
1 什么是疲劳强度？
疲劳强度是指机械零件在循环加载下能够承受的最大应力水平。
2 为什么疲劳强度重要？
了解疲劳强度有助于预测零件的寿命和避免意外损坏。
3 如何计算疲劳强度？
疲劳强度可以通过诸如疲劳极限、材料强度、载荷频率等参数的计算得出。
疲劳断裂的原因及机理
原因
• 不适当的设计 • 材料缺陷 • 过载或振动
机理
• 疲劳裂纹的生成和扩展 • 应力集中导致断裂 • 裂纹逐渐扩展导致零件失效
疲劳寿命评估方法
试验法
通过对零件进行疲劳试验来 评估其寿命。
机械零件疲劳强度若干问题的研究共3篇
机械零件疲劳强度若干问题的研究共3篇机械零件疲劳强度若干问题的研究1机械零件疲劳强度若干问题的研究随着现代工业的不断发展，机械零件的质量和性能也越来越受到关注。
疲劳强度是机械零件的一个十分重要的性能指标，对于机械零件的使用寿命和安全性有着至关重要的影响。
本文将从多个方面探讨机械零件疲劳强度的若干问题。
一、定义与分类疲劳强度指机械零件在交变载荷作用下能够承受的循环载荷次数的能力。
疲劳强度的计算是通过寻找一个等效应力而实现的，等效应力能够使这个零件承受的最大动态应力与静态应力等效，并且在动态载荷加载时的峰值等效于静载荷时的应力水平。
基于不同零件的应用环境和使用条件，疲劳强度可以分为不同的类型：低周疲劳、中周疲劳和高周疲劳。
二、影响因素机械零件疲劳强度的大小和性质受到多个因素的影响，其中一些最常见的因素包括：1.载荷水平和类型：所承受的载荷类型和水平，是影响疲劳强度的最重要因素之一。
疲劳强度随载荷的增大而降低，且不同类型的载荷对零件的疲劳强度的影响是不同的。
2.零件材料的特性：材料的强度、韧性、塑性、硬度等特性将直接影响疲劳强度。
通常来说，较高的强度和韧性意味着更高的疲劳强度。
3.制造过程和工艺：制造过程和加工工艺也会对机械零件的疲劳强度产生影响。
疏松、氧化、裂纹和缺陷等都会导致零件的疲劳强度下降。
4.使用环境和条件：工作环境的温度、湿度、腐蚀性等也能影响机械零件的疲劳强度。
同时，安装方式、动态应力和弯曲角度等因素也都会影响到机械零件的疲劳强度。
三、疲劳强度测试与研究方法机械零件疲劳强度测试是对机械零件的耐久性能进行评估的过程。
如今，有许多不同的测试方法和技术，可以用于研究机械零件的疲劳强度。
其中一些最常用的方法包括：1.拉伸试验：拉伸试验是一种常见的疲劳强度测试方法，可以用于测试材料的强度和延展性等性质。
2.旋转疲劳试验：旋转疲劳试验是一种经典的疲劳测试方法，尤其适用于轴承和齿轮的疲劳强度测试。
3.弯曲疲劳试验：弯曲疲劳试验可以用于测试梁、桥梁、飞机翼和汽车车身等的疲劳强度。
疲劳试验及其分析方法的研究与应用
疲劳试验及其分析方法的研究与应用近年来，汽车、飞机、机械等领域的发展极大地促进了人类的经济和社会进步，然而，这些高精密机械的使用却不可避免地带来了一系列涉及工程安全和健康的问题。
其中之一就是疲劳损伤。
事实上，所有材料都会经历疲劳，而重复载荷、弯曲、扭曲和震动通常是导致零件损坏的原因，进而导致事故发生。
因此，疲劳性分析变得至关重要，研究整个系统的耐久性，为工程师提供预测和防止各种疲劳现象的方法。
本文将重点介绍疲劳试验及其分析方法的研究与应用。
一、疲劳基础疲劳是由于物体在反复受到应力的作用下，经过一定次数的加载后发生异常损伤和断裂，在实际生产过程中给机械设备带来很大危害。
因此，在进行耐久性设计过程中，必须进行疲劳强度试验。
通过对构件的疲劳破坏试验分析，可以获得相应的材料、零件等物理学性质，并且能够在逐渐确定其受力下，量化分析其疲劳威胁度，以找到有效的解决方案，提高机械设备的耐久性。
二、疲劳试验方法为更好的分析疲劳效应，需要对本质的疲劳特性进行测试，并在进行疲劳寿命分析时，将这些测试中积累的数据加以利用和处理。
目前，常见的疲劳试验方法主要有6种：载荷控制疲劳试验、应变控制疲劳试验、力量降低疲劳试验、一定应力幅疲劳试验、弛豫疲劳试验和复合式疲劳试验。
您可以根据具体需要选择不同的试验方法，在其基础上结合系统化、定量地分析和处理数据，得到更具有实际意义的结果。
三、疲劳分析方法尽管疲劳试验是对材料性质的重要评估，但对于机械结构的安全性而言，疲劳分析却是更为重要的。
采用现代计算机-辅助分析技术，先将载荷历史数据转化成应力-时间/应变-时间曲线，再对其进行计算与分析，可以计算出疲劳寿命及其他性能指标。
在此基础上，结合因素分析、分类分析、回归分析等方法，以全面地预测疲劳损伤。
四、疲劳试验的应用疲劳试验不仅可以应用于机械设备 fatigue testing，而且在其他领域发挥重要作用。
例如，在汽车和气体轮机制造商中，疲劳试验可用于确保主要部件（如油泵）有足够的工作寿命;涉及到机械基础的交通运输装置，如铁路车辆和飞机，疲劳试验可以全面评估其长期安全管理的有效性;而在纺织品、食品工业和医疗工业等行业中，疲劳测试也是非常有用的。
常用的机械疲劳分析方法
常用的机械疲劳分析方法名义应力法名义应力法是以结构的名义应力为试验和寿命估算的基础，采用雨流法取出一个个相互独立、互不相关的应力循环，结合材料的S -N曲线，按线性累积损伤理论估算结构疲劳寿命的一种方法。
基本假定：对任一构件（或结构细节或元件），只要应力集中系数KT相同，载荷谱相同，它们的寿命则相同。
此法中名义应力为控制参数。
该方法考虑到了载荷顺序和残余应力的影响，简单易行。
但该种方法有两个主要的不足之处：一是因其在弹性范围内研究疲劳问题，没有考虑缺口根部的局部塑性变形的影响，在计算有应力集中存在的结构疲劳寿命时，计算误差较大；二是标准试样和结构之间的等效关系的确定十分困难，这是由于这种关系与结构的几何形状、加载方式和结构的大小、材料等因素有关。
正是因为上述缺陷，使名义应力法预测疲劳裂纹的形成能力较低，且该种方法需求得在不同的应力比R和不同的应力集中因子KT下的S-N曲线，而获得这些材料数据需要大量的经费。
因而，名义应力法只适用于计算应力水平较低的高周疲劳和无缺口结构的疲劳寿命。
近年来，名义应力法也在不断的发展中，相继出现了应力严重系数法(S.ST)、有效应力法、额定系数法(DRF) 等。
2局部应力-应变法局部应力一应变法的基本思想是根据结构的名义应力历程，借助于局部应力-应变法分析缺口处的局部应力。
再根据缺口处的局部应力，结合构件的S-N曲线、材料的循环。
一曲线、E -N曲线及线性累积损伤理论，估算结构的疲劳寿命。
基本假定：若一个构件的危险部位（点）的应力一应变历程与一个光滑小试件的应力一应变历程相同，则寿命相同。
此法中局部应力一应变是控制参数。
局部应力一应变法主要用于解决高应变的低周疲劳和带缺口结构的疲劳寿命问题。
该方法的特点是可以通过一定的分析、计算，将结构上的名义应力转化为缺口处的局部应力和应变。
它可以细致地分析缺口处的局部应力和应变的非线性关系，可以考虑载荷顺序和残余应力对疲劳寿命的影响。
机械零件的疲劳强度
机械零件的疲劳强度1. 引言疲劳是机械零件在长期循环载荷下发生破坏的一种现象。
在工程实践中，对机械零件的疲劳强度进行准确评估和预测是至关重要的。
本文将介绍机械零件的疲劳强度及其评估方法。
2. 疲劳强度的定义疲劳强度是指材料在循环载荷作用下承受的最大应力达到相应标准下的寿命。
在机械零件的设计和使用中，疲劳强度决定了零件的可靠性和寿命。
3. 影响疲劳强度的因素疲劳强度受多种因素影响，包括材料的性能、应力水平、循环载荷的频次、温度等。
以下是影响疲劳强度的主要因素：3.1 材料的性能材料的强度、韧性、硬度、断裂韧性等性能对疲劳强度有重要影响。
一般情况下，强度越高、韧性越佳的材料具有更高的疲劳强度。
3.2 应力水平应力水平是指机械零件在工作状态下承受的最大应力值。
应力水平越高，机械零件的疲劳强度相应较低。
3.3 循环载荷的频次循环载荷的频次是指机械零件在工作过程中受到应力循环的次数。
频次越高，机械零件的疲劳强度相应较低。
3.4 温度温度对材料的性能有直接影响，高温会导致材料的强度降低，从而影响疲劳强度。
4. 评估疲劳强度的方法为了准确评估机械零件的疲劳强度，工程师可以采用以下几种方法：4.1 经验公式法经验公式法是基于实验数据和经验公式来评估疲劳强度的一种方法。
通过统计分析和归纳，可以得到适用于不同材料和零件的经验公式，并进行计算和预测。
4.2 数值模拟方法数值模拟方法是利用计算机建立机械零件的有限元模型，并通过有限元分析软件对零件进行疲劳强度分析。
该方法可以较精确地评估零件的疲劳强度，但需要依赖于准确的材料性能和载荷条件。
4.3 实验方法实验方法是通过设计和进行疲劳试验来评估机械零件的疲劳强度。
通过在实验中施加不同的载荷条件和监测零件的变形和破坏情况，可以获得零件的疲劳强度。
5. 结论机械零件的疲劳强度是一个复杂的问题，在机械设计和使用中具有重要的意义。
疲劳强度的评估可以通过经验公式法、数值模拟方法和实验方法来进行。
机械设计之机械零件的疲劳强度PPT(31张)
3.3 影响机械零件疲劳强度的主要因素
1、应力集中的影响 k ，k
2、尺寸的影响 ， 3、表面状态的影响 ，
， 4、综合影响系数
k
D
k
k
D
k
应力集中、尺寸和表面状态都只对 a 有影响，而对 m影响不大
tga 1rconst m 1r
r=1 tg 0 00
r=0 tg 1 450
r=-1 tg 900
零件的工作应力C（ m ， a ）， m + a = max ，C点距O愈远,
max 愈大，但 ≤ max r 零件才不
会破坏。
3.1 疲劳断裂的特征
在交变应力作用下零件
主要失效形式之一为疲劳断
轴
裂。
发生过程：ຫໍສະໝຸດ 交变 应力表面小 裂纹应力 集中
裂纹 扩展
宏观疲 劳纹
初始裂纹
疲劳区 (光滑) 粗糙区
局部 b
断裂
反复 作用
表3.1
3.2 疲劳曲线和疲劳极限应力图
3.2.1 疲劳极限
在一定的循环特性r下，变应力循环N次后，不发
N N0
KN
m N0 N
1
N N0 K N =1 rN r
注意点：
1） rN ， rH 与 rN 相似
2） N 0 为循环基数，与材料有关
3） r不同，同一材料疲劳曲线不同
2. 无限寿命区 N N0
疲劳曲线为一水平线，疲劳极限不随N的增加而降低。
3.2.3 极限应力图 m a（表示材料在不同的循环特性
（b）工作点位于塑性安全区：
机械零件的疲劳强度
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02
LgσrN
N0
03
04
σr
σrN
m lgN0 lgN
05
N
06
lgN
07
m
08
1
lgrNlgr
❖ 2.循环基数Ｎ０ 据材料性质不同Ｎ０取值也不同。通常金属的 Ｎ０取为107，随着材料的硬度↑，Ｎ０↑。有色金属及高强度合 金钢的疲劳曲线没有无限寿命区。
❖ ３. 不同循环特性ｒ时的疲劳曲线如图所示，ｒ↑→σrN↑、 （τrＮ↑）
a(kkN)D1(k1)Dm
21 0 0
m
m
a
a
m
m
a
a
a
(k
kN1 )D
m a
Saaa(k)DkNa1amkNa1eSa
2(ks )D
C m, a
c1
c
' 1
塑性安全区
O
H
G
机械设计中的材料疲劳性能研究
机械设计中的材料疲劳性能研究材料疲劳性能是机械设计中一个重要的研究方向，它对于保证机械设备的安全可靠运行具有重要意义。
疲劳是指在循环载荷下，材料在应力水平远远低于其屈服强度的情况下会发生破裂的现象。
因此，准确评估材料的疲劳性能，对于提高机械设备的使用寿命和安全性具有重要影响。
一、材料疲劳的基本概念与过程材料疲劳是由应力的交变引起的，也就是机械元件在交变载荷作用下所产生的疲劳破坏。
在材料的应力-应变曲线中，材料在应力达到屈服强度之前发生塑性变形，当塑性变形较大时，疲劳寿命会明显缩短。
材料的疲劳损伤通常通过疲劳寿命、疲劳极限等参数来评价。
材料的疲劳过程可分为初期导致损伤的裂纹形成阶段、裂纹扩展阶段和极限破坏阶段。
在初期阶段，由于应力的集中和应力的交变，材料表面会出现微小的裂纹。
随着时间的推移，这些裂纹会扩展并蔓延到整个材料构件中。
最终，在材料失去足够强度以支持承载时，裂纹会发展至极限，造成材料的完全破坏。
二、材料疲劳性能的评估方法为了准确评估材料的疲劳性能，科学家和工程师们发展了多种方法和实验技术。
其中之一是应力-寿命曲线（SN曲线）的绘制。
这种方法通过在特定应力水平下进行一系列循环载荷实验，并记录下载荷循环次数和材料失效的寿命，然后将这些数据绘制成曲线。
通过分析SN曲线的特征，可以得出材料的疲劳行为和疲劳寿命。
另一种常用的评估方法是通过振动试验机进行振动疲劳实验。
在这种实验中，机械零件会受到往复振动的作用，模拟实际工作条件下的循环载荷。
通过记录载荷的振幅、频率和循环次数，可以评估材料的疲劳性能，并估计其寿命。
三、材料疲劳性能的影响因素材料的疲劳性能受多种因素的影响。
首先是材料的物理和力学性质，如强度、硬度、韧性等。
这些性质直接决定了材料在循环载荷下的承载能力和耐久性。
此外，材料的微观结构和组织对疲劳性能也有重要影响。
晶格缺陷、晶粒尺寸和晶体取向等因素都可能导致材料在疲劳过程中的损坏和破坏。
除了材料本身的性质外，外部环境和工作条件也会对材料的疲劳性能产生影响。
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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 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
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
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 和生产 的迅 速
发展 ， 对各 种机 械设 备 的需求 量将逐 年增 加 。所 以 ，
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
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
第２卷 ７Байду номын сангаас
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
２ ７
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
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
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
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
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
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
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
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 ，