机械零件计算的管理分析准则设计.pptx
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机械零件整体断裂中，80%属于疲劳断裂
2．表面破坏
表面磨粒磨损、胶合、疲劳点蚀、腐蚀磨损、表面压溃、表面塑性流动等
3．变形量过大
弹性变形 塑性变形
4．破坏正常工作条件引起的失效
有些零件只有在一定的工作条件下才能正常地工作。如带传动和摩擦 轮传动，高速转动的零件
▪ 同一种零件发生失效的形式可能有数种
齿轮的失效形式有：轮齿折断、齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损、齿 面或齿体塑性变形、齿轮其他部分的破坏 ▪ 主要失效形式将由零件的材料、具体的结构及工作条件等决定
▪ 工作能力
零件不发生失效时的安全工作的限度 ▪ 同一种零件可能有数种不同的失效形式，显然，起决定作用的将是承载
能力中的较小值
二、机械零件的计算准则
▪ 计算准则——用于计算并确定零件基本尺寸的主要依据
▪ 常用的计算准则有：
1．强度准则
强度是零件在载荷作用下抵抗整体断裂、表面接触疲劳及塑性变形的 能力
2．刚度准则
[ ]
[
]
刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力
y [y]
3．寿命准则
影响零件寿命的主要失效形式：腐蚀、磨损、疲劳
腐蚀寿命、磨损寿命 没有提出实用有效的或通行的定量计算的方法
▪ 第Ⅱ段：正常使用阶段 失效的发生是随机性的，失效率则表现为一常数
▪ 第Ⅲ段：损坏阶段 由于长时间的使用而使零件发生磨损、疲劳等原因，使失效率急剧增加
第二节 静应力下机械零件的强度计算
一、载荷及应力的分类
1．载荷的分类
▪ 静载荷
大小和方向不随时间变化或变化缓慢的载荷
▪ 变载荷
随时间作周期性变化或非周期性变化的载荷
•平均应力：
m
max
min 2
•应力幅：
a
max
2
min
•应力循环特性
用来表示应力的变化情况
σ σa σa σmin
r σmin σ max
σmax σm
t
2）典型变应力及应力循环特性r
σ
σ
σ =常数 t
a）静应力：r= +1 变应力特例σ源自σaσa σmin
σm σmax t
b）非对称循环变应力r
▪ 分离变量并积分，得
▪即
t
l(t)dt
N dN ln N
ln R
0
N N0
N0
t
R
l (t )dt
e 0
▪ 浴盆曲线
零件或部件的失效率l（t）与时间t
的关系，一般是用试验的方法求得
▪ 该曲线分为三段：
▪ 第Ⅰ段：早期失效阶段 失效率由开始的很高的数值急剧地 下降到某一稳定的数值 原因是零、部件中所存在的初始缺 陷
疲劳寿命计算 通常是求出使用寿命时的疲劳极限来作为计算的依据
4．耐磨性准则
耐磨性是指磨损过程中材料抵抗脱落的能力 —— 采用条件性计算
▪ 滑动速度低，载荷大时 可只限制工作表面的压强p
p [ p]
—— 防止过快磨损
▪ 滑动速度u 较高时 还要限制摩擦功耗
pu [ pu]
—— 防止加剧磨损或胶合
f
p
▪ 设一批相同零件的件数为N0，如在t 时间后仍有N件在正常地工作， 则此零件在工作时间t 的可靠度R
R N N0
▪ 零件的可靠度是时间的函数
▪ 如果时间t到t+dt的间隔中，又有dN件零件发生失效，则 在此时间间隔内失效的比率
l(t) dN / dt
N
式中： l（t）称为失效率，负号表示dN的增大将使N减小
极限应力绘制简化疲劳极限线图 6、掌握变应力下机械零件的疲劳强度安全系数校核计算方
法 7、了解接触疲劳强度的概念和接触应力的计算方法
重点内容
1、机械零件的失效分析 2、静应力下机械零件强度计算准则、计算应力、材
料极限应力和安全系数的确定 3、疲劳现象及其断口特征、疲劳曲线及其表达式 4、线性疲劳损伤积累理论及其表达式 5、材料极限线图的功用、常用的简化疲劳极限线图
▪ 名义载荷
根据机器原动机的额定功率或稳定和理想工作条件下的工作阻力，用力学公式计 算出作用在零件上的载荷
▪ 计算载荷
载荷系数K与名义载荷的乘积。 如FC=KF，PC=KP，TC=KT
▪ 载荷系数K（或工作情况系数）
概略估计实际载荷随时间作用的不均匀性、载荷在零件上分布的不均匀性及 其他因素的综合影响
2．应力的分类
▪ 静应力
不随时间变化或变化缓慢的应力，它只能在静载荷下产生
▪ 变应力
随时间变化的应力，它可由变载荷产生，也可由静载荷产生
稳定变应力
非对称循环变应力 脉动循环变应力
变应力
对称循环变应力
非稳定变应力
规律性非稳定变应力
无规律性非稳定变应力 （随机变应力）
1）变应力参数
•最大应力：σmax •最小应力：σmin
S S
lim
lim
[S ]
[
S
]
三、静应力下机械零件的强度
▪ 静应力下，零件的强度失效：塑性变形或断裂
1．塑性材料制成的零件
▪ 高速时 还要限制滑动速度u
u [u]
—— 防止加速磨损
5．振动稳定性准则
▪ 失稳 ▪ 零件的自振频率 f 与激振源的激振频率 fp 相等或相接近时，零件发生
共振的现象，即丧失振动稳定性
▪ 振动稳定性准则 使机器中各零件的自振频率与激振源的激振频率错开
6．可靠性准则
0.85 f f p
1.15 f
第二章 机械零件的计算 准则及强度计算
沈阳农业大学 工程学院 机械设计教研室
张祖立
基本要求
1、掌握载荷和应力的分类、含义及其确定方法 2、掌握静应力下零件的强度计算判据，计算应力，许用应
力和安全系数的确定方法 3、了解疲劳现象和疲劳曲线的来源、意义和用途 4、了解疲劳损伤积累的概念、意义及其应用 5、了解疲劳极限线图的来源、意义和用途，能根据材料的
在（+1～-1）间变化
σ
σa
σmax
t σmin
c）对称循环变应力r = -1
σa
σmax
σa
σm
t
d）脉动循环变应力r = 0
二、机械零件的强度判据
▪ 机械零件的强度判据的两种表达方式 1.危险截面处的最大应力小于或等于许用应力
[ ] [ ]
lim
[S
lim
]
[S ]
2.危险截面处的实际安全系数大于或等于许用安全系数
的绘制及其数学表达式 6、变应力下机械零件的疲劳强度计算
第一节 机械零件的 主要失效形式及计算准则
一、机械零件的主要失效形式
▪ 失效的概念
机械零件在规定的使用期间内，在规定的条件下，不能完成规定的功能 而丧失工作能力时
▪ 机械零件常见的失效形式: 1．整体断裂
静强度断裂 —— 静应力过大产生的 疲劳断裂 —— 变应力的反复作用下产生的
2．表面破坏
表面磨粒磨损、胶合、疲劳点蚀、腐蚀磨损、表面压溃、表面塑性流动等
3．变形量过大
弹性变形 塑性变形
4．破坏正常工作条件引起的失效
有些零件只有在一定的工作条件下才能正常地工作。如带传动和摩擦 轮传动，高速转动的零件
▪ 同一种零件发生失效的形式可能有数种
齿轮的失效形式有：轮齿折断、齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损、齿 面或齿体塑性变形、齿轮其他部分的破坏 ▪ 主要失效形式将由零件的材料、具体的结构及工作条件等决定
▪ 工作能力
零件不发生失效时的安全工作的限度 ▪ 同一种零件可能有数种不同的失效形式，显然，起决定作用的将是承载
能力中的较小值
二、机械零件的计算准则
▪ 计算准则——用于计算并确定零件基本尺寸的主要依据
▪ 常用的计算准则有：
1．强度准则
强度是零件在载荷作用下抵抗整体断裂、表面接触疲劳及塑性变形的 能力
2．刚度准则
[ ]
[
]
刚度是指零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力
y [y]
3．寿命准则
影响零件寿命的主要失效形式：腐蚀、磨损、疲劳
腐蚀寿命、磨损寿命 没有提出实用有效的或通行的定量计算的方法
▪ 第Ⅱ段：正常使用阶段 失效的发生是随机性的，失效率则表现为一常数
▪ 第Ⅲ段：损坏阶段 由于长时间的使用而使零件发生磨损、疲劳等原因，使失效率急剧增加
第二节 静应力下机械零件的强度计算
一、载荷及应力的分类
1．载荷的分类
▪ 静载荷
大小和方向不随时间变化或变化缓慢的载荷
▪ 变载荷
随时间作周期性变化或非周期性变化的载荷
•平均应力：
m
max
min 2
•应力幅：
a
max
2
min
•应力循环特性
用来表示应力的变化情况
σ σa σa σmin
r σmin σ max
σmax σm
t
2）典型变应力及应力循环特性r
σ
σ
σ =常数 t
a）静应力：r= +1 变应力特例σ源自σaσa σmin
σm σmax t
b）非对称循环变应力r
▪ 分离变量并积分，得
▪即
t
l(t)dt
N dN ln N
ln R
0
N N0
N0
t
R
l (t )dt
e 0
▪ 浴盆曲线
零件或部件的失效率l（t）与时间t
的关系，一般是用试验的方法求得
▪ 该曲线分为三段：
▪ 第Ⅰ段：早期失效阶段 失效率由开始的很高的数值急剧地 下降到某一稳定的数值 原因是零、部件中所存在的初始缺 陷
疲劳寿命计算 通常是求出使用寿命时的疲劳极限来作为计算的依据
4．耐磨性准则
耐磨性是指磨损过程中材料抵抗脱落的能力 —— 采用条件性计算
▪ 滑动速度低，载荷大时 可只限制工作表面的压强p
p [ p]
—— 防止过快磨损
▪ 滑动速度u 较高时 还要限制摩擦功耗
pu [ pu]
—— 防止加剧磨损或胶合
f
p
▪ 设一批相同零件的件数为N0，如在t 时间后仍有N件在正常地工作， 则此零件在工作时间t 的可靠度R
R N N0
▪ 零件的可靠度是时间的函数
▪ 如果时间t到t+dt的间隔中，又有dN件零件发生失效，则 在此时间间隔内失效的比率
l(t) dN / dt
N
式中： l（t）称为失效率，负号表示dN的增大将使N减小
极限应力绘制简化疲劳极限线图 6、掌握变应力下机械零件的疲劳强度安全系数校核计算方
法 7、了解接触疲劳强度的概念和接触应力的计算方法
重点内容
1、机械零件的失效分析 2、静应力下机械零件强度计算准则、计算应力、材
料极限应力和安全系数的确定 3、疲劳现象及其断口特征、疲劳曲线及其表达式 4、线性疲劳损伤积累理论及其表达式 5、材料极限线图的功用、常用的简化疲劳极限线图
▪ 名义载荷
根据机器原动机的额定功率或稳定和理想工作条件下的工作阻力，用力学公式计 算出作用在零件上的载荷
▪ 计算载荷
载荷系数K与名义载荷的乘积。 如FC=KF，PC=KP，TC=KT
▪ 载荷系数K（或工作情况系数）
概略估计实际载荷随时间作用的不均匀性、载荷在零件上分布的不均匀性及 其他因素的综合影响
2．应力的分类
▪ 静应力
不随时间变化或变化缓慢的应力，它只能在静载荷下产生
▪ 变应力
随时间变化的应力，它可由变载荷产生，也可由静载荷产生
稳定变应力
非对称循环变应力 脉动循环变应力
变应力
对称循环变应力
非稳定变应力
规律性非稳定变应力
无规律性非稳定变应力 （随机变应力）
1）变应力参数
•最大应力：σmax •最小应力：σmin
S S
lim
lim
[S ]
[
S
]
三、静应力下机械零件的强度
▪ 静应力下，零件的强度失效：塑性变形或断裂
1．塑性材料制成的零件
▪ 高速时 还要限制滑动速度u
u [u]
—— 防止加速磨损
5．振动稳定性准则
▪ 失稳 ▪ 零件的自振频率 f 与激振源的激振频率 fp 相等或相接近时，零件发生
共振的现象，即丧失振动稳定性
▪ 振动稳定性准则 使机器中各零件的自振频率与激振源的激振频率错开
6．可靠性准则
0.85 f f p
1.15 f
第二章 机械零件的计算 准则及强度计算
沈阳农业大学 工程学院 机械设计教研室
张祖立
基本要求
1、掌握载荷和应力的分类、含义及其确定方法 2、掌握静应力下零件的强度计算判据，计算应力，许用应
力和安全系数的确定方法 3、了解疲劳现象和疲劳曲线的来源、意义和用途 4、了解疲劳损伤积累的概念、意义及其应用 5、了解疲劳极限线图的来源、意义和用途，能根据材料的
在（+1～-1）间变化
σ
σa
σmax
t σmin
c）对称循环变应力r = -1
σa
σmax
σa
σm
t
d）脉动循环变应力r = 0
二、机械零件的强度判据
▪ 机械零件的强度判据的两种表达方式 1.危险截面处的最大应力小于或等于许用应力
[ ] [ ]
lim
[S
lim
]
[S ]
2.危险截面处的实际安全系数大于或等于许用安全系数
的绘制及其数学表达式 6、变应力下机械零件的疲劳强度计算
第一节 机械零件的 主要失效形式及计算准则
一、机械零件的主要失效形式
▪ 失效的概念
机械零件在规定的使用期间内，在规定的条件下，不能完成规定的功能 而丧失工作能力时
▪ 机械零件常见的失效形式: 1．整体断裂
静强度断裂 —— 静应力过大产生的 疲劳断裂 —— 变应力的反复作用下产生的