機械設(shè)計精品課件疲勞強度PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1機械設(shè)計精品課件疲勞強度機械設(shè)計精品課件疲勞強度2-1 概 述材料疲勞的兩種類別一、交變應(yīng)力的描述(Parameters of variable stress)(1)非對稱循環(huán)變應(yīng)力tmaxminma應(yīng) 力 幅：a=(max-min)/2平均應(yīng)力：m=(max+min)/2應(yīng)力循環(huán)特性：r= min /max(-1 r +1)(2) 脈動循環(huán)變應(yīng)力t(3)對稱循環(huán)變應(yīng)力t最大應(yīng)力： max 最小應(yīng)力： minmin =0 ；m =a r= min /max =0m =0 ；max =a= -minr= min /max= -1第1頁/共42頁 概 述規(guī)律性變幅循環(huán)應(yīng)力隨機循環(huán)應(yīng)力循環(huán)應(yīng)

2、力分為：恒幅循環(huán)應(yīng)力變幅循環(huán)應(yīng)力對稱循環(huán)應(yīng)力脈動循環(huán)應(yīng)力非對稱循環(huán)應(yīng)力規(guī)律性變幅循環(huán)應(yīng)力隨機循環(huán)應(yīng)力第2頁/共42頁2-1 概 述材料疲勞的兩種類別 循環(huán)應(yīng)力類型 循環(huán)特征 應(yīng)力特點 對稱循環(huán)應(yīng)力 脈動循環(huán)應(yīng)力 非對稱循環(huán)應(yīng)力 靜應(yīng)力 表2-1 幾種典型變應(yīng)力的循環(huán)特征和應(yīng)力特點1r0r)0( 11rr1rmaxmin0,ma minmax0,/2ammaxminmaxmin,22am0,amminmax當(dāng)零件受變切應(yīng)力作用時，只需將公式中的改成why零件的破壞形式及材料的極限應(yīng)力與零件所受的變應(yīng)力類型有關(guān)，所以弄清零件所受的變應(yīng)力的規(guī)律。 第3頁/共42頁2-1 概 述材料疲勞的兩種類別注意

3、：靜應(yīng)力只能由靜載荷產(chǎn)生，而變應(yīng)力可能由變載荷產(chǎn)生，也可能由靜載荷產(chǎn)生OatOta一定學(xué)會判斷應(yīng)力類型第4頁/共42頁2-1 概 述一、疲勞破壞疲勞破壞是循環(huán)應(yīng)力作用下零件的主要失效形式。 1、疲勞破壞 (Fatigue failure)疲勞破壞：變應(yīng)力、多次作用下，材料發(fā)生破壞疲勞破壞特 征：小應(yīng)力:持續(xù)性:敏感性:突發(fā)性:變應(yīng)力最大值低于材料靜強度限變應(yīng)力多次作用對材料、幾何形狀敏感突然斷裂曲軸斷裂內(nèi)源斷裂疲勞破壞過 程：裂紋萌生裂紋擴展最終瞬斷實例第5頁/共42頁 概 述疲勞斷口特征：疲勞區(qū)和脆性斷裂區(qū)。 脆性斷裂區(qū)疲勞區(qū)疲勞源疲勞紋疲勞破壞的機理：疲勞破壞是一個損傷累積的過程，需要時間

4、，壽命可計算。 影響因素：不僅與材料性能有關(guān)，變應(yīng)力的循環(huán)特性， 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，應(yīng)力幅都對疲勞極限有很大影響。第6頁/共42頁 概 述曲軸疲勞斷裂斷口特征返回裂紋源區(qū)第7頁/共42頁 2-2 疲勞曲線和極限應(yīng)力圖rN一、疲勞曲線（ - N 曲線） )(NNmax)(max疲勞極限，循環(huán)特征為r的循環(huán)變應(yīng)力下應(yīng)力循環(huán)N次后材料不發(fā)生疲勞破壞時的最大應(yīng)力 稱為材料的疲勞極限。疲勞壽命（N）材料疲勞失效前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N1、疲勞曲線：應(yīng)力循環(huán)特性一定時，材料的疲勞極限與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)之間關(guān)系的曲線No 循環(huán)基數(shù) 持久極限BA310第8頁/共42頁 2-2 疲勞曲線和極限應(yīng)力圖材料的疲勞曲線rN

5、N（Curve of fatigue ）N0有限壽命區(qū)無限壽命區(qū)ABCrNNoN0循環(huán)基數(shù)m、C系數(shù)CNmrN r rN1rN2N1N2rN01031）有限壽命區(qū) 當(dāng)N103(104)高周循環(huán)疲勞當(dāng) 時隨循環(huán)次數(shù)疲勞極限043)10(10NN l注意：有色金屬和高強度合金鋼無無限壽命區(qū)。2）無限壽命區(qū)0NN N持久極限對稱循環(huán)：脈動循環(huán)：0011l3）疲勞曲線方程)10(10(043NN BA310第10頁/共42頁 2-2 疲勞曲線和極限應(yīng)力圖l疲勞極限幾點說明： m指數(shù)與應(yīng)力與材料的種類有關(guān)。l鋼 m=9拉、彎應(yīng)力、剪應(yīng)力 m=6接觸應(yīng)力l青銅 m=9彎曲應(yīng)力 m=8接觸應(yīng)力l No 硬度

6、350HBS鋼， No=107l 350HBS鋼， No=(10 - 25)x107l有色金屬(無水平部分)，規(guī)定當(dāng)No25x107時,近似為無限壽命區(qū)壽命系數(shù)第11頁/共42頁材料疲勞曲線和極限應(yīng)力圖5）無限壽命設(shè)計： N N0 時的設(shè)計。取 。 注：1）計算 時，如 N ，則取 N 。NK0N0N 2）工程中常用的是對稱循環(huán)應(yīng)力（ =-1）下的疲勞極限，計 算時，只須把 和 換成 和 即可。N1N13）對于受切應(yīng)力的情況，則只需將各式中的 換成 即可。 4）當(dāng)N （ ）時，因 N 較小，可按靜強度計算。 lim6）有限壽命設(shè)計： N N0 時的設(shè)計。取 。 limrN310410 應(yīng)力循環(huán)

7、特性越大，材料的疲勞極限與持久極限越大，對零件強度越有利。對稱循環(huán)（應(yīng)力循環(huán)特性=-1）最不利第12頁/共42頁材料疲勞曲線和極限應(yīng)力圖N事1第13頁/共42頁451, 0A)2,2(00B0 ,bCamo材料疲勞曲線和極限應(yīng)力圖二、材料 極限應(yīng)力圖am定義：在疲勞壽命N 一定時，表示疲勞極限 與應(yīng)力比 之間關(guān)系的線圖。 N下圖為疲勞壽命為 （無限壽命）時的極限應(yīng)力圖 am0N無限壽命極限應(yīng)力線maHow l 對任何材料（標準試件），對不同的應(yīng)力循環(huán)特性下有不同的持久極限，即該材料的最大應(yīng)力 ，再由應(yīng)力循環(huán)特性可求出 、 、maxminmmaxa極限第14頁/共42頁451, 0A)2,2(0

8、0Bamo45D0,sG三個特殊點: A、B、C 分別對應(yīng)對稱循環(huán)、脈動循環(huán)、以及靜應(yīng)力下的極限應(yīng)力點。 極限應(yīng)力點：極限應(yīng)力線上的點。表示某個應(yīng)力比下的極限應(yīng)力am疲勞強度線AD段的方程為： 1ma式中：0012等效系數(shù) 疲勞曲線和極限應(yīng)力圖ma屈服強度線)(ams材料的簡化極限應(yīng)力線圖：對于高塑性鋼，常將其極限應(yīng)力線簡化為折線 ABDG 。可根據(jù)材料三個試驗數(shù)據(jù) 和 而作出01,s其值見教材P18。DG段方程為：amswhich 第15頁/共42頁451, 0A)2,2(00Bamo45D0,sG疲勞強度線疲勞曲線和極限應(yīng)力圖ma屈服強度線)(ams說明：表2-2 等效系數(shù)、值 如果材料承

9、受的實際工作應(yīng)力點落在折線ADG以內(nèi)，最大應(yīng)力即不超過疲勞極限又不超過 ，則不會發(fā)生破壞，且工作應(yīng)力點距離折線越遠越安全。如工作應(yīng)力點落在ADG折線以外，就會發(fā)生破壞。s表中數(shù)值表明：平均應(yīng)力對疲勞強度的影響，合金鋼比碳鋼大。第16頁/共42頁451, 0A)2,2(00Bamo45D0,sG疲勞強度線疲勞曲線和極限應(yīng)力圖ma屈服強度線)(ams、值 直線 上各點表示的極限應(yīng)力所對應(yīng)的疲勞壽命是相等的，都等于循環(huán)基數(shù)AD0NA 從給材料造成損傷的角度考慮，其上每個非對稱循環(huán)極限應(yīng)力與點表示的對稱循環(huán)極限應(yīng)力（ ）都是等效的。 1ma推論：任何一個非對稱循環(huán)應(yīng)力（ ， ）也都可以找到一個與之等效

10、的對稱循環(huán)應(yīng)力。 該等效對稱循環(huán)應(yīng)力的應(yīng)力幅 用表示， aeaeam 等效處理：把非對稱循環(huán)疲勞問題轉(zhuǎn)化成對稱循環(huán)疲勞問題加以解決 備用第17頁/共42頁疲勞曲線和極限應(yīng)力圖對于低塑性鋼或鑄鐵，其極限應(yīng)力線可簡化為直線AC。451, 0A)2,2(00B0 ,bCamo 對于切應(yīng)力，只需將各式中的 換成 即可。11amrrb1b第18頁/共42頁材料疲勞曲線和極限應(yīng)力圖事11畫圖 第19頁/共42頁451, 0A)2,2(00Bamo45D0,sG疲勞強度線疲勞曲線和極限應(yīng)力圖ma屈服強度線)(ams、值 事1事2考試第20頁/共42頁451, 0A)2,2(00Bamo45D0,sG疲勞強度

11、線疲勞曲線和極限應(yīng)力圖ma屈服強度線)(ams、值 事1事2結(jié)果解析法),(amN第21頁/共42頁 機械零件上的應(yīng)力集中會加快疲勞裂紋的形成和擴展。從而導(dǎo)致零件的疲勞強度下降。2-3 影響零件疲勞強度的主要因素 前邊提到的各疲勞極限 ，實際上是材料的力學(xué)性能指標，是用試件通過試驗測出的。 而實際中的各機械零件，與標準試件在形體，表面質(zhì)量以及絕對尺寸等方面往往是有差異的。因此實際機械零件的疲勞強度與用試件測出的必然有所不同。 影響零件疲勞強度的主要因素有以下三個： 一、應(yīng)力集中的影響 用疲勞缺口系數(shù) 、 （也稱應(yīng)力集中系數(shù)）計入應(yīng)力集中的影響 。（ 、 的值見教材或有關(guān)手冊） KKKK、（第2

12、2頁/共42頁2-3 影響零件疲勞強度的主要因素11kk11kk（ ）無應(yīng)力集中試件的對稱循環(huán)彎曲（扭轉(zhuǎn)剪切）疲勞極限。 11( ）有應(yīng)力集中試件的對稱循環(huán)彎曲（扭轉(zhuǎn)剪切）疲勞極限。1K1K注：其值不僅與零件幾何形狀和相對尺寸有關(guān)，而且還與零件材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。 當(dāng)同一剖面上同時有幾個應(yīng)力集中源時，應(yīng)采用其中最大的疲勞缺口系數(shù)進行計算。第23頁/共42頁 表面質(zhì)量：是指表面粗糙度及其表面強化的工藝效果。表面越光滑，疲勞強度可以提高。強化工藝（滲碳、表面淬火、表面滾壓、噴丸等）可顯著提高零件的疲勞強度。用表面狀態(tài)系數(shù) 、 計入表面質(zhì)量的影響。 影響零件疲勞強度的主要因素二、尺寸的影響 零件

13、的尺寸越大，在各種冷、熱加工中出現(xiàn)缺陷，產(chǎn)生微觀裂紋等疲勞源的可能性（機會）增大。從而使零件的疲勞強度降低。 用尺寸系數(shù) 、 ，計入尺寸的影響。 （ 、 見教材或手冊 ）三、表面質(zhì)量的影響 11 、 標準尺寸試件的對稱循環(huán)彎曲（扭轉(zhuǎn)剪切）疲勞極限。 1111 、 與試件應(yīng)力集中相同的某種尺寸零件的對稱循環(huán)彎曲（扭轉(zhuǎn)剪切）疲勞極限。 11第24頁/共42頁 影響零件疲勞強度的主要因素綜合影響系數(shù) 試驗證明：應(yīng)力集中、尺寸和表面質(zhì)量都只對應(yīng)力幅有影響，而對平均應(yīng)力沒有明顯的影響。（即對靜應(yīng)力沒有影響） 在計算中，上述三個系數(shù)都只計在應(yīng)力幅上，故可將三個系數(shù)組成一個綜合影響系數(shù)：DKK DKK 11

14、11KDKDKK零件的疲勞極限為： 循環(huán)應(yīng)力11標準表面狀態(tài)試件的對稱循環(huán)疲勞極限。 某種表面狀態(tài)零件的對稱循環(huán)疲勞極限。 11備用 第25頁/共42頁屈服強度線1, 0A)2,2(00BamoD0,sGD 2-4 受恒幅循環(huán)應(yīng)力時零件的疲勞強度 疲勞強度設(shè)計的主要內(nèi)容之一是計算危險剖面處的安全系數(shù)，以 判斷零件的安全程度。安全條件是：S 。 S一、受單向應(yīng)力時零件的安全系數(shù) 零件的極限應(yīng)力圖： 疲勞強度線DK2020BDK1A 折線 即為零件的極限應(yīng)力線。 GDA注：由于DG段屬于靜強度，而靜強度不受 的影響，故不需修正。DK第26頁/共42頁受恒幅循環(huán)應(yīng)力時零件的疲勞強度 計算零件的疲勞強

15、度時，應(yīng)首先求出零件危險剖面上的工作應(yīng)力 和 。據(jù)此，在極限應(yīng)力圖中標出工作應(yīng)力點N（ ， ）。在零件的極限應(yīng)力線 上確定出相應(yīng)的極限應(yīng)力點，根據(jù)該極限應(yīng)力點表示的極限應(yīng)力和零件的工作應(yīng)力計算零件的安全系數(shù)。 GDAmama 零件工作應(yīng)力的增長規(guī)律不同，則相應(yīng)的極限應(yīng)力點也不同。 典型的應(yīng)力增長規(guī)律通常有三種： 疲勞強度線 的方程為：DA1maDK式中： 、 為 上任意點的坐標即零件的極限應(yīng)力分量。 DArmra3、1、 C（常數(shù)）；ma2、 ；CmCmin事1事2要素1要素2極限應(yīng)力圖方程1第27頁/共42頁amo0,sGDA),(amN),(am1N應(yīng)力增長規(guī)律線 C 規(guī)律下的極限應(yīng)力點m

16、a1、 C（常數(shù)）（即 常數(shù)）ma 通過原點和工作應(yīng)力點 N 的射線即表示此種應(yīng)力增長規(guī)律。 應(yīng)力增長規(guī)律線與零件極限應(yīng)力線的交點 即為相應(yīng)的極限應(yīng)力點。1N 根據(jù)工作應(yīng)力和 點表示的極限應(yīng)力即可計算零件的安全系數(shù)。1N按最大應(yīng)力計算的安全系數(shù)為：amamSmaxS受恒幅循環(huán)應(yīng)力時零件的疲勞強度minmax1111maammaamCrC第28頁/共42頁mO45E A ),0(1cA )2,2(00 KC a)0(,SD ),(amM ),(rarmM 疲勞強度區(qū)OAE靜強度區(qū)OED1M ),(amN ),(rarmN （1）工作應(yīng)力點),(amM -由載荷、結(jié)構(gòu)求得minmax 、極限應(yīng)力線

17、圖分析（2）極限應(yīng)力點),(rarmM rmrar max由工作應(yīng)力點及對應(yīng)的加載規(guī)律確定M 第29頁/共42頁amo0,sGDA),(amN),(am1N應(yīng)力增長規(guī)律線 C 規(guī)律下的極限應(yīng)力點mama1amammaxDKSS受恒幅循環(huán)應(yīng)力時零件的疲勞強度,aammrrC1maDK疲勞強度區(qū)： 1mmDamrK 1aaDamrK 事1事2得1得1aeDamK 看成是一個與原來作用的非對稱循環(huán)工作應(yīng)力 等效的對稱循環(huán)應(yīng)力，由于是對稱循環(huán)，所以它是一個應(yīng)力幅 。 第30頁/共42頁),(am1N應(yīng)力增長規(guī)律線 C 規(guī)律下的極限應(yīng)力點ma受恒幅循環(huán)應(yīng)力時零件的疲勞強度,aammrrC屈服強度區(qū)： 事

18、2得11maxaaarrONOKSSONOHlimmaxmasSS在工程設(shè)計中，當(dāng)難以確定零件工作應(yīng)力增長規(guī)律時，一般可按應(yīng)力規(guī)律第31頁/共42頁受恒幅循環(huán)應(yīng)力時零件的疲勞強度注：1）應(yīng)力增長規(guī)律為 時，按應(yīng)力幅計算的安全系數(shù) 等與按最大應(yīng)力計算的安全系數(shù)。aSCma 2）如按圖解法求安全系數(shù)，則ONONSS1a2、 （常數(shù)）Cmamo0,sGDA),(amN應(yīng)力增長規(guī)律線),(am1N規(guī)律下的極限應(yīng)力點Cm3）如極限應(yīng)力點落在 上，則需計算靜強度GD例題考 應(yīng)力在增長過程中，平均應(yīng)力保持不變，如車輛的減振彈簧，平均應(yīng)力由車的重量產(chǎn)生，振動又產(chǎn)生了對稱循環(huán)應(yīng)力。 第32頁/共42頁1maDK

19、受恒幅循環(huán)應(yīng)力時零件的疲勞強度amo0,sGDA),(amN應(yīng)力增長規(guī)律線),(am1N規(guī)律下的極限應(yīng)力點Cmmmr疲勞強度區(qū)： 1maDrk 得按最大應(yīng)力計算的安全系數(shù)及安全條件為 1max()()DmmamaDamrrrKSSK按應(yīng)力幅計算的安全系數(shù)及安全條件為 a1maaDaraSSK 屈服強度區(qū)： limmaxmasSSNOHmCMM2ADGN2a第33頁/共42頁注：對于有限壽命設(shè)計問題，須將各式中的 和 換成 N 次 循環(huán)下的條件疲勞極限 和 受恒幅循環(huán)應(yīng)力時零件的疲勞強度11)(11NNK)(11NNK第34頁/共42頁3、 （常數(shù)）Cmin受恒幅循環(huán)應(yīng)力時零件的疲勞強度amo0

20、,sGDA),(amN應(yīng)力增長規(guī)律線),(am1N45mamarr如氣缸和液壓缸上的聯(lián)結(jié)螺栓，其最小應(yīng)力由預(yù)緊力產(chǎn)生，保持不變。 1maDK疲勞強度區(qū)： 按最大應(yīng)力計算 1minmaxmin2()()(2)DmamaDarrrKSSK按應(yīng)力幅計算 1min()aaaaDarSSK 屈服強度區(qū)： 第35頁/共42頁二、受復(fù)合應(yīng)力下的安全系數(shù)1 塑性材料受彎扭復(fù)合應(yīng)力時的安全系數(shù)22SSSSS式中： 、為單向恒幅循環(huán)應(yīng)力下的安全系數(shù)。SS2 低塑性和脆性材料受彎扭復(fù)合應(yīng)力時的安全系數(shù)SSSSS受恒幅循環(huán)應(yīng)力時零件的疲勞強度非對稱循環(huán)無限壽命設(shè)計 1DamSK 1DamSK 非對稱循環(huán)有限壽命設(shè)計 1DamNSK 1DamNSK 第36頁/共42頁oN1231n2n3n0NBA2-5 受變幅循環(huán)應(yīng)力時零件的疲勞強度本節(jié)只介紹規(guī)律性變幅循環(huán)應(yīng)力下的疲勞強度計算方法。一、Miner 法則疲勞損傷線性累積假說1N2N3N 由最大應(yīng)力分別為 、 、 的三個恒幅循環(huán)應(yīng)力構(gòu)成的規(guī)律性變幅循環(huán)應(yīng)力，如右圖所示。123累積循環(huán)次數(shù)疲勞壽命iiNn壽命損傷率 顯然，在 的單獨作用下，i當(dāng) ， 壽命損傷率1 時，就會發(fā)生疲勞破壞。iiNn 第37頁/共42頁受變幅循環(huán)應(yīng)力時零件的疲勞強度Minger法則：在規(guī)律性變幅循