機(jī)械設(shè)計(jì)第三章機(jī)械零件的強(qiáng)度ppt課件

1、機(jī)械設(shè)計(jì)機(jī)械設(shè)計(jì)3 3機(jī)械零件的抗斷裂強(qiáng)度機(jī)械零件的抗斷裂強(qiáng)度 機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算 第三章第三章 機(jī)械零件的強(qiáng)度機(jī)械零件的強(qiáng)度機(jī)械零件的接觸疲勞強(qiáng)度機(jī)械零件的接觸疲勞強(qiáng)度機(jī)械的疲勞特性機(jī)械的疲勞特性 3.1 3.1 資料的疲勞特性資料的疲勞特性3.1.1 3.1.1 載荷與應(yīng)力載荷與應(yīng)力：大小和方向隨時(shí)不斷變化的載荷。：大小和方向隨時(shí)不斷變化的載荷。 如汽車齒輪箱中的齒輪、軸、軸承等所受的載荷均為變載荷。如汽車齒輪箱中的齒輪、軸、軸承等所受的載荷均為變載荷。：思索載荷的時(shí)間不均勻性、分布的不均勻性以及其它：思索載荷的時(shí)間不均勻性、分布的不均勻性以及其它 影影 響要素對(duì)

2、名義載荷進(jìn)展修正得到的載荷。響要素對(duì)名義載荷進(jìn)展修正得到的載荷。一、載荷一、載荷二、名義載荷與計(jì)算載荷二、名義載荷與計(jì)算載荷靜載荷靜載荷：大小和方向不隨時(shí)間變化或變化極緩慢的載荷。：大小和方向不隨時(shí)間變化或變化極緩慢的載荷。 如零件所遭到的重力、鍋爐穩(wěn)定任務(wù)時(shí)所遭到的壓力等。如零件所遭到的重力、鍋爐穩(wěn)定任務(wù)時(shí)所遭到的壓力等。變載荷變載荷名義載荷名義載荷Fn：根據(jù)額定功率用力學(xué)公式計(jì)算出作用在零件上的載荷。：根據(jù)額定功率用力學(xué)公式計(jì)算出作用在零件上的載荷。計(jì)算載荷計(jì)算載荷FcacanFK FK 載荷系數(shù)載荷系數(shù)3.1 3.1 資料的疲勞特性資料的疲勞特性三、應(yīng)力三、應(yīng)力 靜應(yīng)力靜應(yīng)力 變應(yīng)力變應(yīng)

3、力：指不隨時(shí)間變化或變化緩慢的應(yīng)力。：指不隨時(shí)間變化或變化緩慢的應(yīng)力。：指隨時(shí)間變化的應(yīng)力。：指隨時(shí)間變化的應(yīng)力。留意：留意：靜應(yīng)力只能由靜載荷產(chǎn)生。靜應(yīng)力只能由靜載荷產(chǎn)生。靜載荷和變載荷均能夠產(chǎn)生變應(yīng)力。靜載荷和變載荷均能夠產(chǎn)生變應(yīng)力。絕大多數(shù)機(jī)械零件都是處于變應(yīng)力形狀下任務(wù)的。絕大多數(shù)機(jī)械零件都是處于變應(yīng)力形狀下任務(wù)的。3.1 3.1 資料的疲勞特性資料的疲勞特性四、四、 變應(yīng)力的描畫變應(yīng)力的描畫 應(yīng)力比應(yīng)力比(循環(huán)特性循環(huán)特性)：maxminrr = -1對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力r=0脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力r=1靜應(yīng)力靜應(yīng)力 2minmaxm平均應(yīng)力：平均應(yīng)力：2minmaxa應(yīng)力幅值

4、：應(yīng)力幅值：-1，對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力，對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力=0，脈沖循環(huán)應(yīng)力，脈沖循環(huán)應(yīng)力1，靜應(yīng)力，靜應(yīng)力描畫規(guī)律性的變應(yīng)力有描畫規(guī)律性的變應(yīng)力有5 5個(gè)參數(shù)，但個(gè)參數(shù)，但其中只需兩個(gè)參數(shù)是獨(dú)立的。其中只需兩個(gè)參數(shù)是獨(dú)立的。疲勞曲線一、一、 s sN N 疲勞曲線疲勞曲線3.1.2 3.1.2 資料的疲勞曲線資料的疲勞曲線3.1 3.1 資料的疲勞特性資料的疲勞特性 應(yīng)力循環(huán)特性應(yīng)力循環(huán)特性 r r 一定的條件下，記錄出一定的條件下，記錄出在不同最大應(yīng)力在不同最大應(yīng)力maxmax下引起試件疲勞破壞所下引起試件疲勞破壞所閱歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)閱歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N N，即可得到，即可得到-N-N疲勞曲疲勞曲線線

5、。靜應(yīng)力強(qiáng)度靜應(yīng)力強(qiáng)度ABAB段：段：N103N103， max max幾乎不幾乎不隨隨N N變化，可近似看作是靜應(yīng)力強(qiáng)度。變化，可近似看作是靜應(yīng)力強(qiáng)度。 低周疲勞低周疲勞BCBC段：段：N maxN max。C C點(diǎn)對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)約為點(diǎn)對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)約為104104。有限壽命疲勞階段有限壽命疲勞階段CDCD段：實(shí)際證明大多數(shù)機(jī)械零件的疲勞發(fā)生在段：實(shí)際證明大多數(shù)機(jī)械零件的疲勞發(fā)生在CDCD段，可用段，可用下式描畫：下式描畫：rNrD)NN（無限壽命階段無限壽命階段D D點(diǎn)以后的程度線：點(diǎn)以后的程度線： D D點(diǎn)代表資料的無限壽命疲勞極限，用符號(hào)點(diǎn)代表資料的無限壽命疲勞極限，用符號(hào)rr表示，只

6、需表示，只需maxr maxr ，無論，無論N N為多大為多大, ,資料都不會(huì)破壞?？捎孟率矫璁嫞嘿Y料都不會(huì)破壞?？捎孟率矫璁嫞簃rNCD()NCNNNrNrN有限壽命疲勞極限；有限壽命疲勞極限；CC實(shí)驗(yàn)常數(shù)；實(shí)驗(yàn)常數(shù)；m m 資料常數(shù)。資料常數(shù)。N疲勞曲線(ND,r)3.1 3.1 資料的疲勞特性資料的疲勞特性 由于由于NDND很大，所以在作疲勞實(shí)驗(yàn)時(shí)，常很大，所以在作疲勞實(shí)驗(yàn)時(shí)，常規(guī)定一個(gè)循環(huán)次數(shù)規(guī)定一個(gè)循環(huán)次數(shù)N0(N0(稱為循環(huán)基數(shù)稱為循環(huán)基數(shù)) )mmrNr0NNC0NmNKN0rNrrNmNKNrr、N0N0及及mm的值由資料實(shí)驗(yàn)確定。的值由資料實(shí)驗(yàn)確定。資料的壽命系數(shù)資料的壽命系

7、數(shù)循環(huán)基數(shù)循環(huán)基數(shù)N0NDN0ND對(duì)應(yīng)的疲勞極限對(duì)應(yīng)的疲勞極限r(nóng) rr rmr0rNNNN疲勞曲線(ND,r)3.1 3.1 資料的疲勞特性資料的疲勞特性二、等壽命疲勞曲線極限應(yīng)力曲線二、等壽命疲勞曲線極限應(yīng)力曲線不同的應(yīng)力比時(shí)，疲勞極限的應(yīng)力幅與平均應(yīng)力之間的關(guān)系曲線。不同的應(yīng)力比時(shí)，疲勞極限的應(yīng)力幅與平均應(yīng)力之間的關(guān)系曲線。在工程運(yùn)用中，常將等壽命曲線用直線來近似替代。在工程運(yùn)用中，常將等壽命曲線用直線來近似替代。mamaxrmaxminm+=2maxmina2極限應(yīng)力線圖3.1 3.1 資料的疲勞特性資料的疲勞特性知知A A點(diǎn)坐標(biāo)：點(diǎn)坐標(biāo)：0 0，-1-1 D D點(diǎn)坐標(biāo)：點(diǎn)坐標(biāo)： 0/2

8、0/2，0/20/2A A直線的方程：直線的方程：101am021am 0012 試件受循環(huán)彎曲試件受循環(huán)彎曲應(yīng)力時(shí)的資料常數(shù)。應(yīng)力時(shí)的資料常數(shù)。碳鋼：碳鋼： 0.10.2 0.10.2；合金鋼：合金鋼： 0.20.3 0.20.3。知知C C點(diǎn)坐標(biāo)：點(diǎn)坐標(biāo)：S S ， 0 0 CG CG直線的斜率：直線的斜率： k=tan k=tan=-1=-1amsC C直線的方程：直線的方程：A A直線上恣意點(diǎn)代表了一定循環(huán)特性時(shí)的疲勞極限。直線上恣意點(diǎn)代表了一定循環(huán)特性時(shí)的疲勞極限。C C直線上恣意點(diǎn)的最大應(yīng)力到達(dá)了屈服極限應(yīng)力。直線上恣意點(diǎn)的最大應(yīng)力到達(dá)了屈服極限應(yīng)力。3.1 3.1 資料的疲勞特性

9、資料的疲勞特性 正好落在正好落在AGCAGC折線上時(shí)，表示應(yīng)折線上時(shí)，表示應(yīng)力剛好到達(dá)疲勞破壞的極限值。力剛好到達(dá)疲勞破壞的極限值。 當(dāng)應(yīng)力點(diǎn)落在當(dāng)應(yīng)力點(diǎn)落在OAGCOAGC以外時(shí)，以外時(shí)，一定會(huì)發(fā)生疲勞破壞。一定會(huì)發(fā)生疲勞破壞。 當(dāng)循環(huán)應(yīng)力參數(shù)當(dāng)循環(huán)應(yīng)力參數(shù) m m，a a 落在落在OAGCOAGC以內(nèi)時(shí)，以內(nèi)時(shí)，表示不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。表示不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。疲勞破壞的判據(jù)：疲勞破壞的判據(jù)：3.2 3.2 機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算一、影響零件疲勞強(qiáng)度的主要要素一、影響零件疲勞強(qiáng)度的主要要素應(yīng)力集中應(yīng)力集中零件尺寸零件尺寸外表形狀外表形狀qkK111k -應(yīng)力集中系數(shù)；應(yīng)力集

10、中系數(shù)； -尺寸系數(shù)；尺寸系數(shù)； -外表質(zhì)量系數(shù)；外表質(zhì)量系數(shù)；q -外表強(qiáng)化系數(shù)。外表強(qiáng)化系數(shù)。綜合影響系數(shù)綜合影響系數(shù): : 由于實(shí)踐零件的幾何外形、尺寸大小、加工質(zhì)量及強(qiáng)化要素等與資料由于實(shí)踐零件的幾何外形、尺寸大小、加工質(zhì)量及強(qiáng)化要素等與資料規(guī)范試件有區(qū)別，使得零件的疲勞極限要小于資料規(guī)范試件的疲勞極限。規(guī)范試件有區(qū)別，使得零件的疲勞極限要小于資料規(guī)范試件的疲勞極限。由于零件外形忽然變化而引起的部分應(yīng)力增大景象。由于零件外形忽然變化而引起的部分應(yīng)力增大景象。應(yīng)力集中的存在會(huì)降低零件的疲勞極限。應(yīng)力集中的存在會(huì)降低零件的疲勞極限。其他條件一樣的情況下，零件的絕對(duì)尺寸越大，其疲勞強(qiáng)度其他條

11、件一樣的情況下，零件的絕對(duì)尺寸越大，其疲勞強(qiáng)度越低。越低。零件的外表形狀包括外表粗糙度和外表處置。零件的外表形狀包括外表粗糙度和外表處置。零件外表的強(qiáng)化處置、提高零件外表的光滑程度，可以提高零件外表的強(qiáng)化處置、提高零件外表的光滑程度，可以提高零件的疲勞強(qiáng)度。零件的疲勞強(qiáng)度。11eK二、零件的極限應(yīng)力線圖二、零件的極限應(yīng)力線圖還可表示資料對(duì)稱循環(huán)疲勞極限還可表示資料對(duì)稱循環(huán)疲勞極限-1與零件對(duì)稱循環(huán)疲勞極限與零件對(duì)稱循環(huán)疲勞極限-1e的比值，的比值，即即e11K 將資料規(guī)范試件的極限應(yīng)力線圖將資料規(guī)范試件的極限應(yīng)力線圖中的直線中的直線ADG ADG 按比例向下移，成為按比例向下移，成為右圖所示的

12、直線右圖所示的直線A AD DG G，而極限應(yīng)力，而極限應(yīng)力曲線的曲線的 CG CG 部分，由于是按照靜應(yīng)部分，由于是按照靜應(yīng)力的要求來思索的，故不須進(jìn)展修正。力的要求來思索的，故不須進(jìn)展修正。這樣就得到了零件的極限應(yīng)力線圖。這樣就得到了零件的極限應(yīng)力線圖。 3.2 3.2 機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算1aemeK smeae直線直線C的方程：的方程：meae11eeK直線直線A的方程：的方程：10e021KK-ae -零件所受極限應(yīng)力幅；零件所受極限應(yīng)力幅；me -零件所受極限平均應(yīng)力；零件所受極限平均應(yīng)力；e -零件受彎曲的資料特性。零件受彎曲的資料特性。3.2 3.2 機(jī)

13、械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度計(jì)算的步驟：機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度計(jì)算的步驟：根據(jù)零件危險(xiǎn)截面上的根據(jù)零件危險(xiǎn)截面上的max max 及及 min min，確，確定平均應(yīng)力定平均應(yīng)力mm與應(yīng)力幅與應(yīng)力幅aa；計(jì)算平安系數(shù)及疲勞強(qiáng)度條件為：計(jì)算平安系數(shù)及疲勞強(qiáng)度條件為：在極限應(yīng)力線圖中標(biāo)出相應(yīng)任務(wù)應(yīng)力點(diǎn)在極限應(yīng)力線圖中標(biāo)出相應(yīng)任務(wù)應(yīng)力點(diǎn)MM或或N N m, a m, a ；MM或或N N的位置與循環(huán)應(yīng)力的變化規(guī)律有關(guān)。的位置與循環(huán)應(yīng)力的變化規(guī)律有關(guān)。應(yīng)力比為常數(shù)：應(yīng)力比為常數(shù)：r=Cr=C能夠發(fā)生的應(yīng)力能夠發(fā)生的應(yīng)力變化規(guī)律：變化規(guī)律：平均應(yīng)力為常數(shù)平均應(yīng)力為常數(shù)m=Cm=C

14、最小應(yīng)力為常數(shù)最小應(yīng)力為常數(shù)min=Cmin=C找出該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位于曲線找出該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位于曲線AGCAGC上的極限應(yīng)力上的極限應(yīng)力點(diǎn)點(diǎn)MM或或N N(m,m,a ) a ) ；三、單向穩(wěn)定變應(yīng)力時(shí)的疲勞強(qiáng)度計(jì)算三、單向穩(wěn)定變應(yīng)力時(shí)的疲勞強(qiáng)度計(jì)算maxmacamaxma SS3.2 3.2 機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算 應(yīng)力比為常數(shù)：應(yīng)力比為常數(shù)：minmaxrC1maxmaxaemeamK 過原點(diǎn)直線的斜率：過原點(diǎn)直線的斜率：可求得可求得M1M1點(diǎn)的坐標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)(me(me ,ae ,ae) ) 作射線作射線OMOM，與，與A AGG交于極限應(yīng)力點(diǎn)交于極限應(yīng)力點(diǎn)M1M1。疲勞強(qiáng)度

15、條件：疲勞強(qiáng)度條件：max-1camaxamSSK N N點(diǎn)的極限應(yīng)力點(diǎn)點(diǎn)的極限應(yīng)力點(diǎn)N1N1位于直線位于直線CGCG上上強(qiáng)度計(jì)算公式為：強(qiáng)度計(jì)算公式為：maxScamaxam SSmaxminmaxmin2121amrCrOAOAG G區(qū)域區(qū)域OCGOCG區(qū)域區(qū)域aeme11rrOM1OM1 方程：方程：A AGG的方程：的方程：1aemeK 3.2 3.2 機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算此時(shí)需求在此時(shí)需求在 AGC上確定上確定M2， N2 ，分別使其，分別使其與與M2，N2具有一樣的平均應(yīng)力，即：具有一樣的平均應(yīng)力，即：me= m 顯然顯然M2在過在過M點(diǎn)的縱軸平行線上，該線

16、上恣意點(diǎn)的縱軸平行線上，該線上恣意一點(diǎn)所代表的應(yīng)力循環(huán)都具有一樣的平均應(yīng)力。一點(diǎn)所代表的應(yīng)力循環(huán)都具有一樣的平均應(yīng)力。 平均應(yīng)力為常數(shù)：平均應(yīng)力為常數(shù)：m=Cm=Cmem1aemeK MM2MM2 方程：方程：A AGG的方程：的方程：可求得可求得M2M2點(diǎn)的坐標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)(me(me ,ae ,ae) ) 1mmaxmeae()KKN N點(diǎn)的極限應(yīng)力點(diǎn)點(diǎn)的極限應(yīng)力點(diǎn)N2N2位于直線位于直線CGCG上上強(qiáng)度計(jì)算公式為：強(qiáng)度計(jì)算公式為：maxScamaxam SSHCGHCG區(qū)域區(qū)域疲勞強(qiáng)度條件：疲勞強(qiáng)度條件：max1mcamaxma()KSSKOHGOHGA A區(qū)域區(qū)域3.2 3.2 機(jī)械零件的

17、疲勞強(qiáng)度計(jì)算機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算由于：由于：min= m - a =Cmin= m - a =C過過MM點(diǎn)作點(diǎn)作45 45 直線，該線上恣意一點(diǎn)的最小直線，該線上恣意一點(diǎn)的最小應(yīng)力均一樣。應(yīng)力均一樣。 M M3 3即為極限應(yīng)力點(diǎn)。即為極限應(yīng)力點(diǎn)。在在OAOAJ J區(qū)域內(nèi)，最小應(yīng)力均為負(fù)值，在實(shí)區(qū)域內(nèi)，最小應(yīng)力均為負(fù)值，在實(shí)踐機(jī)器中極少出現(xiàn)，故不予討論。踐機(jī)器中極少出現(xiàn)，故不予討論。過點(diǎn)過點(diǎn)OO、GG分別作與橫坐標(biāo)成分別作與橫坐標(biāo)成4545的直線，的直線，得到得到OAOAJ J、OJGOJGI I、IGIGC C三個(gè)區(qū)域。三個(gè)區(qū)域。 最小應(yīng)力為常數(shù)最小應(yīng)力為常數(shù)min=Cmin=C疲勞強(qiáng)度條件

18、：疲勞強(qiáng)度條件：max-1mincamaxamin2() ()(2)KSSKSScamaxam SS在在IGIGC C區(qū)域內(nèi)：區(qū)域內(nèi)：OJGOJGI I區(qū)域區(qū)域meaemaMM3MM3方程：方程：A AGG的方程：的方程：在在OJGOJGI I區(qū)域內(nèi)，區(qū)域內(nèi)，1aemeK IGIGC C區(qū)域區(qū)域 然而，在工程實(shí)踐中，當(dāng)任務(wù)應(yīng)力小于許用應(yīng)力時(shí)所發(fā)生的忽然斷裂。然而，在工程實(shí)踐中，當(dāng)任務(wù)應(yīng)力小于許用應(yīng)力時(shí)所發(fā)生的忽然斷裂。 因此，用傳統(tǒng)的強(qiáng)度實(shí)際計(jì)算高強(qiáng)度資料構(gòu)造的強(qiáng)度問題，就存在因此，用傳統(tǒng)的強(qiáng)度實(shí)際計(jì)算高強(qiáng)度資料構(gòu)造的強(qiáng)度問題，就存在一定的危險(xiǎn)性。一定的危險(xiǎn)性。 斷裂力學(xué)斷裂力學(xué)是研討帶有裂紋或帶有尖缺口的構(gòu)造或構(gòu)件的強(qiáng)度和是研討帶有裂紋或帶有尖缺口的構(gòu)造或構(gòu)件的強(qiáng)度和變形規(guī)律的學(xué)科。變形規(guī)律的學(xué)科。為了度量含裂紋構(gòu)造體的強(qiáng)度，在斷裂力學(xué)中運(yùn)用了應(yīng)力強(qiáng)度因子為了度量含裂紋構(gòu)造體的強(qiáng)度，在斷裂力學(xué)中運(yùn)用了應(yīng)力強(qiáng)度因子KIKI或或KK、KK和斷裂韌度和斷裂韌度KIC (KIC (或或KCKC、KCKC這兩個(gè)新的度量這兩個(gè)新的度量目的來判別構(gòu)造平安性，即：目的來判別構(gòu)造平安性，即：KIKIKICKIC時(shí)，裂