強度與剛度設(shè)計課件

強度與剛度設(shè)計強度與剛度設(shè)計1定義強度：材料或零構(gòu)件抵抗外力而不發(fā)生失效的能力。定義強度：材料或零構(gòu)件抵抗外力而不發(fā)生失效2定義剛度：材料在受力時抵抗彈性變形的能力。定義剛度：材料在受力時抵抗彈性變形的能力。3強度設(shè)計常規(guī)強度設(shè)計現(xiàn)代強度設(shè)計強度設(shè)計常規(guī)現(xiàn)代4一、常規(guī)機械強度設(shè)計理論：一、常規(guī)機械強度設(shè)計理論：5一、常規(guī)機械強度設(shè)計設(shè)計步驟：（1）由理論力學確定零構(gòu)件所受外力；（2）由材料力學（有時采用彈性力學或塑性力學）計算其

內(nèi)力；（3）由機械原理和機械零件確定其結(jié)構(gòu)尺寸和形狀；（4）計算該零構(gòu)件的工作應力或安全系數(shù)。一、常規(guī)機械強度設(shè)計設(shè)計步驟：6一、常規(guī)機械強度設(shè)計設(shè)計四個螺栓的直徑一、常規(guī)機械強度設(shè)計設(shè)計四個螺栓的直徑7一、常規(guī)機械強度設(shè)計1.受力分析一、常規(guī)機械強度設(shè)計1.受力分析8一、常規(guī)機械強度設(shè)計2.計算內(nèi)力：由Q=QP+KCF及下圖得總拉力Q=3962N一、常規(guī)機械強度設(shè)計2.計算內(nèi)力：9一、常規(guī)機械強度設(shè)計3.確定尺寸：根據(jù)許用應力和安全系數(shù)可的危險剖面的直徑d≥9.054mm因此，選用M12的螺栓。一、常規(guī)機械強度設(shè)計3.確定尺寸：10一、常規(guī)機械強度設(shè)計4.校核（1）聯(lián)接結(jié)合面下端的擠壓應力σpmax=1.267MPa＜[σp]聯(lián)接結(jié)合面下端不致壓潰。（2）聯(lián)接結(jié)合面上端的殘余應力σpmin=0.114MPa＞0即聯(lián)接結(jié)合面上端受壓處不會產(chǎn)生縫隙一、常規(guī)機械強度設(shè)計4.校核11一、常規(guī)機械強度設(shè)計特點：1.假設(shè)制造機械零構(gòu)件的材料性能是均勻的、各向同性的、連續(xù)的實體；2.承受較為簡單的載荷作用；3.應用彈性變形理論。一、常規(guī)機械強度設(shè)計特點：12一、常規(guī)機械強度設(shè)計存在的問題：1.應力的多軸性和變形的彈塑性；2.疲勞破壞的普遍性；3.疲勞與蠕變的交互作用；4.強度中的壽命計算；5.疲勞強度可靠性；6.局部應力應變分析；7.斷裂力學一、常規(guī)機械強度設(shè)計存在的問題：13二、現(xiàn)代機械強度設(shè)計理論：1.應力應變分析方法及線彈性強度理論2.彈塑性強度理論3.含裂紋體的強度理論4.疲勞強度理論二、現(xiàn)代機械強度設(shè)計理論：141.應力應變分析方法及線彈性強度理論彈性力學基本方程一點處的應力應變主應力主平面設(shè)計計算方程求解：解析法、有限元法坐標變換強度準則1.應力應變分析方法及線彈性強度理論彈性力學基本方程一點處的151.應力應變分析方法及線彈性強度理論特點：

考慮了材料的線彈性變形，即應力應變是線性關(guān)系，運用彈性力學、形變能理論、最大剪應力理論等確定主應力和主平面，能較好的解決復雜應力的問題。1.應力應變分析方法及線彈性強度理論特點：162.彈塑性強度理論變形分析應力狀態(tài)分析（彈性極限狀態(tài)、彈塑性狀態(tài)、塑形極限狀態(tài)）各狀態(tài)的極限載荷2.彈塑性強度理論變形分析應力狀態(tài)分析各狀態(tài)的極限載荷172.彈塑性強度理論特點：基本假設(shè)：除理想彈性這一點外，其余同彈性力學。即平衡方程、幾何方程均相同應力應變之間的關(guān)系是非線性的，其非線性性質(zhì)與具體材料有關(guān)2.彈塑性強度理論特點：182.彈塑性強度理論特點：3)應力與應變之間沒有一一對應的關(guān)系，它與加載歷史有關(guān)——不惟一性；4)在變形體中存在彈性變形區(qū)和塑性變形區(qū)，因而在求解問題時，需要找出彈性區(qū)和塑性區(qū)的分界線（屈服準則）；2.彈塑性強度理論特點：192.彈塑性強度理論特點：5)在分析問題時，需要區(qū)分是加載過程還是卸載過程。在加載過程中，使用塑性的應力應變關(guān)系方程；在卸載過程中，使用廣義胡克定律。2.彈塑性強度理論特點：203.含裂紋體的強度理論確定結(jié)構(gòu)及受力應力強度因子K判斷是否處于裂紋的穩(wěn)定擴展階段由最大應力求出臨界裂紋尺寸a確定Paris公式中的各項系數(shù)求裂紋擴展壽命G準則K準則Paris公式用于研究裂紋擴展速率，作為設(shè)計選材時的參考，以及計算裂紋體的剩余壽命。3.含裂紋體的強度理論確定結(jié)構(gòu)及受力應力強度因子K判斷是否處213.含裂紋體的強度理論應力強度因子的特性：1.應力強度因子是裂紋尖端應力應變場強度的度量；2.應力強度因子是裂紋尖端應力應變場具有奇異性的度量；3.應力強度因子的臨界值是材料本身的固有屬性。3.含裂紋體的強度理論應力強度因子的特性：224.疲勞強度理論設(shè)計準則：1.無限壽命設(shè)計：對疲勞強度要求高。鋼軌、橋梁、車軸等的設(shè)計。應力只要不超過，則N可無限增大有限壽命區(qū)無限壽命區(qū)4.疲勞強度理論設(shè)計準則：應力只要不超過有限壽命區(qū)無限壽命區(qū)234.疲勞強度理論設(shè)計準則：2.安全壽命設(shè)計（有限壽命設(shè)計）：要求零部件或結(jié)構(gòu)在給定的使用周期內(nèi)不能產(chǎn)生任何疲勞缺陷。常用于飛機、汽車、壓力容器等的設(shè)計中。有限壽命區(qū)無限壽命區(qū)4.疲勞強度理論設(shè)計準則：有限壽命區(qū)無限壽命區(qū)244.疲勞強度理論設(shè)計準則：3.破損-安全設(shè)計：承認裂紋可以出現(xiàn)，但在被檢測和維修之前，不會導致整個結(jié)構(gòu)的破壞。（避免因安全系數(shù)造成重量過大，例如在航空工業(yè)）4.損傷-容限設(shè)計：假設(shè)裂紋預先存在，用斷裂力學方法分析其壽命。是3的進一步改進。

4.疲勞強度理論設(shè)計準則：25二、現(xiàn)代機械強度設(shè)計設(shè)計步驟：1.根據(jù)常規(guī)設(shè)計方法，初步確定結(jié)構(gòu)形狀及尺寸；2.應用有限元法分析應力、應變分布；3.用聲、光、電等檢測手段，確定零構(gòu)件缺陷尺寸和位置；4.對于無缺陷材料，計算服役壽命=裂紋形成壽命+裂紋擴展壽命；5.對于有缺陷材料，用斷裂力學方法計算裂紋擴展壽命。二、現(xiàn)代機械強度設(shè)計設(shè)計步驟：26案例分析——裝載機前車架案例分析——裝載機前車架27案例分析——裝載機前車架

輪式裝載機的車架由前車架和后車架組成。前車架是裝載機的基礎(chǔ)承載構(gòu)件，是車架的主要承載體；后車架為箱形結(jié)構(gòu)，受力較小。因此，這里只計算前車架的強度及剛度。

前車架是由薄鋼板焊接而成的三維空間結(jié)構(gòu)，形狀較為復雜，用常規(guī)的力學方法無法對其進行精確計算。為此，這里采用現(xiàn)代強度及剛度設(shè)計方法。該車架采用四板組焊的焊接工藝。車架為左右對稱結(jié)構(gòu)，有一縱向?qū)ΨQ軸。其上作用有掘起力、鏟入力。由結(jié)構(gòu)的對稱性，可取結(jié)構(gòu)的一半進行強度及剛度的計算與分析。案例分析——裝載機前車架輪式裝載機的車28案例分析——裝載機前車架前車架案例分析——裝載機前車架前車架29案例分析——裝載機前車架1.受力分析（1）扭轉(zhuǎn)工況：車架上的載荷作用點離對稱軸有偏

距，相當于加以極限扭矩，使車架產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。（2）彎曲工況：最大載荷作用在對稱軸上，沿鉛垂

方向產(chǎn)生偏載，使車架處于彎曲工況狀態(tài)。（3）彎扭聯(lián)合工況：將彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況組合在

一起即為彎扭工況。車架受載最為嚴重的工況

是彎曲工況和彎扭聯(lián)合工況，與車架結(jié)構(gòu)強度

及剛度直接有關(guān)的亦主要是這2種工況。在車

架的載荷計算工況中，車架所受的最大載荷是

最大牽引力，為158kN，最大掘起力為

210.9kN。案例分析——裝載機前車架1.受力分析30案例分析——裝載機前車架2.有限元法：對結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分案例分析——裝載機前車架2.有限元法：對結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分31案例分析——裝載機前車架3.約束條件

在上述3種載荷計算工況下，約束部位為車架內(nèi)各鉸孔及車架底部與前橋的聯(lián)接部位，各鉸孔內(nèi)結(jié)點的ｘ方向、y方向、ｚ方向位移均被限制為零。底部聯(lián)接部位沿縱向（ｚ方向）位移及橫向（y方向）位移為零。案例分析——裝載機前車架3.約束條件32案例分析——裝載機前車架4.強度計算

車架鋼板材料為40Cr，屈服極限σs＝340MPa，安全系數(shù)ｎ＝2，許用應力［σ］＝170MPa，計算圖1所示各截面的應力大小，計算結(jié)果見表1。高應力區(qū)案例分析——裝載機前車架4.強度計算高應力區(qū)33案例分析——裝載機前車架5.分析

有限元計算結(jié)果表明，輪式裝載機車架高應力區(qū)在Ⅰ－Ⅰ、Ⅱ－Ⅱ、Ⅲ－Ⅲ截面處，即鉸孔處。由于外載荷作用在鉸孔處，且易形成應力集中，所以鉸孔處應力最高，強度偏低。最大應力發(fā)生在Ⅱ－Ⅱ截面處，即外側(cè)板上鉸孔處，其值為σ＝136.2MPa，但仍低于材料的許用應力［σ］，可見仍能滿足強度條件。車架其它截面的應力值較小，因而比較安全。

因此，做改進設(shè)計時可考慮將外側(cè)板鉸孔適當加強，加強措施包括增加相應的板厚或在鉸孔處設(shè)置加強筋等。同時，其它部位應力較低，可以考慮采取適當措施（如減薄板的厚度），達到節(jié)省材料、減輕重量的目的。案例分析——裝載機前車架5.分析34三、提高強度的措施1.采用合理的截面形狀三、提高強度的措施1.采用合理的截面形狀35三、提高強度的措施2.載荷分流：對于承受較大載荷的零件，可通過將部分載荷分流到其他零件的方法降低關(guān)鍵零件的危險程度。三、提高強度的措施2.載荷分流：對于承受較大載荷的零件，可通36三、提高強度的措施3.載荷均布三、提高強度的措施3.載荷均布37三、提高強度的措施4.改善軸承支撐結(jié)構(gòu)三、提高強度的措施4.改善軸承支撐結(jié)構(gòu)38三、提高強度的措施5.充分發(fā)揮材料特性三、提高強度的措施5.充分發(fā)揮材料39三、提高強度的措施6.合理強化雙層套裝結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生預應力施加工作載荷兩兩消除，降低最大應力三、提高強度的措施6.合理強化雙層套裝結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生預應力施加工40剛度設(shè)計靜剛度動剛度剛度設(shè)計靜剛度動剛度41靜剛度定義：一般用結(jié)構(gòu)在靜載荷作用下的變形多少來衡量。靜剛度定義：一般用結(jié)構(gòu)在靜載荷作用下的變形多少來衡量。42動剛度定義：結(jié)構(gòu)在特定的動態(tài)激擾下抵抗變形的能力。一般用用結(jié)構(gòu)的固有頻率來衡量。動剛度定義：結(jié)構(gòu)在特定的動態(tài)激擾下抵抗變形的43提高剛度的措施1.采用桁架結(jié)構(gòu)提高剛度的措施1.采用桁架結(jié)構(gòu)44提高剛度的措施2.合理布置支承提高剛度的措施2.合理布置支承45提高剛度的措施3.合理布置隔板與肋板提高剛度的措施3.合理布置隔板與肋板46謝謝謝謝47強度與剛度設(shè)計強度與剛度設(shè)計48定義強度：材料或零構(gòu)件抵抗外力而不發(fā)生失效的能力。定義強度：材料或零構(gòu)件抵抗外力而不發(fā)生失效49定義剛度：材料在受力時抵抗彈性變形的能力。定義剛度：材料在受力時抵抗彈性變形的能力。50強度設(shè)計常規(guī)強度設(shè)計現(xiàn)代強度設(shè)計強度設(shè)計常規(guī)現(xiàn)代51一、常規(guī)機械強度設(shè)計理論：一、常規(guī)機械強度設(shè)計理論：52一、常規(guī)機械強度設(shè)計設(shè)計步驟：（1）由理論力學確定零構(gòu)件所受外力；（2）由材料力學（有時采用彈性力學或塑性力學）計算其

內(nèi)力；（3）由機械原理和機械零件確定其結(jié)構(gòu)尺寸和形狀；（4）計算該零構(gòu)件的工作應力或安全系數(shù)。一、常規(guī)機械強度設(shè)計設(shè)計步驟：53一、常規(guī)機械強度設(shè)計設(shè)計四個螺栓的直徑一、常規(guī)機械強度設(shè)計設(shè)計四個螺栓的直徑54一、常規(guī)機械強度設(shè)計1.受力分析一、常規(guī)機械強度設(shè)計1.受力分析55一、常規(guī)機械強度設(shè)計2.計算內(nèi)力：由Q=QP+KCF及下圖得總拉力Q=3962N一、常規(guī)機械強度設(shè)計2.計算內(nèi)力：56一、常規(guī)機械強度設(shè)計3.確定尺寸：根據(jù)許用應力和安全系數(shù)可的危險剖面的直徑d≥9.054mm因此，選用M12的螺栓。一、常規(guī)機械強度設(shè)計3.確定尺寸：57一、常規(guī)機械強度設(shè)計4.校核（1）聯(lián)接結(jié)合面下端的擠壓應力σpmax=1.267MPa＜[σp]聯(lián)接結(jié)合面下端不致壓潰。（2）聯(lián)接結(jié)合面上端的殘余應力σpmin=0.114MPa＞0即聯(lián)接結(jié)合面上端受壓處不會產(chǎn)生縫隙一、常規(guī)機械強度設(shè)計4.校核58一、常規(guī)機械強度設(shè)計特點：1.假設(shè)制造機械零構(gòu)件的材料性能是均勻的、各向同性的、連續(xù)的實體；2.承受較為簡單的載荷作用；3.應用彈性變形理論。一、常規(guī)機械強度設(shè)計特點：59一、常規(guī)機械強度設(shè)計存在的問題：1.應力的多軸性和變形的彈塑性；2.疲勞破壞的普遍性；3.疲勞與蠕變的交互作用；4.強度中的壽命計算；5.疲勞強度可靠性；6.局部應力應變分析；7.斷裂力學一、常規(guī)機械強度設(shè)計存在的問題：60二、現(xiàn)代機械強度設(shè)計理論：1.應力應變分析方法及線彈性強度理論2.彈塑性強度理論3.含裂紋體的強度理論4.疲勞強度理論二、現(xiàn)代機械強度設(shè)計理論：611.應力應變分析方法及線彈性強度理論彈性力學基本方程一點處的應力應變主應力主平面設(shè)計計算方程求解：解析法、有限元法坐標變換強度準則1.應力應變分析方法及線彈性強度理論彈性力學基本方程一點處的621.應力應變分析方法及線彈性強度理論特點：

考慮了材料的線彈性變形，即應力應變是線性關(guān)系，運用彈性力學、形變能理論、最大剪應力理論等確定主應力和主平面，能較好的解決復雜應力的問題。1.應力應變分析方法及線彈性強度理論特點：632.彈塑性強度理論變形分析應力狀態(tài)分析（彈性極限狀態(tài)、彈塑性狀態(tài)、塑形極限狀態(tài)）各狀態(tài)的極限載荷2.彈塑性強度理論變形分析應力狀態(tài)分析各狀態(tài)的極限載荷642.彈塑性強度理論特點：基本假設(shè)：除理想彈性這一點外，其余同彈性力學。即平衡方程、幾何方程均相同應力應變之間的關(guān)系是非線性的，其非線性性質(zhì)與具體材料有關(guān)2.彈塑性強度理論特點：652.彈塑性強度理論特點：3)應力與應變之間沒有一一對應的關(guān)系，它與加載歷史有關(guān)——不惟一性；4)在變形體中存在彈性變形區(qū)和塑性變形區(qū)，因而在求解問題時，需要找出彈性區(qū)和塑性區(qū)的分界線（屈服準則）；2.彈塑性強度理論特點：662.彈塑性強度理論特點：5)在分析問題時，需要區(qū)分是加載過程還是卸載過程。在加載過程中，使用塑性的應力應變關(guān)系方程；在卸載過程中，使用廣義胡克定律。2.彈塑性強度理論特點：673.含裂紋體的強度理論確定結(jié)構(gòu)及受力應力強度因子K判斷是否處于裂紋的穩(wěn)定擴展階段由最大應力求出臨界裂紋尺寸a確定Paris公式中的各項系數(shù)求裂紋擴展壽命G準則K準則Paris公式用于研究裂紋擴展速率，作為設(shè)計選材時的參考，以及計算裂紋體的剩余壽命。3.含裂紋體的強度理論確定結(jié)構(gòu)及受力應力強度因子K判斷是否處683.含裂紋體的強度理論應力強度因子的特性：1.應力強度因子是裂紋尖端應力應變場強度的度量；2.應力強度因子是裂紋尖端應力應變場具有奇異性的度量；3.應力強度因子的臨界值是材料本身的固有屬性。3.含裂紋體的強度理論應力強度因子的特性：694.疲勞強度理論設(shè)計準則：1.無限壽命設(shè)計：對疲勞強度要求高。鋼軌、橋梁、車軸等的設(shè)計。應力只要不超過，則N可無限增大有限壽命區(qū)無限壽命區(qū)4.疲勞強度理論設(shè)計準則：應力只要不超過有限壽命區(qū)無限壽命區(qū)704.疲勞強度理論設(shè)計準則：2.安全壽命設(shè)計（有限壽命設(shè)計）：要求零部件或結(jié)構(gòu)在給定的使用周期內(nèi)不能產(chǎn)生任何疲勞缺陷。常用于飛機、汽車、壓力容器等的設(shè)計中。有限壽命區(qū)無限壽命區(qū)4.疲勞強度理論設(shè)計準則：有限壽命區(qū)無限壽命區(qū)714.疲勞強度理論設(shè)計準則：3.破損-安全設(shè)計：承認裂紋可以出現(xiàn)，但在被檢測和維修之前，不會導致整個結(jié)構(gòu)的破壞。（避免因安全系數(shù)造成重量過大，例如在航空工業(yè)）4.損傷-容限設(shè)計：假設(shè)裂紋預先存在，用斷裂力學方法分析其壽命。是3的進一步改進。

4.疲勞強度理論設(shè)計準則：72二、現(xiàn)代機械強度設(shè)計設(shè)計步驟：1.根據(jù)常規(guī)設(shè)計方法，初步確定結(jié)構(gòu)形狀及尺寸；2.應用有限元法分析應力、應變分布；3.用聲、光、電等檢測手段，確定零構(gòu)件缺陷尺寸和位置；4.對于無缺陷材料，計算服役壽命=裂紋形成壽命+裂紋擴展壽命；5.對于有缺陷材料，用斷裂力學方法計算裂紋擴展壽命。二、現(xiàn)代機械強度設(shè)計設(shè)計步驟：73案例分析——裝載機前車架案例分析——裝載機前車架74案例分析——裝載機前車架

輪式裝載機的車架由前車架和后車架組成。前車架是裝載機的基礎(chǔ)承載構(gòu)件，是車架的主要承載體；后車架為箱形結(jié)構(gòu)，受力較小。因此，這里只計算前車架的強度及剛度。

前車架是由薄鋼板焊接而成的三維空間結(jié)構(gòu)，形狀較為復雜，用常規(guī)的力學方法無法對其進行精確計算。為此，這里采用現(xiàn)代強度及剛度設(shè)計方法。該車架采用四板組焊的焊接工藝。車架為左右對稱結(jié)構(gòu)，有一縱向?qū)ΨQ軸。其上作用有掘起力、鏟入力。由結(jié)構(gòu)的對稱性，可取結(jié)構(gòu)的一半進行強度及剛度的計算與分析。案例分析——裝載機前車架輪式裝載機的車75案例分析——裝載機前車架前車架案例分析——裝載機前車架前車架76案例分析——裝載機前車架1.受力分析（1）扭轉(zhuǎn)工況：車架上的載荷作用點離對稱軸有偏

距，相當于加以極限扭矩，使車架產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。（2）彎曲工況：最大載荷作用在對稱軸上，沿鉛垂

方向產(chǎn)生偏載，使車架處于彎曲工況狀態(tài)。（3）彎扭聯(lián)合工況：將彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況組合在

一起即為彎扭工況。車架受載最為嚴重的工況

是彎曲工況和彎扭聯(lián)合工況，與車架結(jié)構(gòu)強度

及剛度直接有關(guān)的亦主要是這2種工況。在車

架的載荷計算工況中，車架所受的最大載荷是

最大牽引力，為158kN，最大掘起力為

210.9kN。案例分析——裝載機前車架1.受力分析77案例分析——裝載機前車架2.有限元法：對結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分案例分析——裝載機前車架2.有限元法：對結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分78案例分析——裝載機前車架3.約束條件

在上述3種載荷計算工況下，約束部位為車架內(nèi)各鉸孔及車架底部與前橋的聯(lián)接部位，各鉸孔內(nèi)結(jié)點的ｘ方向、y方向、ｚ方向位移均被限制為零。底部聯(lián)接部位沿縱向（ｚ方向）位移及橫向（y方向）位移為零。案例分析——裝載機前車架3.約束條件79案例分析——裝載機前車架4.強度計算

車架鋼板材料為40Cr，屈服極限σs＝340MPa，安全系數(shù)ｎ＝2，許用應力［σ］＝170MPa，計算圖1所示各截面的應力大小，計算結(jié)果見表1。高應力區(qū)案例分析——裝載機前車架4.強度計算高應力區(qū)80案例分析——裝載機前車架5.分析

有限元計算結(jié)果表明，輪式裝載機車架高應力區(qū)在Ⅰ－Ⅰ、