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第3章_机械零件的强度.ppt

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机械零件 强度
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2018/3/8,机械零件的强度,第三章 机械零件的强度,一、 基本概念1、载荷(load),作用在零件上的外力,公称载荷(nominal load),按理论力学方法计算出来的载荷,用Fn、Mn、Tn表示计算载荷(calculated load),考虑动力参数、工作阻力的变动而计算出的载荷,用Fca、Mca、Tca表示 Fca=KFnK——载荷系数(工况系数),2018/3/8,机械零件的强度,用σlim 表示 强度极限σB,屈服极限σS,疲劳极限σr许用应力(allowable stress),用σca表示极限应力(ultimate stress),2、应力(stress) 工作应力(working stress),计算应力(calculated stress),按材料力学公式求出的作用在零件剖面上的应力,按一定的强度理论求出的与单向拉伸同等作用的应力,材料某个机械性能极限值,计算应力允许达到的最大值,用[σ]表示,2018/3/8,机械零件的强度,3、安全系数(safety factor) 安全系数,极限应力与许用应力的比值,安全系数计算值,极限应力与计算应力的比值,引入安全系数的原因: ① ??应力计算时的载荷不精确性; ②? 力学模型与实际状况的差异; ③? 材料机械性能的不均匀性; ④? 零件使用场合的重要性。,2018/3/8,机械零件的强度,二、静应力(static stress)的强度计算,1、单向应力状态 危险剖面的最大应力即为计算应力 σca= σmax2、双向或三向应力状态(有三种强度理论)①??最大主应力理论(第一强度理论)a、脆性材料 压应力远远大于拉伸应力,取最大应力 σca=│σmax│,应力变化次数小于10 3,2018/3/8,机械零件的强度,②??? 最大剪应力理论(第三强度理论),③??? 最大形变能理论(第四强度理论),b、双向应力,2018/3/8,机械零件的强度,三、变应力(variable stress)的强度计算1、疲劳极限 衡量变应力的参数有 最大应力σmax(? max) 最小应力σmin (? min) 平均应力σm(? m) 应力幅σa(? a) 应力循环特性 r = σ min/σ max 疲劳极限,循环特性r一定时,应力循环N次后,材料不发生疲劳破坏时的最大应力,用σrN 表示,2018/3/8,机械零件的强度,即σ—N曲线,疲劳曲线,AB段:静应力区间,B点对应的的应力循环次数大约为10 3;BC段:随N的增大,σ max 下降,C点所对应的N值大约为10 4,这种破坏为应变疲劳,或低周疲劳。,给定的循环特性条件下,应力循环次数N与疲劳极限σrN之间的关系曲线,2018/3/8,机械零件的强度,CD段:随N的增大,σmax下降较快,这阶段称为有限寿命阶段,也称为高周疲劳。D点以后:D点以后的曲线趋于水平,说明随N的增多, σmax不再下降,即到无限寿命阶段,一般工程材料的D点约为10 6~25?10 7。,双对数坐标表示的疲劳曲线CD段方程:,m—与材料有关的常数 C—常数,2018/3/8,机械零件的强度,循环基数N 0对应的疲劳极限,式中:K N——寿命系数,N D不大时, N 0= N DN D很大时, N 0< N D任意循环N次的疲劳极限为:,简写为σr,2018/3/8,机械零件的强度,2、材料的极限应力图,3、零件的极限应力图,对称循环变应力:平均应力σm=0最大应力σmax=σa,脉动循环变应力:平均应力σm=0.5σ0应力幅σa=0.5σ0,静应力:平均应力σm=σs应力幅σa=0,,,σmax=σm+σa=σS的变应力,OA′G′C区域为安全区,A`G`C折线为疲劳极限,,,2018/3/8,机械零件的强度,四、单向稳定变应力的机械零件疲劳强度 1、变应力的循环特性保持不变(r=C)的情况 绝大多数转轴中的应力状态。,M点的极限应力为,,M1?(σ?me、σ?ae),2018/3/8,机械零件的强度,安全系数计算值及强度条件,静强度条件,2、变应力的平均应力保持不变(σm=C)的情况,,振动着的受载弹簧的应力状态,2018/3/8,机械零件的强度,M点的极限应力为,安全系数计算值及强度条件,静强度条件,2018/3/8,机械零件的强度,3、变应力的最小应力保持不变(?min=C)情况,,受轴向变载荷螺栓联接的应力状态 σmin=σm-σa=C,M点的极限应力为,2018/3/8,机械零件的强度,安全系数计算值及强度条件,说明: 难以确定应力变化规律的,采用r=C计算,2018/3/8,机械零件的强度,五、单向不稳定变应力时的疲劳强度,1、非规律性的不稳定变应力变应力参数随机变的,如汽车钢板弹簧。根据大量的试验求得载荷及应力的统计分布规律,然后用统计疲劳强度的方法来处理。2、规律性的不稳定变应力变应力参数的变化有一个简单的规律。利用疲劳损伤累计假说进行计算。,2018/3/8,机械零件的强度,每一次循环的损伤率:1/Nn次循环的损伤率:n/N累计损伤率为:,各应力幅无大的差别及强烈的短时过载,应力由大到小作用,应力由小到大作用,累计损伤率100%时,材料发生疲劳破坏,为什么?,2018/3/8,机械零件的强度,代入累计损伤公式得:,不破坏的条件:,令计算应力为:,2018/3/8,机械零件的强度,则,零件上同时作用的法向及切向变应力σa和τa时,试验得到的极限应力关系式为:,安全系数,六、双向稳定变应力时的疲劳强度,1、对称循环稳定变应力,τa '和σa ' —同时作用的切向和法向应力幅的极限值,2018/3/8,机械零件的强度,M点的计算安全系数为:,代入整理得:,2018/3/8,机械零件的强度,先求出Sσ和Sτ,再求出计算安全系数Sca,2、非对称循环稳定变应力,2018/3/8,机械零件的强度,七、提高机械零件疲劳强度的措施,在设计阶段就应考虑采取设计措施来提高机械零件的疲劳强度:①、尽可能降低应力集中;②、选用疲劳强度高的材料;③、选用能提高疲劳强度的热处理方法和强化工艺;④、提高机械零件表面的质量;⑤、尽可能减小或消除零件表面可能发生的初始裂纹尺寸。,
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