机械零件的疲劳强度设计.ppt

1,第二章机械零件的疲劳强度设计,第一节概述,一、载荷的分类,1）循环变载荷a)稳定循环变载荷b)不稳定循环变载荷2）随机变载荷,2,随机变应力,静应力,规律性不稳定变应力,二、应力的分类,1.应力种类,变应力,随机变应力,循环变应力,稳定循环变应力,规律性不稳定变应力,对称循环,脉动循环,非对称循环,3,2、稳定循环变应力的基本参数和种类,1)基本参数,应力循环特性,最大应力,最小应力,平均应力,应力幅,2)稳定循环变应力种类,-1+1非对称=+1静应力,=1对称=0脉动,4,三、疲劳破坏,1.疲劳破坏特征：1）断裂过程：产生初始裂纹（应力较大处）裂纹反复扩展，直至产生疲劳裂纹。2）断裂面：光滑区（疲劳发展区）粗糙区（脆性断裂区）3）无明显塑性变形的脆性突然断裂4）破坏时应力（疲劳极限）远小于材料的屈服极限,2.疲劳破坏的机理：损伤的累积3.影响因素：材料性能，变应力的循环特性，应力循环次数，应力幅都对疲劳极限有很大影响。,5,第二节疲劳曲线和极限应力图,疲劳极限：循环变应力下应力循环N次后材料不发生疲劳破坏时的最大应力称为材料的疲劳极限。,疲劳寿命：材料疲劳失效前所经历的应力循环次数N,一、疲劳曲线应力循环特性一定时，材料的疲劳极限与应力循环次数之间关系的曲线。,6,持久极限,1）无限寿命区,循环基数,持久极限,对称循环：,脉动循环：,7,2）有限寿命区当N103(104)低周循环，疲劳极限接近于屈服极限，按静强度计算。,当N103(104)高周循环疲劳,随循环次数疲劳极限,3）疲劳曲线方程,8,疲劳极限,几点说明：,2）硬度350HBS钢，No=106107；350HBS钢，No=10 x10725x107；有色金属(无水平部分)No=25x107。,3）m指数与应力与材料的种类有关。钢拉压、弯曲应力、扭剪应力m=9；接触应力m=6。青铜弯曲应力m=9；接触应力m=8。,1）KN寿命系数，NNo时，取N=No。,9,二、疲劳寿命一定时，同一种材料在不同的应力循环特性下的疲劳极限图,r:-1+1,A:对称循环极限应力点,B:脉动循环极限应力点,C:静强度极限应力点,10,高塑钢,AD疲劳强度线；GD屈服强度线。,不允许塑性变形,11,高塑钢AD线方程：,低塑钢或铸铁AC线方程：,12,第三节影响零件疲劳强度的主要因素,一、应力集中的影响,零件受载时，在几何形状突变处（圆角、凹槽、孔、螺纹、过盈配合等）要产生应力集中。对应力集中的敏感程度与零件的材料有关，一般材料强度越高，硬度越高，对应力集中越敏感。,疲劳缺口系数,13,二、零件尺寸的影响,尺寸系数,零件尺寸逾大时，材料的晶粒较粗；冷、热加工中出现缺陷的概率大；机械加工后表面冷作硬化层相对较薄，对零件疲劳强度的不良影响愈显著。,14,三、表面状态的影响,表面状态系数,表面质量指表面粗糙度、表面强化及工作环境。,强化处理淬火、渗氮、渗碳、热处理、抛光、喷丸、滚压等冷作工艺。,15,四、综合影响系数,综合影响系数表示了材料极限应力幅与零件极限应力幅的比值。,零件的疲劳极限,16,第四节受稳定循环应力时零件的疲劳强度,一、受单向应力时零件的安全系数,只受单向拉压、弯曲、扭转等,零件极限应力图A1B1D1G,疲劳强度线A1D1屈服强度线GD1,直线A1D1的方程：,17,确定零件危险截面上的工作应力点N。在极限应力线上确定极限应力点N1。,应力增长规律：,（1）,难以确定零件工作应力增长规律时。,极限应力点为N1。,OA1D1为疲劳强度区OD1G为屈服强度区,大多数转轴中的应力状态,18,a)工作应力点位于OA1D1内,按疲劳强度计算,零件的疲劳极限为,强度条件为,19,b)工作应力点位于OD1G内,极限应力为屈服极限按静强度计算,不易判断工作应力点落在哪个区，则按两式同时核算两种安全系数。,20,（2）,振动中的受载弹簧的应力状态,OA1D1E为疲劳强度区ED1G为屈服强度区,a)工作应力点位于OA1D1E内,强度条件：,按两式同时验算,21,（3）,紧螺栓联接中的螺栓应力状态,按两式同时验算,22,注意：,1）若零件所受应力变化规律不能肯定，一般采用=C的情况计算。,2）上述计算均为按无限寿命进行零件设计，若按有限寿命要求设计零件时，即应力循环次数103(104)NNo时，这时上述公式中的极限应力应为有限寿命的疲劳极限，即应以-1N代-1，以oN代o,3）当未知工作应力点所在区域时，应同时考虑可能出现的两种情况.,4）对切应力上述公式同样适用，只需将改为即可。,23,二、受复合应力时的安全系数,1、对称循环稳定变应力下（弯扭复合）塑性材料的安全系数计算,2、低塑性和脆性材料的安全系数计算,三、许用安全系数,1、疲劳强度许用安全系数,2、静强度许用安全系数,