强度与刚度设计课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,强度与刚度设计,强度与刚度设计,1,定义,强度：材料或零构件抵抗外力而不发生失效,的能力。,定义强度：材料或零构件抵抗外力而不发生失效,2,定义,刚度：材料在受力时抵抗弹性变形的能力。,定义刚度：材料在受力时抵抗弹性变形的能力。,3,强度设计,常规,强度设计,现代,强度设计,强度设计常规现代,4,一、常规机械强度设计,理论：,一、常规机械强度设计理论：,5,一、常规机械强度设计,设计步骤：,（1）,由理论力学确定零构件所受外力；,（2）,由材料力学（有时采用弹性力学或塑性力学）计算其,内力；,（3）,由机械原理和机械零件确定其结构尺寸和形状；,（4）,计算该零构件的工作应力或安全系数。,一、常规机械强度设计设计步骤：,6,一、常规机械强度设计,设计四个螺栓的直径,一、常规机械强度设计设计四个螺栓的直径,7,一、常规机械强度设计,1.受力分析,一、常规机械强度设计1.受力分析,8,一、常规机械强度设计,2.计算内力：,由 Q=Q,P,+K,C,F 及下图得总拉力Q=3962N,一、常规机械强度设计2.计算内力：,9,一、常规机械强度设计,3.确定尺寸：,根据许用应力和安全系数可的危险剖面的直径d9.054mm,因此，选用M12的螺栓。,一、常规机械强度设计3.确定尺寸：,10,一、常规机械强度设计,4.校核,（1）联接结合面下端的挤压应力,pmax,=1.267MPa,p,联接结合面下端不致压溃。,（2）联接结合面上端的残余应力,pmin,=0.114MPa0,即联接结合面上端受压处不会产生缝隙,一、常规机械强度设计4.校核,11,一、常规机械强度设计,特点：,1.假设制造机械零构件的材料性能是均匀的、各向同性的、连续的实体；,2.承,受较为简单的载荷作用；,3.,应用弹性变形理论。,一、常规机械强度设计特点：,12,一、常规机械强度设计,存在的问题：,1.,应力的多轴性和变形的弹塑性；,2.,疲劳破坏的普遍性；,3.,疲劳与蠕变的交互作用；,4.,强度中的寿命计算；,5.,疲劳强度可靠性；,6.,局部应力应变分析；,7.,断裂力学,一、常规机械强度设计存在的问题：,13,二、现代机械强度设计,理论：,1.,应力应变分析方法及线弹性强度理论,2.,弹塑性强度理论,3.,含裂纹体的强度理论,4.,疲劳强度理论,二、现代机械强度设计理论：,14,1.,应力应变分析方法及线弹性强度理论,弹性力学基本方程,一点处的应力应变,主应力,主平面,设计计算,方程求解：解析法、,有限元法,坐标变换,强度准则,1.应力应变分析方法及线弹性强度理论弹性力学基本方程一点处的,15,1.,应力应变分析方法及线弹性强度理论,特点：,考虑了材料的线弹性变形，即应力应变是线性关系，运用,弹性力学、,形变能理论、最大剪应力理论等确定主应力和主平面，能较好的解决复杂应力的问题,。,1.应力应变分析方法及线弹性强度理论特点：,16,2.,弹塑性强度理论,变形分析,应力状态分析,（弹性极限状态、弹塑性状态、塑形极限状态）,各状态的极限载荷,2.弹塑性强度理论变形分析应力状态分析各状态的极限载荷,17,2.,弹塑性强度理论,特点：,基本假设：除理想弹性这一点外，其余同弹性力学。即平衡方程、几何方程均相同,应力应变之间的关系是非线性的，其非线性性质与具体材料有关,2.弹塑性强度理论特点：,18,2.,弹塑性强度理论,特点：,3)应力与应变之间没有一一对应的关系，它与加载历史有关不惟一性；,4)在变形体中存在弹性变形区和塑性变形区，因而在求解问题时，需要找出弹性区和塑性区的分界线（屈服准则）；,2.弹塑性强度理论特点：,19,2.,弹塑性强度理论,特点：,5)在分析问题时，需要区分是加载过程还是卸载过程。在加载过程中，使用塑性的应力应变关系方程；在卸载过程中，使用广义胡克定律。,2.弹塑性强度理论特点：,20,3.含裂纹体的强度理论,确定结构及受力,应力强度因子K,判断是否处于裂纹的稳定扩展阶段,由最大应力求出临界裂纹尺寸,a,确定Paris公式中的各项系数,求裂纹扩展寿命,G准则,K准则,Paris公式用于研究裂纹扩展速率，作为设计选材时的参考，以及计算裂纹体的剩余寿命。,3.含裂纹体的强度理论确定结构及受力应力强度因子K判断是否处,21,3.含裂纹体的强度理论,应力强度因子的特性：,1.应力强度因子是裂纹尖端应力应变场强,度的度量；,2.应力强度因子是裂纹尖端应力应变场具,有奇异性的度量,；,3.应力强度因子的临界值是材料本身的固,有属性。,3.含裂纹体的强度理论应力强度因子的特性：,22,4.疲劳强度理论,设计准则：,1.无限寿命设计：对疲劳强度要求高。钢轨、桥梁、车轴等的设计。,应力只要不超过,，则N可无限增大,有限寿命区,无限寿命区,4.疲劳强度理论设计准则：应力只要不超过有限寿命区无限寿命区,23,4.疲劳强度理论,设计准则：,2.安全寿命设计（有限寿命设计）：要求零部件或结构在给定的使用周期内不能产生任何疲劳缺陷。常用于飞机、汽车、压力容器等的设计中。,有限寿命区,无限寿命区,4.疲劳强度理论设计准则：有限寿命区无限寿命区,24,4.疲劳强度理论,设计准则：,3.破损-安全设计：承认裂纹可以出现，但在被检测和维修之前，不会导致整个结构的破坏。（避免因安全系数造成重量过大，例如在航空工业）,4.损伤-容限设计：假设裂纹预先存在，用断裂力学方法分析其寿命。是3的进一步改进。,4.疲劳强度理论设计准则：,25,二、现代机械强度设计,设计步骤：,1.,根据常规设计方法，初步确定结构形状及尺寸；,2.,应用有限元法分析应力、应变分布；,3.,用声、光、电等检测手段，确定零构件缺陷尺寸和位置；,4.,对于无缺陷材料，计算服役寿命=裂纹形成寿命+裂纹扩展寿命；,5.,对于有缺陷材料，用断裂力学方法计算裂纹扩展寿命。,二、现代机械强度设计设计步骤：,26,案例分析装载机前车架,案例分析装载机前车架,27,案例分析装载机前车架,轮式装载机的车架由前车架和后车架组成。前车架是装载机的基础承载构件，是车架的,主要承载体,；后车架为箱形结构，受力较小。因此，这里只计算前车架的强度及刚度。,前车架是由薄钢板焊接而成的三维空间结构，形状较为复杂，用常规的力学方法无法对其进行精确计算。为此，,这里,采用现代强度及刚度设计方法。该车架采用四板组焊的焊接工艺。车架为,左右对称,结构，有一纵向对称轴。其上作用有掘起力、铲入力。由结构的对称性，可,取结构的一半,进行强度及刚度的计算与分析。,案例分析装载机前车架 轮式装载机的车,28,案例分析装载机前车架,前车架,案例分析装载机前车架前车架,29,案例分析装载机前车架,1.受力分析,（1）扭转工况,：,车架上的载荷作用点离对称轴有偏,距，相当于加以极限扭矩，使车架产生扭转。,（2）弯曲工况,：,最大载荷作用在对称轴上，沿铅垂,方向产生偏载，使车架处于弯曲工况状态。,（3）弯扭联合工况,：,将弯曲工况和扭转工况组合在,一起即为弯扭工况。车架受载最为严重的工况,是弯曲工况和弯扭联合工况，与车架结构强度,及刚度直接有关的亦主要是这2种工况。在车,架的载荷计算工况中，车架所受的最大载荷是,最大牵引力，为158kN，最大掘起力为,210.9kN。,案例分析装载机前车架1.受力分析,30,案例分析装载机前车架,2.有限元法：对结构进行网格划分,案例分析装载机前车架2.有限元法：对结构进行网格划分,31,案例分析装载机前车架,3.约束条件,在上述3种载荷计算工况下，约束部位为车架内各铰孔及车架底部与前桥的联接部位，各铰孔内结点的方向、y方向、方向位移均被限制为零。底部联接部位沿纵向（方向）位移及横向（y方向）位移为零。,案例分析装载机前车架3.约束条件,32,案例分析装载机前车架,4.强度计算,车架钢板材料,为,40,Cr,，屈服极限,s,340MPa，安全系数2，许用应力170MPa，计算图1所示各截面的应力大小，计算结果见表1。,高应力区,案例分析装载机前车架4.强度计算高应力区,33,案例分析装载机前车架,5.分析,有限元计算结果表明，轮式装载机车架高应力区在、截面处，即铰孔处。由于外载荷作用在铰孔处，且易形成应力集中，所以铰孔处应力最高，强度偏低。最大应力发生在截面处，即外侧板上铰孔处，其值为136.2MPa，但仍低于材料的许用应力，可见,仍能满足强度条件,。车架其它截面的应力值较小，因而比较安全。,因此，做改进设计时可考虑将外侧板铰孔适当加强，加强措施包括,增加相应的板厚或在铰孔处设置加强筋,等。同时，其它部位应力较低，可以考虑采取适当措施（如减薄板的厚度），达到节省材料、减轻重量的目的。,案例分析装载机前车架5.分析,34,三、提高强度的措施,1.采用合理的截面形状,三、提高强度的措施1.采用合理的截面形状,35,三、提高强度的措施,2.载荷分流：对于承受较大载荷的零件，可通过将部分载荷分流到其他零件的方法降低关键零件的危险程度。,三、提高强度的措施2.载荷分流：对于承受较大载荷的零件，可通,36,三、提高强度的措施,3.载荷均布,三、提高强度的措施3.载荷均布,37,三、提高强度的措施,4.改善轴承支撑结构,三、提高强度的措施4.改善轴承支撑结构,38,三、提高强度的措施,5.充分发挥材料,特性,三、提高强度的措施5.充分发挥材料,39,三、提高强度的措施,6.合理强化,双层套装结构，产生预应力,施加工作,载荷,两两消除，降低最大应力,三、提高强度的措施6.合理强化双层套装结构，产生预应力施加工,40,刚度设计,静刚度,动刚度,刚度设计静刚度动刚度,41,静刚度,定义：一般用结构在静载荷作用下的变形多少来衡量。,静刚度定义：一般用结构在静载荷作用下的变形多少来衡量。,42,动刚度,定义：结构在特定的动态激扰下抵抗变形的,能力。一般用用结构的固有频率来衡,量。,动刚度定义：结构在特定的动态激扰下抵抗变形的,43,提高刚度的措施,1.采用桁架结构,提高刚度的措施1.采用桁架结构,44,提高刚度的措施,2.合理布置支承,提高刚度的措施2.合理布置支承,45,提高刚度的措施,3.合理布置隔板与肋板,提高刚度的措施3.合理布置隔板与肋板,46,谢谢,谢谢,47,