机械零件的强度课件

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,*,机械设计,中国地质大学长城学院,第三章 机械零件的强度,概述,材料的,疲劳特性,机械零件的,疲劳强度计算,机械零件的,接触强度,影响机械零件疲劳强度的主要因素,第三章 机械零件的强度概述材,0,教学目标,1,.掌握机械零件的载荷和应力的类型；,2.熟练掌握材料的-N曲线、,m,-,a,3.了解影响机械零件疲劳强度的综合影响系数的构成,4.熟练掌握单向稳定变应力时机械零件危险截面上,的疲劳强度计算,5.了解双向稳定变应力时的疲劳强度计算；,6.了解疲劳损伤累计假说；,7.了解点蚀的形成过程,8.掌握机械零件的接触强度计算；,教学目标1.掌握机械零件的载荷和应力的类型；,1,3-1,概 述,一、载荷和应力的分类,1.载荷分类,静载荷,：不随时间变化或变化缓慢的载荷,如：锅炉所受压力,变载荷,：随时间作周期性变化或非周期变化的载荷。,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,如：汽车的齿轮和轴等所受的载荷,名义载荷和计算载荷,3-1 概 述一、载荷和应力的分类1.载荷分类静载荷：不,2,2.应力的分类,1）应力种类,静应力,变应力,：,稳定循环变应力,不稳定变应力,t,静应力 r=1,t,0,对称循环变应力,t,0,脉动循环变应力,t,0,非对称循环变应力,随机变应力,规律性不稳定变应力,2.应力的分类1）应力种类静应力变应力：稳,3,注意：,静应力,只能由,静载荷,产生，,变应力,可能由,变载荷,或,静载荷,产生。,a,0,t,t,0,a,在变应力下，零件的主要失效形式为：,疲劳破坏,注意：静应力只能由静载荷产生，变应力可能由变载荷或静载荷产生,4,2）稳定循环变应力的基本参数,基本参数,最大应力,最小应力,平均应力,应力幅,应力循环特性（应力比）,插图1-3,2）稳定循环变应力的基本参数基本参数最大应力 最小应力 平均,5,二、材料的疲劳特性,1.疲劳破坏,很多机械零件在工作中承受变应力，在变应力的作用下零件不会立即破坏，但,变应力,每次,作用,仍会对零件,造成轻微的损伤,，随应力作用次数（也称,循环次数,）的,增加,，当,损伤累积,到,一定程度,时，在零件的表面或内部将,出现裂纹,并扩展直至到发生完全,断裂,，这种缓慢形成的破坏-疲劳破坏。,2.疲劳断口特征,1）没有显著的塑性变形,2）断口上明显的分两个区,脆性断裂区,疲劳源,疲劳纹,疲劳区,二、材料的疲劳特性 1.疲劳破坏 很多机械零,6,3-2 疲劳曲线和极限应力图,一、疲劳曲线（-N）,应力比,r一定,时，表示疲劳极限（,rN,）和循环次数,N,之间,关系,的曲线。,疲劳极限（）：,在应力比为r的循环应力作用下，应力循环N次后，材料不发生疲劳破坏时的,最大应力,（,max,）称为材料的疲劳极限。,1.疲劳曲线,：,N,N,D,max,D,Nc,有限寿命区,无限寿命区,低周疲劳,高周疲劳,r,3-2 疲劳曲线和极限应力图一、疲劳曲线（-N）,7,2.疲劳曲线方程,rN,m,*N=C(常量）,显然有：,r,m,*N,0,=C(常量）,所以：,rN,m,*N=,r,m,*N,0,即：,-,寿命系数,M-寿命指数（材料常数）其值有试验来决定。,对于钢材，在弯曲疲劳和拉压疲劳时，m=6-20,在初步计算中，零件受弯曲疲劳时取m=9,注意：,方程适用于：,有限寿命区的高周疲劳段,2.疲劳曲线方程 rNm *N=C(常量）显然,8,二、,极限应力图,（等寿命疲劳曲线）,1.,m,a,图,疲劳寿命,N一定时,，不同,应力比r,对应的材料,疲劳极限,rN,亦不同，表示两者,关系,的图叫极限应力图。,特殊点：,A 点,为对称循环r=-1极限应力点，纵坐标上各点均表示对称循环应力状态。,B点,为脉动循环r=0的极限应力点。,C点,为r=1的静强度极限应力点。,应力比范围,-1r+1,疲劳安全区,静强度安全区,疲劳失效区,静强度失效区,a,m,A（0,-1,）,B(,0,/2,0,/2),45,0,C(,s,0),G,0,二、极限应力图（等寿命疲劳曲线）1.m a 图,9,如果材料承受的工作应力点,落在折线AGC以内,，最大应力既不超过疲劳极限又不超过,s,则,不会发生破坏,，且工作应力点距折线越远越安全。如果工作应力点,落在折线AGC以外,，,就会发生破坏。,由A、B两点坐标可建立,直线AG方程,，为：,-1,=,ra,+,rm,=(2,-1,-,0,)/,0,直线GC的方程,：,ra,+,rm,=,s,根据实验，对碳钢，0.1-0.2；对合金钢，0.2-0.3,的取值,？,如果材料承受的工作应力点落在折线AGC以内，,10,作业题,某合金钢,-1,=340MPa，,s,=550MPa。,（1）绘制材料的极限应力图。,（2）试求r=-0.3时的疲劳极限,-0.3,。,作业题 某合金钢-1=340MPa，s=550MPa。,11,3-3,影响零件疲劳强度的主要因素,材料的各疲劳极限,rN，,0，,-1,以及材料的极限应力图，都是用标准试件通过疲劳试验测得的，是标准试件的疲劳强度指标，而机械零件与标准试件之间，在形体表面状态以及绝对尺寸等方面是有差异的。因此机械零件的疲劳强度与标准试件的疲劳强度有所不同。,主要影响因素：,（一）、零件结构的理论应力集中系数,用实验的方法求出的零件几何不连续处的应力集中系数,（,）称为理论应力集中系数。,见附表3-1、附表3-2、附表3-3,（二）、疲劳强度降低系数或有效应力集中系数,K,(k,),注：,理论应力集中系数与有效应力集中系数的关系式为：,K-1=q(-1),见附图3-1、附表3-4、3-5、3-6,3-3 影响零件疲劳强度的主要因素 材料,12,（三）、绝对尺寸及截面形状影响系数,零件真实尺寸及截面形状与标准试件尺寸（d=10mm)及形状（圆柱形）不同时对材料疲劳极限的影响，用尺寸及截面形状系数,（,）,来表示。,见：P,42-43,附图3-2、附图3-3、附表3-7,（四）、表面质量系数,零件表面质量（主要指表面粗糙度）对疲劳强度的影响，用表面质量系数,来表示。,见：P,44,附图3-4,（五）、强化系数,对零件表面施行不同的强化处理，均不同程度地提高零件的疲劳强度。用,q,表示。,见：附表3-9、附表3-10、附表3-11,（三）、绝对尺寸及截面形状影响系数 零件真实尺寸,13,综合影响系数,实验证明：应力集中，尺寸和表面状态都,只对应力幅有影响,，而,对平均应力没有明显影响,（亦即对静应力没有影响）因此，在计算中，上述四个系数都只记在应力幅上，可将它们按定义式组成一个综合影响系数。,-零件的有效应力集中系数,-零件的尺寸系数,-零件的表面质量系数,-零件的强化系数,综合影响系数 实验证明：应力集中，尺寸和表面状态,14,由于应力集中、尺寸和表面状态的影响，使大多数机械零件的疲劳强度有所降低。考虑到综合影响系数只对应力幅有影响，而对平均应力没有影响。所以，,只在纵坐标上记入。,a,m,A（0,-1,）,B(,0,/2,0,/2),45,0,C(,s,0),G,0,45,0,A,1,(0,),B,1,(,0,/2,),由于应力集中、尺寸和表面状态的影响，使大多数机,15,由A,1,及B,1,两点坐标，求直线A,1,B,1,的方程。,或,-直线A,1,B,1,上任意点的坐标，即零件的极限应力分量。,-表示材料（或试件）对称循环弯曲疲劳极限,-零件对称循环弯曲疲劳极限,见P,25,3-9a,由A1及B1两点坐标，求直线A1B1的方程。或-直线,16,3-4,机械零件的疲劳强度计算,疲劳强度设计的主要内容之一是,计算危险截面处的安全系数,，以判断零件的安全程度，安全条件SS。,一、受单向稳定变应力时机械零件的安全系数,单向变应力,是指只承受单向正应力或单向切应力。如：只受单向拉压或弯曲，只受扭转等。,在做机械零件的疲劳强度计算时，首先需要求出机械零件,危险截面,上的最大工作应力 及最小工作应力 ，据此计算出工作平均应力 及工作应力幅 ，然后，在极限应力线图的坐标上即可标出相应于及 的一个,工作应力点N。,强度计算时所用的极限应力应是零件的极限应力曲线上的某一个点所代表的应力。,到底用哪一个点来表示极限应力才算合适,?,3-4 机械零件的疲劳强度计算 疲劳强度设,17,三种典型的应力增长规律,1）,r,=C（常数）,例：转轴的弯曲应力,2）,m,=C(常数）,如：车辆减震弹簧，由于车的质量先在弹簧上产生预加平均 应力，车辆运行中的震动又在弹簧上产生对称循环应力。,3）,min,=C,如：气缸盖的螺栓连接，在安装拧紧时螺栓杆上先产生预加（最小）拉应力，气缸工作时的压力又在螺栓杆上产生循环拉应力。,（一）r=C的情况,即,：,所以,：,三种典型的应力增长规律1）r=C（常数）例,18,N（，）,将0N,1,上的比例关系式（）和直线A,1,B,1,的方程联立,工作应力点落在A,1,G0区,a,m,A,1,C(,s,0),G,0,N,1,(，）,M,M,1,N（，）将0N1上的比例关系式（,19,则零件的疲劳极限为：,安全系数为：,工作应力点落在GC0区，极限应力点必然落在屈服强度线上，极限应力,lim,为,s,，属于静强度范畴。,则零件的疲劳极限为：安全系数为：工作应力点落在GC0,20,(二),m,=C 的情况,当,m,=C时，需要找到一个其平均应力与零件工作应力的平均应力相同的极限应力。,N,1,(,),M,1,N（，）,M,a,m,A,1,C(,s,0),G,0,E,(二)m=C 的情况 当m=C时，需要找到一个其平,21,如果工作应力点位于OA,1,GE区(如N点)，那么将 代入A,1,B,1,的方程式（3-9a）,可求出零件的极限应力幅 ，即：,按最大应力计算的安全系数及安全条件为,按应力幅计算的安全系数及安全条件为,注：由于 和 不同，因此再设计中应分别安上述两式同时验算安全系数。,如果工作应力点位于OA1GE区(如N点)，那么将,22,（三）,如果工作应力点位于EGC区（如M点），则按（3-18）进行验算。,应力在增长的过程中最小应力保持不变,，也就是需找到一个其最小应力与零件工作应力的最小应力相同的极限应力。,因为：,N（，）,M,M,1,N,1,(,),G,a,m,A,1,C(,s,0),0,45,E,（三）如果工作应力点位于EGC区（如M点），则按（3-18）,23,如果工作应力点位于OA,1,D,1,E区，将 代入A,1,B,1,的方程式，即可求出N,1,点对应的零件的极限平均应力和极限应力幅：,据此可推出分别按最大应力和应力幅计算的安全系数及安全条件,如果工作应力点位于OA1D1E区，将,24,如果工作应力点落在GEC区，则按式（3-18）计算。,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10,3,(10,4,)NN,o,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。,如果工作应力点落在GEC区，则按式（3-18）计算。注意：1,25,作业：,某零件危险截面上的工作应力为,m,=180MPa,a,=95MPa。材料为合金钢，,-1,=400MPa，,s,=520MPa，疲劳缺口系数k,=1.55，尺寸系数,=0.75，表面状态系数,=0.9，零件的强化系数,q,=1.2，取安全系数S,=1.5。用解析法求零件的安全系数，并判断其安全性。,作业：某零件危险截面上的工作应力为m=180MPa,a,26,如图所示零件的板厚为20mm，在载荷F的作用下，F的变化范围为10,5,2*10,5,N。材料的,s,=500MPa，,-1,=400MP