6機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)XXXX_1

1、6 機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)7/10/20221強(qiáng)度與失效失效：產(chǎn)品不能完成預(yù)定功能強(qiáng)度：抵抗失效的能力承載變形振動(dòng)摩擦腐蝕25 機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)5.1 常規(guī)機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)5.2 抗疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)5.3 損傷容限設(shè)計(jì)35.1 常規(guī)機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)5.1.1 機(jī)械強(qiáng)度的平安性判據(jù)5.1.2影響平安系數(shù)的因素5.1.3 平安系數(shù)計(jì)算45.1.1 機(jī)械強(qiáng)度的平安性判據(jù)應(yīng)力計(jì)算、實(shí)測許用應(yīng)力由材料、結(jié)構(gòu)及工況規(guī)定工作平安系數(shù)計(jì)算許用平安系數(shù)根據(jù)工況等規(guī)定55.1.2 影響平安系數(shù)的因素零部件重要程度的影響：K1載荷及應(yīng)力計(jì)算的準(zhǔn)確程度的影響：K2不同失效形式的影響：K3應(yīng)力集中的影響：K4截面尺寸的影響：K5外表加工狀態(tài)的影

2、響：K6檢驗(yàn)質(zhì)量的影響：K76零部件重要程度系數(shù)：K17應(yīng)力計(jì)算的準(zhǔn)確度系數(shù)：K2計(jì)算公式準(zhǔn)確,所有作用力及應(yīng)力已知時(shí),取K2=1.0；計(jì)算公式或圖表,使計(jì)算所得應(yīng)力較實(shí)際應(yīng)力高時(shí),取K2=1.0；計(jì)算應(yīng)力較實(shí)際應(yīng)力低,根據(jù)兩者之差異,可選取K2=1.051.65；8失效形式影響系數(shù)：K3規(guī)定拉伸失效為理想失效,該失效形式下的強(qiáng)度極限為拉伸強(qiáng)度極限, K3=1.0；則在其它失效形式下, K3值分別為：塑性材料脆性材料疲勞破環(huán)9平安系數(shù)影響因素K4、 K5、 K6、 K7K4：應(yīng)力集中系數(shù) K4 =max/ nK5：截面尺寸增大系數(shù) K5 =1/K6：外表加工狀況系數(shù) K6 =1/K7：檢驗(yàn)質(zhì)量

3、系數(shù),抽檢1.15-1.30, 逐個(gè)檢驗(yàn) 1.05-1.15105.1.3 平安系數(shù)計(jì)算靜應(yīng)力下平安系數(shù)塑性材料脆性材料115.1.3 平安系數(shù)計(jì)算變應(yīng)力下平安系數(shù)交變應(yīng)力等應(yīng)力幅變應(yīng)力幅復(fù)合應(yīng)力對稱循環(huán)非對稱循環(huán)正應(yīng)力剪應(yīng)力12等應(yīng)力幅的平安系數(shù)對稱循環(huán)強(qiáng)度判據(jù)疲勞極限有效值工作應(yīng)力幅13等應(yīng)力幅的平安系數(shù)不對稱循環(huán)不對稱系數(shù)由下式求得1415變應(yīng)力幅的平安系數(shù)等幅當(dāng)量應(yīng)力按Miner準(zhǔn)則和S-N曲線求得16彎扭同時(shí)作用下的平安系數(shù)175.2 抗疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)5.2.1 疲勞破環(huán)及疲勞過程5.2.2 金屬材料的疲勞特性5.2.3 影響疲勞強(qiáng)度的因素5.2.4 疲勞壽命設(shè)計(jì)185.2.1 疲勞破

4、環(huán)及疲勞過程定義：材料或零構(gòu)件在循環(huán)載荷作用下產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展至斷裂的現(xiàn)象稱為疲勞破環(huán)。與靜強(qiáng)度破環(huán)的主要區(qū)別：危險(xiǎn)截面局部危險(xiǎn)點(diǎn)變形過大微裂紋擴(kuò)展疲勞破環(huán)靜強(qiáng)度破環(huán)靜載破壞斷口疲勞破壞斷口19疲勞破環(huán)特點(diǎn)五大特點(diǎn)：低應(yīng)力性；突然性；時(shí)間性；敏感性；斷口的疲勞特性。20疲勞破環(huán)過程裂紋擴(kuò)展的第一階段裂紋成核階段微觀裂紋擴(kuò)展階段裂紋擴(kuò)展的第二階段宏觀裂紋擴(kuò)展階段斷裂階段疲勞裂紋形成階段（壽命Ni）疲勞裂紋擴(kuò)展階段（壽命Np）21疲勞的分類按疲勞失效周次：高周疲勞、低周疲勞；按應(yīng)力狀態(tài)分：單軸疲勞、多軸疲勞；按載荷變化分：恒幅、變幅、隨機(jī)疲勞按研究對象分：材料疲勞、結(jié)構(gòu)疲勞按工作環(huán)境分：常規(guī)疲勞、高

5、溫、低溫、熱疲勞、腐蝕疲勞、接觸疲勞、沖擊疲勞、225.2.2 金屬材料的疲勞特性S-N曲線235.2.2 金屬材料的疲勞特性疲勞極限線圖：將不同r下的疲勞極限畫到一個(gè)圖上史密斯疲勞極限線圖哈埃疲勞極限線圖0245.2.2 金屬材料的疲勞特性循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變下的材料特性材料的循環(huán)硬化和循環(huán)軟化255.2.2 金屬材料的疲勞特性循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變下的材料特性循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線265.2.3 影響疲勞強(qiáng)度的因素材料組織成分、結(jié)構(gòu)的影響；零部件形狀、尺寸和外表狀況的影響；工作載荷特性的影響；服役環(huán)境和條件的影響。275.2.3 影響疲勞強(qiáng)度的因素1. 應(yīng)力集中的影響應(yīng)力集中：外形突然變化或材料不連續(xù)地方,常產(chǎn)生

6、很大的局部應(yīng)力理論應(yīng)力集中系數(shù)、：在彈性變化范圍內(nèi)材料的局部應(yīng)力峰值 max與名義應(yīng)力之比 有效應(yīng)力集中系數(shù)K 、K ：實(shí)際衡量應(yīng)力集中對疲勞強(qiáng)度影響的系數(shù)285.2.3 影響疲勞強(qiáng)度的因素2. 尺寸影響尺寸效應(yīng)：疲勞強(qiáng)度隨零件尺寸增大而降低的現(xiàn)象尺寸系數(shù)、：一般零部件或試樣的疲勞極限與幾何相似的標(biāo)準(zhǔn)試樣的疲勞極限之比295.2.3 影響疲勞強(qiáng)度的因素3. 外表加工方法的影響不同外表加工的影響：外表加工系數(shù)1、腐蝕系數(shù)2 、外表強(qiáng)化系數(shù)3外表加工系數(shù)：某種加工外表的標(biāo)準(zhǔn)光滑試樣與磨光（國外為拋光）的標(biāo)準(zhǔn)光滑試樣疲勞極限之比305.2.4 疲勞壽命設(shè)計(jì)1. 疲勞壽命設(shè)計(jì)的根本思想：疲勞累積損傷理

7、論當(dāng)材料承受高于疲勞極限的應(yīng)力時(shí),每一循環(huán)都使材料產(chǎn)生一定量的損傷,這種損傷能夠累積,當(dāng)損傷累積到某一臨界值時(shí)將產(chǎn)生破壞。 Miner線性累積損傷理論相同應(yīng)變幅值和平均應(yīng)力的 ni個(gè)應(yīng)變和應(yīng)力循環(huán)將按線性累加,造成 ni/Ni的損傷,即消耗掉 ni/Ni局部疲勞壽命； 當(dāng)損傷按線性累加到達(dá)1時(shí),疲勞破壞就發(fā)生了。315.2.4 疲勞壽命設(shè)計(jì)Miner線性累積損傷理論根底疲勞極限：r條件疲勞極限： rN以i循環(huán)ni次造成的損傷：ni/ Ni；各個(gè)不同r下造成的總損傷： ni/ Ni 注意：事實(shí)上,前面的加載應(yīng)力大小對后面的損傷累積有影響。325.2.4 疲勞壽命設(shè)計(jì)2. 常規(guī)疲勞壽命設(shè)計(jì)（1）無

8、限壽命設(shè)計(jì)：對疲勞強(qiáng)度要求高。鋼軌、橋梁、車軸等的設(shè)計(jì)。靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)疲勞強(qiáng)度校核335.2.4 疲勞壽命設(shè)計(jì)2. 常規(guī)疲勞壽命設(shè)計(jì)（2）有限壽命設(shè)計(jì)：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(jī)、汽車、壓力容器等的設(shè)計(jì)中。345.2.4 疲勞壽命設(shè)計(jì)3. 隨機(jī)載荷下的疲勞壽命實(shí)測載荷時(shí)間歷程統(tǒng)計(jì)載荷譜疲勞壽命計(jì)算Miner線性累積準(zhǔn)則355.3 損傷容限設(shè)計(jì)8.3.1 損傷容限設(shè)計(jì)的根本思想8.3.2 線彈性斷裂力學(xué)8.3.3 疲勞裂紋擴(kuò)展速率8.3.4 剩余壽命的估算8.3.5 斷裂控制365.3.1 損傷容限設(shè)計(jì)的根本思想設(shè)計(jì)思想：允許零件有初始缺陷,或在服役過程中出現(xiàn)

9、裂紋,產(chǎn)生破損,但在下次檢修之前應(yīng)保持一定的剩余強(qiáng)度,能夠正常使用,直到下次檢修予以發(fā)現(xiàn)、修復(fù)或更換。關(guān)鍵問題：如何估算裂紋擴(kuò)展壽命線彈性斷裂力學(xué)375.3.2 線彈性斷裂力學(xué)1. 裂紋的根本類型張開型(I)滑開型()撕開型()裂紋表面裂紋前緣IIIIII385.3.2 線彈性斷裂力學(xué)2. 應(yīng)力強(qiáng)度因子與斷裂韌度概念的由來：裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場分析裂紋尖端應(yīng)力場的一般表達(dá)式：中心貫穿裂紋無限大板395.3.2 線彈性斷裂力學(xué)2. 應(yīng)力強(qiáng)度因子與斷裂韌度應(yīng)力強(qiáng)度因子KI：反映裂紋尖端附近區(qū)域的應(yīng)力、應(yīng)變場強(qiáng)弱程度的物理量。斷裂韌度Kc：應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值,即發(fā)生脆性斷裂時(shí)的應(yīng)力強(qiáng)度因子。平面應(yīng)變

10、斷裂韌度KIc：斷裂韌度的最低值。斷裂判據(jù)：KIKIc405.3.3 疲勞裂紋擴(kuò)展速率1. 裂紋擴(kuò)展速率：研究裂紋擴(kuò)展速率的目的：設(shè)計(jì)選材時(shí)的參考；計(jì)算裂紋體的剩余壽命；415.3.3 疲勞裂紋擴(kuò)展速率疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展的Paris公式臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度疲勞斷裂韌性425.3.3 疲勞裂紋擴(kuò)展速率2. 影響疲勞裂紋擴(kuò)展速率的因素平均應(yīng)力：平均應(yīng)力使裂紋擴(kuò)展速率增加超載：過載峰延緩隨后的低載恒幅下的裂紋擴(kuò)展加載頻率：加載頻率減小,裂紋擴(kuò)展速率增大溫度：溫度提高,裂紋擴(kuò)展速率增大435.3.4 剩余壽命的估算零件的剩余壽命：在已經(jīng)存在裂紋的條件下,零構(gòu)件能夠運(yùn)行的周期數(shù)或時(shí)間。即疲勞裂紋的擴(kuò)展壽命

11、。估算零件剩余壽命的方法：裂紋擴(kuò)展的Paris公式445.3.4 剩余壽命的估算（1）初始裂紋尺寸a0確實(shí)定儀器靈敏度的尺寸 初始裂紋發(fā)生于關(guān)鍵零件的關(guān)鍵部位 （2）臨界裂紋尺寸ac確實(shí)定應(yīng)力強(qiáng)度因子到達(dá)斷裂韌性值（3）應(yīng)力強(qiáng)度因子確實(shí)定查表、計(jì)算、試驗(yàn)455.3.5 斷裂控制1. 材料選擇：KIc/s2. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3. 定期檢驗(yàn)制度4. 控制平安工作應(yīng)力46復(fù)習(xí)思考題1. 常規(guī)疲勞設(shè)計(jì)與現(xiàn)代疲勞設(shè)計(jì)方法的異同點(diǎn)。2. 疲勞破壞與靜強(qiáng)度破壞有哪些不同？3. 損傷容限設(shè)計(jì)的根本思想是什么？4. 長度為2a = 1000mm 的懸臂梁AB ,其橫截面為矩形,寬、高分別為b = 20 mm和h= 30 mm。載荷