《交變應力》課件

交變應力交變應力是指在結構或材料上重復變化的應力。它會導致疲勞，并最終導致材料斷裂。課程導言課程介紹本課程主要講解交變應力，并分析其對材料的影響。學習目標深入了解交變應力的概念，掌握應力分析方法。課程內容涵蓋交變應力的定義、來源、影響因素、危害及應力分析方法。學習方式通過課堂講解、案例分析、實驗操作和課后習題等方式學習。什么是應力力的作用當外力作用于物體上時，物體內部會產生抵抗外力的作用力，這種抵抗外力的作用力就是應力。單位面積上的力應力通常用單位面積上的力來表示，即帕斯卡（Pa）。內力與外力應力是物體內部產生的內力，而外力是指作用于物體表面的力。應力的分類正應力垂直作用于物體截面的應力。比如拉伸、壓縮應力。切應力平行作用于物體截面的應力。比如扭轉、剪切應力。復合應力同時包含正應力和切應力的應力。比如彎曲應力。靜態(tài)應力和動態(tài)應力靜態(tài)應力靜態(tài)應力是指大小和方向保持不變的應力。靜態(tài)應力通常由恒定的載荷引起，例如重物或結構自身的重量。動態(tài)應力動態(tài)應力是指大小和方向隨時間變化的應力。動態(tài)應力通常由周期性的載荷引起，例如機器的振動或沖擊力。交變應力的定義交變應力是指在時間上發(fā)生周期性變化的應力。這種應力通常由振動、沖擊或旋轉等因素引起，導致材料反復承受拉伸和壓縮。交變應力的大小和方向可能隨著時間而變化，但其周期性特征是其主要特點。交變應力的特點重復性和周期性交變應力在一定時間內重復出現，且具有明顯的周期性特征。幅值和頻率交變應力具有幅值和頻率，這兩個參數決定了應力變化的程度和速度。應力集中交變應力在零件的幾何形狀突變處更容易產生應力集中，導致材料失效。交變應力的作用促進材料性能提升交變應力可以促使材料內部結構發(fā)生改變，從而提高材料的強度、韌性和耐疲勞性能。改善材料表面性質交變應力可以使材料表面形成致密的氧化層或涂層，提高材料的耐腐蝕性和耐磨性。改變材料形狀交變應力可以使材料發(fā)生塑性變形，從而改變材料的形狀和尺寸，滿足特定的應用需求。控制材料的微觀結構交變應力可以影響材料的晶粒尺寸、晶界結構和相變過程，從而控制材料的微觀結構。交變應力的來源旋轉機械發(fā)動機、渦輪機、泵等旋轉機械在運轉過程中會產生周期性的應力變化，形成交變應力。沖擊載荷錘擊、碰撞、爆炸等沖擊載荷也會導致材料產生交變應力。振動機械設備的振動會導致部件產生周期性的應力變化，形成交變應力。環(huán)境因素風力、溫度變化、潮汐等環(huán)境因素也會導致結構產生交變應力。交變應力的危害疲勞失效交變應力會導致材料疲勞，最終導致零件斷裂，這是交變應力最常見的危害。疲勞失效通常發(fā)生在材料內部，難以預測，也難以預防，給生產安全帶來重大隱患。應力集中交變應力會加速應力集中區(qū)域的疲勞損傷，使得這些區(qū)域更容易發(fā)生失效。應力集中通常出現在零件的幾何形狀變化處，例如孔洞、尖角和缺口等，需要注意這些區(qū)域的應力變化。疲勞失效和應力集中疲勞失效交變應力會造成材料內部微觀裂紋的產生和擴展，最終導致構件斷裂。應力集中在結構的幾何突變處，例如孔洞、凹槽或缺口，應力會顯著增加，從而加速疲勞失效。影響交變應力的因素1材料強度材料強度是指材料抵抗變形和斷裂的能力，強度越高，抗交變應力能力越強。2內應力內應力是指材料內部存在的應力，它會影響材料的抗交變應力能力，內應力越大，抗交變應力能力越弱。3表面處理表面處理可以改變材料的表面性質，從而影響材料的抗交變應力能力，例如，表面硬化可以提高材料的抗交變應力能力。4環(huán)境溫度溫度會影響材料的強度和韌性，高溫會降低材料的抗交變應力能力，低溫會提高材料的抗交變應力能力。材料強度和內應力材料強度材料強度是指材料抵抗外力破壞的能力。材料強度越高，抵抗變形和斷裂的能力越強。材料的強度通常用抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度等指標來衡量。內應力內應力是材料內部存在的應力，它是由材料內部的結構變化或外力的作用引起的。內應力可以分為殘余應力和工作應力兩種。表面處理對交變應力的影響表面處理可改變材料的表面結構和性質，如提高硬度和耐腐蝕性。表面處理可以引入殘余應力，改變應力分布，降低應力集中，提高抗疲勞性能。例如鍍層、噴涂等，可以形成保護層，減緩腐蝕和磨損，提高材料的抗疲勞壽命。零件設計與交變應力結構優(yōu)化零件設計應考慮材料強度和應力分布，優(yōu)化結構以減少應力集中。形狀設計采用圓角、過渡等形狀，避免尖角和突變，減少應力集中。材料選擇根據交變應力大小選擇合適的材料，高強度材料能夠承受更大的應力。尺寸控制合理控制零件尺寸，避免過大或過小，保證足夠的強度和剛度。應力集中的控制圓角設計圓角設計可以有效地減小應力集中，提高零件的疲勞強度。過渡設計在形狀突變處設計過渡區(qū)域，可以使應力分布更加均勻，降低應力集中程度?？锥丛O計在設計孔洞時，應盡可能避免形狀尖銳，并使用圓角或橢圓形設計，可以有效地減小應力集中。表面處理表面處理可以改善零件的表面光潔度，提高表面強度，減緩疲勞裂紋的擴展。應力分析的方法理論分析法利用材料力學、彈性力學等理論進行計算，得出應力分布和大小。實驗測試法通過應力測試儀器，測量實際零件或結構的應力，獲取實際數據。數值模擬法利用有限元分析、邊界元分析等數值方法，建立模型進行模擬計算，預測應力分布。有限元分析技術有限元分析是一種數值模擬方法，將復雜結構離散成有限個單元，每個單元由節(jié)點連接。通過建立單元節(jié)點上的應力和位移方程，進行數值計算，得到結構的應力、應變和位移等信息。該方法適用于復雜幾何形狀和材料非線性情況，廣泛應用于工程設計和分析。應力測試的儀器和方法1應變儀應變儀是測試應力的基本工具，通過測量材料的變形來計算應力，有電阻式應變儀和光學應變儀。2壓力傳感器壓力傳感器可以直接測量施加在物體上的壓力，通常用于測量液壓或氣壓系統中的應力。3光彈性測試光彈性測試是一種光學方法，通過觀察光線通過透明材料時的偏振變化來測量應力分布。4有限元分析軟件有限元分析軟件可用于模擬復雜結構的應力分布，提供精確的應力測試結果。應力測試數據的處理1數據收集應力測試數據由儀器記錄，包括應力值、時間、位置等。2數據清洗去除異常值，并進行必要的校正和轉換，確保數據的準確性和一致性。3數據分析使用統計方法和軟件工具，對數據進行分析，提取關鍵信息，并進行可視化展示。疲勞強度試驗1試驗目的確定材料的疲勞壽命2試驗方法對試件施加交變載荷3試驗結果繪制S-N曲線疲勞強度試驗是評估材料在反復載荷下抵抗斷裂的能力的關鍵。它通過模擬實際應用中的交變應力環(huán)境，以確定材料的疲勞壽命，即材料在斷裂之前能夠承受的載荷循環(huán)次數。在試驗中，通過對試件施加交變載荷，并記錄其斷裂時的循環(huán)次數，可以繪制出S-N曲線，即應力幅值與疲勞壽命之間的關系曲線。該曲線可以為材料的疲勞設計提供重要的參考依據。平面應力狀態(tài)分析二維應力狀態(tài)平面應力狀態(tài)是指物體內部的應力僅分布在兩個相互垂直的平面上，而垂直于這兩個平面的方向上的應力為零。應用場景平面應力狀態(tài)廣泛應用于薄板、薄壁構件和某些三維結構的分析，例如飛機機翼、薄壁容器等。主應力及其方向定義主應力是指物體內部某一點上所有應力分量中最大的那個，它代表了該點上應力的大小和方向。方向主應力的方向與最大應力分量方向一致，也就是說，主應力方向是物體內部應力最大的方向。重要性主應力的概念在材料強度分析和結構設計中非常重要，它可以幫助我們更好地理解物體內部的應力狀態(tài)，并預測結構的破壞風險。剪應力和正應力剪應力剪應力是指作用在物體表面上且與該表面平行的一種應力。正應力正應力是指作用在物體表面上且垂直于該表面的一種應力。莫爾應力圓莫爾應力圓是一種圖形工具，用于可視化和分析平面應力狀態(tài)。它將平面應力狀態(tài)的兩個正應力和剪應力表示為一個圓，圓的直徑等于兩個主應力的差值，圓心位于兩個主應力的平均值處。通過莫爾應力圓，可以直觀地確定主應力、主應力方向、最大剪應力以及其他相關參數。應力狀態(tài)的判別11.應力狀態(tài)類型根據應力分量的不同，可以判斷應力狀態(tài)是單向應力狀態(tài)、雙向應力狀態(tài)或三向應力狀態(tài)。22.應力方向應力方向是指應力作用的方向，可以根據應力分量的正負號判斷應力是拉應力還是壓應力。33.應力大小應力大小是指應力分量的數值，可以根據應力分量的數值大小判斷應力的強度。44.應力集中應力集中是指在物體形狀突變處或孔洞附近應力值明顯增大的現象，可以通過應力分析軟件或實驗方法進行判斷。薄壁構件的應力分析1簡化模型假設薄壁構件為薄殼結構，忽略厚度影響。2膜應力理論僅考慮薄壁構件的表面應力，忽略彎曲應力。3應力分布計算薄壁構件在不同載荷下的應力分布情況。4強度校核根據計算結果，評估薄壁構件的強度是否滿足設計要求。薄壁構件是指厚度遠小于其他尺寸的構件。薄壁構件的應力分析需要考慮其特殊的幾何形狀和材料特性。厚壁構件的應力分析1應力梯度厚壁構件內部存在明顯的應力梯度，靠近內壁的應力較大，靠近外壁的應力較小。2非線性分析由于應力梯度和材料特性，厚壁構件的應力分析通常需要采用非線性有限元方法進行計算。3應力集中厚壁構件的幾何形狀和加工工藝可能會導致應力集中，需要進行應力集中分析以確保安全。焊接結構的應力分析1應力集中焊縫處應力集中嚴重2殘余應力焊接過程產生的內應力3溫度梯度焊接過程溫度變化劇烈4材料性能焊接材料和