機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算

1、機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算,主要內(nèi)容：,一、疲勞強(qiáng)度計(jì)算 二、機(jī)械零件的抗斷裂強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度 三、低周疲勞和熱疲勞,一、疲勞強(qiáng)度計(jì)算,1、疲勞強(qiáng)度破壞 材料在循環(huán)應(yīng)力作用下，其工作應(yīng)力的最大值雖然小于材料的強(qiáng)度極限，但在零部件的高局部應(yīng)力區(qū)，材料中較弱的晶粒在變應(yīng)力下形成微裂紋，裂紋逐漸擴(kuò)展導(dǎo)致最終的疲勞破壞。 疲勞破壞的過(guò)程可分三個(gè)階段： 1）疲勞裂紋的形成 2）疲勞裂紋的擴(kuò)展 3）瞬時(shí)斷裂,2、變應(yīng)力的類(lèi)型 載荷或應(yīng)力隨時(shí)間變化的圖形稱(chēng)為載荷譜或應(yīng)力譜。它們可以分為以下三類(lèi)： 1）穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力,a),根據(jù)不同的循環(huán)特征，穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)變力又可分為： （1）非對(duì)稱(chēng)循環(huán)變應(yīng)力 -1r+1,但r不等于零 （

2、2）對(duì)稱(chēng)循環(huán)變應(yīng)力 r=-1 （3）脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力 r=1 2、不穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力,右圖顯示是應(yīng)力幅按照一定規(guī)律 周期變化的不穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力；與穩(wěn) 定循環(huán)變應(yīng)力相比，在很多情況下它 更接近于真實(shí)的發(fā)生在機(jī)械零件中的 變應(yīng)力。,3、隨機(jī)變應(yīng)力,右圖是典型的隨機(jī)變應(yīng)力譜。 由于真實(shí)的應(yīng)力狀況基本上都是 隨機(jī)變應(yīng)力或近似的不穩(wěn)定循環(huán) 變應(yīng)力，而材料的疲勞特性值都 是在穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力的條件下試 驗(yàn)得出的，因此疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì) 算所要解決的問(wèn)題，基本上就是 如何利用試件的對(duì)稱(chēng)循環(huán)疲勞極 限來(lái)判定承受不穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力 和隨機(jī)變應(yīng)力的機(jī)械零件的疲勞 強(qiáng)度和疲勞壽命。,3、單向穩(wěn)定變應(yīng)力時(shí)的疲勞強(qiáng)度計(jì)算,進(jìn)行零件

3、疲勞強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，首先根據(jù)零件危險(xiǎn)截面上的 max 及 min確定 平均應(yīng)力m與應(yīng)力幅a，然后，在極限應(yīng)力線(xiàn)圖的坐標(biāo)中標(biāo)示出相應(yīng)工作應(yīng) 力點(diǎn)M或N。,相應(yīng)的疲勞極限應(yīng)力應(yīng)是極限應(yīng)力曲線(xiàn)上的某一個(gè)點(diǎn)所代表的應(yīng)力 。,根據(jù)零件工作時(shí)所受的約束來(lái)確定應(yīng)力可能發(fā)生的變化規(guī)律，從而決定以哪一個(gè)點(diǎn)來(lái)表示極限應(yīng)力。 機(jī)械零件可能發(fā)生的典型的應(yīng)力變化規(guī)律有以下三種：,應(yīng)力比為常數(shù)：r=C 平均應(yīng)力為常數(shù)m=C 最小應(yīng)力為常數(shù)min=C,4、雙向穩(wěn)定變應(yīng)力時(shí)的疲勞強(qiáng)度計(jì)算,當(dāng)零件上同時(shí)作用有同相位的穩(wěn)定對(duì)稱(chēng)循環(huán)變應(yīng)力sa 和ta時(shí)，由實(shí)驗(yàn)得出的極限應(yīng)力關(guān)系式為：,式中 ta及sa為同時(shí)作用的切向及法向應(yīng)力 幅的極

4、限值。,由于是對(duì)稱(chēng)循環(huán)變應(yīng)力，故應(yīng)力幅即為最大應(yīng)力?；【€(xiàn) AMB 上任何一個(gè)點(diǎn)即代表一對(duì) 極限應(yīng)力a及a。,若作用于零件上的應(yīng)力幅sa及ta如圖中M點(diǎn)表示，則由于此工作應(yīng)力點(diǎn)在 極限以?xún)?nèi)，未達(dá)到極限條件，因而是安全的。,計(jì)算安全系數(shù)：,5、單向不穩(wěn)定變應(yīng)力時(shí)的疲勞強(qiáng)度計(jì)算,規(guī)律性不穩(wěn)定變應(yīng)力,若應(yīng)力每循環(huán)一次都對(duì)材料的破壞起相同的作用，則應(yīng)力 1 每循環(huán)一次對(duì)材料的損傷率即為1/N1，而循環(huán)了n1次的1對(duì)材料的損傷率即為n1/N1。如此類(lèi)推，循環(huán)了n2次的2對(duì)材料的損傷率即為n2/N2，。,當(dāng)損傷率達(dá)到100%時(shí)，材料即發(fā)生疲勞破壞，故對(duì)應(yīng)于極限狀況有：,二、機(jī)械零件的抗斷裂強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度,1

5、、機(jī)械零件的抗斷裂強(qiáng)度,在工程實(shí)際中，往往會(huì)發(fā)生工作應(yīng)力小于許用應(yīng)力時(shí)所發(fā)生的突然斷裂，這種現(xiàn)象稱(chēng)為低應(yīng)力脆斷。,通過(guò)對(duì)大量結(jié)構(gòu)斷裂事故分析表明，結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂紋和缺陷的存在是導(dǎo)致低應(yīng)力斷裂的內(nèi)在原因。,對(duì)于高強(qiáng)度材料，一方面是它的強(qiáng)度高（即許用應(yīng)力高），另一方面則是它抵抗裂紋擴(kuò)展的能力要隨著強(qiáng)度的增高而下降。因此，用傳統(tǒng)的強(qiáng)度理論計(jì)算高強(qiáng)度材料結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度問(wèn)題，就存在一定的危險(xiǎn)性。,使裂紋體斷裂的主要原因是：1）載荷的大小，及其使物體形成的應(yīng)力； 2）裂紋的大小即裂紋的長(zhǎng)度和深淺。經(jīng)過(guò)理論推導(dǎo)和試驗(yàn)證明，裂紋物體 斷裂的條件與這二者所結(jié)合的一個(gè)參數(shù)有關(guān)，即應(yīng)力強(qiáng)度因子KI 。,當(dāng)某種材料發(fā)生脆斷時(shí)

6、的應(yīng)力強(qiáng)度因子數(shù)值即為該材料應(yīng)力強(qiáng)度因子的極限值，稱(chēng)為材料的斷裂韌性。 用KIC 表示。,2、機(jī)械零件的接觸疲勞強(qiáng)度,1）定義： 當(dāng)兩零件以高副接觸即點(diǎn)、線(xiàn)相接觸時(shí)，其接觸的表層局部會(huì)引起較大的應(yīng)力。這局部的應(yīng)力稱(chēng)為接觸應(yīng)力。,2）計(jì)算公式：對(duì)于線(xiàn)接觸的情況，其接觸應(yīng)力可用赫茲應(yīng)力公式計(jì)算。,式中1和2 分別為兩零件初始接觸線(xiàn)處的曲率半徑, 其中正號(hào)用于外接觸，負(fù)號(hào)用于內(nèi)接觸。,接觸應(yīng)力是不同于以往所學(xué)過(guò)的擠壓應(yīng)力的。擠壓應(yīng)力是面接觸引起的應(yīng)力，是二向應(yīng)力狀態(tài)，而接觸應(yīng)力是三向應(yīng)力狀態(tài)。接觸應(yīng)力的特點(diǎn)是：僅在局部很小的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生很大的應(yīng)力。,三、低周疲勞和熱疲勞,1、低周疲勞,1）定義：金屬材

7、料在超過(guò)其屈服強(qiáng)度的低頻率循環(huán)應(yīng)力或超過(guò)其屈服應(yīng)變作用下，經(jīng)102105次循環(huán)而產(chǎn)生的疲勞。 在火電廠應(yīng)用中一般指機(jī)組啟停時(shí)因熱應(yīng)力或離心力施加和釋放的循環(huán)所導(dǎo)致的疲勞,2）常按破壞循環(huán)次數(shù)的高低將疲勞分為兩類(lèi)： 高循環(huán)疲勞（高周疲勞）。作用于零件、構(gòu)件的應(yīng)力水平較低 ，破壞循環(huán)次數(shù)一般高于104105的疲勞 ，彈簧、傳動(dòng)軸等的疲勞屬此類(lèi)。 低循環(huán)疲勞（低周疲勞）。作用于零件、構(gòu)件的應(yīng)力水平較高 ，破壞循環(huán)次數(shù)一般低于104105的疲勞，如壓力容器、燃?xì)廨啓C(jī)零件等的疲勞。,3）影響低周疲勞的主要因素 a、塑性 塑性好的材料，易產(chǎn)生塑性變形，使應(yīng)力得到重新分布。因此 抵抗低周疲勞性能較好。 b、

8、加載頻率和保持時(shí)間 加載頻率降低和保持時(shí)間增加會(huì)降低材料壽命。 c、晶粒大小 隨著晶粒變細(xì)，材料的低周疲勞壽命增加。 d、環(huán)境介質(zhì) 高溫下，裂紋尖端發(fā)生氧化，加速裂紋擴(kuò)展。,2、熱疲勞,1）定義 ：在溫度循環(huán)變化下工作的機(jī)械零件，如軋鋼機(jī)的軋輥、汽輪機(jī)和燃?xì)鈾C(jī)的葉輪和葉片等，由于有溫度升高和冷卻的循環(huán)變化，而產(chǎn)生應(yīng)變循環(huán)的變化，同時(shí)熱應(yīng)力也隨之循環(huán)變化，當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，金屬材料將產(chǎn)生的疲勞破壞。,2）成因：在熱疲勞過(guò)程中由于高溫引起材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)變化，降低了材料的熱疲勞抗力；高溫促使表面和裂紋尖端氧化，甚至局部熔化，加速熱疲勞破壞;零件截面上存在溫度梯度，特別足厚壁零件溫度梯度更大，在溫度梯度最大處造成塑性應(yīng)變集中，促進(jìn)熱疲勞破壞的發(fā)生。熱疲勞裂紋是在受熱表面熱應(yīng)變最大區(qū)域形成，一般有幾個(gè)疲勞裂紋源，裂紋沿表面垂直受熱方向擴(kuò)展，并向表面內(nèi)縱深方向發(fā)展。,3）特征：零件熱疲勞破壞是以受熱表面上產(chǎn)生特有的龜裂裂紋為特征。熱疲勞裂紋與循環(huán)溫差、零件表面缺口狀態(tài)和材料有關(guān)。循環(huán)溫差越大、表面缺口越尖銳，就越容易發(fā)生熱疲勞。金屬材料的熱疲勞抗力不但與材料的導(dǎo)熱性、比熱等熱力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，而