1机械设计概论.ppt

机械设计,哈尔滨工程大学机械基础教学与研究中心,第一章机械设计概论（Generalconcepts）,1.1机械设计的基本要求和一般步骤,1.3零件的失效形式与设计准则,1.5对称循环变应力下零件疲劳强度计算,1.6非对称循环变应力下零件疲劳强度计算,1.4静应力下零件的强度计算,1.7规律性非稳定变应力零件疲劳强度计算,1.8双向变应力下零件疲劳强度计算,1.9机械零件的接触计算,1.2机械零件的载荷和应力,一、机械设计应满足的要求1、使用要求：完成预定功能，生产率高2、安全可靠、寿命足够3、制造、运行费用低，维护方便4、其他：运输方便、造型美观,1.1机械设计的基本要求和一般步骤一、机械设计应满足的要求,1.1机械设计的基本要求和一般步骤二、机械设计一般步骤,二、机械设计一般步骤,1.1机械设计的基本要求和一般步骤三、机械零件设计步骤,三、机械零件设计步骤,1.2机械零件的载荷和应力(Loadandstressofmachineparts),一、载荷(Load),（2）载荷算法,原动机功率,名义载荷：F,工作机阻力（理想工况）,计算载荷：Fca=KF,载荷系数：K考虑外载变化、零件载荷不均等影响,1、载荷分类,（1）载荷性质,静载荷：,变载荷：,二、应力(Stress),2、变应力：,1.2机械零件的的载荷和应力(Failuretypesanddesigncriteria)二、应力,1、非对称循环变应力,三、变应力的参数(Parametersofvariablestress),应力幅：a=(max-min)/2,平均应力：m=(max+min)/2,应力循环特性：r=min/max,(-1r+1),2、脉动循环变应力,3、对称循环变应力,最大应力：max,最小应力：min,min=0；m=ar=min/max=0,m=0；max=a=-minr=min/max=-1,1.2机械零件的的载荷和应力(Failuretypesanddesigncriteria)三、变应力的参数,一、失效概念（Failure）,1.3机械零件的失效形式和设计准则(Failuretypesanddesigncriteria),例:齿轮轴断裂失效,1.3零件的失效形式与设计准则(Failuretypesanddesigncriteria)二、失效形式,二、失效形式（Failuretypes）,5、功能失效,4、过大振动,1.3零件的失效形式与设计准则(Failuretypesanddesigncriterias)三、设计准则,四、常用设计准则（Designcriterias）,1、强度准则强度抗整体断裂、接触疲劳、塑变的能力强度准则：（基本准则）；,2、刚度准则刚度抗弹变能力刚度准则：yy,三、工作能力准则（设计准则）,工作能力准则：预定使用寿命期限内，零件安全工作的限度,-承载能力指标、受失效形式限定、确定零件尺寸的依据,1.3零件的失效形式与设计准则(Failuretypesanddesigncriterias)三、设计准则,3、寿命准则：设计寿命LL要求寿命,4、耐磨性准则耐磨性零件抗磨损失效的能力（1）压强条件：pp防表面间油膜破坏产生磨损（2）pv值条件：pvpv(v滑动速度)防表面间温生过高，油膜破坏加剧磨损胶合,5、振动稳定性准则fP0.87f0fP1.18f0fP激振频率；f0固有频率,1.4静应力下零件的强度计算(Strengthcalculationofmachinepartsunderstaticstress),应力比较法：=lim/S,安全系数法：Sca=lim/S,式中：,计算应力与载荷、结构、尺寸、形状有关,S安全系数与计算准确性、重要性有关（规范、查表）,lim极限应力与材料、热处理有关,塑性材料：lim=s脆性材料：lim=b,1.5对称循环变应力下零件强度计算(Strengthcalculationofmachinepartsundervariablestressinanalternatingsymmetricalcycle),一、材料的疲劳曲线与疲劳极限(Curveoffatigueandfatiguelimit),曲轴断裂,内源断裂,1.5对称循环变应力下零件强度计算一、疲劳曲线与疲劳极限(Strengthcalculationofmachinepartsundervariablestressinanalternatingsymmetricalcycle),2、材料的疲劳曲线rNN（Curveoffatigue）,N0,有限寿命区,无限寿命区,A,B,C,r疲劳极限,N0循环基数,m、C系数,rN1,rN2,N1,N2,rN0,103,设计寿命NN0时：材料lim=r,1.5对称循环变应力下零件强度计算一、疲劳曲线与疲劳极限(Strengthcalculationofmachinepartsundervariablestressinalternatingsymmetricalcycle),3、材料的条件疲劳极限rN（对应于寿命N材料的有限寿命疲劳极限）,设计寿命103NN0：材料lim=rN,m、C材料常数（与材料性质、应力状态、热处理有关）,1.5对称循环变应力下零件强度计算,二、疲劳强度的影响因素（Influencefactorsoffatiguestrength）,1、应力集中：,零件几何不连续处，实际应力远大于名义应力,尺寸效应:,绝对尺寸系数:,3、表面状态,尺寸增加，疲劳极限,表面状态效应：表面粗糙，疲劳极限降低,有效应力集中系数,2、绝对尺寸,表面状态系数:,的现象,降低,三、对称循环变应力下零件疲劳强度计算（Strengthcalculationofmachinepartsundervariablestressinalternatingsymmetricalcycle）,1、零件的疲劳曲线-1NN(r=-1),式中：k0N=103时的有效应力集中系数,1.5对称循环变应力下零件强度计算三、对称循环变应力下零件疲劳强度计算,2、零件疲劳极限,零件疲劳极限,设计寿命NN0：零件lim=-1c,设计寿命103NN0：零件lim=-1Nc,与零件条件疲劳极限,1.5对称循环变应力下零件强度计算三、对称循环变应力下零件疲劳强度计算,4、有限寿命零件疲劳强度计算,3、无限寿命零件疲劳强度计算,式中：S安全系数，推荐S=1.32.5,1.6非对称循环变应力下零件强度计算(Strengthcalculationofmachinepartsundervariablestressinalternatingunsymmetricalcycle),一、极限应力线图(Curveoffatiguelimit),1、材料的极限应力线图,同种材料、r不同时，r在ma坐标系下的关系曲线,图非对称循环变应力图,1.6非对称循环变应力下零件强度计算一、极限应力线图(Strengthcalculationofmachinepartsundervariablestressinanalternatingsymmetricalcycle),2、简化极限应力线图谢林森折线ACED,1.6非对称循环变应力下零件强度计算一、极限应力线图(Strengthcalculationofmachinepartsundervariablestressinanalternatingsymmetricalcycle),3、零件的极限应力线图ACED,试件线图ACED强度影响因素修正K零件线图ACED,1.6非对称循环变应力下零件强度计算二、非对称循环变应力下零件疲劳强度计算(Strengthcalculationofmachinepartsundervariablestressinanalternatingsymmetricalcycle),二、非对称循环变应力下零件的疲劳强度计算（r=C）,1.6非对称循环变应力下零件强度计算二、非对称循环变应力下零件疲劳强度计算(Strengthcalculationofmachinepartsundervariablestressinanalternatingsymmetricalcycle),2、r=C简单加载分析,加载曲线OMM为直线，疲劳强度区OAE、静强度区OED,1.6非对称循环变应力下零件强度计算二、非对称循环变应力下零件疲劳强度计算(Strengthcalculationofmachinepartsundervariablestressinanalternatingsymmetricalcycle),对应工作应力点M的极限应力：,无限寿命疲劳强度计算安全系数,4、有限寿命疲劳强度计算安全系数,1.6非对称循环变应力下零件强度计算二、非对称循环变应力下零件疲劳强度计算(Strengthcalculationofmachinepartsundervariablestressinanalternatingsymmetricalcycle),4、静强度区安全系数计算,静强度计算安全系数:,当工作应力点N位于OED静强度区，极限应力点为OM与DE的交点N,极限应力为：,工作应力最大值:,1.7规律性非稳定应力下零件疲劳强度计算(Strengthcalculationofmachinepartsunderunstablevariablestress),一、线性疲劳损伤累积理论(Theoryoffatiguedamageaccumulation),1、疲劳损伤累积概念,问题：如何利用稳定变应力的分析方法，计算规律性、非稳定变应力下零件的疲劳强度？,(1)材料受高于疲劳极限的应力作用，每一循环均产生损伤(2)损伤累积到一定程度，材料疲劳破坏,1.7规律性非稳定应力下零件疲劳强度计算一、线性疲劳损伤累积理论(Strengthcalculationofmachinepartunderunstablevariablestress),(1)材料在各级应力作用下产生的疲劳损伤独立(2)总损伤线性累积,2、Miner疲劳损伤线性累积理论,1.7规律性非稳定应力下零件疲劳强度计算一、线性疲劳损伤累积理论(Strengthcalculationofmachinepartunderunstablevariablestress),注:(1)小于-1应力的影响不计(2)非对称循环变应力折算成当量对称循环变应力处理,1.7规律性非稳定应力下零件疲劳强度计算二、规律性非稳定应力下材料疲劳强度计算,二、规律性非稳定应力下材料疲劳强度计算(r=-1),1、等效循环次数Nv与条件疲劳限-1Nv,1.7规律性非稳定应力下零件疲劳强度计算二、规律性非稳定应力下材料疲劳强度计算,2、安全系数计算,1.7规律性非稳定应力下零件疲劳强度计算三规律性非稳定应力下零件疲劳强度计算,三、规律性非稳定应力下零件疲劳强度计算,1.8双向变应力下零件疲劳强度计算(Strengthcalculationofmachinepartsunderbi-directionvariablestress),双向变应力：交变正应力和剪应力同时作用,双向变应力下极限应力图AMB,零件计算安全系数,1.8双向变应力下零件疲劳强度计算(Strengthcalculationofmachinepartsunderbi-directionvariablestress),双向变应力下安全系数：,一接触应力的产生,点或线接触所产生的应力,接触应力,局部应力不同与挤压应力,二接触应力的性质,1接触应力呈半椭圆形分布，接触点处应力最大,1.9机械零件的接触强度,赫兹公式,2两物体上应力大小相等,三接触应力的计算公式,影响接触应力的因素：,曲率半径,材料,接触线长度,应力集中,L实,返回,应力集中区,尺寸效应,max,返回,曲轴整体断裂实况,返回,疲劳断口,断口对,断口放大,断口放大,返回,断口对,返回,疲劳断口,曲轴疲劳断裂断口特征,返回,裂纹源