《动荷载、疲劳破坏》PPT课件.ppt

1 第十三章动荷载与疲劳破坏 第十三章动荷载与疲劳破坏 材料力学 2 第十三章动荷载 疲劳破坏 13 1动荷载的概念 13 2构件作等加速直线运动和等速转动时的动应力 13 3构件受冲击荷载作用时的动应力 13 4交变应力与疲劳破坏 小结 第十三章动荷载与疲劳破坏 3 13 1动荷载的概念 一 静荷载的概念 荷载由零逐渐缓慢增加到最终值后 不在随时间发生变化 构件内各点的加速度很小 可忽略不计 二 动荷载 1 动荷载的概念 由运动加速度引起的荷载 例 起重机以等速度吊起重物 重物对吊索的作用为静载 起重机以加速度吊起重物 重物对吊索的作用为动载 旋转的飞轮 气锤的锤杆工作时 打桩均为动荷载作用 2 动应力的概念 构件在动荷载作用下产生的应力 3 动应力计算的分类 1 构件作等加速直线运动和等速转动时的动应力计算 2 构件在受冲击和作强迫振动时的动应力计算 3 构件在交变应力作用下的疲劳破坏和疲劳强度计算 第十三章动荷载与疲劳破坏 4 13 2构件作等加速直线运动和等速转动时的动应力 一 构件作等加速直线运动的动应力 如图所示 一起重机绳索以等加速度a提升一等截面直杆 直杆单位体积的重量 比重 重度 为 横截面面积为A 杆长为L 不计绳索的重量 求 杆内任意横截面的动应力 最大动应力 分析 1 动轴力的确定 第十三章动荷载与疲劳破坏 5 2 动应力的计算 4 讨论 3 最大动应力 1 a 0时 Kd 动荷系数 下标j st 受静荷载作用 下标d 受动荷载作用 第十三章动荷载与疲劳破坏 6 2 强度计算 二 构件作等速转动时的动应力 一薄壁圆环平均直径为D 壁厚为t 以等角速度 绕垂直于环平面且过圆心的平面转动 圆环的比重为 求圆环横截面的动应力 分析 1 求动轴力 第十三章动荷载与疲劳破坏 7 2 动应力的计算 第十三章动荷载与疲劳破坏 8 例 均质等截面直杆AB 以B为转轴在其自身平面转动 角速度为 杆长L 横截面面积为A 比重 试 计算杆内最大的动应力 解 1 最大的动轴力 2 最大的动应力 第十三章动荷载与疲劳破坏 9 例 直径d 100mm的圆轴 一端有重量Q 0 6kN 直径D 400mm的飞轮 以均匀转速n 1000r min转动 现因在轴的另一端施加了掣动的外力偶md而在t 0 01s内停车 若不计轴的质量 试求 轴内最大的动剪应力 解 1 最大的动扭矩 2 最大的动剪应力 第十三章动荷载与疲劳破坏 10 转动惯量的计算 对均质的薄圆板 对均质的薄圆环 对均质的细直杆 2 最大的动剪应力 第十三章动荷载与疲劳破坏 11 13 3构件受冲击荷载作用时的动应力 一 冲击的概念 一个运动的物体以一定的速度 碰上另一个静止的物体 则静止的物体将在瞬间使运动物体停止运动 这种现象叫做冲击 冲击物 运动的物体 被冲击物 静止的物体 二 冲击问题的分析方法 能量法 采用能量法的假设 1 被冲击物在冲击荷载的作用下服从虎克定律 2 被冲击物的质量忽略不计 3 不考虑其它能量的损失 第十三章动荷载与疲劳破坏 12 三 能量法的基本原理 能量守恒和转换原理 四 动应力的计算 一 水平冲击 如图所示 L A E Q v均为已知量 求 杆所受的冲击应力 分析 1 冲击物的机械能 第十三章动荷载与疲劳破坏 能量守恒和转换原理 冲击物的机械能 动能 势能 全部转换为被冲击物的动应变能 13 2 被冲击物的动应变能 3 能量守恒 动荷系数 4 动应力 第十三章动荷载与疲劳破坏 14 第十三章动荷载与疲劳破坏 15 二 自由落体冲击 如图所示 L A E Q h均为已知量 求 杆所受的冲击应力 分析 1 冲击物的机械能 2 被冲击物的动应变能 3 能量守恒 第十三章动荷载与疲劳破坏 16 4 动应力 第十三章动荷载与疲劳破坏 17 18 例 图示矩形截面梁 抗弯刚度为EI 一重为F的重物从距梁顶面h处自由落下 冲击到梁的跨中截面上 求 梁受冲击时的最大应力和最大挠度 解 1 动荷系数 2 最大应力 3 最大挠度 b 第十三章动荷载与疲劳破坏 19 讨论 支座换成刚度为C的弹簧 第十三章动荷载与疲劳破坏 20 例 直径d 100mm的圆轴 一端有重量Q 0 6kN 直径D 400mm的飞轮 以均匀转速n 1000r min转动 现因在轴的另A端施加了掣动的外力偶而在瞬间内停车 若不计轴的质量 试求 轴内最大的动剪应力 L 2mm G 80GPa 解 1 由能量守恒原理 2 最大的动剪应力 第十三章动荷载与疲劳破坏 21 例 图示梁 受冲击荷载作用 确定其动荷系数 第十三章动荷载与疲劳破坏 22 冲击前 后 能量守恒 所以 第十三章动荷载与疲劳破坏 23 解 求C点静挠度 例 结构如图 AB DE L A C分别为AB和DE的中点 求梁在重物mg的冲击下 C面的动应力 第十三章动荷载与疲劳破坏 F 24 动荷系数 求C面的动应力 第十三章动荷载与疲劳破坏 F 25 13 4交变应力与疲劳破坏 一 交变应力的概念 随时间发生交替变化的应力 交变应力 重复应力 例 发动机的连杆工作时 火车的轮轴工作时 A点 1 2 3 4 基本概念 第十三章动荷载与疲劳破坏 26 二 疲劳破坏的概念 不论脆性材料还是塑性材料长期在交变应力下工作 即使在最大的工作应力远小于材料的极限应力 也会发生突然的断裂 且破坏时即使是塑性材料也和脆性材料一样 再破坏之前没有明显的塑性变形 这种现象成为疲劳破坏 三 疲劳的主要特征 1 构件内的最大工作应力远小于材料的极限应力 强度极限或屈服极限 2 即使是塑性较好的钢材也会在没有明显塑性变形的情况下发生突然的断裂 3 疲劳破坏的断口表面呈现两个截然不同的区域 其一为光滑区 另一个为晶粒状的粗糙区 第十三章动荷载与疲劳破坏 27 四 疲劳破坏的实质 构件在交变应力的作用下 由疲劳裂纹源的形成 疲劳裂纹的扩展以及最后的脆断的全部过程 五 疲劳破坏的三个阶段 1 疲劳裂纹源的形成 2 疲劳裂纹的扩展过程 3 脆性断裂 第十三章动荷载与疲劳破坏 28 交变应力的基本参量 疲劳极限 一 交变应力的基本参量 1 应力循环 应力每重复变化一次 称为一个应力循环 2 循环次数 应力重复变化的次数 3 循环特征 第十三章动荷载与疲劳破坏 29 4 平均应力 5 应力幅度 应力变程 应力幅 3 循环特征 1 r 1 对称循环 r 1 非对称循环 2 r 0 脉动循环 3 r 1 静荷载作用下的应力 4 max min数值始终保持不变 称为稳定的交变应力 第十三章动荷载与疲劳破坏 30 二 疲劳极限 持久极限 耐劳极限 1 材料的疲劳寿命 材料疲劳破坏时所经历的应力循环次数 2 材料的疲劳极限 材料经历无限次应力循环而不发生疲劳破坏 相应的最大应力值 用 r 表示 材料的疲劳极限除与材料本身的材质有关外 还与变形形式 循环特征和应力循环次数有关 它与强度极限的意义相同 三 构件的疲劳极限 构件的疲劳极限 在材料的疲劳极限的基础上 再考虑其它因素的影响 第十三章动荷载与疲劳破坏 31 四 影响构件疲劳极限的因素 1 构件外型的影响 应力集中 有效应力集中系数 1 2 构件尺寸的影响 尺寸影响系数 1 3 构件表面质量的影响 表面状态系数 第十三章动荷载与疲劳破坏 32 五 疲劳的强度计算 第十三章动荷载与疲劳破坏 33 一 静荷载的概念 荷载由零逐渐缓慢增加到最终值后 不在随时间发生变化 构件内各点的加速度很小 可忽略不计 二 动荷载 由运动加速度引起的荷载 小结 三 构件作等加速直线运动的动应力 四 水平冲击 动荷系数 动荷系数 第十三章动荷载与疲劳破坏 34 五 自由落体冲击 动荷系数 六 交变应力的基本参量 1 循环特征 2 平均应力 3 应力幅度 第十三章动荷载与疲劳破坏 七 交变应力的概念 随时间发生交替变化的应力 交变应力 重复应力 35 第十三章动荷载与疲劳破坏 八 疲劳破坏的概念 不论脆性材料还是塑性材料长期在交变应力下工作 即使在最大的工作应力远小于材料的极限应力 也会发生突然的断裂 且破坏时即使是塑性材料也和脆性材料一样 再破坏之前没有明显的塑性变形 这种现象成为疲劳破坏 九 疲劳的主要特征 1 构件内的最大工作应力远小于材料的极限应力 强度极限或屈服极限 2 即使是塑性较好的钢材也会在没有明显塑性变形的情况下发生突然的断裂 3 疲劳破坏的断口表面呈现两个截然不同的区域 其一为光滑区 另一个为晶粒状的粗糙区 36 第十三章动荷载与疲劳破坏 十 疲劳破坏的实质 构件在交变应力的作用下 由疲劳裂纹源的形成 疲劳裂纹的扩展以及最后的脆断的全部过程 十一 疲劳破坏的三个阶段 1 疲劳裂纹源的形成 2 疲劳裂纹的扩展过程 3 脆性断裂 十二 疲劳极限 持久极限 耐劳极限 1 材料的疲劳寿命 材料疲劳破坏时所经历的应力循环次数 2 材料的疲劳极限 材料经历无限次应力循环而不发生疲劳破坏 相应的最大应力值 用 r 表示 材料的疲劳极限除与材料本身的材质有关外 还与变形形