动载荷与交变荷载PPT课件

.,1,11动荷载交变应力,11.1概述11.2构件等加速直线运动或等速转动时的动应力计算11.3构件受冲击荷载作用时的动应力计算11.4交变应力下材料的疲劳破坏疲劳极限,.,2,11.1.1基本概念,静荷载：荷载由零缓慢增加至最终值，然后保持不变。构件内各质点加速度很小，可略去不计。,动荷载：荷载作用过程中随时间快速变化，或其本身不稳定（包括大小、方向），构件内各质点加速度较大。,例:起重机以等速度吊起重物，重物对吊索的作用为静荷载。起重机以加速度吊起重物，重物对吊索的作用为动荷载。旋转的飞轮、气锤的锤杆工作时、打桩均为动荷载作用。,动响应：构件在动载荷作用下产生的各种响应（如应力、应变、位移等）。,.,3,11.1.2动载荷问题的分类及研究方法,（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。,实验表明：在静载荷下服从虎克定律的材料，只要应力不超过比例极限，在动载荷下虎克定律仍成立且E静=E动。,动载荷问题的分类：,动载荷问题的研究方法：,本章将应用达朗贝尔原理和能量守恒定律，分析动载荷和动应力。,.,4,11.2.1构件作等加速直线运动时的动应力,对于以等加速度作直线运动构件，只要确定其上各点的加速度a，就可以应用达朗贝尔原理施加惯性力，然后，按照弹性静力学中的方法对构件进行应力分析和强度与刚度计算。,如图所示，一起重机钢索以等加速度a提升一重物，重物的重量为G，不计钢索的重量。求：钢索的动应力。,解：1、动轴力的确定,2、动应力的计算,.,5,说明：1、由此例题可知，动荷载下的应力计算是运用动静法，将其转化为静荷载求得。,2、计算结果中，反映了在相应静荷载基础上动荷载的效应，称动荷因数，用Kd表示，则,3、强度计算,.,6,一薄壁圆环平均直径为D，以等角速度w绕垂直于环平面且过圆心的平面转动。已知圆环的径向截面面积A和材料密度r。求圆环径向截面的正应力。,解：1、求动轴力,11.2.2构件等速转动时的动应力,2、动应力的计算,.,7,作业：习题6-1习题6-8,.,8,11.3.1冲击,一个运动的物体（冲击物）以一定的速度，撞击另一个静止的物体（被冲击构件），静止的物体在瞬间使运动物体停止运动，这种现象叫做冲击。,冲击问题的分析方法：能量法,假设：1、被冲击构件在冲击荷载的作用下服从虎克定律2、冲击物与被冲击构件一起运动，无回弹。冲击应力瞬时传遍被冲击构件3、冲击过程只有动能、势能、变形能的转换，无其它能量损失4、冲击物为刚体，被冲击构件的质量忽略不计,由于冲击过程极短，精确计算其应力和变形较复杂。通常采用简化计算。,.,9,11.3.2自由落体冲击,已知：一重量为P的重物由高度为h的位置自由下落，冲击到固定在等截面直杆下端B处的圆盘上，杆AB的长度为l，横截面面积为A。求冲击位移。,解：按简化计算法，不考虑系统冲击过程中热能、声能及其它形式能量的损失。,.,10,冲击后：应变能（弹性范围）,冲击前：势能,动能,动能,根据能量守恒定理：,.,11,降低动荷因数的措施：,1、增大相应的静位移。例如在发生冲击的物体间放置一弹簧（缓冲弹簧）2、减小冲击物自由下落的高度。当h0时，即重物骤然加在杆件上，Kd=2，表明骤然荷载引起的动应力是将重物缓慢作用所引起的静应力的2倍。,.,12,例11-1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）、动荷因数,根据能量守恒原理，有,.,13,（2）、最大应力,（3）、最大挠度,静位移,.,14,A、B支座换成刚度为k的弹簧,B支座换成刚度为k的弹簧,.,15,例11-2已知：d1=0.3m,l=6m,F=5kN,E1=10GPa,求两种情况的动应力。（1）H=1m自由下落；（2）H=1m，橡皮垫d2=0.15m,h=20mm，E2=8MPa.,解：（1）无橡皮垫,(2)加橡皮垫,Kd=52.3,.,16,例11-3已知F、H、a、EI，求图示刚架在自由落体冲击下A点的动位移和最大动弯矩。,解：(1)B点的静位移,(2)动荷因数,(3)A点的动位移,.,17,(4)最大动弯矩,（）,.,18,11.3.3水平冲击,已知：等截面杆AB在C处受一重量为F，速度为v的物体沿水平方向冲击。求：杆在危险点处的动应力。,由能量守恒得,冲击后:应变能,解：,冲击前:小球动能,.,19,作业：习题6-9习题6-10习题6-11,.,20,11.4.1交变应力,交变应力：随时间作周期性变化的应力。,最大应力smax,平均应力,应力幅,循环特征,基本参量：,最小应力smin,.,21,11.4.2金属材料的疲劳破坏,疲劳破坏：构件在交变应力作用下的破坏。,交变应力下的疲劳破坏与静应力下的破坏有很大差异。它与交变应力中的应力水平、应力变化情况以及应力循环次数等有关。,金属材料疲劳破坏的特点,破坏时,光滑区,粗糙区,疲劳破坏表现为脆性断裂，无论是脆性还是塑性材料。,疲劳破坏要经多次循环,疲劳破坏断口通常呈现两个区域，即光滑区和粗糙区。,.,22,产生疲劳破坏的原因:,长期在交变应力作用下，金属结构内部，将沿着最大切应力作用面产生滑移，形成微观裂纹。在交变应力的反复作用下，微观裂纹形成宏观裂纹并逐渐扩展。随着裂纹的扩展，构件截面不断削弱，最后，突然断裂。,.,23,11.4.3疲劳极限疲劳寿命,疲劳极限：是疲劳强度设计的依据，是经过无穷多次应力循环而不发生疲劳破坏时的最大应力值，记为sr。,疲劳极限由疲劳实验确定。,疲劳寿命：试样疲劳破坏时所经历的应力循环次数N。,通过测定一组承受不同最大应力试样的疲劳寿命，以最大应力smax为纵坐标，疲劳寿命N为横坐标，即可绘出材料在交变应力下的应力-疲劳寿命曲线，即S-N曲线。,smax越低，N越高；当smax降低至某一值后，S-N曲线趋于水平。,.,24,光滑小试样的疲劳极限，并不是零件的疲劳极限，零件的疲劳极限则与零件状态和工作条件有关。零件状态包括应力集中、尺寸、表面加工质量和表面强化处理等因素；工作条件包括载荷特性、介质和温度等因素。其中载荷特性包括应力状态、应力比、加载顺序和载荷频率等。,影响疲劳极限的因素,构件外形的影响,在构件或零件截面形状和尺寸突变处（如阶梯轴轴肩圆角、开孔、切槽等）,有应力集中现象。应力集中的存在不仅有利于形成初始的疲劳裂纹，而且有利于裂纹的扩展，从而降低零件的疲劳极限。,11.4.3影响疲劳极限的因素及提高疲劳强度的措施,.,25,构件尺寸的影响,构件尺寸增大，所包含的缩孔、裂纹、夹杂物等增多，形成疲劳源的概率比较大，有利于初始裂纹的形成和扩展，使得疲劳极限降低。,零件承受弯曲或扭转时，表层应力最大。因此，表面加工质量将会直接影响裂纹的形成和扩展，