机械零件的疲劳强设计PPT学习教案

1、会计学1 机械零件的疲劳强设计机械零件的疲劳强设计 2 2、稳定循环变应力的基本参数和种类、稳定循环变应力的基本参数和种类 1) 基本参数基本参数 应力循环特性应力循环特性 am max am min 2 maxm m 2 maxm a max min 最大应力最大应力 最小应力最小应力 平均应力平均应力 应应 力力 幅幅 11 2) 稳定循环变应力种类稳定循环变应力种类 -1 +1非对称非对称 =+1 静应力静应力 = 1 对称对称 = 0 脉动脉动 第1页/共25页 3 1.1.疲劳破坏特征疲劳破坏特征： 1 1）断裂过程：产生初始裂纹）断裂过程：产生初始裂纹 （应力较大处）（应力较大处）

2、 裂纹反复扩展，直至产生疲劳裂纹。裂纹反复扩展，直至产生疲劳裂纹。 2 2）断裂面：光滑区（疲劳发展区）粗糙区（脆）断裂面：光滑区（疲劳发展区）粗糙区（脆 性断裂区）性断裂区） 3 3）无明显塑性变形的脆性突然断裂）无明显塑性变形的脆性突然断裂 4 4）破坏时应力（疲劳极限）远小于材料的屈服极限）破坏时应力（疲劳极限）远小于材料的屈服极限 2.2.疲劳破坏的疲劳破坏的机理机理：损伤的累积：损伤的累积 3.3.影响因素影响因素：材料性能，变应力的循环特性，应力循：材料性能，变应力的循环特性，应力循 环次数，应力幅都对疲劳极限有很大影响。环次数，应力幅都对疲劳极限有很大影响。 第2页/共25页 4

3、 疲劳极限疲劳极限： 循环变应力下应力循环循环变应力下应力循环N N次后材料不发生疲劳破坏次后材料不发生疲劳破坏 时的最大应力称为材料的疲劳极限时的最大应力称为材料的疲劳极限。 )( NN 疲劳寿命疲劳寿命： 材料疲劳失效前所经历的应力循环次数材料疲劳失效前所经历的应力循环次数 N 应力循环特性一定时，材料的疲劳极限与应力循环应力循环特性一定时，材料的疲劳极限与应力循环 次数之间关系的曲线次数之间关系的曲线。 第3页/共25页 5 N N 持久极限 1 1）无限寿命区）无限寿命区 0 NN N 循环基数循环基数 持久极限持久极限 对称循环对称循环：脉动循环：脉动循环： 0 0 1 1 第4页/

4、共25页 6 2 2）有限寿命区）有限寿命区 当当N103(104) 高周循环疲劳高周循环疲劳 0 43 )10(10NN 随循环次数随循环次数疲劳极限疲劳极限 3 3）疲劳曲线方程）疲劳曲线方程 CNN mm N 0 第5页/共25页 7 疲劳极限疲劳极限 2 2）硬度）硬度350HBS350HBS钢，钢，No=10No=106 610107 7；350HBS350HBS钢，钢，No No =10 x10=10 x107 7 25x1025x107 7；有色金属；有色金属( (无水平部分无水平部分) No=25x10) No=25x107 7 。 3 3）m m指数与应力与材料的种类有关。指

5、数与应力与材料的种类有关。 钢钢拉压、弯曲应力、扭剪应力拉压、弯曲应力、扭剪应力 m=9m=9；接触应力；接触应力m=6m=6。 青铜青铜弯曲应力弯曲应力 m=9 m=9 ；接触应力；接触应力m=8m=8。 1 1）K KN N寿命系数，寿命系数，NNoNNo时，取时，取N=No N=No 。 第6页/共25页 8 am -1 0/2 0/2 s b 0 G C m a A E B (rm ,ra) 450 r :-1+1 A :对称循对称循 环极限应力环极限应力 点点 B :脉动循脉动循 环极限应力环极限应力 点点 C :静强度静强度 极限应力点极限应力点 第7页/共25页 9 高塑钢高塑钢

6、 AD疲劳强度线；疲劳强度线；GD 屈服强度线。屈服强度线。 不允许塑性变形不允许塑性变形 -1 0/2 0/2 s b 0 G C m a A E B (rm ,ra) 450 D 第8页/共25页 10 高塑钢高塑钢AD线方程：线方程： 1raarm 10 0 2 tan 低塑钢或铸铁低塑钢或铸铁AC线方程：线方程： 1 1rarm b 第9页/共25页 11 一、一、应力集中应力集中的影响的影响 )( kk 零件受载时，在几何形状零件受载时，在几何形状突变突变处（圆角、凹槽、孔处（圆角、凹槽、孔 、螺纹、过盈配合等）要产生、螺纹、过盈配合等）要产生应力集中应力集中。 对应力集中的对应力集

7、中的敏感程度敏感程度与零件的与零件的材料材料有关，一般材有关，一般材 料强度越高，硬度越高，对应力集中越敏感。料强度越高，硬度越高，对应力集中越敏感。 1 1K 1 1K k k 疲劳缺口系数疲劳缺口系数 第10页/共25页 12 二、零件二、零件尺寸尺寸的影响的影响 尺寸系数尺寸系数 零件尺寸逾大时，材料的晶粒较粗；零件尺寸逾大时，材料的晶粒较粗； 冷、热加工中出现缺陷的概率大；冷、热加工中出现缺陷的概率大； 机械加工后表面冷作硬化层相对较薄，对零件疲机械加工后表面冷作硬化层相对较薄，对零件疲 劳强度的不良影响愈显著。劳强度的不良影响愈显著。 1 1 1 1 第11页/共25页 13 三、三

8、、表面状态表面状态的影响的影响 表面状态系数表面状态系数 表面质量表面质量指表面粗糙度、表面强化及工作环境。指表面粗糙度、表面强化及工作环境。 强化处理强化处理淬火、渗氮、渗碳、热处理、抛光、淬火、渗氮、渗碳、热处理、抛光、 喷丸、滚压等冷作工艺。喷丸、滚压等冷作工艺。 第12页/共25页 14 四、四、综合影响系数综合影响系数 综合影响系数表示了材料极限应力幅与零件综合影响系数表示了材料极限应力幅与零件 极限应力幅的比值。极限应力幅的比值。 零件的零件的疲劳极限疲劳极限 第13页/共25页 15 一、受单向一、受单向应力应力时零件的安全系数时零件的安全系数 A B D D1 G B1 A1

9、P1 a m s 0/2 0 0/2KD -1/KD -1 零件的零件的 1Dam K 只受单向拉压、只受单向拉压、 弯曲、扭转等弯曲、扭转等 零件极限应力图零件极限应力图 A1B1D1G 疲劳强度疲劳强度线线A1D1 屈服强度屈服强度线线GD1 直线直线A1D1的方程：的方程： 第14页/共25页 16 D1 G A1 N1 a m s m 0 a -1/KD 规律下疲劳强度分析图规律下疲劳强度分析图 (, ) ma N K M M 1 H 确定零件危险截面确定零件危险截面 上的工作应力点上的工作应力点N。 在极限应力线上确在极限应力线上确 定极限应力点定极限应力点N1。 应力增长规律应力增

10、长规律： （1） 难以确定零件工作难以确定零件工作 应力增长规律时。应力增长规律时。 极限应力点为极限应力点为N1。 OA1D1为疲劳强度区为疲劳强度区 OD1G 为屈服强度区为屈服强度区 大多数转轴中的应力状态大多数转轴中的应力状态 第15页/共25页 17 D1 G A1 N1 a m s m 0 a -1/KD (, ) ma N K M M 1 H a) 工作应力点位于工作应力点位于 OA1D1内内 按疲劳强度计算按疲劳强度计算 1Dam K 零件的疲劳极限零件的疲劳极限为为 1 lim () ma eam Dam k 强度条件为强度条件为 lim1 maxma e Dam ss k

11、a ss 第16页/共25页 18 b)工作应力点位于工作应力点位于 OD1G 内内 极限应力为屈服极限极限应力为屈服极限 按按静强度静强度计算计算 lim max es ma ss D1 G A1 N1 a m s m 0 a -1/KD (, ) ma N K M M 1 H 不易判断工作应力点落在哪个区，则按两式同时核算不易判断工作应力点落在哪个区，则按两式同时核算 两种安全系数两种安全系数。 第17页/共25页 19 （2）振动中的受载弹簧的应力状态振动中的受载弹簧的应力状态 D1 G A1 N1 a m s m 0 -1/KD (, ) ma N M 1 (,) ma m FEP M

12、 OA1D1E为疲劳强度区为疲劳强度区 ED1G 为屈服强度区为屈服强度区 a) 工作应力点位于工作应力点位于 OA1D1E内内 1Dam K 强度条件：强度条件： ma lim maxmama 1m ma () () e D D s k s k 1 aa a m aDa ss K 按两式同时验算按两式同时验算 lim max es ma ss 第18页/共25页 20 （3）紧螺栓联接中的螺栓应力状态紧螺栓联接中的螺栓应力状态 D1 G A1 N1 a m s min 0 -1/KD (, ) ma N M 1 (,) ma min FEP M 1Dam K lim maxma ma ma

13、1min mina 2() ()(2) e D D s k s k 1min aa () a aDa ss K 按两式同时验算按两式同时验算 lim max es ma ss 第19页/共25页 21 注意：注意： 1 1）若零件所受应力变化规律不能肯定，一般采用）若零件所受应力变化规律不能肯定，一般采用 =C=C的情况计算。的情况计算。 2 2）上述计算均为按）上述计算均为按无限寿命无限寿命进行零件设计，若按进行零件设计，若按有限有限 寿命要求设计零件时，即应力循环次数寿命要求设计零件时，即应力循环次数 10103 3(10(104 4)NNo)NNo时，这时上述公式中的极限应力应为时，这时

14、上述公式中的极限应力应为 有限寿命的疲劳极限有限寿命的疲劳极限 ，即应以即应以-1N -1N 代 代-1 -1 ，以 ，以oN oN 代代o o 3 3）当未知工作应力点所在区域时，应同时考虑可能）当未知工作应力点所在区域时，应同时考虑可能 出现的出现的两种两种情况情况. . 4 4）对）对切应力切应力上述公式同样适用，只需将上述公式同样适用，只需将改为改为即可。即可。 第20页/共25页 22 使用时，直接删除本页！使用时，直接删除本页！ 精品课件，你值得拥有精品课件，你值得拥有！ 精品课件，你值得拥有精品课件，你值得拥有！ 第21页/共25页 23 使用时，直接删除本页！使用时，直接删除本页！ 精品课件，你值得拥有精品课件，你值得拥有！ 精品课件，你值得拥有精品课件，你值得拥有！ 第22页/共25页 24 使用时，直接删除本页！使用时，直接删除本页！ 精品课件，你值得拥有精品课件，你值得拥有！ 精品课件，你值得拥有精品课件，你值得拥有！ 第