下第6章 交变应力

1、1第六章第六章 动荷载动荷载 交变应力交变应力交交 变变 应应 力力 交变应力的疲劳破坏与静应力下的破坏有很大差异，交变应力的疲劳破坏与静应力下的破坏有很大差异，故表征材料抵抗交变应力破坏能力的强度指标也不同。故表征材料抵抗交变应力破坏能力的强度指标也不同。26-4 交变应力下材料的疲劳破坏交变应力下材料的疲劳破坏 疲劳极限疲劳极限 1 1 金属材料的疲劳破坏金属材料的疲劳破坏 2 2 交变应力的基本参量交变应力的基本参量 3 3 疲劳极限疲劳极限 4 4 影响构件疲劳极限的因素影响构件疲劳极限的因素 5 5 构件的疲劳强度计算构件的疲劳强度计算 6 6 应力应力- -疲劳寿命曲线疲劳寿命曲线

2、 7 7 提高构件疲劳强度的措施提高构件疲劳强度的措施内内 容容 提提 要要3. 金属材料的疲劳破坏金属材料的疲劳破坏交变应力交变应力1 1 交变应力交变应力随时间作周期性随时间作周期性( (交替交替) )变化的应力，称变化的应力，称交变应力。交变应力。2 2 疲劳破坏疲劳破坏金属材料在交变应力作用下发生的骤然断裂，称金属材料在交变应力作用下发生的骤然断裂，称疲劳破坏。疲劳破坏。3 3 交变应力和疲劳破坏实例交变应力和疲劳破坏实例齿轮咬合，偏心电机，火车轮轴。齿轮咬合，偏心电机，火车轮轴。4 交变应力交变应力1234t4231)(tyIMtRtysin)()(tFF )(t)(TtF)(Tt

3、1aaaaaat FF应力随时间变化的曲线应力谱5t循环一次maxmin12341交变应力交变应力1234aaaaaat a 点应力：点应力：1-2-3-4-1000minmax64. 4. 疲劳破坏的特点疲劳破坏的特点(1) 破坏时破坏时光滑区光滑区粗糙区粗糙区工作极限(3) 疲劳破坏表现为脆性断裂疲劳破坏表现为脆性断裂疲劳破坏要经多次循环，疲劳破坏要经多次循环， 无明显塑性变形突然发无明显塑性变形突然发生；生； (4) 疲劳破坏断口通常呈现两个疲劳破坏断口通常呈现两个 区域，即区域，即光滑区光滑区和和粗糙区。粗糙区。交变应力交变应力 与静荷载作用时的破坏相比！7疲劳失效过程的解释疲劳失效过

4、程的解释疲劳源疲劳源裂纹扩展裂纹扩展光滑区光滑区粗糙区粗糙区脆断脆断金属材料裂纹金属材料裂纹交变应力交变应力819791979年，美国年，美国DE-10DE-10型飞机失事，死亡型飞机失事，死亡270270人，原因人，原因螺旋桨转轴发生疲劳破坏，该型号飞机停飞一年，螺旋桨转轴发生疲劳破坏，该型号飞机停飞一年，全面检修，是设计问题。全面检修，是设计问题。疲劳破坏案例疲劳破坏案例1 1交变应力交变应力91981年初，欧洲北海油田“基尔兰”号平台覆灭，死亡123人，原因疲劳破坏，横梁在海浪的交变应力作用下，横梁承孔边裂缝，当时大风掀起7米巨浪，10105吨的浮台沉没于大海之中疲劳破坏案例疲劳破坏案例

5、 2 2交变应力交变应力1019981998年年5 5月，德国高速列车出轨，原因列车月，德国高速列车出轨，原因列车大轴发生疲劳破坏大轴发生疲劳破坏。疲劳破坏案例疲劳破坏案例 3 3交变应力交变应力11. 交变应力的基本参量、疲劳极限交变应力的基本参量、疲劳极限交变应力交变应力1. 应力循环2. 应力比（循环特征）r3. 应力幅 4. 疲劳极限12m最小应力 ：mintmaxo最大应力 ：max平均应力 ：m： 应力幅交变应力交变应力一个应力循环一个应力循环minamaxmin1 2(-) =或称13maxmin r循环特征： minmax21 mmaxminmtmaxmino交变应力交变应力1

6、4maxmin r循环特征：交变应力交变应力注意注意最大应力和最小应力都是代正负号的，这里以最大应力和最小应力都是代正负号的，这里以 绝对值绝对值较大者为最大应力，并规定它为正号，而与正号应力较大者为最大应力，并规定它为正号，而与正号应力反向的最小应力则为负号。反向的最小应力则为负号。mtmaxmino15mmaxmin102maxminmax21maxmin rt循环一次maxmin12341(1) (1) 对称循环对称循环如如: : 机车车轴机车车轴交变应力交变应力16(2) 脉动循环脉动循环0min 0maxmin rmmaxminmax1122maxminmaxtO交变应力交变应力17

7、(3) 静载静载1maxmin rmmaxminmax12maxmin0tOmax交变应力交变应力18maxmax24 58300561MPa0.0115FAminmin24 55800537.2MPa0.0115FAmaxmin561 53724MPamaxminm561 537549MPa22957. 0561537maxminr例例1 1 发动机连杆大头螺钉工作时最大拉力发动机连杆大头螺钉工作时最大拉力Fmax =58.3kN，最小力，最小力Fmin =55.8kN ，螺纹内径为，螺纹内径为 d=11.5mm，试求试求 、 m 和和 r。解：解：交变应力交变应力194. 4. 疲劳极限疲

8、劳极限 材料的疲劳寿命与疲劳极限材料的疲劳寿命与疲劳极限WFaWM交变应力交变应力 试样疲劳破坏时所经历的应力循坏次数称为材料的试样疲劳破坏时所经历的应力循坏次数称为材料的疲劳寿命疲劳寿命204. 疲劳极限交变应力交变应力 通过测定一组承受不同最大应力试样的疲劳寿命，以最大通过测定一组承受不同最大应力试样的疲劳寿命，以最大应力应力 max 为纵坐标，疲劳寿命为纵坐标，疲劳寿命 N 为横坐标，即可绘出材料在为横坐标，即可绘出材料在交变应力下的交变应力下的 应力应力疲劳寿命曲线疲劳寿命曲线，即，即 S-N 曲线曲线。 当最大应力降低至某一值后当最大应力降低至某一值后， S-N 曲线趋一水平，表示曲

9、线趋一水平，表示材料可经历无限次应力循环而不发生破坏，相应的最大应力值材料可经历无限次应力循环而不发生破坏，相应的最大应力值 max 称为材料的称为材料的 疲劳极限（或耐劳极限）。用疲劳极限（或耐劳极限）。用 r 表示。表示。 思考：若是对称循坏如何表示？用 -1 表示！211max,2max,1N2NONmax1曲线 NS12极限为对称循环时材料的 疲劳1交变应力交变应力疲劳寿命称为，所经历的应力循环次数试样疲劳破坏材料的时 N220 .0r6 . 0r3 . 0r1r0NACEDmaxNOr材料的疲劳极限交变应力交变应力230 .0r6 .0r3 .0r1r0NACEDmaxNOr 有色金

10、属及其合金的应力寿命曲线无明显趋于水平的直线部分。通常规定N0=(5-10)107作为循环基数，所对应的应力为该材料的条件疲劳极限。材料的疲劳极限与强度极限的近似关系：材料的疲劳极限与强度极限的近似关系：弯曲：弯曲：拉压：拉压：扭转：扭转：1017 . 14 . 0bb28. 01b23. 01交变应力交变应力5. 影响疲劳极限的主要因素1.1.构件外形的影响构件外形的影响2.2.构件尺寸的影响构件尺寸的影响3.3.构件表面质量的影响构件表面质量的影响交变应力交变应力25K（1 1）构件外形的影响）构件外形的影响kddK11有效应力集中因数有效应力集中因数交变应力交变应力26KkddK11（1

11、 1）构件外形的影响）构件外形的影响交变应力交变应力27kddK11（1 1）构件外形的影响）构件外形的影响交变应力交变应力28kddK11（1 1）构件外形的影响）构件外形的影响交变应力交变应力2911d（2 2）构件尺寸的影响）构件尺寸的影响称为尺寸因数称为尺寸因数交变应力交变应力3011d（2 2）构件尺寸的影响）构件尺寸的影响交变应力交变应力31（3 3）构件表面质量的影响）构件表面质量的影响dd11为表面质量因数为表面质量因数交变应力交变应力32（3 3）构件表面质量的影响）构件表面质量的影响dd11交变应力交变应力影响疲劳极限因素影响疲劳极限因素101K111kddK111d111

12、11dd1.1.构件外形的影响构件外形的影响2.2.构件尺寸的影响构件尺寸的影响3.3.构件表面质量的影响构件表面质量的影响构件的疲劳极限应力为构件的疲劳极限应力为交变应力交变应力346-5 6-5 钢结构构件及其连接的疲劳计算钢结构构件及其连接的疲劳计算交变应力交变应力在交变应力下焊接钢结构构件及其连接的疲劳计算应考虑 焊接残余应力！认为应力循坏中的最大应力以达到材料的屈服极限 s ， 应按应力幅建立疲劳强度条件！1.常幅疲劳-应力循环中的应力幅保持常数的疲劳。2.变幅疲劳-应力循环中的应力幅有起伏时，称为变幅疲劳。35交变应力交变应力1.常幅疲劳-应力循环中的应力幅保持常数的疲劳。Nlgl

13、g1lg在常温、无腐蚀环境下应力幅与循环次数的关系是：或：式中 、是两个参数1N引入合适的安全因数，得常幅疲劳许用应力幅的实用表达式：1CN式中 C 是与构件和连接种类及其受力有关的参数36交变应力交变应力常幅疲劳强度条件： 式中： 为校核疲劳强度的危险点处应力循环中的应力幅；对焊接部位： = max- min 对非焊接部位： = max- 0.7min 拉应力取正值；压应力取负值。注意：（1）应力循环中无拉应力时，可不必验算疲劳强度； （2）当应力循环次数N5104 时，应计算疲劳强度。37交变应力交变应力将变幅疲劳折算成常幅疲劳问题，其疲劳强度条件是：式中 e 是变幅疲劳的等效应力幅2.变幅疲劳-应力循环中的应力幅有起伏时，称为变幅疲劳。e 1iiei=nn式中： ni 是以应力循环次数表示的结构的预期使用寿命； ni 是预期使用寿命内应力幅水平为I 的实际应力循环次数。38提高疲劳