1机械设计概论ppt课件

1、机机 械械 设设 计计哈尔滨工程大学机械基础教学与研究哈尔滨工程大学机械基础教学与研究中心中心第一章 机械设计概论General concepts ） 1.1 1.1 机械设计的基本要求和一般步骤机械设计的基本要求和一般步骤 1.3 1.3 零件的失效形式与设计准则零件的失效形式与设计准则 1.5 1.5 对称循环变应力下零件疲劳强度计算对称循环变应力下零件疲劳强度计算 1.6 1.6 非对称循环变应力下零件疲劳强度计算非对称循环变应力下零件疲劳强度计算 1.4 1.4 静应力下零件的强度计算静应力下零件的强度计算 1.7 1.7 规律性非稳定变应力零件疲劳强度计算规律性非稳定变应力零件疲劳强

2、度计算 1.8 1.8 双向变应力下零件疲劳强度计算双向变应力下零件疲劳强度计算 1.9 1.9 机械零件的接触计算机械零件的接触计算 1.2 1.2 机械零件的载荷和应力机械零件的载荷和应力 一、机械设计应满足的要求一、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机械设计的基本要求和一般步骤 一、机械设计应满足的要一、机械设计应满足的要求求4、其他：运输方便、造型美观、其他：运输方便、造型美观1、使用要求：完成预定功能，生产率高、使用要求：完成预定功能，生产率高2、安全可靠、寿命足够、安全可靠、寿命足够3、制造、运行费用低，维护方便、制造、运行费用低，维护方便1.1 机械设计的基

3、本要求和一般步骤机械设计的基本要求和一般步骤 二、机械设计一般步骤二、机械设计一般步骤二、机械设计一般步骤二、机械设计一般步骤运动与动力学设计运动与动力学设计施工设计施工设计控制系统设计调试控制系统设计调试方案设计方案设计设计任务分析设计任务分析明确设计目的、要求明确设计目的、要求拟定系统组成、方案选择拟定系统组成、方案选择考虑结构、公差工艺要求，考虑结构、公差工艺要求，绘装配图、零件图绘装配图、零件图调试测试控制功能调试测试控制功能确定原动机功率、零件确定原动机功率、零件运动动力参数运动动力参数工程试验、修改设计工程试验、修改设计1.1 机械设计的基本要求和一般步骤机械设计的基本要求和一般步

4、骤 三、机械零件设计步骤三、机械零件设计步骤三、机械零件设计步骤三、机械零件设计步骤选择材料选择材料分析失效形式、设计准则、定形状和主要尺寸分析失效形式、设计准则、定形状和主要尺寸按工艺、标准规范要求，圆整设计尺寸按工艺、标准规范要求，圆整设计尺寸确定零件上的载荷确定零件上的载荷建立计算模型建立计算模型拟定零件的计算简图拟定零件的计算简图工程试验、修改设计工程试验、修改设计一、载荷一、载荷 (Load)（2载荷算法载荷算法原动机功率原动机功率名义载荷：名义载荷：F 工作机阻力工作机阻力（理想工况）（理想工况）F公式推算公式推算计算载荷：计算载荷：Fca=K F载荷系数：载荷系数：K考虑外载变化

5、、零件载荷不均等影响考虑外载变化、零件载荷不均等影响1、载荷分类、载荷分类Ft随机随机Ft周期周期Ft（1载荷性质载荷性质静载荷：静载荷：变载荷：变载荷：( )FF t= 常矢( )FF t= 变矢1.2 机械零件的的载荷和应力机械零件的的载荷和应力 (Failure types and design criteria) 一、载荷一、载荷二、应力二、应力 (Stress)1、静应力：、静应力：t( ) tss= 常矢稳定变应力稳定变应力t随机随机t非稳定变应力非稳定变应力规律性、非稳定规律性、非稳定t2、变应力：、变应力：( ) tss= 变矢1.2 机械零件的的载荷和应力机械零件的的载荷和应

6、力 (Failure types and design criteria) 二、应力二、应力1、非对称循环变应力、非对称循环变应力三、变应力的参数三、变应力的参数 (Parameters of variable stress)tmaxminma应应 力力 幅：幅：a=(max-min)/2平均应力：平均应力：m=(max+min)/2应力循环特性：应力循环特性：r= min /max(-1 r +1)2、 脉动循环变应力脉动循环变应力t3、对称循环变应力、对称循环变应力t最大应力：最大应力： max 最小应力：最小应力： minmin =0 ；m =a r= min /max =0m =0 ；

7、max =a= -minr= min /max= -11.2 机械零件的的载荷和应力机械零件的的载荷和应力 (Failure types and design criteria) 三、变应力的参三、变应力的参数数一、失效概念一、失效概念Failure）规定使用条件下规定使用条件下规定的寿命期限内规定的寿命期限内不能完成不能完成规定功能规定功能失效失效零零件件例例: 齿轮轴断裂齿轮轴断裂失效失效1.3 零件的失效形式与设计准则零件的失效形式与设计准则 (Failure types and design criteria) 一、失效概念一、失效概念1.3 零件的失效形式与设计准则零件的失效形式与设

8、计准则 (Failure types and design criteria) 二、失效形式二、失效形式二、失效形式二、失效形式Failure types）1、整体断裂过载断裂过载断裂疲劳断裂疲劳断裂5、功能失效、功能失效塑性变形塑性变形过大弹变过大弹变3、变形、变形 过大过大2、表面破坏磨损磨损冷胶合冷胶合热胶合热胶合点蚀点蚀胶合胶合4、过大振动、过大振动 1.3 零件的失效形式与设计准则 (Failure types and design criterias) 三、设计准则四、常用设计准则四、常用设计准则Design criterias）1、强度准则、强度准则 强度强度抗整体断裂、接触疲劳

9、、塑变的能力抗整体断裂、接触疲劳、塑变的能力 强度准则：（基本准则）强度准则：（基本准则） ； 2、刚度准则、刚度准则 刚度刚度抗弹变能力抗弹变能力 刚度准则：刚度准则：yy三、工作能力准则设计准则）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零件的失效形式与设计准则 (Failure types and design criterias) 三、设计三、设计准则准则3、寿命准则：

10、设计寿命、寿命准则：设计寿命 LL 要求寿命要求寿命4、耐磨性准则、耐磨性准则 耐磨性耐磨性零件抗磨损失效的能力零件抗磨损失效的能力（1压强条件：压强条件： pp 防表面间油膜破坏产生磨损防表面间油膜破坏产生磨损（2pv值条件：值条件：pvpv (v滑动速度滑动速度) 防表面间温生过高，油膜破坏加剧磨损防表面间温生过高，油膜破坏加剧磨损胶合胶合5、振动稳定性准则、振动稳定性准则 fP 0.87 f0 fP 1.18 f0 fP激振频率；激振频率； f0固有频率固有频率 1.4 静应力下零件的强度计算(Strength calculation of machine parts under sta

11、tic stress )应力比较法：应力比较法： =lim / S安全系数法：安全系数法： Sca =lim / S 式中：式中： 计算应力计算应力与载荷、构造、尺寸、形状有与载荷、构造、尺寸、形状有关关S 安全系数安全系数与计算准确性、重要性有关规范、查表）与计算准确性、重要性有关规范、查表） lim 极限应力极限应力与材料、热处理有关与材料、热处理有关 塑性材料：塑性材料：lim= s脆性材料：脆性材料： lim= b1.5 对称循环变应力下零件强度计算对称循环变应力下零件强度计算 ( Strength calculation of machine parts under variable

12、 stress in an alternating symmetrical cycle )一、材料的疲劳曲线与疲劳极限一、材料的疲劳曲线与疲劳极限(Curve of fatigue and fatigue limit)1、疲劳破坏、疲劳破坏 (Fatigue failure)疲劳破坏疲劳破坏变应力、多次作用下，材料发生破坏变应力、多次作用下，材料发生破坏疲劳破坏疲劳破坏特特 征：征：小应力小应力:持续性持续性:敏感性敏感性:突发性突发性:变应力最大值低于材料静强度极限变应力最大值低于材料静强度极限变应力多次作用变应力多次作用对材料、几何形状敏感对材料、几何形状敏感突然断裂突然断裂曲轴断裂曲轴断

13、裂内源断裂内源断裂疲劳破坏疲劳破坏过过 程：程：裂纹萌生裂纹萌生裂纹扩展裂纹扩展最终瞬断最终瞬断实例实例1.5 对称循环变应力下零件强度计算对称循环变应力下零件强度计算 一、疲劳曲线与疲劳极限一、疲劳曲线与疲劳极限( Strength calculation of machine parts under variable stress in an alternating symmetrical cycle )2、材料的疲劳曲线、材料的疲劳曲线rN NCurve of fatigue ）N0有限寿命区有限寿命区无限寿命区无限寿命区ABCrNNor 疲劳极疲劳极限限N0循环基数循环基数m、C系数系

14、数CNmrN r rN1rN2N1N2rN0103设计寿命设计寿命NN0时：材料时：材料lim= r1.5 对称循环变应力下零件强度计算对称循环变应力下零件强度计算 一、疲劳曲线与疲劳极限一、疲劳曲线与疲劳极限( Strength calculation of machine parts under variable stress in alternating symmetrical cycle )3、材料的条件疲劳极限、材料的条件疲劳极限rN对应于寿命对应于寿命N材料的有限寿材料的有限寿命疲劳极限）命疲劳极限）mNNNK0 式中：式中：KN-寿命系数寿命系数N 103时，按静强度计算时，按静

15、强度计算当当 NN0时，时，KN=1;设计寿命设计寿命103NN0 ：材料：材料lim= rNN0有限寿命区有限寿命区无限寿命区无限寿命区rNNABCoCNmrN r rN N103AB:0NNmrmrN NrrNK m、C材料常数与材料性质、应力状态、热处理有关）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对称循环变应力下零件强度计算 二、疲劳强度的影响因素二、疲劳强度的影响因素Influence factors of fatigue strength）1、应力集中：、应力集中：零件几何不连续处，实际应力远大于名义应力零件几何不连续处，实际应力远大于名义应力

16、尺寸效应尺寸效应:绝对尺寸系数绝对尺寸系数:3、表面状态、表面状态尺寸增加，疲劳极限尺寸增加，疲劳极限表面状态效应：表面粗糙，疲劳极限降低表面状态效应：表面粗糙，疲劳极限降低有效应力集中系数有效应力集中系数1)(11 Kk 缺缺口口试试样样疲疲劳劳极极限限标标准准试试样样疲疲劳劳极极限限2、绝对尺寸、绝对尺寸1)( 11 dd标标准准试试样样疲疲劳劳极极限限试试样样疲疲劳劳极极限限直直径径表面状态系数表面状态系数:1)(11 标标准准试试样样疲疲劳劳极极限限极极限限某某种种表表面面状状态态试试样样疲疲劳劳的现象的现象降低降低 kK :三三种种因因素素综综合合影影响响系系数数三、对称循环变应力下

17、零件疲劳强度计算三、对称循环变应力下零件疲劳强度计算（ Strength calculation of machine parts under variable stress in alternating symmetrical cycle ）1、零件的疲劳曲线、零件的疲劳曲线-1N N (r=-1)0NA103NABCoN1 Bc )10( 13 )10( 13 c1 1 C资料资料CNmNc 1 时时零零件件疲疲劳劳极极限限）（点点331010: NA0)10( 1)10( 1/3 3 kc 1)1(00 qkk 式中：式中：k0N=103时的有效应力集中系数时的有效应力集中系数敏敏感感性

18、性反反映映材材料料对对应应力力集集中中的的查查图图修修正正系系数数),61 (0 q Kc11 零零件件疲疲劳劳极极限限点点）点点 (:B 0NN1.5 对称循环变应力下零件强度计算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 Kc11 0NA103NABCoN1 Bc)10(13 )10(13 c1 1 C资料资料CNmNc 1 零件疲劳极限设计寿命设计寿命NN0：零件：零件lim= -1cc1 Nc1 11NcNcK 设计寿命设计寿命103NN0 ：零件：零件lim= -1Nc与零件条件疲劳极限与零件条

19、件疲劳极限 mNNKN 0ccNm)10(11033lglglg10lg 1.5 对称循环变应力下零件强度计算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、有限寿命零件疲劳强度计算 SSaNc 1maxlim3、无限寿命零件疲劳强度计算、无限寿命零件疲劳强度计算 SSac 1maxlim式中：式中： S安全系数，安全系数， 推荐推荐S=1.32.5材料均匀性材料均匀性工艺质量工艺质量 载荷及应力计算准确性载荷及应力计算准确性1.6 非对称循环变应力下零件强度计算非对称循环变应力下零件强度计算 ( Streng

20、th calculation of machine parts under variable stress in alternating unsymmetrical cycle )一、极限应力线图一、极限应力线图(Curve of fatigue limit)1、材料的极限应力线图、材料的极限应力线图同种材料、同种材料、 r不同时，不同时，r在在m a 坐标系下的关系曲线坐标系下的关系曲线 rrs-图非对称循环变应力图aBm-10/2DCA45O0/2EBS45A: m =0, r=-1C: m= a , r=0B: a =0, r=+1 r =m+ a(-1 r +1)ACB 实验线图实验线

21、图ACED简化线图简化线图1.6 非对称循环变应力下零件强度计算非对称循环变应力下零件强度计算 一、极限应力线图一、极限应力线图( Strength calculation of machine parts under variable stress in an alternating symmetrical cycle )2、简化极限应力线图、简化极限应力线图谢林森折线谢林森折线ACEDAE:平平均均应应力力折折算算系系数数 0011/)2( rmraDE:rmraS A(0,-1 )m-10/2D (S , 0)C (0/2 ,0/2)45O0/2ES45a),(rarmM 1.6 非对称

22、循环变应力下零件强度计算非对称循环变应力下零件强度计算 一、极限应力线图一、极限应力线图( Strength calculation of machine parts under variable stress in an alternating symmetrical cycle )3、零件的极限应力线图、零件的极限应力线图ACEDrmracKEA 1 :rmraSED : 试件线图试件线图ACED强度影响因素修正强度影响因素修正K零件线图零件线图ACEDmD45O0/2S45E A C AE),0(1 A),0(1cA )2,2(00 KC )2,2(00 Ca),(rarmM M 1.6

23、 非对称循环变应力下零件强度计算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二、非对称循环变应力下零件疲劳强度计算( Strength calculation of machine parts under variable stress in an alternating symmetrical cycle )二、非对称循环变应力下零件的疲劳强度计算二、非对称循环变应力下零件的疲劳强度计算r=C）mO45E A ),0(1cA )2,2(00 KC a)0(,SD ),(amM ),(rarmM 疲劳强度区疲劳强度区OAE静强度区静强度区OED1M ),(amN ),

24、(rarmN （1工作应力点工作应力点),(amM -由载荷、结构求得由载荷、结构求得minmax 、1、极限应力线图分析、极限应力线图分析（2极限应力点极限应力点),(rarmM rmrar max由工作应力点及对应的加载规律确定由工作应力点及对应的加载规律确定M 1.6 非对称循环变应力下零件强度计算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二、非对称循环变应力下零件疲劳强度计算( Strength calculation of machine parts under variable stress in an alternating symmetrical c

25、ycle )2、 r=C简单加载分析简单加载分析maxr 加载曲线加载曲线OMM为直线，为直线，疲劳强度区疲劳强度区OAE、静强度区、静强度区OEDCrrma )1()1(2/ )(2/ )(minmaxminmax mamcrmK 1maacraK 1rmracKEA 1 :rmramaOM :M点坐标：点坐标：3、无限寿命疲劳强度计算、无限寿命疲劳强度计算mOE A a),(amM ),(rarmM NN D1.6 非对称循环变应力下零件强度计算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二、非对称循环变应力下零件疲劳强度计算( Strength calculat

26、ion of machine parts under variable stress in an alternating symmetrical cycle )对应工作应力点对应工作应力点M的极限应力：的极限应力：macrmrarK max1max无限寿命疲劳强度计算安全系数无限寿命疲劳强度计算安全系数 SKSadcmacr 11maxmax4、有限寿命疲劳强度计算安全系数、有限寿命疲劳强度计算安全系数 SKKSmacNadNc 111.6 非对称循环变应力下零件强度计算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二、非对称循环变应力下零件疲劳强度计算( Streng

27、th calculation of machine parts under variable stress in an alternating symmetrical cycle )4、静强度区安全系数计算、静强度区安全系数计算Srmrar max SSmaSr maxmax静强度计算安全系数静强度计算安全系数:当工作应力点当工作应力点N位于位于OED静强度区，极限应力点为静强度区，极限应力点为OM与与DE的交点的交点N,极限应力为：极限应力为：工作应力最大值工作应力最大值:ma maxmOE A a ),(amN ),(rarmN 1.7 规律性非稳定应力下零件疲劳强度计算规律性非稳定应力下

28、零件疲劳强度计算 ( Strength calculation of machine parts under unstable variable stress )一、线性疲劳损伤累积理论一、线性疲劳损伤累积理论(Theory of fatigue damage accumulation )1、疲劳损伤累积概念、疲劳损伤累积概念问题：问题： 如何利用稳定变应力的分析方法，计算规律性、非稳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？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

29、累积到一定程度，材料疲劳破坏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一、线性疲劳损伤累积理论( Strength calculation of machine part under unstable variable stress)N1NNmaxn44321n2n1n3OOABC0N-1N2N1 N3(1)材料在各级应力作用下产生的疲劳损伤独立材料在各级应力作用下产生的疲劳损伤独立(2)总损伤线性累积总损伤线性累积2、Miner疲劳损伤线性累积理论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

30、强度计算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一、线性疲劳损伤累积理论( Strength calculation of machine part under unstable variable stress)%100,累累积积总总损损伤伤率率达达方方程程：材材料料破破坏坏时时Miner1 i1 Nnini注注:(1)小于小于-1 应力的影响不计应力的影响不计 (2) 非对称循环变应力折算成当量对称循环变应力处理非对称循环变应力折算成当量对称循环变应力处理mai :)1( 21maxir 变变应应力力 : 21iinnnn作作用用次次数数 N : 21iiNN单单独独作作

31、用用寿寿命命 :i2211NnNnNnniii次次损损伤伤率率作作用用 i1 Nnini 总总损损伤伤率率：1.7 规律性非稳定应力下零件疲劳强度计算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、等效循环次数Nv与条件疲劳限与条件疲劳限-1Nv由疲劳曲线方程：由疲劳曲线方程：miiimimNNNN)( 1001 代入代入Miner方程：方程：（损伤极限状态）（损伤极限状态）mmiinimmiiniiniNnNnNn1011

32、01i1 1 mmiiniNn101 未未达达到到损损伤伤极极限限状状态态：）（疲疲劳劳损损伤伤等等效效：vmiiniNn, 11 力力最最大大值值长长的的当当量量对对称称循循环环变变应应数数值值较较大大，作作用用时时间间较较注注： 1 1.7 规律性非稳定应力下零件疲劳强度计算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mvmiiniNn11 令令：miinivnN)( 11 当当量量循循环环次次数数：1011 mvNNvvNNKN 的的条条件件疲疲劳劳极极限限：对对应应于于2、安全系数、安全系数 计算计算 SKSNNv 1

33、111 1111 ma 循循环环变变应应力力应应力力幅幅材材料料（试试件件）当当量量对对称称1.7 规律性非稳定应力下零件疲劳强度计算规律性非稳定应力下零件疲劳强度计算 三三 规律性非稳定应力下零件疲劳强度计算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 SKKSmacNvadcNv 1111)(1 安安全全系系数数：mvNvNNK 0其其中中：miaiadiK 等等效效应应力力幅幅：)( )( 111不不计计cadimadadiinivnN ccNm)10(11033lglglg10lg 1.8 双向变应力下零件疲劳强度计算双向变应力下零件疲劳强度计算 ( Strength cal