2.1机械强度设计

1、6 机械强度设计机械强度设计5/28/2021强度与失效强度与失效l失效：产品不能完成预定功能失效：产品不能完成预定功能l强度：抵抗失效的能力强度：抵抗失效的能力l承载承载l变形变形l振动振动l摩擦摩擦l腐蚀腐蚀l5 机械强度设计机械强度设计l5.1 常规机械强度设计常规机械强度设计l5.2 抗疲劳强度设计抗疲劳强度设计l5.3 损伤容限设计损伤容限设计5.1 常规机械强度设计常规机械强度设计l5.1.1 机械强度的安全性判据机械强度的安全性判据l5.1.2影响安全系数的因素影响安全系数的因素l5.1.3 安全系数计算安全系数计算5.1.1 机械强度的安全性判据机械强度的安全性判据 nn 应力

2、应力计算、实测计算、实测许用应力许用应力由材料、结构及工况由材料、结构及工况规定规定 nlim工作安全系数工作安全系数计算计算许用安全系数许用安全系数根据工况等规根据工况等规定定limn5.1.2 影响安全系数的因素影响安全系数的因素n零部件重要程度的影响：零部件重要程度的影响：K1n载荷及应力计算的准确程度的影响：载荷及应力计算的准确程度的影响：K2n不同失效形式的影响：不同失效形式的影响：K3n应力集中的影响：应力集中的影响：K4n截面尺寸的影响：截面尺寸的影响：K5n表面加工状态的影响：表面加工状态的影响：K6n检验质量的影响：检验质量的影响：K7零部件重要程度系数：零部件重要程度系数：

3、K1应力计算的准确度系数：应力计算的准确度系数：K2l计算公式准确，所有作用力及应力已知时，取计算公式准确，所有作用力及应力已知时，取K2=1.0；l计算公式或图表，使计算所得应力较实际应力高时，计算公式或图表，使计算所得应力较实际应力高时，取取K2=1.0；l计算应力较实际应力低，根据两者之差异，可选取计算应力较实际应力低，根据两者之差异，可选取K2=1.051.65；失效形式影响系数：失效形式影响系数：K3l规定拉伸失效为理想失效，该失效形式下的规定拉伸失效为理想失效，该失效形式下的强度极限为拉伸强度极限，强度极限为拉伸强度极限， K3=1.0；则在其；则在其它失效形式下，它失效形式下，

4、K3值分别为：值分别为：屈服强度抗拉强度3K所考虑的强度极限抗拉强度3K疲劳强度抗拉强度3K塑性材料塑性材料脆性材料脆性材料疲劳破环疲劳破环安全系数影响因素安全系数影响因素K4、 K5、 K6、 K7lK4：应力集中系数：应力集中系数l K4 =max/ nlK5：截面尺寸增大系数：截面尺寸增大系数l K5 =1/lK6：表面加工状况系数：表面加工状况系数l K6 =1/lK7：检验质量系数：检验质量系数,抽检抽检1.15-1.30, 逐个检验逐个检验 l 1.05-1.155.1.3 安全系数计算安全系数计算l静应力下安全系数静应力下安全系数 bbn ssn塑性材料塑性材料脆性材料脆性材料

5、7654321KKKKKKKnb5.1.3 安全系数计算安全系数计算l变应力下安全系数变应力下安全系数交变应力交变应力等应力幅等应力幅变应力幅变应力幅复合应力复合应力对称循环对称循环非对称循环非对称循环正应力正应力剪应力剪应力等应力幅的安全系数对称循环aaeKn11 nn 强度判据强度判据疲劳极限有效疲劳极限有效值值11Ke工作应力工作应力幅幅等应力幅的安全系数不对称循环maaKn1不对称系数不对称系数由下式求得由下式求得1201a变应力幅的安全系数ddeKn11等幅当量应力等幅当量应力按按Miner准则和准则和S-N曲线求得曲线求得maxmax0iimimdNnNN弯扭同时作用下的安全系数2

6、2111nnn5.2 抗疲劳强度设计抗疲劳强度设计l5.2.1 疲劳破环及疲劳过程疲劳破环及疲劳过程l5.2.2 金属材料的疲劳特性金属材料的疲劳特性l5.2.3 影响疲劳强度的因素影响疲劳强度的因素l5.2.4 疲劳寿命设计疲劳寿命设计5.2.1 疲劳破环及疲劳过程疲劳破环及疲劳过程l定义：材料或零构件在循环载荷作用下定义：材料或零构件在循环载荷作用下产生裂纹并扩展至断裂的现象称为疲劳产生裂纹并扩展至断裂的现象称为疲劳破环。破环。l与静强度破环的主要区别：与静强度破环的主要区别：危险截面危险截面局部危险点局部危险点变形过大变形过大微裂纹扩展微裂纹扩展疲劳破环疲劳破环静强度破环静强度破环静载破

7、静载破坏断口坏断口疲劳破疲劳破坏断口坏断口疲劳破环特点疲劳破环特点l五大特点：五大特点：l低应力性；低应力性；l突然性；突然性；l时间性；时间性；l敏感性；敏感性；l断口的疲劳特性。断口的疲劳特性。疲劳破环过程疲劳破环过程l裂纹扩展的第一阶段裂纹扩展的第一阶段l裂纹成核阶段裂纹成核阶段l微观裂纹扩展阶段微观裂纹扩展阶段l裂纹扩展的第二阶段裂纹扩展的第二阶段l宏观裂纹扩展阶段宏观裂纹扩展阶段l断裂阶段断裂阶段疲劳裂纹形疲劳裂纹形成阶段寿成阶段寿命命Ni）疲劳裂纹扩疲劳裂纹扩展阶段寿展阶段寿命命Np）疲劳的分类疲劳的分类l按疲劳失效周次：高周疲劳、低周疲劳；按疲劳失效周次：高周疲劳、低周疲劳；l按

8、应力状态分：单轴疲劳、多轴疲劳；按应力状态分：单轴疲劳、多轴疲劳；l按载荷变化分：恒幅、变幅、随机疲劳按载荷变化分：恒幅、变幅、随机疲劳l按研究对象分：材料疲劳、结构疲劳按研究对象分：材料疲劳、结构疲劳l按工作环境分：常规疲劳、高温、低温、热疲按工作环境分：常规疲劳、高温、低温、热疲劳、腐蚀疲劳、接触疲劳、冲击疲劳、劳、腐蚀疲劳、接触疲劳、冲击疲劳、5.2.2 金属材料的疲劳特性金属材料的疲劳特性lS-N曲线曲线5.2.2 金属材料的疲劳特性金属材料的疲劳特性l疲劳极限线图：将不同疲劳极限线图：将不同r下的疲劳极限画到一个下的疲劳极限画到一个图上图上05.2.2 金属材料的疲劳特性金属材料的疲

9、劳特性l循环应力循环应力应变下的材料特性应变下的材料特性l材料的循环硬化和循环软化材料的循环硬化和循环软化5.2.2 金属材料的疲劳特性金属材料的疲劳特性l循环应力循环应力应变下的材料特性应变下的材料特性l循环应力循环应力应变曲线应变曲线5.2.3 影响疲劳强度的因素影响疲劳强度的因素l材料组织成分、结构的影响；材料组织成分、结构的影响；l零部件形状、尺寸和表面状况的影响；零部件形状、尺寸和表面状况的影响；l工作载荷特性的影响；工作载荷特性的影响；l服役环境和条件的影响。服役环境和条件的影响。5.2.3 影响疲劳强度的因素影响疲劳强度的因素l1. 应力集中的影响应力集中的影响l应力集中：外形突

10、然变化或材料不连续应力集中：外形突然变化或材料不连续地方，常产生很大的局部应力地方，常产生很大的局部应力l理论应力集中系数理论应力集中系数、：在弹性变化：在弹性变化范围内材料的局部应力峰值范围内材料的局部应力峰值 max与名与名义应力义应力之比之比 l有效应力集中系数有效应力集中系数K 、K ：实际衡：实际衡量应力集中对疲劳强度影响的系数量应力集中对疲劳强度影响的系数5.2.3 影响疲劳强度的因素影响疲劳强度的因素l2. 尺寸影响尺寸影响l尺寸效应：疲劳强度随零件尺寸增大而降低尺寸效应：疲劳强度随零件尺寸增大而降低的现象的现象l尺寸系数尺寸系数、：一般零部件或试样的疲劳：一般零部件或试样的疲劳

11、极限与几何相似的标准试样的疲劳极限之比极限与几何相似的标准试样的疲劳极限之比11d5.2.3 影响疲劳强度的因素影响疲劳强度的因素l3. 表面加工方法的影响表面加工方法的影响l不同表面加工的影响：表面加工系数不同表面加工的影响：表面加工系数1、腐蚀、腐蚀系数系数2 、表面强化系数、表面强化系数3l表面加工系数：某种加工表面的标准光滑试样表面加工系数：某种加工表面的标准光滑试样与磨光国外为抛光的标准光滑试样疲劳极与磨光国外为抛光的标准光滑试样疲劳极限之比限之比1115.2.4 疲劳寿命设计疲劳寿命设计l1. 疲劳寿命设计的基本思想：疲劳累积损伤理论疲劳寿命设计的基本思想：疲劳累积损伤理论l当材料

12、承受高于疲劳极限的应力时，每一循环都使材料当材料承受高于疲劳极限的应力时，每一循环都使材料产生一定量的损伤，这种损伤能够累积，当损伤累积到产生一定量的损伤，这种损伤能够累积，当损伤累积到某一临界值时将产生破坏。某一临界值时将产生破坏。 lMiner线性累积损伤理论线性累积损伤理论l相同应变幅值和平均应力的相同应变幅值和平均应力的 ni个应变和应力循环将按线个应变和应力循环将按线性累加，形成性累加，形成 ni/Ni的损伤，即消耗掉的损伤，即消耗掉 ni/Ni部分疲劳寿部分疲劳寿命；命； l当损伤按线性累加达到当损伤按线性累加达到1时，疲劳破坏就发生了。时，疲劳破坏就发生了。5.2.4 疲劳寿命设

13、计疲劳寿命设计lMiner线性累积损伤理论基础线性累积损伤理论基础疲劳极限：疲劳极限：r条件疲劳极限：条件疲劳极限： rN以以i循环循环ni次造成的损伤：次造成的损伤：ni/ Ni；各个不同各个不同r下造成的总损伤：下造成的总损伤： ni/ Ni 注意：事实上，前面的加注意：事实上，前面的加载应力大小对后面的损伤载应力大小对后面的损伤累积有影响。累积有影响。5.2.4 疲劳寿命设计疲劳寿命设计l2. 常规疲劳寿命设计常规疲劳寿命设计l（1无限寿命设计：对疲劳强度要求高。钢无限寿命设计：对疲劳强度要求高。钢轨、桥梁、车轴等的设计。轨、桥梁、车轴等的设计。 15.2.4 疲劳寿命设计疲劳寿命设计l

14、2. 常规疲劳寿命设计常规疲劳寿命设计l（2有限寿命设计：要求零部件或结构在给有限寿命设计：要求零部件或结构在给定的使用周期内不能产生任何疲劳缺陷。常定的使用周期内不能产生任何疲劳缺陷。常用于飞机、汽车、压力容器等的设计中。用于飞机、汽车、压力容器等的设计中。 N15.2.4 疲劳寿命设计疲劳寿命设计l3. 随机载荷下的疲劳寿命随机载荷下的疲劳寿命实测载荷实测载荷时间历程时间历程统计载荷谱统计载荷谱疲劳寿命计算疲劳寿命计算Miner线性累积准则线性累积准则5.3 损伤容限设计损伤容限设计l8.3.1 损伤容限设计的基本思想损伤容限设计的基本思想l8.3.2 线弹性断裂力学线弹性断裂力学l8.3

15、.3 疲劳裂纹扩展速率疲劳裂纹扩展速率l8.3.4 剩余寿命的估算剩余寿命的估算l8.3.5 断裂控制断裂控制5.3.1 损伤容限设计的基本思想损伤容限设计的基本思想l设计思想：允许零件有初始缺陷，或在服役设计思想：允许零件有初始缺陷，或在服役过程中出现裂纹，产生破损，但在下次检修过程中出现裂纹，产生破损，但在下次检修之前应保持一定的剩余强度，能够正常使用，之前应保持一定的剩余强度，能够正常使用，直到下次检修予以发现、修复或更换。直到下次检修予以发现、修复或更换。l关键问题：如何估算裂纹扩展寿命关键问题：如何估算裂纹扩展寿命线弹性断裂力学线弹性断裂力学5.3.2 线弹性断裂力学线弹性断裂力学l

16、1. 裂纹的基本类型裂纹的基本类型裂纹表面裂纹表面裂纹裂纹前缘前缘IIIIII5.3.2 线弹性断裂力学线弹性断裂力学l2. 应力强度因子与断裂韧度应力强度因子与断裂韧度l概念的由来：裂纹尖端应力应变场分析概念的由来：裂纹尖端应力应变场分析l裂纹尖端应力场的一般表达式：裂纹尖端应力场的一般表达式： I)(I) I (2ijijfrKaYKI5.3.2 线弹性断裂力学线弹性断裂力学l2. 应力强度因子与断裂韧度应力强度因子与断裂韧度l应力强度因子应力强度因子KI：反映裂纹尖端附近：反映裂纹尖端附近区域的应力、应变场强弱程度的物理区域的应力、应变场强弱程度的物理量。量。l断裂韧度断裂韧度Kc：应力

17、强度因子的临界值，：应力强度因子的临界值，即发生脆性断裂时的应力强度因子。即发生脆性断裂时的应力强度因子。l平面应变断裂韧度平面应变断裂韧度KIc：断裂韧度的最：断裂韧度的最低值。低值。l断裂判据：断裂判据：KIKIc5.3.3 疲劳裂纹扩展速率疲劳裂纹扩展速率l1. 裂纹扩展速率：裂纹扩展速率：dNdaNa n研究裂纹扩展速率的目的：研究裂纹扩展速率的目的：n设计选材时的参考；设计选材时的参考；n计算裂纹体的剩余寿命；计算裂纹体的剩余寿命；caapdNdadaN05.3.3 疲劳裂纹扩展速率疲劳裂纹扩展速率l疲劳裂纹稳定扩展的疲劳裂纹稳定扩展的Paris公式公式mKCdNdan临界应力强度因

18、子幅度临界应力强度因子幅度n疲劳断裂韧性疲劳断裂韧性thKfLKKmax5.3.3 疲劳裂纹扩展速率疲劳裂纹扩展速率l2. 影响疲劳裂纹扩展速率的因素影响疲劳裂纹扩展速率的因素l平均应力：平均应力使裂纹扩展速率增加平均应力：平均应力使裂纹扩展速率增加l超载：过载峰延缓随后的低载恒幅下的裂纹扩超载：过载峰延缓随后的低载恒幅下的裂纹扩展展l加载频率：加载频率减小，裂纹扩展速率增大加载频率：加载频率减小，裂纹扩展速率增大l温度：温度提高，裂纹扩展速率增大温度：温度提高，裂纹扩展速率增大5.3.4 剩余寿命的估算剩余寿命的估算l零件的剩余寿命：在已经存在裂纹的条件下，零零件的剩余寿命：在已经存在裂纹的条件下，零构件能够运行的周期数或时间。即疲劳裂纹的扩构件能够运行的周期数或时间。即疲劳裂纹的扩展寿命。展寿命。l估算零件剩余寿命的方法：裂纹扩展的估算零件剩余寿命的方法：裂纹扩展的Paris公公式式mKCdNdaccaamNKCdadN005.3.4 剩余寿命的估算剩余寿命的估算l（1初始裂纹尺寸初始裂纹尺寸a0的确定的确定l仪器灵敏度的尺寸仪器灵敏度的尺寸 l初始裂纹发生于关键零件的关键部位初始裂纹发生于关键零件的关键部位