零件的失效形式与设计准侧

1、第第 1 章章 机械零件设计基础知识机械零件设计基础知识主讲教师：巩云鹏主讲教师：巩云鹏东北大学国家工科机械基础课程教学基地东北大学国家工科机械基础课程教学基地1-1 1-1 零件的失效形式与设计准则零件的失效形式与设计准则 一、机械零件设计步骤一、机械零件设计步骤一、机械零件设计步骤一、机械零件设计步骤确定零件上的载荷确定零件上的载荷选择材料、热处理方式选择材料、热处理方式分析失效形式、设计准则、确定形状和主要尺寸分析失效形式、设计准则、确定形状和主要尺寸按工艺、标准、规范要求，设计尺寸、绘图、说明书按工艺、标准、规范要求，设计尺寸、绘图、说明书建立计算模型建立计算模型拟定零件的计算简图拟定

2、零件的计算简图仿真优化、修改设计、工程试验仿真优化、修改设计、工程试验F二、失效概念二、失效概念1-1 零件的失效形式与设计准则零件的失效形式与设计准则 二、失效的概念二、失效的概念例例:齿轮轴断裂齿轮轴断裂失效失效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件零件1-1 零件的失效形式与设计准则零件的失效形式与设计准则 三、失效形式三、失效形式三、失效形式三、失效形式1、整体断裂整体断裂过载断裂过载断裂疲劳断裂疲劳断裂2、表面破坏表面破坏磨损磨损冷胶合冷胶合点蚀点蚀塑性变形塑性变形4、功能失效、功能失效3、变形过大、变形过大胶合胶合5

3、、过大振动、过大振动过大弹变过大弹变热胶合热胶合1-1 零件的失效形式与设计准则零件的失效形式与设计准则 三、失效形式三、失效形式1、整体断裂整体断裂(2) (2) 疲劳断裂疲劳断裂交变应力反复作用，交变应力反复作用，导致疲劳裂纹生成、导致疲劳裂纹生成、扩展、断裂。扩展、断裂。(1)(1)过载断裂过载断裂零件上作用（非正常）零件上作用（非正常）过大载荷，导致零件过大载荷，导致零件整体断裂；整体断裂；轮齿整体断裂齿轮轴疲劳断裂1-1 零件的失效形式与设计准则零件的失效形式与设计准则 三、失效形式三、失效形式2、表面破坏表面破坏(2)点蚀点蚀交变接触应力反复作用，交变接触应力反复作用，导致齿面形成

4、裂纹、扩导致齿面形成裂纹、扩展，材料脱落。引起振展，材料脱落。引起振动噪声或断裂；动噪声或断裂；(1)(1)磨损磨损相对运动表面间进入第相对运动表面间进入第三体（磨料），引起表三体（磨料），引起表面磨损，精度降低；过面磨损，精度降低；过度磨损强度降低；度磨损强度降低；1-1 零件的失效形式与设计准则零件的失效形式与设计准则 三、失效形式三、失效形式2、表面破坏表面破坏(3)胶合胶合热胶合热胶合高速、重载，润滑不良，高高速、重载，润滑不良，高温导致油膜破裂，材料熔化、温导致油膜破裂，材料熔化、“焊接焊接”，相对运动表面涂，相对运动表面涂抹烧伤抹烧伤-表面精度降低、噪声。表面精度降低、噪声。(3)

5、(3)胶合胶合-冷胶合冷胶合低速重载低速重载,过高的接触压力过高的接触压力导致表面间油膜破坏，金属导致表面间油膜破坏，金属直接接触粘着，相对运动产直接接触粘着，相对运动产生撕裂生撕裂-表面精度降低；表面精度降低；齿面齿面粘着粘着齿面齿面胶合胶合1-1 零件的失效形式与设计准则零件的失效形式与设计准则 三、失效形式三、失效形式3、变形变形过大(1)(1)塑性变形塑性变形载荷过大导致零件产生塑性变形，载荷过大导致零件产生塑性变形，精度降低，零件失效；精度降低，零件失效；齿顶齿顶塑变塑变齿体齿体塑变塑变1-1 零件的失效形式与设计准则零件的失效形式与设计准则 三、失效形式三、失效形式3、变形过大变形

6、过大(2)过大弹性过大弹性过大弹变，刚度不足、过大弹变，刚度不足、精度降低。精度降低。机床主轴机床主轴刚度不足刚度不足加工圆柱加工圆柱孔孔-锥形锥形孔孔1-1 零件的失效形式与设计准则零件的失效形式与设计准则 三、失效形式三、失效形式4、功能失效、功能失效5、过大振动、过大振动振动、噪声振动、噪声螺栓联接功能失效被联件间相对滑移皮带传动功能失效打滑1-1 零件的失效形式与设计准则零件的失效形式与设计准则 四、工作能力准则四、工作能力准则2 2、常用设计准则、常用设计准则（1 1）强度准则）强度准则 强度强度抗整体断裂、接触疲劳、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

7、度准则：（基本准则） ； （2 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：yyyy 、 四、工作能力准则（设计准则）四、工作能力准则（设计准则）1 1、定义、定义-预定使用寿命期限内，零件安全工作的限度预定使用寿命期限内，零件安全工作的限度-承载能力指标承载能力指标( (受失效形式限制受失效形式限制) )、确定零件尺寸的依据、确定零件尺寸的依据（3 3）寿命准则：设计寿命）寿命准则：设计寿命 LL LL 要求寿命要求寿命（4 4）耐磨性准则：零件抗磨损失效的能力）耐磨性准则：零件抗磨损失效的能力压强条件：压强条件： pppp 防表面间油膜破坏产生磨损防表面间油膜

8、破坏产生磨损pvpv值条件：值条件：pvpvpvpv (v (v相对滑动速度相对滑动速度) ) - -防止表面间温升过高，油膜破坏加剧磨损防止表面间温升过高，油膜破坏加剧磨损胶合胶合1-1 零件的失效形式与设计准则零件的失效形式与设计准则 五、工作能力准则五、工作能力准则（5 5）振动稳定性准则：避免共振）振动稳定性准则：避免共振 f fP P 0.85f0.85f0 0 ； f fP P 1.15 f1.15 f0 0 f f0 0固有频率；固有频率；f fP P激振频率；激振频率；f00.85 f01.15 f0一、载荷分类一、载荷分类1、载荷性质、载荷性质Ft常矢)(tFF1-21-2载

9、荷与应力载荷与应力 一、一、载荷分类载荷分类变矢)(tFF随机随机Ft周期周期Ft（理想工况）（理想工况）原动机功率原动机功率 工作机阻力工作机阻力F F公式推算公式推算KK载荷系数：考虑外载变化、载荷分布不均等载荷系数：考虑外载变化、载荷分布不均等F Fcaca =K F=K F2 2、载荷算法、载荷算法名义载荷名义载荷F F ：计算载荷计算载荷Fca ：静载荷：静载荷：变载荷：变载荷：二、应力分类二、应力分类1、静应力：、静应力：t常常矢矢 )(t 2、变应力：、变应力：变变矢矢 )( t 1-21-2载荷与应力载荷与应力 二、应力分类二、应力分类(1)稳定变应力稳定变应力t随机随机t(2

10、) 非稳定变应力非稳定变应力规律性、非稳定规律性、非稳定tT1 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、变应力的参数应应 力力 幅：幅：a a=(=(maxmax -minmin)/2)/2平均应力：平均应力：m m=(=(maxmax+minmin)/2)/2应力循环特性：应力循环特性：r= r= minmin / /maxmax(-1 r +1)(-1 r +1)2 2、对称循环变应力、对称循环变应力tm =0 ；r= -14 4、静应力、静应力ta=0 ;r= +11-21-2载荷与应力载荷与应力 三、变应力的参数三、变应力的参数( (变应力用五个参数描述，知二可求其他

11、变应力用五个参数描述，知二可求其他) )3 3、脉动循环变应力、脉动循环变应力min =0； r= 0ttmaxminma应力比较法：应力比较法：ca =lim / S安全系数法：安全系数法： Sca =lim / ca S 式中：式中：1-3 1-3 静应力下零件的强度计算静应力下零件的强度计算 一、静应力下零件强度计算一、静应力下零件强度计算caca 计算应力计算应力与载荷、结构尺寸、形状有关与载荷、结构尺寸、形状有关SS许用许用 安全系数安全系数材料数据可靠性、载荷计算准确性、材料数据可靠性、载荷计算准确性、 零件重要性有关（查表零件重要性有关（查表) )limlim 极限应力极限应力与

12、材料种类、热处理有关与材料种类、热处理有关 塑性材料：塑性材料：limlim= = s s脆性材料：脆性材料： limlim= = B B1-4 1-4 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、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1 1、疲劳破坏、疲劳破坏疲劳破坏：疲劳破坏：变应力、多次作用变应力、多次作用下，材料发生破坏下，材料发生破坏突发性突发性: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:变应力最大值低于材料静强度限变应力最大值低于材料静强度限变应力多次作用变应力多次

13、作用对几何突变、材料敏感对几何突变、材料敏感突然断裂突然断裂曲轴断裂曲轴断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1-4 1-4 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、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2 2、材料的疲劳曲线、材料的疲劳曲线rNrN NNmNNK0- -N其中：寿命系数N0有限寿命区有限寿命区无限寿命区无限寿命区ABCrNNor 疲劳极限疲劳极限N N0 0循环基数循环基数m m、CC系数系数CNmrN r rN1rN2N1N2rN0103设计寿命设计寿命NNNN0 0时：

14、材料时：材料limlim= = r r设计寿命设计寿命10103 3NNN N0 0时：材料时：材料limlim= = rNrN= =K KN Nr rrN 条件疲劳极限条件疲劳极限1-4 1-4 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、零件疲劳强度的影响因素二、零件疲劳强度的影响因素二、零件疲劳强度的影响因素二、零件疲劳强度的影响因素1 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3 3、表面状态：、表面状态：尺寸增加，疲劳极限降低尺寸增加，疲劳极限降低表面粗糙，疲劳极限降低表面粗糙，疲劳极限降低有效应力集中

15、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 2、绝对尺寸：、绝对尺寸：绝对尺寸系数绝对尺寸系数: :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 kK :三三种种因因素素综综合合影影响响系系数数1-4 1-4 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、零件的疲劳曲线与疲劳极限三、零件的疲劳曲线与疲劳极限三、零件的疲劳曲线与疲劳极限三、零件的疲劳曲线与疲

16、劳极限1 1、零件的疲劳曲线、零件的疲劳曲线-1-1NcNc N (r=-1)N (r=-1)cmNcNNmB101A点点、方法：11CNmNc0NA103NABCoN1Bc)310( 1)310( 1c1 1 C材料材料零件零件CNmN11-4 1-4 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、零件的疲劳曲线与疲劳极限三、零件的疲劳曲线与疲劳极限0)10( 1)10( 1/ :点) 2(3 3 kAc11CNmNc0NA103NABCoN1Bc )310( 1)310( 1c1 1 C材料材料零件零件NNc1CNmN1130)10( 110 3 mN式中：;:) 1 (1

17、1KBc点ccNm)10( 11033lglglg10lg013)10( 1103Nmcmc方程：坐标代入零件疲劳曲线、將BA: ) 3(mcNcmNcKNN1101零件疲劳曲线方程：1) 1(00 qkk ；时的有效应力集中系数3010 Nk敏感性反映材料对应力集中的查图修正系数),61 (0q2 2、零件疲劳极限、零件疲劳极限Kc11 ) 1 (零件疲劳极限：设计寿命设计寿命NN0：零件：零件lim= -1c零件条件疲劳极限)2(设计寿命设计寿命103NN0 ：零件：零件lim= -1Ncc1 Nc1 与条件疲劳极限与条件疲劳极限 1cN1KNc1-4 对称循环变应力下零件强度计算对称循环

18、变应力下零件强度计算 三、零件的疲劳曲线与疲劳极限三、零件的疲劳曲线与疲劳极限零件疲劳极限零件疲劳极限11CNmNc0NA103NABCoN1Bc )310( 1)310( 1c1 1 C材料材料零件零件NNc1零件极限应力零件极限应力lim：(2) (2) 有限寿命零件疲劳强度安全系数有限寿命零件疲劳强度安全系数 SSaNc 1maxlim 四、四、(r=-1) (r=-1) 零件疲劳强度安全系数计算零件疲劳强度安全系数计算 SSac1maxlimSS安全系数，安全系数， 推荐推荐S=1.3S=1.32.52.5材料均匀性、工艺质量材料均匀性、工艺质量载荷及应力计算准确性载荷及应力计算准确性

19、零件重要性零件重要性(1) (1) 无限寿命时零件疲劳强度安全系数无限寿命时零件疲劳强度安全系数计算应力幅值式中：a解决：对称循环变应力下零疲劳强度安全系数计算解决：对称循环变应力下零疲劳强度安全系数计算1-4 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 四、零件的疲劳强度安全系数计算四、零件的疲劳强度安全系数计算1-5 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、极限应力线图一、极限应力线图一、极限应力线图1 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 r不同时，不同时，r r在在m m a a 坐标系下的关系曲线坐

20、标系下的关系曲线 tmaxminmaE ErmraS:ED a a B B m m -1-1 0 0/2/2D DC CA A4545O O 0 0/2/2 S S4545B BM(M(rm,rm,rara）001/ )2( rmra1:AE1-5 1-5 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2 2、零件的极限应力线图、零件的极限应力线图AAC CE ED D)0 ,(DSrmracKEA1 :rmraSED : 试件线图试件线图ACEDACED疲劳强度影响因素疲劳强度影响因素K K修正修正零件线图零件线图ACED), 0 (A1c)2

21、2(00K,C),(rarmM M C CE E), 0 (A1)2,2(00C a a m mO OE EA A1-5 1-5 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、极限力线图一、极限力线图3 3、零件的极限应力分析（简单加载）、零件的极限应力分析（简单加载）O O)0 ,(DS),(rarmM C CE E a a m mA A),(amM。),(amN ),(rarmN 。1M ammamMax),(-M-M点：由载荷、结构确定点：由载荷、结构确定(2)极限应力点极限应力点:),(rarmMrmrarmax-M-M点：点：由由M M点及对应的加载规律确定点及对

22、应的加载规律确定 (1)(1)工作应力点工作应力点: :(3) (3) （r=Cr=C）简单加载极限应力点）简单加载极限应力点M M（r=Cr=C） 加载曲线加载曲线OMM OMM 为直线，为直线，M M位于：位于：OAEOAE区区极限应力点极限应力点M M 疲劳失效疲劳失效OE OE D D区区极限应力点极限应力点N N 静强度失效静强度失效crrma)1 ()1 (2/ )(2/ )(minmaxminmax1-5 1-5 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) 0 ,(DS),(rarmM C CE E a a m mO OA A

23、),(amM。),(amN ),(rarmN 。mamcrmK 1maacraK 1rmracKEA 1 :rmramaOM :二、疲劳强度安全系数计算二、疲劳强度安全系数计算 （r=C ,M点在点在OAE 区）1-5 1-5 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、疲劳强度安全系数计算二、疲劳强度安全系数计算) 0 ,(DS),(rarmM C CE E a a m mO OA A),(amM。),(amN ),(rarmN 。rmrarmax交点：与求：A EOM对应对应M M点的极限应力：点的极限应力：macrmrarK max1max(1)(1)无限寿命疲劳强

24、度安全系数无限寿命疲劳强度安全系数 SKSadcmacr 11maxmax(2)(2)有限寿命疲劳强度安全系数有限寿命疲劳强度安全系数 SKKSmacNadNc 111-5 1-5 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、疲劳强度安全系数计算二、疲劳强度安全系数计算) 0 ,(DS),(rarmM C CE E a a m mO OA A),(amM。),(amN ),(rarmN 。三、静强度安全系数计算（三、静强度安全系数计算（r=C ,Nr=C ,N点位于点位于OEOED D区）区）Srmrarmax SSmaSr maxmax静强度安全系数静强度安全系数: :

25、对应对应N N点极限应力值点极限应力值: :ma max)0 ,(DS),(rarmM C CE E a a m mO OA A),(amM。),(amN ),(rarmN 。工作应力最大值工作应力最大值: :1-5 1-5 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 三、三、静强度安全系数计算静强度安全系数计算 解决：非对称循环变应力强度计算问题解决：非对称循环变应力强度计算问题- -对称化对称化一、线性疲劳损伤累积理论一、线性疲劳损伤累积理论1 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、如何利用稳定变应力的分析方法，计算

26、规律性、 非稳定变应力下零件的疲劳强度？非稳定变应力下零件的疲劳强度？(1)(1)高于疲劳极限的应力每一循环材料均产生损伤高于疲劳极限的应力每一循环材料均产生损伤; ;1-6 1-6 规律性非稳定变应力下零件强度计算规律性非稳定变应力下零件强度计算 一、线性疲劳损伤累积理论一、线性疲劳损伤累积理论(1)(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)(2)总损伤线性累积。总损伤线性累积。2 2、MinerMiner疲劳损伤线性累积理论疲劳损伤线性累积理论N1 j j i i 2 1n1OA AB BC C-1-1N N2 2N N1 1N Ni i

27、N N0 0n2nin nj jN NT(2)(2)损伤累积到一定程度，材料疲劳破坏。损伤累积到一定程度，材料疲劳破坏。1-6 1-6 规律性非稳定变应力下零件强度计算规律性非稳定变应力下零件强度计算 一、线性疲劳损伤累积理论一、线性疲劳损伤累积理论%100,累积总损伤率达累积总损伤率达方程：材料破坏时方程：材料破坏时Miner1 i1Nnini注注:(1) i -1 的影响不计的影响不计 (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 N1 j j i i 2 1n1OA AB BC C-1-1N N2 2N N1 1N Ni iN N

28、0 0n2nin nj jN N01NNmm1-6 1-6 规律性非稳定变应力下零件强度计算规律性非稳定变应力下零件强度计算 二、材料疲劳强度计算二、材料疲劳强度计算二、规律性非稳定变应力下材料疲劳强度计算二、规律性非稳定变应力下材料疲劳强度计算(r=-1)(r=-1) 1 1、等效循环次数、等效循环次数N Nv v与条件疲劳限与条件疲劳限-1N-1Nv vi i 对应的对应的 N N i i : :miiNN)( 10代入代入Miner方程：方程：（损伤极限状态）（损伤极限状态）1 101i1mnimiiiniNnNnmmiiniNn101 mvmmiinimNNn101111)( 力最大值

29、长的当量对称循环变应数值较大、作用时间较注：1 损伤等效损伤等效:未损伤状态未损伤状态:N1 j j i i 2 1n1OA AB BC C-1-1N N2 2N N1 1N Ni iN N0 0n2nin nj jN NN Nv v01NNmm2 2、安全系数计算、安全系数计算 SSNv11循环变应力应力幅材料（试件）当量对称1111ma1-6 1-6 规律性非稳定变应力下零件强度计算规律性非稳定变应力下零件强度计算 二、材料疲劳强度计算二、材料疲劳强度计算1011mvNNvNNKmiinivnN)( 11对应对应Nv条件疲劳极限条件疲劳极限:等效循环次数等效循环次数Nv:N1 j j i

30、i 2 1n1OA AB BC C-1-1N N2 2N N1 1N Ni iN N0 0n2nin nj jN NN Nv v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 SKKSmacNadcNv1111)(1mvNNNK0寿命系数：miaiadiK 等等效效应应力力幅幅：)( )( 111不计等效循环次数：cadimadadiinivnN1-6 1-6 规律性非稳定变应力下零件强度计算规律性非稳定变应力下零件强度计算 三、零件疲劳强度计算三、零件疲劳强度计算零件安全系数：零件安全系数： 非稳定问题的处理思路：对称化、稳定化非稳定问题的处理思路：对称化、稳定化双向变应