《机械强度设计》ppt课件

1、6 机械强度设计机械强度设计8/3/2021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：抵抗失效的才干强度：抵抗失效的才干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 机械强度的平安性判据机械强度的平安性判据l5.1.2影响平安系数的要素影响平安系数的要素l5.1.3 平安系数计算平安系数计算5.1.1 机械强度的平安性判据机械强度的平安性判据 nn 应力应

2、力计算、实测计算、实测许用应力许用应力由资料、构造及工况由资料、构造及工况规定规定 nlim任务平安系数任务平安系数计算计算许用平安系数许用平安系数根据工况等规根据工况等规定定limn5.1.2 影响平安系数的要素影响平安系数的要素l零部件重要程度的影响：零部件重要程度的影响：K1l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：K2l不同失效方式的影响：不同失效方式的影响：K3l应力集中的影响：应力集中的影响：K4l截面尺寸的影响：截面尺寸的影响：K5l外表加工形状的影响：外表加工形状的影响：K6l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：K

3、1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，一切作用力及应力知时，取计算公式准确，一切作用力及应力知时，取K2=1.0；l计算公式或图表，使计算所得应力较实践应力高时，计算公式或图表，使计算所得应力较实践应力高时，取取K2=1.0；l计算应力较实践应力低，根据两者之差别，可选取计算应力较实践应力低，根据两者之差别，可选取K2=1.051.65；失效方式影响系数：失效方式影响系数：K3l规定拉伸失效为理想失效，该失效方式下的规定拉伸失效为理想失效，该失效方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；那么在；那么在其它失效方式下，其它失效方式下， K

4、3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塑性资料塑性资料脆性资料脆性资料疲劳破环疲劳破环平安系数影响要素平安系数影响要素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：外表加工情况系数：外表加工情况系数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 平安系数计算平安系数计算l静应力下平安系数静应力下平安系数 bbn ssn塑性资料塑性资料脆性资料脆性资料 7

5、654321KKKKKKKnb5.1.3 平安系数计算平安系数计算l变应力下平安系数变应力下平安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平安系数对称循环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任务应力任务应力幅幅等应力幅的平安系数不对称循环maaKn1不对称系数不对称系数由下式求得由下式求得1201a变应力幅的平安系数ddeKn11等幅当量应力等幅当量应力按按Miner准那么准那么和和S-N曲线求得曲线求得maxmax0iimimdNnNN弯扭同时作用下的平安系数

6、22111nnn5.2 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 金属资料的疲劳特性金属资料的疲劳特性l5.2.3 影响疲劳强度的要素影响疲劳强度的要素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：资料或零构件在循环载荷作用下定义：资料或零构件在循环载荷作用下产生裂纹并扩展至断裂的景象称为疲劳产生裂纹并扩展至断裂的景象称为疲劳破环。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：危险截面危险截面部分危险点部分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

7、破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忽然性；忽然性；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构疲劳裂纹构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按应

8、力形状分：单轴疲劳、多轴疲劳；按应力形状分：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按研讨对象分：资料疲劳、构造疲劳按研讨对象分：资料疲劳、构造疲劳l按任务环境分：常规疲劳、高温、低温、热疲按任务环境分：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 金属资料的疲劳特性金属资料的疲劳特性lS-N曲线曲线5.2.2 金属资料的疲劳特性金属资料的疲劳特性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 金属资料的疲劳特性金属资料的疲劳

9、特性l循环应力循环应力应变下的资料特性应变下的资料特性l资料的循环硬化和循环软化资料的循环硬化和循环软化5.2.2 金属资料的疲劳特性金属资料的疲劳特性l循环应力循环应力应变下的资料特性应变下的资料特性l循环应力循环应力应变曲线应变曲线5.2.3 影响疲劳强度的要素影响疲劳强度的要素l资料组织成分、构造的影响；资料组织成分、构造的影响；l零部件外形、尺寸和外表情况的影响；零部件外形、尺寸和外表情况的影响；l任务载荷特性的影响；任务载荷特性的影响；l服役环境和条件的影响。服役环境和条件的影响。5.2.3 影响疲劳强度的要素影响疲劳强度的要素l1. 应力集中的影响应力集中的影响l应力集中：外形忽然

10、变化或资料不延续应力集中：外形忽然变化或资料不延续地方，常产生很大的部分应力地方，常产生很大的部分应力l实际应力集中系数实际应力集中系数、：在弹性变化：在弹性变化范围内资料的部分应力峰值范围内资料的部分应力峰值 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 ：实践衡：实践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 影响疲劳强度的要素影响疲劳强度的要素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景象的景象l尺寸系数尺寸系数、：普通零部件或试样的疲劳：普通零部件或试样的疲劳极

11、限与几何类似的规范试样的疲劳极限之比极限与几何类似的规范试样的疲劳极限之比11d5.2.3 影响疲劳强度的要素影响疲劳强度的要素l3. 外表加工方法的影响外表加工方法的影响l不同外表加工的影响：外表加工系数不同外表加工的影响：外表加工系数1、腐蚀、腐蚀系数系数2 、外表强化系数、外表强化系数3l外表加工系数：某种加工外表的规范光滑试样外表加工系数：某种加工外表的规范光滑试样与磨光国外为抛光的规范光滑试样疲劳极与磨光国外为抛光的规范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. 疲劳寿命设计的根本思想：疲劳累积损伤实际疲劳寿命设计的根本思想：疲劳累积损伤实际l当资料接

12、受高于疲劳极限的应力时，每一循环都使资料当资料接受高于疲劳极限的应力时，每一循环都使资料产生一定量的损伤，这种损伤可以累积，当损伤累积到产生一定量的损伤，这种损伤可以累积，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线性累积损伤实际线性累积损伤实际l一样应变幅值和平均应力的一样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，呵斥性累加，呵斥 ni/Ni的损伤，即耗费掉的损伤，即耗费掉 ni/Ni部分疲劳寿部分疲劳寿命；命； l当损伤按线性累加到达当损伤按线性累加到达1时，疲劳破坏就发生了。时，疲劳破坏就发生了。5.2.4 疲劳寿命设计

13、疲劳寿命设计lMiner线性累积损伤实际根底线性累积损伤实际根底疲劳极限：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次呵斥的损伤：次呵斥的损伤：ni/ Ni；各个不同各个不同r下呵斥的总损伤：下呵斥的总损伤： ni/ Ni 留意：现实上，前面的加留意：现实上，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l1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l2.

14、 常规疲劳寿命设计常规疲劳寿命设计l2有限寿命设计：要求零部件或构造在给有限寿命设计：要求零部件或构造在给定的运用周期内不能产生任何疲劳缺陷。常定的运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线性累积准那线性累积准那么么5.3 损伤容限设计损伤容限设计l8.3.1 损伤容限设计的根本思想损伤容限设计的根本思想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 损伤容限设计的根本思想损伤容限设计的根本思想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坚持一定的剩余强度，可以正常运用，之前应坚持一定的剩余强度，可以正常运用，直到下次检修予以发现、修复或改换。直到下次检修予以发现、修复或改换。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l1

16、. 裂纹的根本类型裂纹的根本类型裂纹外表裂纹外表裂纹裂纹前缘前缘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裂纹尖端应力场的普通表达式：裂纹尖端应力场的普通表达式： 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：应力强

17、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研讨裂纹扩展速率的目的：研讨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临界应力强度因子

18、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要素影响疲劳裂纹扩展速率的要素l平均应力：平均应力使裂纹扩展速率添加平均应力：平均应力使裂纹扩展速率添加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：在曾经存在裂纹的条件下，零零件的剩余寿命：在曾经存在裂纹的条件下，零构件可以运转的周期数或时间。即疲劳裂纹的扩构件可以运转的周期数或时间。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l1初始裂纹尺寸初始裂纹尺寸a0确实定确实定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