6机械强度设计XXXX_1

1、6 机械强度设计7/10/20221强度与失效失效：产品不能完成预定功能强度：抵抗失效的能力承载变形振动摩擦腐蚀25 机械强度设计5.1 常规机械强度设计5.2 抗疲劳强度设计5.3 损伤容限设计35.1 常规机械强度设计5.1.1 机械强度的平安性判据5.1.2影响平安系数的因素5.1.3 平安系数计算45.1.1 机械强度的平安性判据应力计算、实测许用应力由材料、结构及工况规定工作平安系数计算许用平安系数根据工况等规定55.1.2 影响平安系数的因素零部件重要程度的影响：K1载荷及应力计算的准确程度的影响：K2不同失效形式的影响：K3应力集中的影响：K4截面尺寸的影响：K5外表加工状态的影

2、响：K6检验质量的影响：K76零部件重要程度系数：K17应力计算的准确度系数：K2计算公式准确,所有作用力及应力已知时,取K2=1.0；计算公式或图表,使计算所得应力较实际应力高时,取K2=1.0；计算应力较实际应力低,根据两者之差异,可选取K2=1.051.65；8失效形式影响系数：K3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, K3=1.0；则在其它失效形式下, K3值分别为：塑性材料脆性材料疲劳破环9平安系数影响因素K4、 K5、 K6、 K7K4：应力集中系数 K4 =max/ nK5：截面尺寸增大系数 K5 =1/K6：外表加工状况系数 K6 =1/K7：检验质量

3、系数,抽检1.15-1.30, 逐个检验 1.05-1.15105.1.3 平安系数计算静应力下平安系数塑性材料脆性材料115.1.3 平安系数计算变应力下平安系数交变应力等应力幅变应力幅复合应力对称循环非对称循环正应力剪应力12等应力幅的平安系数对称循环强度判据疲劳极限有效值工作应力幅13等应力幅的平安系数不对称循环不对称系数由下式求得1415变应力幅的平安系数等幅当量应力按Miner准则和S-N曲线求得16弯扭同时作用下的平安系数175.2 抗疲劳强度设计5.2.1 疲劳破环及疲劳过程5.2.2 金属材料的疲劳特性5.2.3 影响疲劳强度的因素5.2.4 疲劳寿命设计185.2.1 疲劳破

4、环及疲劳过程定义：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破环。与静强度破环的主要区别：危险截面局部危险点变形过大微裂纹扩展疲劳破环静强度破环静载破坏断口疲劳破坏断口19疲劳破环特点五大特点：低应力性；突然性；时间性；敏感性；断口的疲劳特性。20疲劳破环过程裂纹扩展的第一阶段裂纹成核阶段微观裂纹扩展阶段裂纹扩展的第二阶段宏观裂纹扩展阶段断裂阶段疲劳裂纹形成阶段（寿命Ni）疲劳裂纹扩展阶段（寿命Np）21疲劳的分类按疲劳失效周次：高周疲劳、低周疲劳；按应力状态分：单轴疲劳、多轴疲劳；按载荷变化分：恒幅、变幅、随机疲劳按研究对象分：材料疲劳、结构疲劳按工作环境分：常规疲劳、高

5、温、低温、热疲劳、腐蚀疲劳、接触疲劳、冲击疲劳、225.2.2 金属材料的疲劳特性S-N曲线235.2.2 金属材料的疲劳特性疲劳极限线图：将不同r下的疲劳极限画到一个图上史密斯疲劳极限线图哈埃疲劳极限线图0245.2.2 金属材料的疲劳特性循环应力应变下的材料特性材料的循环硬化和循环软化255.2.2 金属材料的疲劳特性循环应力应变下的材料特性循环应力应变曲线265.2.3 影响疲劳强度的因素材料组织成分、结构的影响；零部件形状、尺寸和外表状况的影响；工作载荷特性的影响；服役环境和条件的影响。275.2.3 影响疲劳强度的因素1. 应力集中的影响应力集中：外形突然变化或材料不连续地方,常产生

6、很大的局部应力理论应力集中系数、：在弹性变化范围内材料的局部应力峰值 max与名义应力之比 有效应力集中系数K 、K ：实际衡量应力集中对疲劳强度影响的系数285.2.3 影响疲劳强度的因素2. 尺寸影响尺寸效应：疲劳强度随零件尺寸增大而降低的现象尺寸系数、：一般零部件或试样的疲劳极限与几何相似的标准试样的疲劳极限之比295.2.3 影响疲劳强度的因素3. 外表加工方法的影响不同外表加工的影响：外表加工系数1、腐蚀系数2 、外表强化系数3外表加工系数：某种加工外表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限之比305.2.4 疲劳寿命设计1. 疲劳寿命设计的根本思想：疲劳累积损伤理

7、论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,当损伤累积到某一临界值时将产生破坏。 Miner线性累积损伤理论相同应变幅值和平均应力的 ni个应变和应力循环将按线性累加,造成 ni/Ni的损伤,即消耗掉 ni/Ni局部疲劳寿命； 当损伤按线性累加到达1时,疲劳破坏就发生了。315.2.4 疲劳寿命设计Miner线性累积损伤理论根底疲劳极限：r条件疲劳极限： rN以i循环ni次造成的损伤：ni/ Ni；各个不同r下造成的总损伤： ni/ Ni 注意：事实上,前面的加载应力大小对后面的损伤累积有影响。325.2.4 疲劳寿命设计2. 常规疲劳寿命设计（1）无

8、限寿命设计：对疲劳强度要求高。钢轨、桥梁、车轴等的设计。静强度设计疲劳强度校核335.2.4 疲劳寿命设计2. 常规疲劳寿命设计（2）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。常用于飞机、汽车、压力容器等的设计中。345.2.4 疲劳寿命设计3. 随机载荷下的疲劳寿命实测载荷时间历程统计载荷谱疲劳寿命计算Miner线性累积准则355.3 损伤容限设计8.3.1 损伤容限设计的根本思想8.3.2 线弹性断裂力学8.3.3 疲劳裂纹扩展速率8.3.4 剩余寿命的估算8.3.5 断裂控制365.3.1 损伤容限设计的根本思想设计思想：允许零件有初始缺陷,或在服役过程中出现

9、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,直到下次检修予以发现、修复或更换。关键问题：如何估算裂纹扩展寿命线弹性断裂力学375.3.2 线弹性断裂力学1. 裂纹的根本类型张开型(I)滑开型()撕开型()裂纹表面裂纹前缘IIIIII385.3.2 线弹性断裂力学2. 应力强度因子与断裂韧度概念的由来：裂纹尖端应力应变场分析裂纹尖端应力场的一般表达式：中心贯穿裂纹无限大板395.3.2 线弹性断裂力学2. 应力强度因子与断裂韧度应力强度因子KI：反映裂纹尖端附近区域的应力、应变场强弱程度的物理量。断裂韧度Kc：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。平面应变

10、断裂韧度KIc：断裂韧度的最低值。断裂判据：KIKIc405.3.3 疲劳裂纹扩展速率1. 裂纹扩展速率：研究裂纹扩展速率的目的：设计选材时的参考；计算裂纹体的剩余寿命；415.3.3 疲劳裂纹扩展速率疲劳裂纹稳定扩展的Paris公式临界应力强度因子幅度疲劳断裂韧性425.3.3 疲劳裂纹扩展速率2. 影响疲劳裂纹扩展速率的因素平均应力：平均应力使裂纹扩展速率增加超载：过载峰延缓随后的低载恒幅下的裂纹扩展加载频率：加载频率减小,裂纹扩展速率增大温度：温度提高,裂纹扩展速率增大435.3.4 剩余寿命的估算零件的剩余寿命：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。即疲劳裂纹的扩展寿命

11、。估算零件剩余寿命的方法：裂纹扩展的Paris公式445.3.4 剩余寿命的估算（1）初始裂纹尺寸a0确实定仪器灵敏度的尺寸 初始裂纹发生于关键零件的关键部位 （2）临界裂纹尺寸ac确实定应力强度因子到达断裂韧性值（3）应力强度因子确实定查表、计算、试验455.3.5 断裂控制1. 材料选择：KIc/s2. 结构设计3. 定期检验制度4. 控制平安工作应力46复习思考题1. 常规疲劳设计与现代疲劳设计方法的异同点。2. 疲劳破坏与静强度破坏有哪些不同？3. 损伤容限设计的根本思想是什么？4. 长度为2a = 1000mm 的悬臂梁AB ,其横截面为矩形,宽、高分别为b = 20 mm和h= 30 mm。载荷