6机械强度设计2008_1

1、1,6 机械强度设计,2020/7/15,2,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 ,3,5 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,4,5.1 常规机械强度设计,5.1.1 机械强度的安全性判据 5.1.2影响安全系数的因素 5.1.3 安全系数计算,5,5.1.1 机械强度的安全性判据,应力 计算、实测,许用应力 由材料、结构及工况规定,工作安全系数 计算,许用安全系数 根据工况等规定,6,5.1.2 影响安全系数的因素,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

2、失效形式的影响：K3 应力集中的影响：K4 截面尺寸的影响：K5 表面加工状态的影响：K6 检验质量的影响：K7,7,零部件重要程度系数：K1,8,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；,9,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,10,安全系数影响因素K4、 K5、 K6、 K7,K4：应

3、力集中系数 K4 =max/ n K5：截面尺寸增大系数 K5 =1/ K6：表面加工状况系数 K6 =1/ K7：检验质量系数,抽检1.15-1.30, 逐个检验 1.05-1.15,11,5.1.3 安全系数计算,静应力下安全系数,塑性材料,脆性材料,12,5.1.3 安全系数计算,变应力下安全系数,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,13,等应力幅的安全系数对称循环,强度判据,疲劳极限有效值,工作应力幅,14,等应力幅的安全系数不对称循环,不对称系数 由下式求得,15,16,变应力幅的安全系数,等幅当量应力 按Miner准则和S-N曲线求得,17

4、,弯扭同时作用下的安全系数,18,5.2 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,19,5.2.1 疲劳破环及疲劳过程,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,20,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。,21,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

5、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）,22,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、高温、低温、热疲劳、腐蚀疲劳、接触疲劳、冲击疲劳、,23,5.2.2 金属材料的疲劳特性,S-N曲线,24,5.2.2 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,0,25,5.2.2 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,26,5

6、.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,27,5.2.3 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、尺寸和表面状况的影响； 工作载荷特性的影响； 服役环境和条件的影响。,28,5.2.3 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,29,5.2.3 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、：

7、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,30,5.2.3 影响疲劳强度的因素,3. 表面加工方法的影响 不同表面加工的影响：表面加工系数1、腐蚀系数2 、表面强化系数3 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限之比,31,5.2.4 疲劳寿命设计,1. 疲劳寿命设计的基本思想：疲劳累积损伤理论 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

8、掉 ni/Ni部分疲劳寿命； 当损伤按线性累加达到1时，疲劳破坏就发生了。,32,5.2.4 疲劳寿命设计,Miner线性累积损伤理论基础,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。,33,5.2.4 疲劳寿命设计,2. 常规疲劳寿命设计 （1）无限寿命设计：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,34,5.2.4 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

9、用于飞机、汽车、压力容器等的设计中。,35,5.2.4 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,36,5.3 损伤容限设计,8.3.1 损伤容限设计的基本思想 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,37,5.3.1 损伤容限设计的基本思想,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,38,5.3.2 线

10、弹性断裂力学,1. 裂纹的基本类型,张开型(I),滑开型(),撕开型(),39,5.3.2 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,40,5.3.2 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。 平面应变断裂韧度KIc：断裂韧度的最低值。 断裂判据：KIKIc,41,5.3.3 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；

11、 计算裂纹体的剩余寿命；,42,5.3.3 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,43,5.3.3 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,44,5.3.4 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。 估算零件剩余寿命的方法：裂纹扩展的Paris公式,45,5.3.4 剩余寿命的估算,（1）初始裂纹尺寸a0的确定 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的确定 应力强度因子达到断裂韧性值 （3）应力强度因子的确定 查表、计算、试验,46,5.3.5 断裂控制,1. 材料选择：KIc/s 2. 结构设计 3. 定期检验制度 4. 控制安全工作应力,47,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. 损伤容限设计的基本思想是什么？ 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。载荷如