动载荷交变应力总结.ppt

1、第1页,第11章 动载荷、交变应力,材料力学,第2页,实验证明，在动载荷作用下，如构件的应力不超过比例极限，胡克定律仍然适用。,构件中因动载荷而引起的应力称为动应力。,11-1 概 述 静载荷：载荷由零缓慢增加至最终值，然后保持不变。这时，构件内各点的加速度很小，可以忽略不计。,在动载荷作用下，构件内部各点均有加速度。,第3页,11-2 惯性力问题,一、构件作等加速度直线运动时的应力计算 以矿井升降机以等加速度a起吊一吊笼为例。,第4页,吊笼重量为Q；钢索横截面面积为A，单位体积的重量为 ，向上的加速度为a。求吊索任意截面上的应力。,第5页,第6页,动荷系数,第7页,二、构件作等速转动时的应力

2、计算,薄壁圆环，平均直径为D，横截面面积为A，材料单位体积的重量为，以匀角速度转动。,第8页,第9页,从上式可以看出，环内应力仅与和v有关，而与A无关。所以，要保证圆环的强度，应限制圆环的速度。增加截面面积A，并不能改善圆环的强度。,第10页,11-3 冲击应力计算,第11页,冲击时，冲击物在极短的时间间隔内速度发生很大的变化，其加速度a很难测出，无法计算惯性力，故无法使用动静法。在实用计算中，一般采用能量法。,现考虑重为Q的重物从距弹簧顶端为 h 处自由下落，在计算时作如下假设:,第12页,1. 冲击物视为刚体，不考虑其变形;,2.被冲击物的质量远小于冲击物的 质量，可忽略不计;,3.冲击后

3、冲击物与被冲击物附着在 一起运动;,4.不考虑冲击时热能的损失，即认 为只有系统动能与位能的转化。,第13页,重物Q从高度为 h 处自由落下，冲击到弹簧顶面上，然后随弹簧一起向下运动。当重物Q的速度逐渐降低到零时，弹簧的变形达到最大值d，与之相应的冲击载荷即为Pd。,根据能量守恒定律可知，冲击物所减少的动能T和位能V，应全部转换为弹簧的变形能Ud,即,第14页,第15页,动荷系数,第16页,第17页,当载荷突然全部加到被冲击物上，即 h=0 时,由此可见,突加载荷的动荷系数是2，这时所引起的应力和变形都是静荷应力和变形的2倍。,第18页,若已知冲击开始瞬间冲击物与被冲击物接触时的速度为 v，则

4、,第19页,若已知冲击物自高度 h 处以初速度v0 下落, 则,第20页,当构件受水平方向冲击时,第21页,第22页,例：容重为，杆长为，横截面面积为的等直杆，以匀加速度上升，作杆的轴力图，并求杆内最大动应力。,解:,第23页,第24页,例：图示均质杆AB，长为，重量为Q，以等角速度绕铅垂轴在水平面内旋转，求AB杆内的最大轴力，并指明其作用位置。,第25页,第26页,例：等截面刚架的抗弯刚度为 EI，抗弯截面系数为 W，重物Q自由下落时，求刚架内的最大正应力（不计轴力）。,第27页,第28页,例：重量为Q的物体以水平速度撞在等截面刚架的端点C，刚架的EI已知，试求动荷系数。,第29页,第30页

5、,例：重物Q自由落下冲击在AB梁的B点处，求B点的挠度。,第31页,第32页,例：图示钢杆的下端有一固定圆盘，盘上放置弹簧。弹簧在 1kN的静载荷作用下缩短0.625mm。钢杆直径d=40mm, l =4m，许用应力=120MPa, E=200GPa。若有重为 15kN的重物自由落下，求其许可高度h。,第33页,第34页,11-4 交变应力及疲劳破坏,第35页,应力随时间作周期性变化， 这种应力叫做交变应力,第36页,第37页,静平衡位置,第38页,试验结果表明: 材料在交变应力作用下的破坏情况与静应力破坏有其本质的不同。材料在交变应力作用下破坏的主要特征是:,(1) 因交变应力产生破坏时，最

6、大应力值一般低于静载荷作用下材料的抗拉(压)强度极限b，有时甚至低于屈服极限s。 (2) 材料的破坏为脆性断裂，一般没有显著的塑性变形，即使是塑性材料也是如此。在构件破坏的断口上，明显地存在着两个区域：光滑区和颗粒粗糙区。,第39页,(3)材料发生破坏前，应力随时间变化经过多次重复，其循环次数与应力的大小有关。应力愈大，循环次数愈少。,粗糙区,光滑区,裂纹源,第40页,在交变应力作用下发生的破坏，称为疲劳破坏。,用手折断铁丝，弯折一次一般不断，但反复来回弯折多次后，铁丝就会发生裂断，这就是材料受交变应力作用而破坏的例子。 因疲劳破坏是在没有明显征兆的情况下突然发生的，极易造成严重事故。据统计，

7、机械零件，尤其是高速运转的构件的破坏，大部分属于疲劳破坏。,第41页,11-5 交变应力的循环特征 持久极限,循环特征,平均应力,应力幅度,第42页,对称循环,非对称循环,第43页,脉动循环,第44页,实验表明，在同一循环特征下，交变应力的最大应力max 越大，破坏前经历的循环次数越少；,反之，降低max ，便可使破坏前经历的循环次数增多。,在 max减小到某一临界值时，试件可经历无穷多次应力循环而不发生疲劳破坏，,这一临界值称为材料的持久极限或疲劳极限。用r表示。,第45页,在纯弯曲变形下，测定对称循环的持久极限技术上较简单。,将材料加工成最小直径为 710mm，表面磨光的试件，每组试验包括

8、 6 10根试件。,第46页,第47页,第48页,11-6 影响构件持久极限的因素,一、构件外形的影响 若构件上有螺纹、键槽、键肩等，其持久极限要比同样尺寸的光滑试件有所降低。其影响程度用有效应力集中系数表示：,第49页,二、构件尺寸的影响,大试件的持久极限比小试件的持久极限低,尺寸对持久极限的影响程度，用尺寸系数表示,第50页,三、构件表面状态的影响,实际构件表面的加工质量对持久极限也有影响，这是因为不同的加工精度在表面上造成的刀痕将呈现不同程度的应力集中。,若构件表面经过淬火、氮化、渗碳等强化处理，其持久极限也就得到提高。,表面质量对持久极限的影响用表面状态系数表示：,第51页,综合考虑上述三种影响因素，构件在对称循环下的持久极限,第52页,11-7 构件的疲劳强度计算,一、对称循环下构件的疲劳强度计算,第53页,二、 非对称循环下构件的疲劳强度计算,1. 材料的持久极限曲线,第54页,2. 简化的持久极限曲线-简化折线,A: 对称循环，r=-1 C: 脉动循环，r=0 B: 静载荷，r=1,3. 非对称循环下构件的强度条件,第55页,对称循环和非对称循环下构件的疲劳强度条件的比较:,第56页,对于塑性材料制成的构件，除满足疲劳强度外，危险点最大的应力不应超过屈服极限。,第57页,三、 弯扭组合构件的疲