《动荷载、疲劳破坏》PPT课件.ppt

1、1,第十三章 动荷载与疲劳破坏,第十三章 动荷载与疲劳破坏,材料力学,2,第十三章 动荷载、疲劳破坏,131 动荷载的概念,132 构件作等加速直线运动和等速转动时的动应力,133 构件受冲击荷载作用时的动应力,134 交变应力与疲劳破坏,小结,第十三章 动荷载与疲劳破坏,3,131 动荷载的概念,一、静荷载的概念：,荷载由零逐渐缓慢增加到最终值后，不在随时间发生变化，构件内各点的加速度很小，可忽略不计。,二、动荷载：,1、动荷载的概念：由运动加速度引起的荷载。,例起重机以等速度吊起重物，重物对吊索的作用为静载。 起重机以加速度吊起重物，重物对吊索的作用为动载。 旋转的飞轮、气锤的锤杆工作时、

2、打桩均为动荷载作用。,2、动应力的概念：构件在动荷载作用下产生的应力。,3、动应力计算的分类： （1）构件作等加速直线运动和等速转动时的动应力计算； （2）构件在受冲击和作强迫振动时的动应力计算； （3）构件在交变应力作用下的疲劳破坏和疲劳强度计算。,第十三章 动荷载与疲劳破坏,4,132 构件作等加速直线运动和等速转动时的动应力,一、 构件作等加速直线运动的动应力,如图所示，一起重机绳索以等加速度 a 提升一等截面直杆，直杆单位体积的重量（比重、重度）为，横截面面积为 A，杆长为L，不计绳索的重量。 求：杆内任意横截面的动应力、最大动应力。,分析1、动轴力的确定,第十三章 动荷载与疲劳破坏,

3、5,2、动应力的计算,4、讨论,3、最大动应力,（1）、a=0时,Kd动荷系数； 下标 j（ st）受静荷载作用；下标d受动荷载作用。,第十三章 动荷载与疲劳破坏,6,（2）、强度计算,二、构件作等速转动时的动应力,一薄壁圆环平均直径为 D，壁厚为 t，以等角速度 绕垂直于环平面且过圆心的平面转动，圆环的比重为 。 求圆环横截面的动应力。,分析1、求动轴力,第十三章 动荷载与疲劳破坏,7,2、动应力的计算,第十三章 动荷载与疲劳破坏,8,例：均质等截面直杆 AB，以 B为转轴在其自身平面转动，角速度为 ，杆长 L，横截面面积为 A，比重 。 试：计算杆内最大的动应力。,解：1、最大的动轴力,2

4、、最大的动应力,第十三章 动荷载与疲劳破坏,9,例：直径 d=100mm 的圆轴，一端有重量 Q =0.6kN，直径D=400mm 的飞轮，以均匀转速 n=1000r/min 转动。现因在轴的另一端施加了掣动的外力偶 md 而在 t=0.01s 内停车。若不计轴的质量，试求：轴内最大的动剪应力。,解：1、最大的动扭矩,2、最大的动剪应力,第十三章 动荷载与疲劳破坏,10,转动惯量的计算：,对均质的薄圆板,对均质的薄圆环 对均质的细直杆,2、最大的动剪应力,第十三章 动荷载与疲劳破坏,11,133 构件受冲击荷载作用时的动应力,一、冲击的概念,一个运动的物体以一定的速度，碰上另一个静止的物体，则

5、静止的物体将在瞬间使运动物体停止运动，这种现象叫做冲击。,冲击物运动的物体； 被冲击物静止的物体。,二、冲击问题的分析方法：能量法,采用能量法的假设 1、被冲击物在冲击荷载的作用下服从虎克定律； 2、被冲击物的质量忽略不计； 3、不考虑其它能量的损失。,第十三章 动荷载与疲劳破坏,12,三、能量法的基本原理：能量守恒和转换原理,四、动应力的计算：,（一）、水平冲击,如图所示，L、A、E、Q、v 均为已知量，求：杆所受的冲击应力。,分析1、冲击物的机械能：,第十三章 动荷载与疲劳破坏,能量守恒和转换原理冲击物的机械能（动能+势能）全部转换为被冲击物的动应变能。,13,2、被冲击物的动应变能,3、

6、能量守恒,动荷系数,4、动应力,第十三章 动荷载与疲劳破坏,14,第十三章 动荷载与疲劳破坏,15,（二）、自由落体冲击,如图所示，L、A、E、Q、h 均为已知量， 求：杆所受的冲击应力。,分析1、冲击物的机械能：,2、被冲击物的动应变能,3、能量守恒,第十三章 动荷载与疲劳破坏,16,4、动应力,第十三章 动荷载与疲劳破坏,17,18,例：图示矩形截面梁，抗弯刚度为 EI，一重为 F 的重物从距梁顶面 h 处自由落下，冲击到梁的跨中截面上。 求：梁受冲击时的最大应力和最大挠度。,解：1、动荷系数,2、最大应力,3、最大挠度,b,第十三章 动荷载与疲劳破坏,19,讨论支座换成刚度为 C 的弹簧

7、,第十三章 动荷载与疲劳破坏,20,例：直径 d=100mm 的圆轴，一端有重量 Q=0.6kN，直径D=400mm 的飞轮，以均匀转速 n=1000r/min 转动。现因在轴的另 A 端施加了掣动的外力偶而在瞬间内停车。若不计轴的质量，试求：轴内最大的动剪应力。（L=2mm，G=80GPa）,解：1、由能量守恒原理,2、最大的动剪应力,第十三章 动荷载与疲劳破坏,21,例：图示梁，受冲击荷载作用，确定其动荷系数,第十三章 动荷载与疲劳破坏,22,冲击前、后，能量守恒，所以：,第十三章 动荷载与疲劳破坏,23,解：、求C点静挠度,例：结构如图，AB=DE=L，A、C 分别为 AB 和 DE 的

8、中点，求梁在重物 mg 的冲击下，C 面的动应力。,第十三章 动荷载与疲劳破坏,F,24,、动荷系数,、求C面的动应力,第十三章 动荷载与疲劳破坏,F,25,134 交变应力与疲劳破坏,一、交变应力的概念：,随时间发生交替变化的应力交变应力（重复应力）。,例发动机的连杆工作时；火车的轮轴工作时。,A点：1234。,、基本概念,第十三章 动荷载与疲劳破坏,26,二、疲劳破坏的概念：,不论脆性材料还是塑性材料长期在交变应力下工作，即使在最大的工作应力远小于材料的极限应力，也会发生突然的断裂，且破坏时即使是塑性材料也和脆性材料一样，再破坏之前没有明显的塑性变形，这种现象成为疲劳破坏。,三、疲劳的主要

9、特征：,1、构件内的最大工作应力远小于材料的极限应力（强度极限或 屈服极限）； 2、即使是塑性较好的钢材也会在没有明显塑性变形的情况下发 生突然的断裂； 3、疲劳破坏的断口表面呈现两个截然不同的区域，其一为光滑 区，另一个为晶粒状的粗糙区。,第十三章 动荷载与疲劳破坏,27,四、疲劳破坏的实质：,构件在交变应力的作用下，由疲劳裂纹源的形成、疲劳裂纹的 扩展以及最后的脆断的全部过程。,五、疲劳破坏的三个阶段：,1、疲劳裂纹源的形成； 2、疲劳裂纹的扩展过程； 3、脆性断裂。,第十三章 动荷载与疲劳破坏,28,、交变应力的基本参量、疲劳极限,一、交变应力的基本参量：,1、应力循环：应力每重复变化一

10、次，称为一个应力循环。,2、循环次数：应力重复变化的次数。,3、循环特征：,第十三章 动荷载与疲劳破坏,29,4、平均应力：,5、应力幅度：,应力变程（应力幅）：,3、循环特征：,（1）、r=-1，对称循环； r-1，非对称循环； （2）、 r=0，脉动循环； （3）、 r=1，静荷载作用下的应力； （4）、max、min 数值始终保持不变，称为稳定的交变应力。,第十三章 动荷载与疲劳破坏,30,二、疲劳极限（持久极限、耐劳极限）：,1、材料的疲劳寿命：材料疲劳破坏时所经历的应力循环次数。,2、材料的疲劳极限：材料经历无限次应力循环而不发生疲劳 破坏，相应的最大应力值。用“r”表示。 材料的疲

11、劳极限除与材料本身的材质有关外，还与变形形式、循环特征和应力循环次数有关。它与强度极限的意义相同。,三、构件的疲劳极限：,构件的疲劳极限在材料的疲劳极限的基础上，再考虑 其它因素的影响。,第十三章 动荷载与疲劳破坏,31,四、影响构件疲劳极限的因素：,1、构件外型的影响（应力集中）“有效应力集中系数”1,2、构件尺寸的影响“尺寸影响系数”1,3、构件表面质量的影响“表面状态系数”,第十三章 动荷载与疲劳破坏,32,五、疲劳的强度计算：,第十三章 动荷载与疲劳破坏,33,一、静荷载的概念：,荷载由零逐渐缓慢增加到最终值后，不在随时间发生变化，构件内各点的加速度很小，可忽略不计。,二、动荷载：,由

12、运动加速度引起的荷载。,小结,三、 构件作等加速直线运动的动应力,四、水平冲击,动荷系数,动荷系数,第十三章 动荷载与疲劳破坏,34,五、自由落体冲击,动荷系数,六、交变应力的基本参量：,1、循环特征：,2、平均应力：,3、应力幅度：,第十三章 动荷载与疲劳破坏,七、交变应力的概念：,随时间发生交替变化的应力交变应力（重复应力）。,35,第十三章 动荷载与疲劳破坏,八、疲劳破坏的概念：,不论脆性材料还是塑性材料长期在交变应力下工作，即使在最大的工作应力远小于材料的极限应力，也会发生突然的断裂，且破坏时即使是塑性材料也和脆性材料一样，再破坏之前没有明显的塑性变形，这种现象成为疲劳破坏。,九、疲劳

13、的主要特征：,1、构件内的最大工作应力远小于材料的极限应力（强度极限或 屈服极限）； 2、即使是塑性较好的钢材也会在没有明显塑性变形的情况下发 生突然的断裂； 3、疲劳破坏的断口表面呈现两个截然不同的区域，其一为光滑 区，另一个为晶粒状的粗糙区。,36,第十三章 动荷载与疲劳破坏,十、疲劳破坏的实质：,构件在交变应力的作用下，由疲劳裂纹源的形成、疲劳裂纹的 扩展以及最后的脆断的全部过程。,十一、疲劳破坏的三个阶段：,1、疲劳裂纹源的形成； 2、疲劳裂纹的扩展过程； 3、脆性断裂。,十二、疲劳极限（持久极限、耐劳极限）：,1、材料的疲劳寿命：材料疲劳破坏时所经历的应力循环次数。,2、材料的疲劳极限：材料经历无限次应力循环而不发生疲劳 破坏，相应的最大应力值。用“r”表示。 材料的疲劳极限除与材料本身的材质有关外，还与变形