机械产品设计中的几个主要技术问题(powerpoint 266页).pptx

机械设计学机械设计学第七章机械产品设计中的几个主要技术问题第七章机械产品设计中的几个主要技术问题 机械疲劳设计机械疲劳设计摩擦学设计摩擦学设计可靠性设计可靠性设计机械的热效应设计机械的热效应设计4123机械的抗振性设计与低噪声设计机械的抗振性设计与低噪声设计5机械动态设计机械动态设计6人机学设计人机学设计一、疲劳破坏的机制和特点一、疲劳破坏的机制和特点1 1、疲劳的概念：、疲劳的概念： 材料或零件在循环应力或循环应变作用下，在一处或几处材料或零件在循环应力或循环应变作用下，在一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤，经过一定循环次数后，产生逐渐产生局部永久性累积损伤，经过一定循环次数后，产生裂纹或突然发生断裂的过程称为裂纹或突然发生断裂的过程称为疲劳疲劳第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计2 2、疲劳破坏机制、疲劳破坏机制疲劳破坏一般可分为三个阶段：疲劳破坏一般可分为三个阶段：疲劳裂纹的萌生疲劳裂纹的萌生- -扩展扩展- -失稳断裂失稳断裂 (1)(1)疲劳裂纹萌生疲劳裂纹萌生 由局部塑性应变集中引起，有三种常见的裂纹萌生方式：由局部塑性应变集中引起，有三种常见的裂纹萌生方式：滑移带开裂；晶界和孪晶界开裂；夹杂物或第二相与基体的界面开裂。

滑移带开裂；晶界和孪晶界开裂；夹杂物或第二相与基体的界面开裂 如：滑移带开裂的过程是出现滑移如：滑移带开裂的过程是出现滑移线，在循环载荷作用下，随着载荷作线，在循环载荷作用下，随着载荷作用次数的增加，滑移线不断增多和变用次数的增加，滑移线不断增多和变粗而形成滑移带和驻留滑移带滑移粗而形成滑移带和驻留滑移带滑移结果，在驻留滑移带上形成结果，在驻留滑移带上形成“挤入挤入”或或“挤出挤出”现象，在继续循环加载的现象，在继续循环加载的情况下挤入部分向滑移带纵深发展，情况下挤入部分向滑移带纵深发展，从而形成疲劳微裂纹如图从而形成疲劳微裂纹如图7272示第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计(2)(2)疲劳裂纹的扩展疲劳裂纹的扩展 疲劳裂纹扩展分为两个阶段：疲劳裂纹扩展分为两个阶段： 当疲劳裂纹在滑移带上萌生之后，首先沿着滑移带的主滑当疲劳裂纹在滑移带上萌生之后，首先沿着滑移带的主滑移面向着金属内部延伸，此滑移面取向与正应力大致成移面向着金属内部延伸，此滑移面取向与正应力大致成4545角的滑移面扩展裂纹沿着最大切应力方向的滑移面扩展称角的滑移面扩展裂纹沿着最大切应力方向的滑移面扩展称为为疲劳裂纹第一扩展阶段疲劳裂纹第一扩展阶段。

该阶段扩展的深度很浅，大约有该阶段扩展的深度很浅，大约有几十个微米长度，其范围在几十个微米长度，其范围在2525个晶粒之内个晶粒之内 当裂纹扩展到几个晶粒或几十个晶粒深度之后，裂纹扩展当裂纹扩展到几个晶粒或几十个晶粒深度之后，裂纹扩展方向开始由应力呈方向开始由应力呈4545方向逐渐转向与应力成垂直的方向，方向逐渐转向与应力成垂直的方向，这种拉伸形式的扩展称为这种拉伸形式的扩展称为第二阶段裂纹扩展第二阶段裂纹扩展，如图，如图7-17-1示第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计(3)(3)失稳断裂失稳断裂 损伤逐渐积累到临界值时，即发生瞬间的断裂破坏疲劳损伤逐渐积累到临界值时，即发生瞬间的断裂破坏疲劳破坏的断口如图破坏的断口如图7272第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计1 1）疲劳破坏是在循环应力或循环应变作用下的破坏，疲劳条）疲劳破坏是在循环应力或循环应变作用下的破坏，疲劳条件下的破断应力疲劳断裂应力件下的破断应力疲劳断裂应力( (即循环应力中最大应力即循环应力中最大应力) )远比远比静应力下材料的抗拉强度极限静应力下材料的抗拉强度极限 b b低，甚至比材料的屈服强度极低，甚至比材料的屈服强度极限限 s s低很多情况下，疲劳破坏就可能发生。

低很多情况下，疲劳破坏就可能发生2 2）疲劳破坏必须经历一定的载荷循环次数：疲劳破坏是在循）疲劳破坏必须经历一定的载荷循环次数：疲劳破坏是在循环应力多次重复作用下产生的，因而要经历一定的时间，甚环应力多次重复作用下产生的，因而要经历一定的时间，甚至很长时间至很长时间3 3）零件在整个疲劳过程中不发生宏观塑性变形，其断裂方式）零件在整个疲劳过程中不发生宏观塑性变形，其断裂方式类似于脆性断裂：不论是脆性材料或塑性材料，疲劳断裂在类似于脆性断裂：不论是脆性材料或塑性材料，疲劳断裂在宏观上均表现为无明显塑性变形的突然脆性断裂宏观上均表现为无明显塑性变形的突然脆性断裂3. 3.疲劳破坏疲劳破坏特点特点第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计4 4）材料或零部件，对疲劳载荷远比静载荷敏感很多，其疲）材料或零部件，对疲劳载荷远比静载荷敏感很多，其疲劳抗力不仅决定于材料本身，而且还敏感地决定于零件形状、劳抗力不仅决定于材料本身，而且还敏感地决定于零件形状、尺寸、表面状态、工作条件和所处环境等尺寸、表面状态、工作条件和所处环境等5 5）疲劳断口上明显地分为两个区域在疲劳破坏的宏观断）疲劳断口上明显地分为两个区域。

在疲劳破坏的宏观断口上，有着不同于其他破坏断口的显著特点，即有疲劳源口上，有着不同于其他破坏断口的显著特点，即有疲劳源( (或或称疲劳核心称疲劳核心) )、疲劳裂纹扩展区和瞬断区，如图、疲劳裂纹扩展区和瞬断区，如图7272所示第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计疲劳源疲劳源：是疲劳破坏的起点，多发生于零件表面；：是疲劳破坏的起点，多发生于零件表面；疲疲劳劳裂裂纹纹扩扩展展区区：是是疲疲劳劳断断口口最最重重要要的的特特征征区区域域，在在该该区区域域中中，常常见见到到明明显显的的相相互互平平行行的的弧弧形形线线，称称贝纹线或海滩波纹线；贝纹线或海滩波纹线；瞬瞬断断区区：也也称称最最终终破破断断区区这这是是静静力力破破断断部部分分该该区区面面积积大大小小决决定定于于最最大大应应力力对对塑塑性性材材料料该该区区呈呈纤纤维维状状，对对脆脆性性材材料料呈呈粗粗结结晶晶状状往往往往还还具具有有尖尖锐锐的的唇边、刃口等唇边、刃口等第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计循环特性：循环特性：r=-1 r=-1 对称循环对称循环r=0 r=0 脉动循环脉动循环-1r1 -1r1 不对称循环（不对称循环（r r非非0 0）掌握载荷的变化情况，是研究疲劳强度的先决条件。

掌握载荷的变化情况，是研究疲劳强度的先决条件1 1、周期载荷：载荷幅值随时间的变化有规则周期载荷：载荷幅值随时间的变化有规则周期载荷按周期载荷按照交变应力的特征照交变应力的特征( (应力比应力比r) r) ，可分为：对称循环、脉动循，可分为：对称循环、脉动循环、不对称循环环、不对称循环 二、载荷类型二、载荷类型第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计最大应力最大应力最小应力最小应力平均应力平均应力应力幅应力幅应力比应力比 第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计2 2、载荷谱：交变载荷随时间的变化过程、载荷谱：交变载荷随时间的变化过程3 3、随机载荷：载荷幅值随时间的变化无规则，载荷不、随机载荷：载荷幅值随时间的变化无规则，载荷不仅幅值变化，频率也变化，但其变化符合统计规律仅幅值变化，频率也变化，但其变化符合统计规律第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计三、疲劳应力与疲劳强度、疲劳曲线、疲劳极限三、疲劳应力与疲劳强度、疲劳曲线、疲劳极限1 1、疲劳失效、疲劳失效 交变应力或交变应变交变应力或交变应变：对于疲劳问题，由于构件受到载荷值：对于疲劳问题，由于构件受到载荷值随时间变化的交变载荷作用，使零件的材料内部产生随时间随时间变化的交变载荷作用，使零件的材料内部产生随时间变化的变化的内力内力分布或分布或变形变形分布，称之为交变应力或交变应变。

分布，称之为交变应力或交变应变 疲劳失效疲劳失效：在交变应力：在交变应力与交变应变与交变应变作用下，构件因发生疲劳作用下，构件因发生疲劳破坏而使其丧失正常工作性能的现象破坏而使其丧失正常工作性能的现象，称之为疲劳失效；，称之为疲劳失效；第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计材料的疲劳强度材料的疲劳强度指指材料或标准试件材料或标准试件抵抗疲劳失效的能力，即抵抗疲劳失效的能力，即试试件件在交变载荷作用下在交变载荷作用下发生破坏时的应力发生破坏时的应力结构的疲劳强度结构的疲劳强度指指结构件结构件抵抗疲劳失效的能力，即抵抗疲劳失效的能力，即结构结构在交变在交变载荷作用下发生破坏时的应力此载荷作用下发生破坏时的应力此结构结构指指机械零件、部件、机械零件、部件、整机的统称整机的统称衡量疲劳强度大小的衡量疲劳强度大小的指标指标是是“疲劳强度极限疲劳强度极限”，简称，简称疲劳极限疲劳极限疲劳极限疲劳极限：是指在一定循环特征下，：是指在一定循环特征下，材料材料或或结构结构可以承受无限可以承受无限次应力循环而不发生疲劳破坏的最大应力次应力循环而不发生疲劳破坏的最大应力第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计2 2、疲劳曲线、疲劳曲线（SNSN曲线）曲线）在交变载荷作用下，零件承受的在交变载荷作用下，零件承受的交变应力交变应力和和断裂循环周次断裂循环周次之间的关系，用之间的关系，用疲劳曲线疲劳曲线来表示。

来表示材料材料的疲劳强度：的疲劳强度：在一组标准试件上施加不同载荷在一组标准试件上施加不同载荷F F，使，使试件承受试件承受应力比应力比r r为某值，最大应力为为某值，最大应力为 maxmax 的交变应力的交变应力作用，作用，将试样旋转直到疲劳破坏为止，并记录循环次数将试样旋转直到疲劳破坏为止，并记录循环次数N N则该循环次数下试件循环次数下试件发生破坏时的应力发生破坏时的应力 maxmax 称为称为材料材料的疲劳强的疲劳强度，用度，用S Sf f表示第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计疲劳寿命：材料在疲劳失效以前所经历的应力或应变疲劳寿命：材料在疲劳失效以前所经历的应力或应变循环循环次数次数，以，以N N表示一般情况下，材料的强度极限愈高，外加应力水平愈低，一般情况下，材料的强度极限愈高，外加应力水平愈低，试样的疲劳寿命愈长；反之，疲劳寿命愈短试样的疲劳寿命愈长；反之，疲劳寿命愈短材料的材料的S-NS-N曲线：表示外加应力水平和曲线：表示外加应力水平和标准试样标准试样疲劳寿命疲劳寿命之间关系的曲线，称为材料的之间关系的曲线，称为材料的S-NS-N曲线第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计图图7474表示典型的表示典型的S-NS-N曲线。

图中曲线有一水平部分，表示曲线图中曲线有一水平部分，表示材料经无数次循环而不破坏，与此相应的最大应力表示材料经无数次循环而不破坏，与此相应的最大应力表示光滑光滑试样的试样的疲劳极限，用疲劳极限，用 - -1 1表示结构钢的结构钢的S-NS-N曲线都有一水平的渐近线，其纵坐标就是其疲曲线都有一水平的渐近线，其纵坐标就是其疲劳极限劳极限 - -1 1 疲劳极限：在一定疲劳极限：在一定循环特征下，循环特征下，材料材料或或结构结构可以承受无可以承受无限次应力循环而不限次应力循环而不发生疲劳破坏的最发生疲劳破坏的最大应力第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计3. 3.材料的疲劳极限的经验公式材料的疲劳极限的经验公式 当材料的疲劳极限没有给出时，只能根据材料的静强度机当材料的疲劳极限没有给出时，只能根据材料的静强度机械性能来近似计算、表械性能来近似计算、表7l7l中列出材料的疲劳极限与静强度中列出材料的疲劳极限与静强度的关系第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计 4. 4.材料的疲劳极限图材料的疲劳极限图( (疲劳图疲劳图) )在各种循环应力下进行试验，可以测得一系列疲劳极限在各种循环应力下进行试验，可以测得一系列疲劳极限 r r，选取一定坐标给出的曲线称为疲劳曲线图。

常用的疲劳曲线选取一定坐标给出的曲线称为疲劳曲线图常用的疲劳曲线图有两种、即海夫图和史密斯图，这里重点介绍海夫图图有两种、即。