机械设计课件濮良贵3概要.ppt

第三章第三章 机械零件的强度机械零件的强度零件的工作能力设计零件的工作能力设计强度准则强度准则外载荷引起零件的内应力不超过允许的数值外载荷引起零件的内应力不超过允许的数值 作用在零件上的载荷作用在零件上的载荷静载荷静载荷变载荷变载荷变应力变应力 ？？静静 载荷载荷 停止：静应力停止：静应力 行驶：变应力行驶：变应力 静应力静应力 ts ss sm变应力变应力稳定循环变应力稳定循环变应力不稳定循环变应力不稳定循环变应力随机变应力随机变应力变应力零件的工作能力设计零件的工作能力设计强度准则强度准则变应力变应力稳定循环稳定循环非稳定循环非稳定循环随机随机ts s周期周期a) 稳定循环变应力稳定循环变应力c) 随机变应力随机变应力尖峰应力尖峰应力ts s周期周期s stb) 不稳定循环变应力不稳定循环变应力tss smts s对称对称 脉动脉动 变应力性质行驶时行驶时对称稳定循环变应力对称稳定循环变应力 变应力的特性变应力的特性 最大应力最大应力 s smax 最小应力最小应力 s smin 平均应力平均应力 s sm 应应 力力 幅幅 s sasminsmaxsmsatso循环特性循环特性规定规定:用绝对值最大者作为用绝对值最大者作为s smax静应力静应力 r =+1零件的工作能力设计零件的工作能力设计强度准则强度准则稳定循环变应力零件的工作能力设计零件的工作能力设计强度准则强度准则tss smts sts s5个参数个参数,已知已知2个个,可求其它可求其它3个个σtσt轮齿弯曲应力轮齿弯曲应力惰轮轮齿弯曲应力惰轮轮齿弯曲应力 切纸机连杆强度准则强度准则外载荷引起零件的内应力不超过允许的数值。

外载荷引起零件的内应力不超过允许的数值 零件的工作能力设计零件的工作能力设计强度准则强度准则零件标准试件标准试件dL零件的工作能力设计零件的工作能力设计机械零件机械零件 受力不同受力不同形状不同形状不同尺寸不同尺寸不同与其他零件有连接与其他零件有连接所处环境不同所处环境不同强度准则强度准则静强度（工程力学课程）静强度（工程力学课程）疲劳强度疲劳强度早期的飞机失事早期的飞机失事 2010.6.29深圳大峡谷景区游乐深圳大峡谷景区游乐设备中有一设备中有一M16螺栓疲劳断裂，螺栓疲劳断裂，6人死亡人死亡10人受伤人受伤疲劳强度疲劳断裂的过程疲劳断裂的过程第一阶段第一阶段——疲劳裂纹的产生疲劳裂纹的产生第二阶段第二阶段——疲劳裂纹的扩展疲劳裂纹的扩展第三阶段第三阶段——发生疲劳断裂发生疲劳断裂零件的工作能力设计零件的工作能力设计强度准则强度准则强度设计准则强度设计准则变应力下，变应力下，静应力下，静应力下，s smaxNNA=1/4ANB 103BNC 104CNDDσ-N疲劳曲线疲劳曲线原点：原点：N=1/4AB段：当作静应力段：当作静应力BC段：低周疲劳段：低周疲劳C→→：高周疲劳：高周疲劳 CD有限寿命；有限寿命；D→→无限寿命无限寿命高周疲劳零件的工作能力设计零件的工作能力设计强度准则强度准则有限寿命区无限寿命区CD段（高周疲劳）曲线方程段（高周疲劳）曲线方程 特定点特定点 寿命系数寿命系数 循环基数循环基数N0 疲劳极限疲劳极限 疲劳极限 钢钢 m=9 中等尺寸中等尺寸 N0=5*106 大尺寸大尺寸 N0=107s smaxNNA=1/4ANB 103BNC 104CNDD零件的工作能力设计零件的工作能力设计强度准则强度准则σσ-N-N 疲劳曲线疲劳曲线同一种应力变化规律同一种应力变化规律不同次数的循环后破坏不同次数的循环后破坏s sas sm0 0等寿命曲线等寿命曲线同一个循环次数同一个循环次数不同的应力变化规律不同的应力变化规律 极限应力线图循环基数循环基数N0 塑性材料塑性材料 特定寿命下，最大应力特定寿命下，最大应力σσmaxmax与应力循环特性与应力循环特性r的关系的关系等寿命疲劳曲线等寿命疲劳曲线材料的极限应力图 C （ σS， 0）：r = +1 A′（0， σ-1 ）：r = -1 D′（ σ0 /2 ， σ0 /2 ）：r = 0 G′：交点交点在OA′ G′ C 内为安全区CσsA'D'（ σ0/2 ， σ0/2）G'σmσaσ-145°45°Oσsσ-1σaσmOA′C等寿命疲劳曲线（极限应力线图）等寿命疲劳曲线（极限应力线图）同一种材料同一种材料, ,不同应力特性下的各疲劳极限不同应力特性下的各疲劳极限σr之间的内在关系之间的内在关系仅利用少数几个仅利用少数几个(σ-1、、σ0、、σ+1)，，求其它任意的求其它任意的σrs s-1s s1s sas sm0 0N相等情况下讨论相等情况下讨论 破坏前的最大破坏前的最大 零件的工作能力设计零件的工作能力设计强度准则强度准则塑性材料塑性材料 45°tss smts s极限应力线图s s-1s sss sas sm0 0s s0/2A A'D'G'Cs s0/245 零件的工作能力设计零件的工作能力设计强度准则强度准则极限应力线图极限应力线图零件零件的极限应力线图零件的极限应力线图σσ-1e-1e————零件对称循环时的疲劳极限零件对称循环时的疲劳极限σσ-1 -1 ————材料对称循环时的疲劳极限材料对称循环时的疲劳极限0 0Cs s-1s sss sas sms s0/245 45 A A'D'G's s0/2A ADG综合影响系数综合影响系数 kσ：零件的有效应力集中系数：零件的有效应力集中系数εσ：零件的尺寸系数：零件的尺寸系数βσ：零件的表面质量系数：零件的表面质量系数 βq：零件的强化系数：零件的强化系数零件的工作能力设计零件的工作能力设计强度准则强度准则查机械设计手册查机械设计手册书本书本P.38~45变应力种类变应力性质变应力性质 零件的工作能力设计零件的工作能力设计强度准则强度准则单向稳定变应力单向稳定变应力单向不稳定变应力单向不稳定变应力 单向单向 双向（正应力、切应力）双向（正应力、切应力） 强度设计准则强度设计准则ts ss st双向稳定变应力双向稳定变应力 单向稳定变应力零件强度校核零件强度校核 1、确定零件应力特征、确定零件应力特征2、确定零件的危险截面、确定零件的危险截面 3、计算平均应力和应力幅、计算平均应力和应力幅 4、计算极限应力、计算极限应力零件强度设计零件强度设计1、确定零件应力特征、确定零件应力特征2、、估计估计Kσ 、、 σa/σm3、计算极限应力、计算极限应力4、、选择安全系数选择安全系数5、计算最大应力、计算最大应力零件的工作能力设计零件的工作能力设计强度准则强度准则s sms saODAGC1. r =C 的情况的情况Ms sms saM'1求极限应力求极限应力 OGC区域内按照静强度计算区域内按照静强度计算 单向稳定变应力疲劳安全区疲劳安全区塑性安全区塑性安全区单向稳定变应力单向稳定变应力 零件的工作能力设计零件的工作能力设计强度准则强度准则求极限应力求极限应力 2.σm=C的情况的情况s sms saODAGCMM'2疲劳安全区疲劳安全区塑性安全区塑性安全区3.σmin=C的情况的情况s sms saODAGCMM'3J疲劳安全区疲劳安全区塑性安全区塑性安全区σminMσminNIN'3N45 不稳定变应力不稳定变应力下机械零件的疲劳强度计算不稳定变应力下机械零件的疲劳强度计算零件的工作能力设计零件的工作能力设计强度准则强度准则疲劳损伤累积假说疲劳损伤累积假说 在每一次应力作用下在每一次应力作用下, ,零件都会造成零件都会造成一定的疲劳损伤，当疲劳损伤累积一定的疲劳损伤，当疲劳损伤累积到一定程度到一定程度, ,便发生疲劳破坏。

便发生疲劳破坏nn1σmaxσ1σ2σ3σ4n2n3n4os st仅有仅有σ1时，极限循环应力循环次时，极限循环应力循环次数为数为N1 ，则每作用，则每作用1次，疲劳损次，疲劳损伤率为伤率为1/N1 ，， 现作用现作用n1次，则次，则疲劳损伤率为疲劳损伤率为n1/N1 ；；N1N3N2σ1σ2σ3n1n2n3σrNNoN0σrσrσ2 ，疲劳损伤率为，疲劳损伤率为n2/N2 ；；σ3 ，疲劳损伤率为，疲劳损伤率为n3/N3 ；；σ4 不考虑不考虑不稳定变应力总损伤总损伤 零件的工作能力设计零件的工作能力设计强度准则强度准则理论上，损伤率达到理论上，损伤率达到1时，便发生时，便发生疲劳破坏，实际上许可范围：疲劳破坏，实际上许可范围： （（0.7～～2.2) N1N3N2σ1σ2σ3n1n2n3σrNNoN0σr疲劳极限条件疲劳极限条件:材料材料(试件试件)的的σr, 若为实际零件若为实际零件 ,则则σ'max取代取代 σr接触疲劳强度 按疲劳强度设计的零件，若存在次数很少、按疲劳强度设计的零件，若存在次数很少、峰值很大的情况，也要进行静强度校核峰值很大的情况，也要进行静强度校核机械零件的接触疲劳强度机械零件的接触疲劳强度零件的工作能力设计零件的工作能力设计强度准则强度准则弹性力学弹性力学最大接触应力最大接触应力σH赫兹赫兹(Hertz)公式公式:式中式中:ρρ1 1、、ρρ2 2：：曲率半径曲率半径μμ1 1、、μμ2 2：材料泊松比：材料泊松比E E1 1、、E E2 2：材料的弹性模量：材料的弹性模量sH接触疲劳强度 FFσHω1ω22bO1O2ρ2ρ112FFσσH H2bO1O2ρ2ρ121ω1ω2零件的工作能力设计零件的工作能力设计强度准则强度准则弹性力学弹性力学最大接触应力最大接触应力σH工程上，当工程上，当E1=E2，， 1= 2=0.3 R1、、R2是零件的半径是零件的半径 齿轮O1r1rb1rb2r2B1B2N2N1ρ1Ov1Ov2Pρ2凸轮 。