机械设计基础(下)第二章课件.ppt

第一篇第一篇机机 械械 设设 计计 总总 论论 篇篇第二章第二章 机械零件的强度机械零件的强度本章主要介绍机械零件在静应力和变应力时的强度计算，极限应力图绘制及应用重点内容：变应力时机械零件的强度计算难点内容：变应力时机械零件的强度计算2008年年4月月12日日2-1 载荷与应力的分类载荷与应力的分类 2-2 静应力时机械零件的强度计算静应力时机械零件的强度计算 2-3 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算2-4 机械零件的接触强度机械零件的接触强度32008年年4月月12日日2-1 载荷与应力的分类载荷与应力的分类 一、载荷的分类一、载荷的分类 随机变载荷随机变载荷变载荷：变载荷：静载荷静载荷:如锅炉的压力、匀速转动的离心力、自重等如锅炉的压力、匀速转动的离心力、自重等循环变载荷循环变载荷稳定循环变载荷：稳定循环变载荷：不稳定循环变载荷：不稳定循环变载荷：如往复式动力机械的曲轴如往复式动力机械的曲轴如汽车、农业机械等如汽车、农业机械等计算载荷计算载荷 Pca载荷系数载荷系数 K载荷载荷名义载荷名义载荷 P42008年年4月月12日日随机变应力随机变应力静应力静应力:不随时间变化或变化缓慢的应力。

不随时间变化或变化缓慢的应力规律性不稳定变应力规律性不稳定变应力二、应力的分类二、应力的分类1、应力种类、应力种类变应力：随时间变化变应力：随时间变化 的应力不稳定变应力不稳定变应力 ot52008年年4月月12日日 稳定循环变应力稳定循环变应力T、m、a均不变均不变对称循环变应力对称循环变应力脉动循环变应力脉动循环变应力非对称循环变应力非对称循环变应力62008年年4月月12日日2、稳定循环变应力的基本参数和种类、稳定循环变应力的基本参数和种类 a)基本参数基本参数:应力循环特性应力循环特性:平均应力平均应力:应力幅应力幅:最大应力最大应力:最小应力最小应力:5个个参数中，知道两者，其余即可求出参数中，知道两者，其余即可求出一般常用如下参数组合描述应力的特性：一般常用如下参数组合描述应力的特性：m和和a;max和和min;max和和m72008年年4月月12日日b)稳定循环变应力种类：稳定循环变应力种类：=1 对称循环变应力对称循环变应力82008年年4月月12日日=0 脉动循环变应力脉动循环变应力92008年年4月月12日日-1 +1 不对称循环变应力不对称循环变应力 =+1 静应力静应力 ot102008年年4月月12日日对称循环变应力对称循环变应力脉动循环变应力脉动循环变应力非对称循环变应力非对称循环变应力其中，最不利的是对称循环变应力。

其中，最不利的是对称循环变应力112008年年4月月12日日注意：注意：静应力只能由静载荷产生，而变应力可能由变静应力只能由静载荷产生，而变应力可能由变载荷产生，也可能由静载荷产生！载荷产生，也可能由静载荷产生！名义应力名义应力由名义载荷产生的应力由名义载荷产生的应力计算应力计算应力由计算载荷产生的应力由计算载荷产生的应力 3、名义应力和计算应力、名义应力和计算应力122008年年4月月12日日一、单向应力下的塑性零件一、单向应力下的塑性零件 2-2 静应力时机械零件的强度计算静应力时机械零件的强度计算强度条件：强度条件：或：或：（失效形式：塑性变形）（失效形式：塑性变形）s、s材料的屈服极限材料的屈服极限S、S计算安全系数计算安全系数s、s许用安全系数许用安全系数132008年年4月月12日日二、复合应力时的塑性材料零件二、复合应力时的塑性材料零件（失效形式：塑性变形）（失效形式：塑性变形）设设单向正应力和切应力分别为单向正应力和切应力分别为和和由第三强度理论：（最大剪应力理论）由第三强度理论：（最大剪应力理论）由第四强度理论：（最大变形能理论）由第四强度理论：（最大变形能理论）第三强度理论取第三强度理论取:第四强度理论取第四强度理论取:142008年年4月月12日日复合应力计算安全系数为：复合应力计算安全系数为：三、脆性材料与低塑性材料三、脆性材料与低塑性材料脆性材料极限应力：脆性材料极限应力：强度极限强度极限 （失效形式：断裂）（失效形式：断裂）或：或：1 1、单向应力状态、单向应力状态强度条件：强度条件：或：或：152008年年4月月12日日按第一强度条件：（最大主应力理论）按第一强度条件：（最大主应力理论）2、复合应力下工作的零件、复合应力下工作的零件注意：注意：(1)(1)低塑性材料强度计算应计入应力集中的影响。

低塑性材料强度计算应计入应力集中的影响2)(2)脆性材料强度计算不考虑应力集中脆性材料强度计算不考虑应力集中3)(3)一般工作期内应力变化次数一般工作期内应力变化次数10103 3（10104 4），），按静应力强度计算按静应力强度计算162008年年4月月12日日 2-3 机械零件的疲劳强度计算机械零件的疲劳强度计算一、变应力作用下机械零件的失效特征一、变应力作用下机械零件的失效特征1、失效形式：疲劳断裂、失效形式：疲劳断裂2、疲劳破坏特征：、疲劳破坏特征：1）断裂过程断裂过程：产生初始裂纹产生初始裂纹（应力较大处）（应力较大处）裂纹尖端在切应力作用下反复裂纹尖端在切应力作用下反复 扩展，直至产生疲劳裂纹扩展，直至产生疲劳裂纹2）断裂面断裂面：光滑区（疲劳发展区）光滑区（疲劳发展区）粗糙区（脆性断裂区）粗糙区（脆性断裂区）3）无明显塑性变形的脆性突然断裂）无明显塑性变形的脆性突然断裂 4）破坏时的应力（疲劳极限）远小于材料的）破坏时的应力（疲劳极限）远小于材料的 屈服极限屈服极限max B或或 max S 172008年年4月月12日日182008年年4月月12日日塑性材料拉伸断口形貌塑性材料拉伸断口形貌脆性材料拉伸断口形貌脆性材料拉伸断口形貌材料疲劳破坏断口形貌材料疲劳破坏断口形貌光滑的疲劳发展区光滑的疲劳发展区粗粗糙糙的的脆脆性性断断裂裂区区192008年年4月月12日日3、疲劳破坏的机理：损伤的累积。

疲劳破坏的机理：损伤的累积4、影响因素：不仅与材料抗疲劳性能有关，变应力的、影响因素：不仅与材料抗疲劳性能有关，变应力的 循环特性，应力循环次数，应力幅循环特性，应力循环次数，应力幅都对疲劳极限有都对疲劳极限有 很大影响很大影响5、当、当m、一定时，一定时，a越小，越小，N越少，疲劳强度越少，疲劳强度 越高202008年年4月月12日日二、材料的疲劳曲线和极限应力图二、材料的疲劳曲线和极限应力图二、材料的疲劳曲线和极限应力图二、材料的疲劳曲线和极限应力图 疲劳极限，应力循环特性疲劳极限，应力循环特性下应力循环下应力循环N次次后材料不发生疲劳破坏时的最大应力后材料不发生疲劳破坏时的最大应力疲劳寿命（疲劳寿命（N）材料疲劳失效前所经历的应力循环次数材料疲劳失效前所经历的应力循环次数N1 1、疲劳曲线：应力循环特性一定时，材料的疲劳极限与应力循、疲劳曲线：应力循环特性一定时，材料的疲劳极限与应力循环次数之间关系的曲线环次数之间关系的曲线N0 循环基数循环基数 持久极限持久极限212008年年4月月12日日1）有限寿命区）有限寿命区 当当N25x107时时,近似为无限寿命区近似为无限寿命区m 与应力与材料的种类有关。

与应力与材料的种类有关m=9 拉、弯曲应力、剪应力拉、弯曲应力、剪应力m=6 接触应力接触应力m=9 弯曲应力弯曲应力m=8 接触应力接触应力钢：钢：青铜：青铜：应力循环特性越大，材料的疲劳极限越大，对零件强度越应力循环特性越大，材料的疲劳极限越大，对零件强度越有利对称循环（应力循环特性有利对称循环（应力循环特性=1）最不利！）最不利！252008年年4月月12日日2、材料材料的疲劳极限应力图的疲劳极限应力图 同一种材料在不同的应力循环特性下的疲劳同一种材料在不同的应力循环特性下的疲劳极限图以以 为横坐标、为横坐标、为纵坐标，即可得材料在不同应力循为纵坐标，即可得材料在不同应力循环特性下的环特性下的 曲线，即为材料的疲劳极限应力图曲线，即为材料的疲劳极限应力图每种应力循环特性下都对应着该材料的最大应力：每种应力循环特性下都对应着该材料的最大应力：再由应力循环特性可求出：再由应力循环特性可求出：262008年年4月月12日日 强度极限点强度极限点 如图如图 AB曲线上的点对应着曲线上的点对应着不同应力循环特性不同应力循环特性 下的材下的材料疲劳极限料疲劳极限对称疲劳极限点对称疲劳极限点脉动疲劳极限点脉动疲劳极限点屈服极限点屈服极限点272008年年4月月12日日A对称疲劳极限点对称疲劳极限点A（0,1）282008年年4月月12日日B 强度极限点强度极限点B（B，0）292008年年4月月12日日D脉动疲劳极限点脉动疲劳极限点D（0/2,0/2）302008年年4月月12日日C 屈服极限点屈服极限点塑性材料：塑性材料：C (s,0)312008年年4月月12日日材料简化极限应力线图：材料简化极限应力线图：简化极限应力图简化极限应力图 作法：考虑塑性材料的最大应力不超过屈服极限，由作法：考虑塑性材料的最大应力不超过屈服极限，由C点作点作 135斜线与斜线与AD的延长线交于的延长线交于G，得到得到322008年年4月月12日日 上各点：上各点：如果如果 不会疲劳破坏不会疲劳破坏 上各点：上各点：如果如果 不会屈服破坏不会屈服破坏 零件的工作应力点（零件的工作应力点（m，a）位于位于ADGC折线以内折线以内 时，其最大应力既不超过疲劳极限，又不超过屈服极限。

时，其最大应力既不超过疲劳极限，又不超过屈服极限332008年年4月月12日日 材料的简化极限应力线图，可根据材料的三个材料的简化极限应力线图，可根据材料的三个试验数据试验数据 而作出折线以内为疲劳和塑性安全区，折线以外为疲劳和折线以内为疲劳和塑性安全区，折线以外为疲劳和塑性失效区，工作应力点离折线越远，安全程度愈高塑性失效区，工作应力点离折线越远，安全程度愈高342008年年4月月12日日 由由于于实实际际机机械械零零件件与与标标准准试试件件之之间间在在绝绝对对尺尺寸寸、表表面面状状态态、应应力力集集中中、环环境境介介质质等等方方面面往往往往有有差差异异，这这些些因因素素的的综综合合影影响响使使零零件件的的疲疲劳劳极极限限不不同同于于材材料料的疲劳极限，的疲劳极限，其其中中尤尤以以应应力力集集中中、零零件件尺尺寸寸和和表表面面状状态态三三项项因素对机械零件的疲劳强度影响最大因素对机械零件的疲劳强度影响最大三、影响机械零件疲劳强度的主要因素和零件极限应力图三、影响机械零件疲劳强度的主要因素和零件极限应力图352008年年4月月12日日1、应力集中的影响、应力集中的影响有效应力集中系数有效应力集中系数 零件受载时，在几何形状突变处（圆角、凹槽、孔等）要产零件受载时，在几何形状突变处（圆角、凹槽、孔等）要产生应力集中，对应力集中的敏感程度与零件的材料有关，一般材生应力集中，对应力集中的敏感程度与零件的材料有关，一般材料强度越高，硬度越高，对应力集中越敏感。

料强度越高，硬度越高，对应力集中越敏感理论应力集中系数：理论应力集中系数：名义应力名义应力实际最大应力实际最大应力有效应力集中系数：有效应力集中系数：材料的敏感系数材料的敏感系数362008年年4月月12日日为考虑零件几何形状的理论应力集中系数为考虑零件几何形状的理论应力集中系数 应力集中源处名义应力应力集中源处名义应力 材料对应力集中的敏感系数材料对应力集中的敏感系数 应力集中源处最大应力应力集中源处最大应力 372008年年4月月12日日2、零件尺寸的影响、零件尺寸的影响尺寸系数尺寸系数 由于零件尺寸愈大时，材料的晶粒较粗，出现缺陷的由于零件尺寸愈大时，材料的晶粒较粗，出现缺陷的概率大，而机械加工后表面冷作硬化层相对较薄，所以对概率大，而机械加工后表面冷作硬化层相对较薄，所以对零件疲劳强度的不良影响愈显著零件疲。