最新动载荷+交变应力热动ppt课件.ppt

一、动载荷：一、动载荷： 载荷不随时间变化（或变化极其平稳缓慢）且使构件各部件载荷不随时间变化（或变化极其平稳缓慢）且使构件各部件加速度保持为零（或可忽略不计），此类载荷为加速度保持为零（或可忽略不计），此类载荷为静载荷静载荷。 载荷随时间急剧变化且使构件的速度有显著变化（系统产生载荷随时间急剧变化且使构件的速度有显著变化（系统产生惯性力），此类载荷为惯性力），此类载荷为动载荷动载荷。即。即 F = F (t,r,v)。二、动响应：二、动响应： 构件在动载荷作用下产生的各种响应（如应力、应变、位构件在动载荷作用下产生的各种响应（如应力、应变、位移等），称为移等），称为动响应动响应。 实验表明：在静载荷下服从虎克定律的材料，只要应力不实验表明：在静载荷下服从虎克定律的材料，只要应力不超过比例极限超过比例极限 ,在动载荷下虎克定律仍成立且在动载荷下虎克定律仍成立且E静静=E动动。动载荷概述动载荷概述动载荷动载荷第二节构件受冲击时的应力和变形方法原理：能量法方法原理：能量法 ( ( 机械能守恒机械能守恒 ）在冲击物与受冲击构件的接触区域内，应力状态异常复在冲击物与受冲击构件的接触区域内，应力状态异常复杂，且冲击持续时间非常短促，接触力随时间的变化难以准杂，且冲击持续时间非常短促，接触力随时间的变化难以准确分析。工程中通常采用能量法来解决冲击问题，即在若干确分析。工程中通常采用能量法来解决冲击问题，即在若干假设的基础上，根据能量守恒定律对受冲击构件的应力与变假设的基础上，根据能量守恒定律对受冲击构件的应力与变形进行偏于安全的简化计算。形进行偏于安全的简化计算。动载荷构件受冲击时的应力和变形动载荷构件受冲击时的应力和变形 冲击物为刚体；冲击物为刚体； 被冲击物质量忽略；被冲击物质量忽略； 不计冲击过程中的能量损耗（能量守恒）；不计冲击过程中的能量损耗（能量守恒）； 冲击过程为线弹性变形过程冲击过程为线弹性变形过程 ( (保守计算保守计算) ) 。2. 2. 能量法基本方程：能量法基本方程：1.1.假设：假设：动载荷构件受冲击时的应力和变形动载荷构件受冲击时的应力和变形kpEEV3.动响应与静响应的关系动响应与静响应的关系ddjddjddjFK FKK 动载荷构件受冲击时的应力和变形动载荷构件受冲击时的应力和变形由能量法基本方程，且由能量法基本方程，且一、自由落体冲击问题一、自由落体冲击问题冲击前：冲击前：冲击后：冲击后：dmgvmgh动载荷构件受冲击时的应力和变形动载荷构件受冲击时的应力和变形kpdEmghEmgdd12VFddjdddjFK FK mgK 2ddj1()2mgmg h2djdj220h djj2(11)h 说明：dj211hK 自由落体时，冲击动荷系数：（1） j ：以冲击物的重量作为静载荷，沿冲击方向作用在：以冲击物的重量作为静载荷，沿冲击方向作用在冲击点时，被冲击构件在冲击点处沿冲击方向所产冲击点时，被冲击构件在冲击点处沿冲击方向所产生的静位移。生的静位移。d22hK （ ） =0(即将重物突然施加于弹性体),则：可见，当载荷突然作用时，弹性体的变形与应力均比可见，当载荷突然作用时，弹性体的变形与应力均比同值静载荷所引起的变形与应力增加一倍。同值静载荷所引起的变形与应力增加一倍。动载荷构件受冲击时的应力和变形动载荷构件受冲击时的应力和变形三、冲击响应计算三、冲击响应计算动荷系数动荷系数求动应力求动应力解：解：求静位移求静位移9 .2174251000211211jhdKmm425EAWLEALPjjMPa41.15jddK例例4 直径直径0.3m的圆木桩受自由落锤冲击，落锤重的圆木桩受自由落锤冲击，落锤重5kN,求：桩的最大动应力。求：桩的最大动应力。E =10GPa静应力：静应力：MPa07074. 0/ AWj动应力：动应力：h=1mvWf6m动载荷构件受冲击时的应力和变形动载荷构件受冲击时的应力和变形第十二章交变应力l 如何设计车轮轴的横截面如何设计车轮轴的横截面?l 如何计算火车车轮轴内的应力如何计算火车车轮轴内的应力?l 如何简化出火车车轮轴的计算模型如何简化出火车车轮轴的计算模型?一、问题的提出一、问题的提出交变应力概述交变应力概述 P D A C B x FQ P Pa A C D B x M ABPaPaDCP交变应力概述交变应力概述一、问题的提出一、问题的提出如果没有工具，如何徒手把一根较粗铁丝折断？如果没有工具，如何徒手把一根较粗铁丝折断？一、问题的提出一、问题的提出说明构件在说明构件在静载荷静载荷和和随时间周期变化载荷随时间周期变化载荷的作用的作用下，失效方式不完全相同。下，失效方式不完全相同。交变应力概述交变应力概述交变应力交变应力第一节交变应力与疲劳失效一、概念一、概念构件内一点处随时间作周期性变化的应力称为构件内一点处随时间作周期性变化的应力称为交变应力交变应力。交变应力交变应力与疲劳失效交变应力交变应力与疲劳失效材料在交变应力下的失效（破坏），习惯上称为材料在交变应力下的失效（破坏），习惯上称为疲劳破坏疲劳破坏。在交变应力下构件抵抗疲劳失效的能力，称为在交变应力下构件抵抗疲劳失效的能力，称为疲劳强度疲劳强度。Tt二、疲劳破坏的特点二、疲劳破坏的特点2 2、断裂发生要经过一定的循环次数；、断裂发生要经过一定的循环次数；3 3、失效时均呈脆断，无明显塑性变形；、失效时均呈脆断，无明显塑性变形；交变应力交变应力与疲劳失效交变应力交变应力与疲劳失效1 1、失效时应力低于材料强度极限、失效时应力低于材料强度极限 b ，甚至低于屈服点，甚至低于屈服点 s ；4 4、“断口断口”分区明显。（疲劳源、光滑区和粗糙区）分区明显。（疲劳源、光滑区和粗糙区）三、疲劳破坏的发展过程三、疲劳破坏的发展过程1.1.显微结构发生变化，从而永久损伤形核，显微结构发生变化，从而永久损伤形核，产生微观裂纹产生微观裂纹。2.2.微观裂纹长大并合并，形成微观裂纹长大并合并，形成“主导主导”裂纹。裂纹。3.3.宏观主导宏观主导裂纹稳定扩展裂纹稳定扩展。4.4.裂纹扩展到一定尺度时，构件有效截面不足以承载，就会裂纹扩展到一定尺度时，构件有效截面不足以承载，就会发生发生脆断脆断。交变应力交变应力与疲劳失效交变应力交变应力与疲劳失效交变应力交变应力第二节交变应力的循环特性和应力幅值一、循环特性：一、循环特性：三、应力幅值：三、应力幅值：2minmaxa二、平均应力：二、平均应力：2minmaxmmminmaxaTt交变应力交变应力的循环特性和应力幅值交变应力交变应力的循环特性和应力幅值minmaxrmt四、几种特殊的交变应力四、几种特殊的交变应力1.1.对称循环对称循环1maxminrmaxa0mminmaxaT交变应力交变应力的循环特性和应力幅值交变应力交变应力的循环特性和应力幅值t2.2.脉动循环脉动循环0maxminr2maxma3. .静循环（静应力）静循环（静应力）1maxminr0amaxm五、稳定交变应力：循环特征及周期不变。五、稳定交变应力：循环特征及周期不变。minmaxatmmminmax交变应力交变应力的循环特性和应力幅值交变应力交变应力的循环特性和应力幅值MPa5610115. 05830042maxmaxAPMPa2 .5370115. 05580042minminAPMPa1225375612minmaxaMPa54925375612minmaxm957. 0561537maxminr例1 发动机连杆大头螺栓工作时最大拉力Pmax =58.3kN，最小拉力Pmin =55.8kN ，螺纹内径为 d=11.5mm，试求 a 、m 和 r。解：交变应力交变应力的循环特性和应力幅值交变应力交变应力的循环特性和应力幅值第三节材料的持久极限交变应力交变应力 一、材料持久极限一、材料持久极限(疲劳极限疲劳极限)： 材料经历无数次应力循环而不发生疲劳破坏的交变应力的材料经历无数次应力循环而不发生疲劳破坏的交变应力的最大值，称为材料的持久极限或疲劳极限，用最大值，称为材料的持久极限或疲劳极限，用 r r 表示表示。二、二、 N 曲线（应力曲线（应力寿命曲线）：寿命曲线）：交变应力材料的持久极限交变应力材料的持久极限光滑小试样光滑小试样疲劳试验机疲劳试验机一、材料持久极限一、材料持久极限(疲劳极限疲劳极限)： 材料经历无数次应力循环而不发生疲劳破坏的交变应力的材料经历无数次应力循环而不发生疲劳破坏的交变应力的最大值，称为材料的持久极限或疲劳极限，用最大值，称为材料的持久极限或疲劳极限，用 r r 表示表示。二、二、 N 曲线（应力曲线（应力寿命曲线）：寿命曲线）：N0循环基数循环基数。r材料的持久极限材料的持久极限。A条件持久极限条件持久极限。N(次数)NAArN0交变应力材料的持久极限交变应力材料的持久极限NA有限疲劳寿命有限疲劳寿命。光滑小试样光滑小试样疲劳试验机疲劳试验机一、材料持久极限一、材料持久极限(疲劳极限疲劳极限)： 材料经历无数次应力循环而不发生疲劳破坏的交变应力的材料经历无数次应力循环而不发生疲劳破坏的交变应力的最大值，称为材料的持久极限或疲劳极限，用最大值，称为材料的持久极限或疲劳极限，用 r r 表示表示。二、二、 N 曲线（应力曲线（应力寿命曲线）：寿命曲线）：交变应力材料的持久极限交变应力材料的持久极限交变应力材料的持久极限交变应力材料的持久极限钢材的持久极限与其强度极限之间的关系钢材的持久极限与其强度极限之间的关系1b1b1b(0.40.5)(0.330.59)(0.230.29)弯曲变形：拉压变形：扭转变形：第四节影响构件持久极限的主要因素交变应力交变应力 一、构件外形的影响一、构件外形的影响 K 有效应力集中系数：有效应力集中系数：交变应力影响构件持久极限的主要因素交变应力影响构件持久极限的主要因素rdrkK无应力集中的光滑小试样的持久极限=同尺寸有应力集中的光滑小试样的持久极限构件截面尺寸突变处存在应力集中，而应力集中会促使构件截面尺寸突变处存在应力集中，而应力集中会促使裂纹形成与扩展，从而使持久极限明显降低。裂纹形成与扩展，从而使持久极限明显降低。二、构件尺寸的影响二、构件尺寸的影响 尺寸系数：尺寸系数：交变应力影响构件持久极限的主要因素交变应力影响构件持久极限的主要因素rdr光滑大试样的持久极限=光滑小试样的持久极限持久极限随试样横截面尺寸增大而减小，原因是在最大持久极限随试样横截面尺寸增大而减小，原因是在最大应力相同的条件下，大试样处于高应力区的材料多于小应力相同的条件下，大试样处于高应力区的材料多于小试样。试样。 表面质量系数：表面质量系数：交变应力影响构件持久极限的主要因素交变应力影响构件持久极限的主要因素三、构件表面质量的影响三、构件表面质量的影响 持久极限随试样表面质量的提高而增大，原因是提高表持久极限随试样表面质量的提高而增大，原因是提高表面质量可减少构件表面的应力集中，从而使持久极限得面质量可减少构件表面的应力集中，从而使持久极限得以提高。以提高。rr其他加工情况下试样的持久极限=光滑小试样(磨削加工)的持久极限交变应力影响构件持久极限的主要因素交变应力影响构件持久极限的主要因素四、构件工作环境的影响四、构件工作环境的影响 构件所处的周围环境，如温度、腐蚀性、放射介质等等构件所处的周围环境，如温度、腐蚀性、放射介质等等因素，都会对持久极限有影响，也可用相应的影响系数因素，都会对持久极限有影响，也可用相应的影响系数表示。表示。 若循环应力为切应力，将上述公式中的正应力换为切应力即可。若循环应力为切应力，将上述公式中的正应力换为切应力即可。 对称循环下对称循环下 ，r = - -1 。上述各系数均可查表而得。上述各系数均可查表而得。0rrK 交变应力影响构件持久极限的主要因素交变应力影响构件持久极限的主要因素五、构件的持久极限五、构件的持久极限 r 0 r0 与 r 的关系：0rrK 第七节提高构件疲劳强度的措施交变应力交变应力 交变应力提高构件疲劳强度的措施交变应力提高构件疲劳强度的措施2 2、提高表面加工质量；、提高表面加工质量；3 3、增加表面强度；、增加表面强度；1 1、减缓应力集中；、减缓应力集中；复习复习 1212作业作业 P269/P269/思思 12-112-1至至6 6、8 8 P269/ P269/习习 12-112-1、2 2交变应力交变应力 43 结束语结束语