机械零件的强度机械设计.ppt
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1、机械零件的强度机械设计课件青岛科技大学专用 潘存云教授研制 现在学习的是第1页,共35页青岛科技大学专用 潘存云教授研制 一、应力的种类一、应力的种类ot=常数常数脉动循环变应力脉动循环变应力r=0静应力静应力:=常数常数变应力变应力:随时间变化随时间变化平均应力平均应力:应力幅应力幅:循环变应力循环变应力变应力的循环特性变应力的循环特性:对称循环变应力对称循环变应力r=-1-脉动循环变应力脉动循环变应力-对称循环变应力对称循环变应力 -1-1=0=0 +1 +1-静应力静应力maxmTmaxminaamotmaxminaaototaaminr=+1静应力是变应力的特例3-1 材料的疲劳特性
2、现在学习的是第2页,共35页青岛科技大学专用 潘存云教授研制 变应力下,零件的损坏形式是变应力下,零件的损坏形式是疲劳断裂疲劳断裂。疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限低,甚至比屈服极限低低,甚至比屈服极限低;疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂;疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。不管脆性材料或塑性材料,零件表层产生微小裂纹;零件表层产生微小裂纹;疲劳断裂过程:疲劳断裂过程:随着循环次数增加,微裂随着循环次数增加,微裂纹逐渐扩展;纹逐渐扩展;当当
3、剩余材料不足以承受载剩余材料不足以承受载荷时,突然脆性断裂。荷时,突然脆性断裂。疲劳断裂是与应力循环次数疲劳断裂是与应力循环次数(即使用寿命即使用寿命)有关的断裂。有关的断裂。疲劳断裂具有以下特征:疲劳断裂具有以下特征:断裂面累积损伤处表面光滑,而折断区表面粗糙。断裂面累积损伤处表面光滑,而折断区表面粗糙。表面光滑表面光滑表面粗糙表面粗糙现在学习的是第3页,共35页青岛科技大学专用 潘存云教授研制 maxN二、二、s sN疲劳曲线疲劳曲线 用参数用参数max表征材料的疲劳极表征材料的疲劳极限,通过实验,可得出如图所限,通过实验,可得出如图所示的疲劳曲线。称为:示的疲劳曲线。称为:s sN疲劳曲
4、线疲劳曲线 104C在原点处在原点处,对应的应力循环次,对应的应力循环次数数为为N=1/4,意味着在加载到最意味着在加载到最大值时材料被拉断。显然该值大值时材料被拉断。显然该值为强度极限为强度极限B。B103tBAN=1/4在在AB段,应力循环次数段,应力循环次数103max变化很小,可以近似看作为静变化很小,可以近似看作为静应力强度。应力强度。BC段,段,N=103104,随着,随着Nmax,疲劳现象明显。疲劳现象明显。因因N较小,特称为:较小,特称为:低周疲劳低周疲劳。现在学习的是第4页,共35页青岛科技大学专用 潘存云教授研制 由于由于N NDD很大,所以在作疲劳试验时,常规定一个循环次
5、数很大,所以在作疲劳试验时,常规定一个循环次数N N0 0(称为循环基数称为循环基数),用,用N N0 0及其相对应的疲劳极限及其相对应的疲劳极限 r来近似来近似代表代表N NDD和和 rr。maxNrN0107CDrNNBAN=1/4 D点以后的疲劳曲线呈一水平线,点以后的疲劳曲线呈一水平线,代表着无限寿命区其方程为:代表着无限寿命区其方程为:实践证明,机械零件的疲劳大实践证明,机械零件的疲劳大多发生在多发生在CD段。段。可用下式描述:可用下式描述:于是有:于是有:104CB103现在学习的是第5页,共35页青岛科技大学专用 潘存云教授研制 CDCD区间内循环次数区间内循环次数N N与疲劳与
6、疲劳极限极限s srN的关系为:的关系为:式中,式中,s sr、N0及及m的值由材料试验确定。的值由材料试验确定。试验结果表明在试验结果表明在CDCD区间内,试件经过相应次数的边应力作区间内,试件经过相应次数的边应力作用之后,总会发生疲劳破坏。而用之后,总会发生疲劳破坏。而D D点以后,如果作用的变应力最点以后,如果作用的变应力最大应力小于大应力小于D D点的应力(点的应力(max r),),则无论循环多少次,材料都不会破坏。则无论循环多少次,材料都不会破坏。CDCD区间区间-有限疲劳寿命阶段有限疲劳寿命阶段 DD点之后点之后-无限疲劳寿命阶段无限疲劳寿命阶段 高周疲劳高周疲劳 maxNrN0
7、107CBAN=1/4104CB103DrNN现在学习的是第6页,共35页青岛科技大学专用 潘存云教授研制 am应力幅应力幅平均应力平均应力amS-1amS-1 材料的疲劳极限曲线也可用在特材料的疲劳极限曲线也可用在特定的应力循环次数定的应力循环次数N N下,极限应力下,极限应力幅之间的关系曲线来表示,特称为幅之间的关系曲线来表示,特称为等寿命曲线等寿命曲线。简化曲线之一简化曲线之一简化曲线之二简化曲线之二三、等寿命疲劳曲线三、等寿命疲劳曲线实际应用时常有两种简化方法。实际应用时常有两种简化方法。S-145现在学习的是第7页,共35页青岛科技大学专用 潘存云教授研制 amS45-1O简化等寿命
8、曲线(极限应力线图):简化等寿命曲线(极限应力线图):已知已知A(0,-1)D(0/2,0/2)两点坐标,两点坐标,求得求得A直线的方程为:直线的方程为:A直线上任意点代表了一定直线上任意点代表了一定循环特性时的疲劳极限。循环特性时的疲劳极限。对称循环:对称循环:m=0A脉动循环:脉动循环:m=a=0/2说明说明C直直 线上任意点的最大应力达到了屈服极限应力。线上任意点的最大应力达到了屈服极限应力。0/20/245DmaC直线上任意点直线上任意点N 的坐标为的坐标为(m,a)由由中两条直角边相等可求得中两条直角边相等可求得 C直线的方程为:直线的方程为:aGCN现在学习的是第8页,共35页青岛
9、科技大学专用 潘存云教授研制 amS45-1GC0/20/245DCGAO而正好落在而正好落在AGC折线上时,折线上时,表示应力状况达到疲劳破坏的表示应力状况达到疲劳破坏的极限值。极限值。对于碳钢,对于碳钢,y y0.10.2,对于合金钢,对于合金钢,y y0.20.3。公式公式中的参数中的参数y y为试件受循环弯曲应为试件受循环弯曲应力时的材料常数,其值由试验及下式决定:力时的材料常数,其值由试验及下式决定:当应力点落在当应力点落在OAGC以外时,以外时,一定会发生疲劳破坏。一定会发生疲劳破坏。当循环应力参数(当循环应力参数(m,a)落在)落在OAGC以内时,表以内时,表示不会发生疲劳破坏。
10、示不会发生疲劳破坏。现在学习的是第9页,共35页青岛科技大学专用 潘存云教授研制 材料材料S-1DAGCamo3-2 机械零件的疲劳强度计算 一、零件的极限应力线图一、零件的极限应力线图由于材料试件是一种特殊的结由于材料试件是一种特殊的结构,而实际零件的几何形状、尺构,而实际零件的几何形状、尺寸大小、加工质量及强化因素等寸大小、加工质量及强化因素等与材料试件有区别,使得零件的与材料试件有区别,使得零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳疲劳极限要小于材料试件的疲劳极限。极限。定义弯曲疲劳极限的综合影响系数定义弯曲疲劳极限的综合影响系数:在不对称循环时,在不对称循环时,是试件与零件极限应力幅的比值。是
11、试件与零件极限应力幅的比值。-1 0/20/2零件的对称循环弯曲疲劳极限为:零件的对称循环弯曲疲劳极限为:-1e设材料的对称循环弯曲疲设材料的对称循环弯曲疲劳极限为:劳极限为:-145DAG45-1e零件零件现在学习的是第10页,共35页青岛科技大学专用 潘存云教授研制 amoS-1DAGC-1 AG45-1e45D直线直线A的方程为:的方程为:直线直线C的方程为:的方程为:ae-零件所受极限应力幅;零件所受极限应力幅;me-零件所受极限平均应力;零件所受极限平均应力;y ye-零件受弯曲的材料特性;零件受弯曲的材料特性;弯曲疲劳极限的综合影响系数弯曲疲劳极限的综合影响系数 反映了:应力集中、
12、尺寸反映了:应力集中、尺寸因素、表面加工质量及强化等因素的综合影响结果。其计算公因素、表面加工质量及强化等因素的综合影响结果。其计算公式如下:式如下:其中:其中:k-有效应力集中系数;有效应力集中系数;-表面质量系数;表面质量系数;-尺寸系数;尺寸系数;q-强化系数。强化系数。CG现在学习的是第11页,共35页青岛科技大学专用 潘存云教授研制 对于切应力同样有如下方程:对于切应力同样有如下方程:其中的系数:其中的系数:k 、与与 k、q 相对应;相对应;教材附表教材附表3-13-11详细列出了零件的典型结构、尺寸、表详细列出了零件的典型结构、尺寸、表面加工质量及强化措施等因素对弯曲疲劳极限的综
13、合影响面加工质量及强化措施等因素对弯曲疲劳极限的综合影响。下面列举了部分图表。amoS-1DAGC-1 0/20/245DAG45-1e现在学习的是第12页,共35页青岛科技大学专用 潘存云教授研制 有效应力集中系数有效应力集中系数k 现在学习的是第13页,共35页青岛科技大学专用 潘存云教授研制 现在学习的是第14页,共35页青岛科技大学专用 潘存云教授研制 现在学习的是第15页,共35页青岛科技大学专用 潘存云教授研制 1.00.80.60.40.2400600800100012001400B/Mpa精车精车粗车粗车未加工未加工磨削磨削抛光抛光钢材的表面质量系数钢材的表面质量系数表面高频淬
14、火的强化系数表面高频淬火的强化系数q 7201.31.630401.21.57201.62.830401.55试件种类试件种类 试件直径试件直径/mm 无应力集中无应力集中 有应力集中有应力集中 现在学习的是第16页,共35页青岛科技大学专用 潘存云教授研制 NM二、单向稳定变应力时的疲劳强度计算二、单向稳定变应力时的疲劳强度计算 进行零件疲劳强度计算时,首进行零件疲劳强度计算时,首先根据零件危险截面上的先根据零件危险截面上的 max及及 min确定平均应力确定平均应力m与应力幅与应力幅a,然后,在极限应力线图的坐标中然后,在极限应力线图的坐标中标示出相应工作应力点标示出相应工作应力点MM或或
15、N N。两种情况分别讨论amoS-1CAG-1eD 相应的疲劳极限应力应是极限应力相应的疲劳极限应力应是极限应力曲线曲线AGC上的某一个点上的某一个点MM或或N N所代所代表的应力表的应力(m,a)。M或或N的位置确定与循环应力变化规律有关。的位置确定与循环应力变化规律有关。am应力比为常数:应力比为常数:r=C可能发生的应力可能发生的应力变化规律:变化规律:平均应力为常数平均应力为常数m=C 最小应力为常数最小应力为常数min=C计算安全系数及疲劳强度条件为:计算安全系数及疲劳强度条件为:现在学习的是第17页,共35页青岛科技大学专用 潘存云教授研制 amO-1CAG-1eD1)r=Cons
16、t 通过联立直线通过联立直线OM和和AG的方程可求解的方程可求解M1点的坐标为:点的坐标为:作射线作射线OM,其上任意一点,其上任意一点所代表的应力循环都具有相同所代表的应力循环都具有相同的应力比。的应力比。M1为极限应力点,为极限应力点,其坐标值其坐标值me,ae之和就是之和就是对应于对应于M点的极限应力点的极限应力max。SamMmeae也是一个常数。也是一个常数。M1现在学习的是第18页,共35页青岛科技大学专用 潘存云教授研制 ae计算安全系数及疲劳强度条件为:计算安全系数及疲劳强度条件为:-1-1eamOCADSGN点的极限应力点点的极限应力点N N1位于直线位于直线CG上,上,me
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- 机械零件 强度 机械设计
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