机械设计学第七章.ppt

《机械设计学第七章.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械设计学第七章.ppt（265页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、L/O/G/O机械设计学机械设计学长春工业大学机电学院2021/9/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72021/9/一、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，

2、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2021/9/2 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

3、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。示。第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计2021/9/(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

4、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

5、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。示。第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计2021/9/(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2021/9/1 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

6、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

7、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2021/9/4 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

8、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。所示。第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计2021/9/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

9、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2021/9/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

10、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2021/9/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2021/9/2 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

11、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2021/9/三、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

12、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2021/9/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

13、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2021/9/2 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

14、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。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。表示。第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计2021/9/疲劳寿命：材料在

15、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。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。曲线。第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计2021/9/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

16、，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。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。大应力。第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计2021/9/3.3.材料的疲劳极限的经验公式材料的疲劳极

17、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。的关系。第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计2021/9/ 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

18、图。图有两种、即海夫图和史密斯图，这里重点介绍海夫图。把不同的应力比把不同的应力比r r下试验得到下试验得到的疲劳极限，画在一张图上，的疲劳极限，画在一张图上，叫疲劳极限图。叫疲劳极限图。第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计2021/9/海夫图海夫图:横坐标横坐标:平均应力平均应力 m m;纵坐标纵坐标:应力幅应力幅 a a.根据实验得出的疲劳极限数据画出曲线根据实验得出的疲劳极限数据画出曲线ABCABC内的任意点表示不产生疲劳破坏的点。在这内的任意点表示不产生疲劳破坏的点。在这条曲线以外的点，表示经一定的应力循环数条曲线以外的点，表示经一定的应力循环数后要产生疲劳破坏的点。图中后要产生疲劳

19、破坏的点。图中A A点表示对称循点表示对称循环交变应力下产生疲劳破坏的临界点，该点环交变应力下产生疲劳破坏的临界点，该点的纵坐标值，表示对称循环交变应力的疲劳的纵坐标值，表示对称循环交变应力的疲劳极限极限-1 1。B B点为静强度破坏点，其横坐标值为点为静强度破坏点，其横坐标值为强度极限强度极限 b b。由原点由原点O O作为横坐标轴成作为横坐标轴成4545角角的线，并与曲线的线，并与曲线ACBACB相交于相交于C C点，则点，则OD=DCOD=DC，因，因 maxmax=a a+m m，所以有，所以有 OD=DC=OD=DC=0 0/2/2，这里，这里 0 0为脉动循环交变应为脉动循环交变应

20、力的疲劳极限。力的疲劳极限。第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计2021/9/四、影响疲劳强度的因素四、影响疲劳强度的因素 影响机械零部件疲劳强度的因素很多。可以归纳为四个方面：影响机械零部件疲劳强度的因素很多。可以归纳为四个方面：一是材料本身的化学成分、金相组织及内部缺陷等；一是材料本身的化学成分、金相组织及内部缺陷等；二是零件的形状、尺寸和表面状况等；二是零件的形状、尺寸和表面状况等；三是工作载荷的特性；三是工作载荷的特性；四是工作环境及条件等。四是工作环境及条件等。本节只讨论在常规工作条件下的主要影响因素：零件形状、尺本节只讨论在常规工作条件下的主要影响因素：零件形状、尺寸、表面状况等

21、对疲劳强度的影响。寸、表面状况等对疲劳强度的影响。第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计2021/9/1 1应力集中的影响应力集中的影响在机械零件中，由于结构上的要求，一般都存在有槽沟、轴肩、在机械零件中，由于结构上的要求，一般都存在有槽沟、轴肩、孔、拐角，切口等截面变化。这些孔、拐角，切口等截面变化。这些外形外形突然变化和材料不连续突然变化和材料不连续地方，常产生很大的局部应力，即称应力集中。在抗疲劳设计地方，常产生很大的局部应力，即称应力集中。在抗疲劳设计中，为计算应力集中的影响，引入了理论应力集中系数中，为计算应力集中的影响，引入了理论应力集中系数。其定。其定义为：在弹性变形范围内材料的

22、局部应力峰值与名义应力值之义为：在弹性变形范围内材料的局部应力峰值与名义应力值之比称理论应力集中系数，即：比称理论应力集中系数，即：第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计2021/9/用理论应力集中系数不能直接判断局部应力使疲劳强度降低多少，因用理论应力集中系数不能直接判断局部应力使疲劳强度降低多少，因为在不同材料中有不同的表现。常用为在不同材料中有不同的表现。常用有效有效应力集中系数应力集中系数K K 来表示疲劳来表示疲劳强度的真正降低程度。即：强度的真正降低程度。即：-1-1无应力集中试件疲劳极限无应力集中试件疲劳极限-1k-1k有有应力集中试件疲劳极限应力集中试件疲劳极限第一节第一节 机

23、械疲劳设计机械疲劳设计2021/9/ 2 2尺寸效应尺寸效应 当其它条件相同时，零件截面尺寸愈大，其疲劳极限也愈低。当其它条件相同时，零件截面尺寸愈大，其疲劳极限也愈低。这是由于尺寸大时，材料晶粒粗，出现缺陷的概率高和表面冷作这是由于尺寸大时，材料晶粒粗，出现缺陷的概率高和表面冷作硬化层相对薄等。硬化层相对薄等。截面绝对尺寸对零件疲劳强度的影响可用尺寸系数截面绝对尺寸对零件疲劳强度的影响可用尺寸系数 表示，表示，定定义为直径为义为直径为d d的试件疲劳极限的试件疲劳极限-1d1d与直径为与直径为d d0 0(610)mm(610)mm试件的疲试件的疲劳极限劳极限-1 1的比值，即的比值，即:=

24、-1d1d /-1-1 3 3表面状态的影响表面状态的影响表面强化可提高疲劳强度，而表面粗糙会降低疲劳强度。表面状表面强化可提高疲劳强度，而表面粗糙会降低疲劳强度。表面状态对疲劳的影响可用表面状态系数态对疲劳的影响可用表面状态系数 表示。表示。=-1 1 /-1 1-1 1 某种表面状态下的疲劳极限；某种表面状态下的疲劳极限；-1 1精抛光和未强化试件的疲劳极限。精抛光和未强化试件的疲劳极限。第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计2021/9/ 五、疲劳设计五、疲劳设计 现行的疲劳设计法主要有以下几种：现行的疲劳设计法主要有以下几种：1 1名义应力疲劳设计法名义应力疲劳设计法 以名义应力为基本

25、设计参数，以以名义应力为基本设计参数，以SNSN曲线为主要设计依据的疲劳曲线为主要设计依据的疲劳设计方法称为名义应力疲劳设计法。这种设计方法历史最悠久，设计方法称为名义应力疲劳设计法。这种设计方法历史最悠久，也称为常规疲劳设计法。根据设计寿命的不同，这种设计方法又也称为常规疲劳设计法。根据设计寿命的不同，这种设计方法又可分为无限寿命设计法与有限寿命设计法：可分为无限寿命设计法与有限寿命设计法：(1)(1)无限寿命设计法无限寿命设计法 要求零件在无限长的使用期限内不破坏，主要要求零件在无限长的使用期限内不破坏，主要的设计依据是疲劳极限，也就是的设计依据是疲劳极限，也就是SNSN曲线的水平部分。曲

26、线的水平部分。(2)(2)有限寿命设计法有限寿命设计法 要求零件在一定的使用期限内不破坏，其主要要求零件在一定的使用期限内不破坏，其主要设计依据是设计依据是SNSN曲线的斜线部分。这种设计方法常称为安全寿命曲线的斜线部分。这种设计方法常称为安全寿命设计法。设计法。第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计2021/9/ 2.2.局部应力应变分析法局部应力应变分析法 局部应力应变分析法是在低周疲劳的基础上发展起来的一局部应力应变分析法是在低周疲劳的基础上发展起来的一种疲劳寿命估算方法，其基本设计参数为应变集中处的局部种疲劳寿命估算方法，其基本设计参数为应变集中处的局部应变和局部应力。应变和局部应力。

27、3 3损伤容限设计法损伤容限设计法 损伤容限设计法是在断裂力学的基础上发展起来的一种疲损伤容限设计法是在断裂力学的基础上发展起来的一种疲劳设计方法。其设计思想以承认材料内有初始缺陷为前提，劳设计方法。其设计思想以承认材料内有初始缺陷为前提，并把这种初始缺陷看作裂纹，根据材料在使用载荷下的裂纹并把这种初始缺陷看作裂纹，根据材料在使用载荷下的裂纹扩展性质，估算其剩余寿命。这种方法的思路是，零件内具扩展性质，估算其剩余寿命。这种方法的思路是，零件内具有裂纹是不可避免也并不可怕，只要正确估算其剩余寿命有裂纹是不可避免也并不可怕，只要正确估算其剩余寿命采取适当的断裂控制措施，确保零件在使用期限内能够安全

28、采取适当的断裂控制措施，确保零件在使用期限内能够安全使用，则这样的裂纹是允许存在的。使用，则这样的裂纹是允许存在的。第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计2021/9/ 4.4.疲劳可靠性设计疲劳可靠性设计 疲劳可靠性设计是概率统计方法和疲劳设计方法相疲劳可靠性设计是概率统计方法和疲劳设计方法相结合的产物，因此也称为概率疲劳设计。这种设计方结合的产物，因此也称为概率疲劳设计。这种设计方法考虑了载荷、材料疲劳性能和其它疲劳设计数据分法考虑了载荷、材料疲劳性能和其它疲劳设计数据分散性，可以把破坏概率限制在一定的范围之内，因此散性，可以把破坏概率限制在一定的范围之内，因此其设计精度比其它疲劳设计方法

29、为高。从原则上来说，其设计精度比其它疲劳设计方法为高。从原则上来说，上述三种疲劳设计方法都可以应用概率统计的方法进上述三种疲劳设计方法都可以应用概率统计的方法进行疲劳可靠性设计，但目前用得最多和最成熟行疲劳可靠性设计，但目前用得最多和最成熟的是无限寿命设计法。的是无限寿命设计法。第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计2021/9/疲劳强度设计一般可分为两个阶段：疲劳强度设计一般可分为两个阶段：1)1)疲劳计算。根据材料的疲劳数据和零件的使用疲劳计算。根据材料的疲劳数据和零件的使用条件，对零件的尺寸进行计算，或在静强度设计的条件，对零件的尺寸进行计算，或在静强度设计的基础上，对零件的疲劳强度进行

30、校核。基础上，对零件的疲劳强度进行校核。2)2)疲劳试验。疲劳计算只能对零件的疲劳强度或疲劳试验。疲劳计算只能对零件的疲劳强度或寿命进行粗略估算寿命进行粗略估算,精确确定零件的疲劳寿命还主精确确定零件的疲劳寿命还主要是靠疲劳试验的方法。要是靠疲劳试验的方法。1 1无限寿命设计无限寿命设计在使用该种设计方法时，常是先用静强度设计确定在使用该种设计方法时，常是先用静强度设计确定出零件尺寸，再进行疲劳强度校核出零件尺寸，再进行疲劳强度校核 。2021/9/（2 2）在恒幅非对称循环下，当应力比）在恒幅非对称循环下，当应力比r r保持不变时，强度保持不变时，强度条件为：条件为：(1)(1)在恒幅对称循

31、环下，按下述强度条件确定零件尺在恒幅对称循环下，按下述强度条件确定零件尺寸或验算疲劳强度寸或验算疲劳强度:2021/9/（3 3）在非对称循环下，平均应力）在非对称循环下，平均应力 m m保持不变，应用时要满足保持不变，应用时要满足以下两式：以下两式：式中：式中：n na a应力幅安全系数。应力幅安全系数。对于切应力，可仿照以上各式并以对于切应力，可仿照以上各式并以 代换代换 即可。即可。2021/9/ 2 2安全寿命设计安全寿命设计 对于变幅应力，按一定的累积损伤理论进行寿命估算。对小于疲劳极限对于变幅应力，按一定的累积损伤理论进行寿命估算。对小于疲劳极限rr的应力，可认为对疲劳强度无影响，

32、计算时可不予考虑。按线性损伤理论的应力，可认为对疲劳强度无影响，计算时可不予考虑。按线性损伤理论有：有：第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计2021/9/六、低周六、低周疲疲劳劳1 1、概念、概念:在循环加载过程中，当在循环加载过程中，当应力水平很高应力水平很高，应力峰值应力峰值 maxmax接近或高于屈服强度而进入塑性区接近或高于屈服强度而进入塑性区时时,每一应力循环有少量塑每一应力循环有少量塑性变形，呈现性变形，呈现 滞后回线滞后回线，以至，以至循环次数很低循环次数很低时就产生疲劳时就产生疲劳破坏。破坏。用应力很难描述实际寿命的变化，因而改用应变来描述。用用应力很难描述实际寿命的变化，因

33、而改用应变来描述。用 为纵坐标为纵坐标，用，用破坏时的循环次数破坏时的循环次数N Nf f为横坐标为横坐标绘制低周疲劳绘制低周疲劳曲线。因其控制因素是曲线。因其控制因素是塑性应变幅塑性应变幅，故称之为，故称之为应变疲劳应变疲劳。承受承受高应力水平高应力水平的交变载荷的结构如压力容器、汽轮机壳体、的交变载荷的结构如压力容器、汽轮机壳体、炮筒、飞机的起落架等，应当考虑炮筒、飞机的起落架等，应当考虑低周低周疲劳的问题。疲劳的问题。2021/9/2 2、特点：、特点：1 1）应力水平高。）应力水平高。max smax s 2 2）循环次数少。）循环次数少。N10N103 3 3 3）应变在疲劳破坏中起

34、主要作用）应变在疲劳破坏中起主要作用 4 4）断裂寿命的变化对循环应力的高低已不敏感。）断裂寿命的变化对循环应力的高低已不敏感。第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计2021/9/3 3、-N-N曲线曲线图图7-67-6为一些材料的低周疲劳为一些材料的低周疲劳-N-N曲线，与曲线，与S-NS-N曲线不同，这曲线不同，这里的各条曲线的斜率很陡。里的各条曲线的斜率很陡。破坏时的循环次数破坏时的循环次数N Nf f第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计2021/9/总应变幅总应变幅 T T由弹性应变幅由弹性应变幅 e e和塑性应变幅和塑性应变幅 p p组成。组成。T T=e e+p p从实验得到弹性

35、应变幅为从实验得到弹性应变幅为:第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计2021/9/式式7-147-14称为曼森称为曼森科芬方程科芬方程第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计2021/9/ 由图由图7-77-7：直线直线是塑性应变幅与循是塑性应变幅与循环次数的关系曲线，环次数的关系曲线，直线直线是弹性应变幅与循是弹性应变幅与循环次数的关系曲线。环次数的关系曲线。两直线交于两直线交于P P点，点，P P点是低、点是低、高周疲劳的分界点，高周疲劳的分界点，2Nt2Nt为为过渡寿命。过渡寿命。根据式根据式(7-l4)(7-l4)可得图可得图7-77-7对称循环全应变幅与循环次数曲线对称循环全应变幅与

36、循环次数曲线(对数坐对数坐标标)。lg2Ntlg2Nt第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计2021/9/4 4、材料的选用原则、材料的选用原则分析如图分析如图7-87-8：当：当2Nf2Nf2Nt2Nt时为低周疲劳，材料塑性应变（塑性应时为低周疲劳，材料塑性应变（塑性应变幅变幅 p p）起主导作用。高塑性材料表现出高的低周疲劳断裂抗力，起主导作用。高塑性材料表现出高的低周疲劳断裂抗力，所以在满足强度的要求下宜采用高塑性材料；所以在满足强度的要求下宜采用高塑性材料；当当2Nf2Nf2Nt2Nt时为高周疲劳，材料的弹性应变（弹性应变幅时为高周疲劳，材料的弹性应变（弹性应变幅 e e）起主导作用。

37、高强度材料表现出高的高周疲劳断裂抗力，宜采用起主导作用。高强度材料表现出高的高周疲劳断裂抗力，宜采用高强度材料。高强度材料。2Nt2Nt一般为一般为3103103 3次。次。第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计2021/9/七、结构疲劳试验简介七、结构疲劳试验简介 影响零件疲劳强度的因素不仅与材料成分、组织结构、影响零件疲劳强度的因素不仅与材料成分、组织结构、热处理和冷加工规范、试验温度等有关而且与试件热处理和冷加工规范、试验温度等有关而且与试件(或零或零件件)尺寸、应力状态、应力集中、试件表面状况、表面粗糙尺寸、应力状态、应力集中、试件表面状况、表面粗糙度、试验介质、与其它零件的相互配合等

38、有关。由于上述度、试验介质、与其它零件的相互配合等有关。由于上述影响因素的随机性，致使测出的疲劳特性影响因素的随机性，致使测出的疲劳特性(疲劳极限、疲劳极限、S-NS-N曲曲线和疲劳寿命线和疲劳寿命)呈离散性分布，更增加了零件疲劳强度的复呈离散性分布，更增加了零件疲劳强度的复杂程度。杂程度。为了提高零件的使用寿命，不仅要进行结构疲劳强度设为了提高零件的使用寿命，不仅要进行结构疲劳强度设计，还要对重要机械的零件、部件直至整机作结构疲劳试计，还要对重要机械的零件、部件直至整机作结构疲劳试验。验。第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计2021/9/1 1结构疲劳试验的基本类型与特点结构疲劳试验的基本

39、类型与特点一般机械零件的疲劳试验分为零件疲劳试验、模拟疲劳试一般机械零件的疲劳试验分为零件疲劳试验、模拟疲劳试验和整机疲劳试验三类。验和整机疲劳试验三类。(1)(1)零件疲劳试验零件疲劳试验 零件疲劳试验是验证零件结构疲劳设计零件疲劳试验是验证零件结构疲劳设计质量能否满足使用强度要求的有效手段，同时也可利用所质量能否满足使用强度要求的有效手段，同时也可利用所得数据充实和修正疲劳设计理论。得数据充实和修正疲劳设计理论。在进行零件疲劳试验时，重点应做好试验规范、加载方在进行零件疲劳试验时，重点应做好试验规范、加载方案和加载参数的选择等问题。案和加载参数的选择等问题。第一节第一节 机械疲劳设计机械疲

40、劳设计2021/9/(2)(2)模拟试验模拟试验 大型机械零件的实物疲劳试验，往往因加载设备大型机械零件的实物疲劳试验，往往因加载设备和场地条件等限制而无法进行。为此，常采用几何相似模拟和场地条件等限制而无法进行。为此，常采用几何相似模拟或局部应力场模拟试验的方法。或局部应力场模拟试验的方法。(3)(3)整机疲劳试验整机疲劳试验 对于特别重要的机械和批量较大的机械，为对于特别重要的机械和批量较大的机械，为了确保机械的可靠件，还必须在零件疲劳试验的基础上再作了确保机械的可靠件，还必须在零件疲劳试验的基础上再作整机疲劳试验。这种试验可弥补因设计载荷确定误差、环境、整机疲劳试验。这种试验可弥补因设计

41、载荷确定误差、环境、运动件接触腐蚀等给零件寿命带来的影响得出更有价值的运动件接触腐蚀等给零件寿命带来的影响得出更有价值的数据。但是，这种试验的费用较昂贵，应慎重选用。数据。但是，这种试验的费用较昂贵，应慎重选用。第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计2021/9/2 2试验结构的统计处理试验结构的统计处理 由于结构疲劳强度影响因素的随机性，致使疲劳试验结果由于结构疲劳强度影响因素的随机性，致使疲劳试验结果呈离散分布，为了以少量试件的试验结果报知整批同样零件呈离散分布，为了以少量试件的试验结果报知整批同样零件的疲劳特性，一般均采用数理统计的方法处理结果数据，具的疲劳特性，一般均采用数理统计的方法

42、处理结果数据，具体方法可参阅有关资料。体方法可参阅有关资料。第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计2021/9/八、研究现状与发展趋势八、研究现状与发展趋势 国内外许多机械产品已广泛应用疲劳设计和疲劳强度试验，国内外许多机械产品已广泛应用疲劳设计和疲劳强度试验，疲劳设计已由过去的名义应力设计发展到局部应力应变设计疲劳设计已由过去的名义应力设计发展到局部应力应变设计及预测疲劳寿命的阶段，在断裂力学研究的基础上又发展了及预测疲劳寿命的阶段，在断裂力学研究的基础上又发展了损伤容限设计并在部分产品中应用。损伤容限设计并在部分产品中应用。目前存在的问题是缺乏疲劳设计的基础数据，更未建立疲劳目前存在的问题

43、是缺乏疲劳设计的基础数据，更未建立疲劳设计规范。特殊工况下的疲劳问题和模拟实物工况的整机疲设计规范。特殊工况下的疲劳问题和模拟实物工况的整机疲劳试验的研究尚处于探索阶段。劳试验的研究尚处于探索阶段。今后国内外将着重研究损伤积累、随机疲劳、环境与介质今后国内外将着重研究损伤积累、随机疲劳、环境与介质对疲劳性能的影响、疲劳寿命预测方法、复合应力下的多轴对疲劳性能的影响、疲劳寿命预测方法、复合应力下的多轴疲劳、弹塑性断裂准则、裂纹扩展、微裂纹与门槛值等。疲劳、弹塑性断裂准则、裂纹扩展、微裂纹与门槛值等。第一节第一节 机械疲劳设计机械疲劳设计2021/9/摩擦学：摩擦学：摩擦学：摩擦学：是研究摩擦、磨

44、损和润滑这几个相互关联领域的科是研究摩擦、磨损和润滑这几个相互关联领域的科是研究摩擦、磨损和润滑这几个相互关联领域的科是研究摩擦、磨损和润滑这几个相互关联领域的科学与技术问题的综合学科学与技术问题的综合学科学与技术问题的综合学科学与技术问题的综合学科研究课题：研究课题：研究课题：研究课题：综合考虑机械系统中运动表面、能量和材料的消综合考虑机械系统中运动表面、能量和材料的消综合考虑机械系统中运动表面、能量和材料的消综合考虑机械系统中运动表面、能量和材料的消耗问题。主要有相互作用两表面间的物理、化学、机械作用；耗问题。主要有相互作用两表面间的物理、化学、机械作用；耗问题。主要有相互作用两表面间的物

45、理、化学、机械作用；耗问题。主要有相互作用两表面间的物理、化学、机械作用；摩擦、磨损润滑的测量及计算方法；阻摩材料及减摩材料，摩擦、磨损润滑的测量及计算方法；阻摩材料及减摩材料，摩擦、磨损润滑的测量及计算方法；阻摩材料及减摩材料，摩擦、磨损润滑的测量及计算方法；阻摩材料及减摩材料，极端条件下的摩擦与磨损以及润滑方面的理论。极端条件下的摩擦与磨损以及润滑方面的理论。极端条件下的摩擦与磨损以及润滑方面的理论。极端条件下的摩擦与磨损以及润滑方面的理论。第二节第二节 摩擦学设计摩擦学设计2021/9/一、摩擦学设计的基本内容一、摩擦学设计的基本内容 摩擦学是指研究摩擦学是指研究表面相对运动表面相对运动

46、中中相互作用相互作用的行为特性包括的行为特性包括摩擦、磨损和润滑摩擦、磨损和润滑在内的一门跨学科的科学。机器中相对运动在内的一门跨学科的科学。机器中相对运动的表面构成了一个的表面构成了一个摩擦副摩擦副，由于摩擦副的失效常会导致机器零，由于摩擦副的失效常会导致机器零件甚至整个机器的工作失效。因此，为了保证机器能完成要求件甚至整个机器的工作失效。因此，为了保证机器能完成要求的功能，必须适时正确地引入的功能，必须适时正确地引入摩擦学设计摩擦学设计。摩擦学设计的主要目标是在确保实现摩擦学设计的主要目标是在确保实现运动要求功能运动要求功能的前提下，的前提下，使摩擦副具有：使摩擦副具有：最小的摩擦最小的摩

47、擦功耗功耗；最低制造和运行维护最低制造和运行维护成本成本；必要必要的的可靠性和寿命可靠性和寿命；最大的最大的生产率和经济性生产率和经济性。第二节第二节 摩擦学设计摩擦学设计2021/9/摩擦学设计的基本内容包括：摩擦学设计的基本内容包括：(1)(1)摩擦副摩擦副设计设计 包括摩擦副的包括摩擦副的类型类型选择、选择、结构结构设计和设计和材料材料选择。选择。(2)(2)润滑系统润滑系统设计设计 包括包括润滑剂润滑剂和和润滑方法润滑方法的选择、的选择、润滑系统润滑系统的构成的构成和设计等。和设计等。(3)(3)状态监测及故障诊断系统状态监测及故障诊断系统设计设计 为了获得摩擦副当前为了获得摩擦副当前

48、运动状态运动状态的的信息，并判断信息，并判断出现非法运动的故障源出现非法运动的故障源包括包括温度、振动传感器、油温度、振动传感器、油质监视器质监视器的设计或选用；的设计或选用；信号传输信号传输的处理、分析和存储等。的处理、分析和存储等。(4)(4)状态补偿状态补偿和和控制系统控制系统设计设计 当摩擦副的结构参数发生变化并有可当摩擦副的结构参数发生变化并有可能成为故障时，该系统能提供附加的力、位移、刚度或阻尼等能成为故障时，该系统能提供附加的力、位移、刚度或阻尼等补偿补偿措施，继续使机器保持要求的运动精度和功能。措施，继续使机器保持要求的运动精度和功能。本节将着重介绍摩擦学设计中有关本节将着重介

49、绍摩擦学设计中有关摩擦、磨损摩擦、磨损、材料选择和润滑、材料选择和润滑方面的基础知识。方面的基础知识。第二节第二节 摩擦学设计摩擦学设计2021/9/ 二、二、接触表面接触表面 作作相对运动的相互作用表面相对运动的相互作用表面的摩擦学特性与的摩擦学特性与各表面的表面各表面的表面性质及表面间的接触状况性质及表面间的接触状况有密切关系，是解决摩擦学问题的有密切关系，是解决摩擦学问题的基础。基础。1 1表面形貌表面形貌 机械零件的表面与理想表面不同，是由机械零件的表面与理想表面不同，是由制造形制造形状误差、波度，表面粗糙度和纹理状误差、波度，表面粗糙度和纹理构成，如图构成，如图9292所示。所示。第

50、二节第二节 摩擦学设计摩擦学设计2021/9/ 2 2接触面积接触面积 由于由于表面粗糙度及波纹表面粗糙度及波纹的存在，两固体表面接触时的存在，两固体表面接触时真实接真实接触触只能发生在只能发生在表面一些微凸体的顶部表面一些微凸体的顶部，载荷只能通过这些微，载荷只能通过这些微凸体的接触顶峰凸体的接触顶峰传递，这与传统的赫芝理论关于接触应力的传递，这与传统的赫芝理论关于接触应力的理想假设有很大的不同理想假设有很大的不同。如图如图9393所示，在摩擦学中把所示，在摩擦学中把接触面积接触面积区分为：区分为：(1)(1)名义名义接触面积接触面积As As 以两个固体以两个固体宏观界面的边界宏观界面的边