机械零件的强度(精品).ppt

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1、张朝辉机械零件的强度1/23作业：本章习题任选2题。张朝辉机械零件的强度2/23第三章第三章机械零件的强度机械零件的强度一、一、基本概念基本概念1、载荷（、载荷（load）作用在零件作用在零件上的外力上的外力公称载荷（公称载荷（nominalload）按理论力学按理论力学方法计算出方法计算出来的载荷来的载荷用用Fn、Mn、Tn表示表示计算载荷（计算载荷（calculatedload）考虑动力参数、考虑动力参数、工作阻力的变动工作阻力的变动而计算出的载荷而计算出的载荷用用Fca、Mca、Tca表示表示Fca=KFnK载荷系数（工况系数）载荷系数（工况系数）张朝辉机械零件的强度3/23用用lim表

2、示表示强度极限强度极限B，屈服极限，屈服极限S，疲劳极限，疲劳极限r许用应力（许用应力（allowablestress）用用ca表示表示极限应力（极限应力（ultimatestress）2、应力（、应力（stress）工作应力（工作应力（workingstress）计算应力（计算应力（calculatedstress）按材料力学公式按材料力学公式求出的作用在零求出的作用在零件剖面上的应力件剖面上的应力按一定的强度按一定的强度理论求出的与理论求出的与单向拉伸同等单向拉伸同等作用的应力作用的应力材料某个机械材料某个机械性能极限值性能极限值计算应力允许计算应力允许达到的最大值达到的最大值用用表示表示

3、张朝辉机械零件的强度4/233、安全系数（、安全系数（safetyfactor）安全系数安全系数极限应力与许极限应力与许用应力的比值用应力的比值安全系数计算值安全系数计算值极限应力与计极限应力与计算应力的比值算应力的比值引入安全系数的原因：引入安全系数的原因：应力计算时的载荷不精确性；应力计算时的载荷不精确性；力学模型与实际状况的差异；力学模型与实际状况的差异；材料机械性能的不均匀性；材料机械性能的不均匀性；零件使用场合的重要性。零件使用场合的重要性。张朝辉机械零件的强度5/23二、静应力（二、静应力（staticstress）的强度计算）的强度计算1、单向应力状态、单向应力状态危险剖面的最大

4、应力即为计算应力危险剖面的最大应力即为计算应力 ca=max2、双向或三向应力状态、双向或三向应力状态（有三种强度理论）（有三种强度理论）最大主应力理论（第一强度理论）最大主应力理论（第一强度理论）a、脆性材料、脆性材料压应力远远大于拉伸应力，取最大应力压应力远远大于拉伸应力，取最大应力 ca=max应力变化次应力变化次数小于数小于103张朝辉机械零件的强度6/23最大剪应力理论（第三强度理论）最大剪应力理论（第三强度理论）最大形变能理论（第四强度理论）最大形变能理论（第四强度理论）y yy yx xx xyxyxyxyxxyxyxyxyb、双向应力、双向应力张朝辉机械零件的强度7/23三、变

5、应力（三、变应力（variablestress）的强度计算）的强度计算1、疲劳极限、疲劳极限衡量变应力的参数有衡量变应力的参数有最大应力最大应力max（max）最小应力最小应力min（min）平均应力平均应力m（m）应力幅应力幅a（a）应力循环特性应力循环特性r=min max疲劳极限疲劳极限循循环环特特性性r一一定定时时，应应力力循循环环N次次后后，材材料料不不发发生生疲疲劳劳破破坏坏时时的的最最大大应应力力用用rN表示表示张朝辉机械零件的强度8/23即即N曲线曲线疲劳曲线疲劳曲线maxBCDNND104103N0AB段：静应力区间，段：静应力区间，B点点对应的的应力循环次对应的的应力循环次

6、数大约为数大约为103；BC段：随段：随N的增大，的增大，max下降，下降，C点所对应的点所对应的N值大约为值大约为104，这种，这种破坏为破坏为应变疲劳应变疲劳，或，或低周疲劳低周疲劳。给给定定的的循循环环特特性性条条件件下下，应应力力循循环环次次数数N与与疲疲劳劳极极限限rN之之 间间 的的 关关 系系 曲曲 线线张朝辉机械零件的强度9/23CD段：随段：随N的增大，的增大，max下降较快，这阶段称为下降较快，这阶段称为有限寿命有限寿命阶段，也称为阶段，也称为高周疲劳高周疲劳。D点以后：点以后：D点以后的曲线趋于水平，说明随点以后的曲线趋于水平，说明随N的的增多，增多，max不再下降，即到

7、不再下降，即到无限寿命无限寿命阶段，一阶段，一般工程材料的般工程材料的D点约为点约为10625 107。lgrC CD DlglgN NlglgN ND DlglgN N0 0lglgN N双对数坐标表示双对数坐标表示的疲劳曲线的疲劳曲线CD段方程：段方程：m与材料有关的常数与材料有关的常数C常数常数张朝辉机械零件的强度10/23循环基数循环基数N 0对应的疲劳极限对应的疲劳极限式中：式中：K N寿命系数寿命系数N D不大时，不大时，N 0=N DN D很大时，很大时，N 0N D任意循环任意循环N次的疲劳极限为：次的疲劳极限为：简写为简写为rmaxBCDNND104103N0张朝辉机械零件的

8、强度11/232、材料的极限应力图、材料的极限应力图3、零件的极限应力图、零件的极限应力图对称循环变应力对称循环变应力:平均应力平均应力m0最大应力最大应力maxa脉动循环变应力脉动循环变应力:平均应力平均应力m0.50应力幅应力幅a0.50静应力静应力:平均应力平均应力ms应力幅应力幅a0maxmaxm m+a aS S的变应力的变应力 OAOA G G C C区域为安全区区域为安全区A A G G C C折线为疲劳极限折线为疲劳极限张朝辉机械零件的强度12/23四四、单单向向稳稳定定变变应应力力的的机机械零件疲劳强度械零件疲劳强度1、变变应应力力的的循循环环特特性性保保持持不变（不变（rC

9、）的情况）的情况绝绝大大多多数数转转轴轴中中的的应应力力状态。状态。M1N1aD DG GmAMC CNM点的极限应力为点的极限应力为M1(meme、aeae)张朝辉机械零件的强度13/23安全系数计算值及强度条件安全系数计算值及强度条件静强度条件静强度条件2、变变应应力力的的平平均均应应力力保保持持不变（不变（mC）的情况）的情况M2N2aDGmACMNHO振振动动着着的的受受载载弹弹簧簧的的应应力状态力状态张朝辉机械零件的强度14/23M点的极限应力为点的极限应力为安全系数计算值及强度条件安全系数计算值及强度条件静强度条件静强度条件张朝辉机械零件的强度15/233、变变应应力力的的最最小小

10、应应力力保保持持不变（不变（minC）情况）情况aJGmACMNminMM3N3minN受受轴轴向向变变载载荷荷螺螺栓栓联联接接的应力状态的应力状态 minmaCM点的极限应力为点的极限应力为张朝辉机械零件的强度16/23安全系数计算值及强度条件安全系数计算值及强度条件v 说明：说明：难以确定应力变化规律的，采用难以确定应力变化规律的，采用r=C计算计算张朝辉机械零件的强度17/23五、单向不稳定变应力时的疲劳强度五、单向不稳定变应力时的疲劳强度1、非规律性的不稳定变应力、非规律性的不稳定变应力变应力参数随机变的，如汽车钢板弹簧。变应力参数随机变的，如汽车钢板弹簧。根根据据大大量量的的试试验验

11、求求得得载载荷荷及及应应力力的的统统计计分分布布规律，然后用统计疲劳强度的方法来处理。规律，然后用统计疲劳强度的方法来处理。2、规律性的不稳定变应力、规律性的不稳定变应力变应力参数的变化有一个简单的规律。变应力参数的变化有一个简单的规律。利用利用疲劳损伤累计假说疲劳损伤累计假说进行计算。进行计算。张朝辉机械零件的强度18/23每一次循环的损伤率：每一次循环的损伤率：1Nn次循环的损伤率：次循环的损伤率：nN累计损伤率为：累计损伤率为：各应力幅无大的差别各应力幅无大的差别及强烈的短时过载及强烈的短时过载应力由大到小作用应力由大到小作用应力由小到大作用应力由小到大作用累计损伤率累计损伤率100%时

12、，时，材料发生疲劳破坏材料发生疲劳破坏为什么？为什么？张朝辉机械零件的强度19/23代入累计损伤公式得：代入累计损伤公式得：不破坏的条件：不破坏的条件：令计算应力为：令计算应力为：张朝辉机械零件的强度20/23则则零件上同时作用的法向及切零件上同时作用的法向及切向变应力向变应力a和和a时，试验得到时，试验得到的极限应力关系式为：的极限应力关系式为：安全系数安全系数六、双向稳定变应力时的疲劳强度六、双向稳定变应力时的疲劳强度AMMCCDDBO1、对称循环稳定变应力、对称循环稳定变应力a和和a同时作同时作用的切向和法向应用的切向和法向应力幅的极限值力幅的极限值张朝辉机械零件的强度21/23M点的计

13、算安全系数为：点的计算安全系数为：代入整理得：代入整理得：张朝辉机械零件的强度22/23先求出先求出S和和S，再求出计算安全系数，再求出计算安全系数Sca2、非对称循环稳定变应力、非对称循环稳定变应力张朝辉机械零件的强度23/23七、提高机械零件疲劳强度的措施提高机械零件疲劳强度的措施在在设设计计阶阶段段就就应应考考虑虑采采取取设设计计措措施施来来提提高高机械零件的疲劳强度：机械零件的疲劳强度：、尽可能降低应力集中；、尽可能降低应力集中；、选用疲劳强度高的材料；、选用疲劳强度高的材料；、选选用用能能提提高高疲疲劳劳强强度度的的热热处处理理方方法法和和强强化化工艺；工艺；、提高机械零件表面的质量；、提高机械零件表面的质量；、尽尽可可能能减减小小或或消消除除零零件件表表面面可可能能发发生生的的初初始裂纹尺寸。始裂纹尺寸。张朝辉机械零件的强度24/23作业：本章习题任选2题。