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1、零件疲劳强度本讲稿第一页，共十九页机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度疲劳强度：零件工作时产生变应力对应的强度疲劳强度：零件工作时产生变应力对应的强度一、变应力的描述一、变应力的描述s sm平均应力平均应力；s sa应力幅值应力幅值s smax最大应力最大应力；s smin最小应力最小应力r 循环特性系数（应力比）循环特性系数（应力比）描述规律性的交变应力可有描述规律性的交变应力可有5个参数，但其中只有两个参数是独立的。个参数，但其中只有两个参数是独立的。本讲稿第二页，共十九页机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度r=-1对称循环应力r=0脉动循环应力r=1静应力根据循环特性系数根据循环特性系数
2、r的的不同，典型应力有：不同，典型应力有：本讲稿第三页，共十九页机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度二、材料的二、材料的-N 疲劳曲线疲劳曲线CD段段:机械零件的疲劳大多发生在机械零件的疲劳大多发生在s sN曲曲线的线的CD段，可用下式描述：段，可用下式描述：sN疲劳曲线D点以后的疲劳曲线呈一水平线，代表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：着无限寿命区，其方程为：AB段段：静载破坏阶段静载破坏阶段 BC段段:应变疲劳阶段，一般用应变应变疲劳阶段，一般用应变-循环循环 次次数来表达，也称低周疲劳；数来表达，也称低周疲劳；本讲稿第四页，共十九页机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强
3、度 在作疲劳试验时，常规定一个循环次数在作疲劳试验时，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来近似代表来近似代表N ND D和和 rr，则有限寿命期内：，则有限寿命期内：kN寿命系数，寿命系数，m疲疲劳劳曲曲线实验线实验常数常数 N0rrNN有限寿命区有限寿命区无限寿命区无限寿命区N0rlgrNlgN有限寿命区有限寿命区无限寿命区无限寿命区本讲稿第五页，共十九页机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度三、极限应力线图（等寿命疲劳曲线）三、极限应力线图（等寿命疲劳曲线）机械零件材料的疲劳特性除用机械零件材料的疲劳特性
4、除用s sN曲线表示外曲线表示外，还可用极限应力线图来描述。还可用极限应力线图来描述。该曲线表达了不同循环特性时疲劳极限的特性。该曲线表达了不同循环特性时疲劳极限的特性。在工程应用中，常将等寿命曲线用直线来近似替代。在工程应用中，常将等寿命曲线用直线来近似替代。4545GmoaCDAS0/20/24545BB-1A点：对称循环疲劳极限点点：对称循环疲劳极限点D点：脉动循环疲劳极限点点：脉动循环疲劳极限点B点：强度极限点点：强度极限点C点：屈服极限点点：屈服极限点本讲稿第六页，共十九页机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度三、材料极限应力线图三、材料极限应力线图用用AC折线折线表示零件材料的极限应
5、力线图是其中一种近似方法。表示零件材料的极限应力线图是其中一种近似方法。A直线的方程为：直线的方程为：C直线的方程为：直线的方程为：y y为试件受循环弯曲应力时的材料常数，其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：值由试验及下式决定：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。本讲稿第七页，共十九页机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度四、零件的极限应力线图四、零件的极限应力线图由于零件几何形状的变化、尺寸大小、加工质量等的影响，使得零件的疲劳极限要小于材料由于零件几何形状的变化、尺寸大小、加工质量等的影响，使得零件的疲劳极限要小于材料试件
6、的疲劳极限。试件的疲劳极限。moCaGDASkN0/2-1e0e/2AGD综合影响系数：综合影响系数：k 有效应力集中系数；有效应力集中系数；尺寸系数；尺寸系数；表面状况系数表面状况系数 本讲稿第八页，共十九页机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度四、零件的极限应力线图四、零件的极限应力线图moCaGDASkN0/2-1e0e/2AGD本讲稿第九页，共十九页机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度五、单向稳定变应力时的疲劳强度计算五、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，首先根据零件危险截面上的进行零件疲劳强度计算时，首先根据零件危险截面上的 max 及及 min确定确定平均应力平均
7、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标示出相应工作应，然后，在极限应力线图的坐标中标示出相应工作应力点力点MM或或N N。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：相应的疲劳极限应力应是极限应力曲线相应的疲劳极限应力应是极限应力曲线上的某一个点所代表的应力。上的某一个点所代表的应力。本讲稿第十页，共十九页机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度五、单向稳定变应力时的疲劳强度计算五、单向稳定变应力时的疲劳强度计算根据零件工作时所受的约束来确定应力可能发生的变化规律，从而决定以哪根据零件工作时所受的约束来确定应力可能发生的变化规律，从而决定以哪一个点来表示极限应力。
8、一个点来表示极限应力。机械零件可能发生的典型的应力变化规律有以下三种：机械零件可能发生的典型的应力变化规律有以下三种：循环特性系数为常数：循环特性系数为常数：r=C 安全系数计算安全系数计算.swfm=C 安全系数计算安全系数计算.swfmin=C本讲稿第十一页，共十九页机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度1 1、循环特性系数为常数：循环特性系数为常数：r=Cr=Ca135MoCGDASkN-1/KmMaNNma工作应力点工作应力点MM的纵、横坐标比值为：的纵、横坐标比值为：当载荷加大到使应力达到当载荷加大到使应力达到MM 时刚好要产生时刚好要产生 疲劳破坏，故安全系数疲劳破坏，故安全系数S
9、S为：为：对于工作应力点对于工作应力点N N，当载荷加大到使应力达到，当载荷加大到使应力达到N N点时，将产生静力破坏，点时，将产生静力破坏，m本讲稿第十二页，共十九页机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度1 1、循环特性系数为常数：循环特性系数为常数：r=C r=C（回转轴）（回转轴）aMo135CGDASkN-1/KmMaNNmaKm 作作KKM/AG M/AG 线：线：本讲稿第十三页，共十九页机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度2 2、平均应力为常数平均应力为常数 mm=C=C（弹簧）（弹簧）当载荷加大到使应力达到当载荷加大到使应力达到MM 时刚好要产生时刚好要产生 疲劳破坏，故安全系数疲
10、劳破坏，故安全系数S S为：为：对于工作应力点对于工作应力点N N，当载荷加大到使应力达到，当载荷加大到使应力达到N N点时，将产生静力破坏，点时，将产生静力破坏，mMoaCGDAMNN本讲稿第十四页，共十九页机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度3 3、最小应力为常数最小应力为常数 minmin=C=C（紧螺栓）（紧螺栓）当载荷加大到使应力达到当载荷加大到使应力达到MM 时刚好要产生时刚好要产生 疲劳破坏，故安全系数疲劳破坏，故安全系数S S为：为：对于工作应力点对于工作应力点N N，当载荷加大到使应力达到，当载荷加大到使应力达到N N点时，将产生静力破坏，点时，将产生静力破坏，45MomaC
11、GAMNN45min本讲稿第十五页，共十九页机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度45MomaCGAMNN45min本讲稿第十六页，共十九页机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度六、双向稳定变应力时的疲劳强度计算六、双向稳定变应力时的疲劳强度计算 当零件上同时作用有同相位的稳定对称循环变应力当零件上同时作用有同相位的稳定对称循环变应力s sa a 和和t ta a时，时，本讲稿第十七页，共十九页机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度七、单向不稳定变应力时的疲劳强度计算七、单向不稳定变应力时的疲劳强度计算不稳定变应力不稳定变应力非规律性非规律性规律性规律性用统计方法进行疲劳强度计算用统计方法进行疲劳强
12、度计算规律性不稳定变应力按损伤累按损伤累积积假说进行疲劳强度计算假说进行疲劳强度计算本讲稿第十八页，共十九页机械零件的疲劳强度机械零件的疲劳强度七、单向不稳定变应力时的疲劳强度计算七、单向不稳定变应力时的疲劳强度计算若应力每循环一次都对材料的破坏起相同的作用，则应力若应力每循环一次都对材料的破坏起相同的作用，则应力 1 每循环一次对材料的损伤率每循环一次对材料的损伤率即为即为1/N1，而循环了，而循环了n1次的次的1对材料的损伤率即为对材料的损伤率即为n1/N1。如此类推，循环了。如此类推，循环了n2次的次的2对材料的损伤率即为对材料的损伤率即为n2/N2，。当损伤率达到当损伤率达到100%时，材料即发生疲劳破坏，故对应于极限状况有：时，材料即发生疲劳破坏，故对应于极限状况有：疲劳损伤线性累积假说（疲劳损伤线性累积假说（Miner法则）：法则）：本讲稿第十九页，共十九页