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1、机械设计第三讲1 1你现在浏览的是第一页，共18页二、双向稳定变应力时的疲劳强度计算1、对称循环稳定变应力当零件剖面上同时作用着相位相同的纵向和切向对称循环，稳定变应力a和a时，经试验后极限应力关系为a,a同时作用正应力和切应力的应力幅极限值（,同时作用）-1e,-1e为零件对称循环正应力和切应力时疲劳极限（,单独作用）在以的坐标系中为一个单位圆2你现在浏览的是第二页，共18页圆弧AMB任何一点即代表一对极限应力a和a，如果工作应力点M（）在极限圆以内，则是安全的。M点所对应的极限应力点M确定时，一般认为比值不变（多数情况如此），M点在OM直线的延长线上，如图所示M强度条件为：零件只受对称循环
2、切应力时的安全系数零件只受对称循环正应力时的安全系数3你现在浏览的是第三页，共18页当零件上所承受的两个变应力均为不对称循环的变应力时，可先求出当零件上所承受的两个变应力均为不对称循环的变应力时，可先求出然后求出零件的安全系数：然后求出零件的安全系数：4你现在浏览的是第四页，共18页三、单向不稳定变应力时的疲劳强度计算不稳定变应力可分为非规律性的和规律性的两大类：非规律性的不稳定变应力：其变应力参数的变化要受到很多偶然因素的影响，是随机地变化的。需要根据大量的实验，求得载荷及应力的统计分布规律，然后用统计疲劳强度的方法来处理。规律性的不稳定变应力，其变应力参数的变化有一个简单的规律。用疲劳损伤
3、累积假说5你现在浏览的是第五页，共18页变应力1（对称循环变应力的最大应力或不对称循环变应力的等效对称循环变应力的等效对称循环变应力的应力幅，下同）作用了n1次，变应力2作用了n2次如图所示。根据图所示，可以找出仅有1作用时使材料发生疲劳破坏的应力循环次数N1。假设应力每循环一次都对材料的破坏起相同的作用，则应力每循环一次对材料的损伤率即为1/N1，而循环了n1次的对材料的损伤率为n1/N1。如此类推，循环了n2次的对材料的损伤率为n2/N2当损伤率累计达到100%时，材料就发生破坏。故对应于极限状况有，一般地写成一般的写成6你现在浏览的是第六页，共18页那么N1如何来求呢？根据rNmN=C=
4、rmN则不稳定变应力的极限条件为：如果材料在上述应力作用下还未达到破坏，则7你现在浏览的是第七页，共18页或者令称为不稳定变应力的计算应力此时，计算安全系数及强度条件则为：8你现在浏览的是第八页，共18页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：11、尽可能的降低零件上的应力集中的影响，是提高零件疲劳强度的、尽可能的降低零件上的应力集中的影响，是提高零件疲劳强度的首要措施。首要措施。22、选用疲劳强度高的材料和规定能够提高材料疲劳强度的热处理方、选用疲劳强度高的材料和规定能够提高材料疲劳强度的热处理方法及强化工艺。法及强化工艺。33、提高零件的表面质量。、提高零件的表面质量。44
5、、尽可能的减少或消除零件表面可能发生的初始裂纹的尺寸，、尽可能的减少或消除零件表面可能发生的初始裂纹的尺寸，对于延长零件的疲劳寿命有着比提高材料性能更为显著的作用。对于延长零件的疲劳寿命有着比提高材料性能更为显著的作用。9你现在浏览的是第九页，共18页例题：45号钢经过调制后的性能为：-1=307Mpa,m=9,N0=5*106。现用此材料作试件进行试验，以对称循环变应力1=500Mpa作用104次，2=400Mpa作用105次，试计算该试件在此条件下的计算安全系数。若以后再以3=350Mpa作用于试件，还能再循环多少次才会使试件破坏？解题步骤：1、计算ca,2、计算安全系数Sca,3、使材料
6、发生破坏的循环次数N1、N2、N3，4、根据公式计算n310你现在浏览的是第十页，共18页第三章 机械零件的强度 补充：载荷与应力的分类一、载荷的分类1）循环变载荷a)稳定循环变载荷b)不稳定循环变载荷2）随机变载荷静载荷变载荷：载荷：1）名义载荷2）计算载荷11你现在浏览的是第十一页，共18页随机变应力静应力规律性不稳定变应力二、应力的分类1、应力种类变应力：不稳定变应力：稳定循环变应力12你现在浏览的是第十二页，共18页2、稳定循环变应力的基本参数和种类a)基本参数应力循环特性最大应力最小应力平均应力应力幅b)稳定循环变应力种类：-1+1不对称循环变应力 =+1静应力=1对称循环变应力 =
7、0脉动循环变应力13你现在浏览的是第十三页，共18页注意：静应力只能由静载荷产生，而变应力可能由变载荷产生，也可能由静载荷产生名义应力由名义载荷产生的应力计算应力由计算载荷产生的应力3）名义应力和计算应力14你现在浏览的是第十四页，共18页3-3 机械零件的抗断裂强度低应力脆断：按常规的强度理论来分析，能满足强度条件，即工低应力脆断：按常规的强度理论来分析，能满足强度条件，即工作应力小于许用应力，但在实际使用中，又往往发生突然性断裂。作应力小于许用应力，但在实际使用中，又往往发生突然性断裂。大大部部分分低低应应脆脆断断事事故故发发生生在在应应用用了了高高强强度度钢钢材材的的结结构构或或大大型型
8、的的焊焊接接件件中中，如如：飞飞机机构构件件、机机器器中中的的重重载载构构件件以以及及高高压压容容器器等等结结构构。宏宏观观裂裂纹纹。进进一一步步研研究究发发现现：客客观观原原因因是是：高高强强度度材材料料的的大大量量采采用用、结结构构的的大大型型化化、焊焊接接工工艺艺使使用用的的普普遍遍化化、结结构构工工作作条条件件的的复复杂杂化化和和载荷形式的多样性。内在原因是：结构存在内部裂纹和缺陷。载荷形式的多样性。内在原因是：结构存在内部裂纹和缺陷。实实验验研研究究表表明明：高高强强度度材材料料，一一方方面面是是它它的的强强度度高高（即即许许用用应应力力高高），另一方面则是它抵抗裂纹扩展的能力要随着
9、强度的增高而下降。另一方面则是它抵抗裂纹扩展的能力要随着强度的增高而下降。15你现在浏览的是第十五页，共18页断裂力学：研究带有裂纹或带有尖缺口的结构或构件的强度断裂力学：研究带有裂纹或带有尖缺口的结构或构件的强度和变形规律的学科。和变形规律的学科。建立的是：构件的裂纹尺寸、工作应力以及材料抵抗建立的是：构件的裂纹尺寸、工作应力以及材料抵抗裂纹扩展能力三者之间的关系。裂纹扩展能力三者之间的关系。度度量量指指标标：应应力力强强度度因因子子KKII(或或KK、KK)，KKII的的值值越越大大，说说明应力场越强；明应力场越强；平平面面应应变变断断裂裂韧韧度度KKIcIc(或或KKcc、KKc),c)
10、,KKIcIc的的值值越越大大，说明材料抵抗裂纹失稳扩展的能力愈强。说明材料抵抗裂纹失稳扩展的能力愈强。这样，利用这两项指标判别结构安全性的判别式是：这样，利用这两项指标判别结构安全性的判别式是：KKI I KKIcIc 裂纹不会失稳扩展；裂纹不会失稳扩展；KKI I KKIcIc 裂纹失稳扩展裂纹失稳扩展16你现在浏览的是第十六页，共18页在在运运用用断断裂裂力力学学对对含含裂裂纹纹的的结结构构进进行行强强度度分分析析和和安安全性评价时，通常做以下工作：全性评价时，通常做以下工作：11、11、分析确定裂纹的形状、大小及分布，以确定初始、分析确定裂纹的形状、大小及分布，以确定初始裂纹的尺寸裂纹
11、的尺寸aa00，通常应对构件进行精确地无损伤来确定，通常应对构件进行精确地无损伤来确定aa00;22、对构件的工作载荷进行充分的分析，运用断裂力学的知对构件的工作载荷进行充分的分析，运用断裂力学的知识，确定裂纹顶端的应力强度因子识，确定裂纹顶端的应力强度因子KKII；33、通过断裂力学试验，测定构件材料的断裂韧度。、通过断裂力学试验，测定构件材料的断裂韧度。44、对构件进行安全性判断。对构件进行安全性判断。17你现在浏览的是第十七页，共18页说明：断裂力学自二十世纪五十年代诞生以来，已逐步引起学术界及工程界的广泛重视。现在断裂力学已应用于航空、航天、交通、机械、化工等许多部门。实践证明：对于采用低中强度材料的小型结构，只用传统的强度计算方法进行设计是足够的。在很多情况下，传统的强度理论仍然不失其使用价值。18你现在浏览的是第十八页，共18页