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1、6 机械强度设计机械强度设计2/4/20231强度与失效强度与失效l失效：产品不能完成预定功能失效：产品不能完成预定功能l强度：抵抗失效的能力强度：抵抗失效的能力l承载承载l变形变形l振动振动l摩擦摩擦l腐蚀腐蚀l25 机械强度设计机械强度设计l5.1 常规机械强度设计常规机械强度设计l5.2 抗疲劳强度设计抗疲劳强度设计l5.3 损伤容限设计损伤容限设计35.1 常规机械强度设计常规机械强度设计l5.1.1 机械强度的安全性判据机械强度的安全性判据l影响安全系数的因素影响安全系数的因素l5.1.3 安全系数计算安全系数计算45.1.1 机械强度的安全性判据机械强度的安全性判据应力应力计算、实
2、测计算、实测许用应力许用应力由材料、结构及工况规定由材料、结构及工况规定工作安全系数工作安全系数计算计算许用安全系数许用安全系数根据工况等规定根据工况等规定55.1.2 影响安全系数的因素影响安全系数的因素1.零部件重要程度的影响：零部件重要程度的影响：K12.载荷及应力计算的准确程度的影响：载荷及应力计算的准确程度的影响：K23.不同失效形式的影响：不同失效形式的影响：K34.应力集中的影响：应力集中的影响：K45.截面尺寸的影响：截面尺寸的影响：K56.表面加工状态的影响：表面加工状态的影响：K67.检验质量的影响：检验质量的影响：K76零部件重要程度系数：零部件重要程度系数：K17应力计
3、算的准确度系数：应力计算的准确度系数：K2l计算公式准确，所有作用力及应力已知时，取计算公式准确，所有作用力及应力已知时，取K2=1.0；l计算公式或图表，使计算所得应力较实际应力高时，计算公式或图表，使计算所得应力较实际应力高时，取取K2=1.0；l计算应力较实际应力低，根据两者之差异，可选取计算应力较实际应力低，根据两者之差异，可选取K2=1.051.65；8失效形式影响系数：失效形式影响系数：K3l规定拉伸失效为理想失效，该失效形式下的强规定拉伸失效为理想失效，该失效形式下的强度极限为拉伸强度极限，度极限为拉伸强度极限，K3=1.0；则在其它；则在其它失效形式下，失效形式下，K3值分别为
4、：值分别为：塑性材料塑性材料脆性材料脆性材料疲劳破环疲劳破环9安全系数影响因素安全系数影响因素K4、K5、K6、K7lK4：应力集中系数：应力集中系数 K4=max/nlK5：截面尺寸增大系数：截面尺寸增大系数 K5=1/lK6：表面加工状况系数：表面加工状况系数 K6=1/lK7：检验质量系数：检验质量系数,抽检抽检1.15-1.30,逐个检验逐个检验 105.1.3 安全系数计算安全系数计算l静应力下安全系数静应力下安全系数塑性材料塑性材料脆性材料脆性材料115.1.3 安全系数计算安全系数计算l变应力下安全系数变应力下安全系数交变应力交变应力等应力幅等应力幅变应力幅变应力幅复合应力复合应
5、力对称循环对称循环非对称循环非对称循环正应力正应力剪应力剪应力12等应力幅的安全系数对称循环强度判据强度判据疲劳极限有效疲劳极限有效值值工作应力工作应力幅幅13等应力幅的安全系数不对称循环不对称系数不对称系数由下式求得由下式求得1415变应力幅的安全系数等幅当量应力等幅当量应力按按Miner准则和准则和S-N曲线求得曲线求得16弯扭同时作用下的安全系数175.2 抗疲劳强度设计抗疲劳强度设计l5.2.1 疲劳破环及疲劳过程疲劳破环及疲劳过程l5.2.2 金属材料的疲劳特性金属材料的疲劳特性l5.2.3 影响疲劳强度的因素影响疲劳强度的因素l5.2.4 疲劳寿命设计疲劳寿命设计185.2.1 疲
6、劳破环及疲劳过程疲劳破环及疲劳过程l定义：定义：材料或零构件在循环载荷作用下产生材料或零构件在循环载荷作用下产生裂纹并扩展至断裂的现象称为疲劳破环。裂纹并扩展至断裂的现象称为疲劳破环。l与静强度破环的主要区别：与静强度破环的主要区别：危险截面危险截面局部危险点局部危险点变形过大变形过大微裂纹扩展微裂纹扩展疲劳破环疲劳破环静强度破环静强度破环静载破静载破坏断口坏断口疲劳破疲劳破坏断口坏断口19疲劳破环特点疲劳破环特点l五大特点：五大特点：l低应力性；低应力性；l突然性；突然性；l时间性；时间性；l敏感性；敏感性；l断口的疲劳特性。断口的疲劳特性。20疲劳破环过程疲劳破环过程l裂纹扩展的第一阶段裂
7、纹扩展的第一阶段l裂纹成核阶段裂纹成核阶段l微观裂纹扩展阶段微观裂纹扩展阶段l裂纹扩展的第二阶段裂纹扩展的第二阶段l宏观裂纹扩展阶段宏观裂纹扩展阶段l断裂阶段断裂阶段疲劳裂纹形疲劳裂纹形成阶段（寿成阶段（寿命命Ni）疲劳裂纹扩疲劳裂纹扩展阶段（寿展阶段（寿命命Np）21疲劳的分类疲劳的分类l按疲劳失效周次：按疲劳失效周次：高周疲劳、低周疲劳高周疲劳、低周疲劳；l按应力状态分：按应力状态分：单轴疲劳、多轴疲劳单轴疲劳、多轴疲劳；l按载荷变化分：按载荷变化分：恒幅、变幅、随机疲劳恒幅、变幅、随机疲劳l按研究对象分：按研究对象分：材料疲劳、结构疲劳材料疲劳、结构疲劳l按工作环境分：按工作环境分：常规
8、疲劳、高温、低温、热疲劳、常规疲劳、高温、低温、热疲劳、腐蚀疲劳、接触疲劳、冲击疲劳、腐蚀疲劳、接触疲劳、冲击疲劳、225.2.2 金属材料的疲劳特性金属材料的疲劳特性lS-N曲线曲线235.2.2 金属材料的疲劳特性金属材料的疲劳特性l疲劳极限线图：将不同疲劳极限线图：将不同r下的疲劳极限画到一个图下的疲劳极限画到一个图上上史密斯疲劳极限线图史密斯疲劳极限线图史密斯疲劳极限线图史密斯疲劳极限线图哈埃疲劳极限线图哈埃疲劳极限线图哈埃疲劳极限线图哈埃疲劳极限线图0245.2.2 金属材料的疲劳特性金属材料的疲劳特性l循环应力循环应力应变下的材料特性应变下的材料特性l材料的循环硬化和循环软化材料的
9、循环硬化和循环软化255.2.2 金属材料的疲劳特性金属材料的疲劳特性l循环应力循环应力应变下的材料特性应变下的材料特性l循环应力循环应力应变曲线应变曲线265.2.3 影响疲劳强度的因素影响疲劳强度的因素l材料组织成分、结构的影响；材料组织成分、结构的影响；l零部件形状、尺寸和表面状况的影响；零部件形状、尺寸和表面状况的影响；l工作载荷特性的影响；工作载荷特性的影响；l服役环境和条件的影响。服役环境和条件的影响。275.2.3 影响疲劳强度的因素影响疲劳强度的因素l1.应力集中的影响应力集中的影响l应力集中应力集中：外形突然变化或材料不连续地方，常产：外形突然变化或材料不连续地方，常产生很大
10、的局部应力生很大的局部应力l理论应力集中系数理论应力集中系数、：在弹性变化范围内材料：在弹性变化范围内材料的局部应力峰值的局部应力峰值 max与名义应力与名义应力之比之比 l有效应力集中系数有效应力集中系数K 、K ：实际衡量应力集中：实际衡量应力集中对疲劳强度影响的系数对疲劳强度影响的系数285.2.3 影响疲劳强度的因素影响疲劳强度的因素l2.尺寸影响尺寸影响l尺寸效应尺寸效应：疲劳强度随零件尺寸增大而降低的现象：疲劳强度随零件尺寸增大而降低的现象l尺寸系数尺寸系数、：一般零部件或试样的疲劳极限与几何相似：一般零部件或试样的疲劳极限与几何相似的标准试样的疲劳极限之比的标准试样的疲劳极限之比
11、295.2.3 影响疲劳强度的因素影响疲劳强度的因素l3.表面加工方法的影响表面加工方法的影响l不同表面加工的影响不同表面加工的影响：表面加工系数：表面加工系数1、腐蚀系数、腐蚀系数2、表面、表面强化系数强化系数3l表面加工系数表面加工系数：某种加工表面的标准光滑试样与磨光（国外：某种加工表面的标准光滑试样与磨光（国外为抛光）的标准光滑试样疲劳极限之比为抛光）的标准光滑试样疲劳极限之比305.2.4 疲劳寿命设计疲劳寿命设计l1.疲劳寿命设计的基本思想：疲劳累积损伤理论疲劳寿命设计的基本思想：疲劳累积损伤理论l当材料承受高于疲劳极限的应力时，每一循环都使材料产生一定量当材料承受高于疲劳极限的应
12、力时，每一循环都使材料产生一定量的损伤，这种损伤能够累积，当损伤累积到某一临界值时将产生破的损伤，这种损伤能够累积，当损伤累积到某一临界值时将产生破坏。坏。lMiner线性累积损伤理论线性累积损伤理论l相同应变幅值和平均应力的相同应变幅值和平均应力的 ni个应变和应力循环将按线性累加，造个应变和应力循环将按线性累加，造成成 ni/Ni的损伤，即消耗掉的损伤，即消耗掉 ni/Ni部分疲劳寿命；部分疲劳寿命；l当损伤按线性累加达到当损伤按线性累加达到1时，疲劳破坏就发生了。时，疲劳破坏就发生了。315.2.4 疲劳寿命设计疲劳寿命设计lMiner线性累积损伤理论基础线性累积损伤理论基础疲劳极限：疲
13、劳极限：r条件疲劳极限：条件疲劳极限：rN以以i循环循环ni次造成的损伤：次造成的损伤：ni/Ni；各个不同各个不同r下造成的总损伤：下造成的总损伤：ni/Ni 注意：注意：事实上，前面的加事实上，前面的加载应力大小对后面的损伤载应力大小对后面的损伤累积有影响。累积有影响。325.2.4 疲劳寿命设计疲劳寿命设计l2.常规疲劳寿命设计常规疲劳寿命设计l（1）无限寿命设计：）无限寿命设计：对疲劳强度要求高。对疲劳强度要求高。钢轨、桥梁、车轴钢轨、桥梁、车轴等的设计。等的设计。静强度设计静强度设计静强度设计静强度设计疲劳强度校核疲劳强度校核疲劳强度校核疲劳强度校核335.2.4 疲劳寿命设计疲劳寿
14、命设计l2.常规疲劳寿命设计常规疲劳寿命设计l（2）有限寿命设计：）有限寿命设计：要求零部件或结构在给定的使用周期要求零部件或结构在给定的使用周期内不能产生任何疲劳缺陷。内不能产生任何疲劳缺陷。常用于飞机、汽车、压力容器常用于飞机、汽车、压力容器等的设计中。等的设计中。345.2.4 疲劳寿命设计疲劳寿命设计l3.随机载荷下的疲劳寿命随机载荷下的疲劳寿命实测载荷实测载荷时间历程时间历程统计载荷谱统计载荷谱疲劳寿命计算疲劳寿命计算Miner线性累积准则线性累积准则355.3 损伤容限设计损伤容限设计l8.3.1 损伤容限设计的基本思想损伤容限设计的基本思想l8.3.2 线弹性断裂力学线弹性断裂力
15、学l8.3.3 疲劳裂纹扩展速率疲劳裂纹扩展速率l8.3.4 剩余寿命的估算剩余寿命的估算l8.3.5 断裂控制断裂控制365.3.1 损伤容限设计的基本思想损伤容限设计的基本思想l设计思想设计思想：允许零件有初始缺陷，或在服役过程允许零件有初始缺陷，或在服役过程中出现裂纹，产生破损，但在下次检修之前应保持中出现裂纹，产生破损，但在下次检修之前应保持一定的剩余强度，能够正常使用，直到下次检修予一定的剩余强度，能够正常使用，直到下次检修予以发现、修复或更换。以发现、修复或更换。l关键问题关键问题：如何估算裂纹扩展寿命：如何估算裂纹扩展寿命线弹性断裂力学线弹性断裂力学375.3.2 线弹性断裂力学
16、线弹性断裂力学l1.裂纹的基本类型裂纹的基本类型张开型张开型张开型张开型(I I I I)滑开型滑开型滑开型滑开型()撕开型撕开型撕开型撕开型()裂纹表面裂纹表面裂纹裂纹前缘前缘IIIIII385.3.2 线弹性断裂力学线弹性断裂力学l2.应力强度因子与断裂韧度应力强度因子与断裂韧度l概念的由来概念的由来：裂纹尖端应力应变场分析：裂纹尖端应力应变场分析l裂纹尖端应力场的一般表达式裂纹尖端应力场的一般表达式：中心贯穿裂中心贯穿裂纹无限大板纹无限大板395.3.2 线弹性断裂力学线弹性断裂力学l2.应力强度因子与断裂韧度应力强度因子与断裂韧度l应力强度因子应力强度因子KI：反映裂纹尖端附近区域的应
17、力、：反映裂纹尖端附近区域的应力、应变场强弱程度的物理量。应变场强弱程度的物理量。l断裂韧度断裂韧度Kc：应力强度因子的临界值，即发生脆：应力强度因子的临界值，即发生脆性断裂时的应力强度因子。性断裂时的应力强度因子。l平面应变断裂韧度平面应变断裂韧度KIc：断裂韧度的最低值。：断裂韧度的最低值。l断裂判据断裂判据：KIKIc405.3.3 疲劳裂纹扩展速率疲劳裂纹扩展速率l1.裂纹扩展速率：裂纹扩展速率：n研究裂纹扩展速率的目的：研究裂纹扩展速率的目的：设计选材时的参考；设计选材时的参考；计算裂纹体的剩余寿命；计算裂纹体的剩余寿命；415.3.3 疲劳裂纹扩展速率疲劳裂纹扩展速率l疲劳裂纹稳定
18、扩展的疲劳裂纹稳定扩展的Paris公式公式n临界应力强度因子幅度临界应力强度因子幅度n疲劳断裂韧性疲劳断裂韧性425.3.3 疲劳裂纹扩展速率疲劳裂纹扩展速率l2.影响疲劳裂纹扩展速率的因素影响疲劳裂纹扩展速率的因素l平均应力平均应力：平均应力使裂纹扩展速率增加：平均应力使裂纹扩展速率增加l超载超载：过载峰延缓随后的低载恒幅下的裂纹扩展：过载峰延缓随后的低载恒幅下的裂纹扩展l加载频率加载频率：加载频率减小，裂纹扩展速率增大：加载频率减小，裂纹扩展速率增大l温度温度：温度提高，裂纹扩展速率增大：温度提高，裂纹扩展速率增大435.3.4 剩余寿命的估算剩余寿命的估算l零件的剩余寿命零件的剩余寿命：
19、在已经存在裂纹的条件下，零：在已经存在裂纹的条件下，零构件能够运行的周期数或时间。即疲劳裂纹的扩构件能够运行的周期数或时间。即疲劳裂纹的扩展寿命。展寿命。l估算零件剩余寿命的方法估算零件剩余寿命的方法：裂纹扩展的：裂纹扩展的Paris公公式式445.3.4 剩余寿命的估算剩余寿命的估算l（1）初始裂纹尺寸）初始裂纹尺寸a0的确定的确定l仪器灵敏度的尺寸仪器灵敏度的尺寸 l初始裂纹发生于关键零件的关键部位初始裂纹发生于关键零件的关键部位 l（2）临界裂纹尺寸）临界裂纹尺寸ac的确定的确定l应力强度因子达到断裂韧性值应力强度因子达到断裂韧性值l（3）应力强度因子的确定）应力强度因子的确定l查表、计
20、算、试验查表、计算、试验455.3.5 断裂控制断裂控制l1.材料选择：材料选择：KIc/sl2.结构设计结构设计l3.定期检验制度定期检验制度l4.控制安全工作应力控制安全工作应力46复习思考题复习思考题l1.常规疲劳设计与现代疲劳设计方法的异同点。常规疲劳设计与现代疲劳设计方法的异同点。l2.疲劳破坏与静强度破坏有哪些不同？疲劳破坏与静强度破坏有哪些不同？l3.损伤容限设计的基本思想是什么？损伤容限设计的基本思想是什么？l4.长度为长度为2a=1000mm 的悬臂梁的悬臂梁AB，其横截面为矩形，宽、，其横截面为矩形，宽、高分别为高分别为b=20 mm和和h=30 mm。载荷如图所示，。载荷如图所示，P=2000N已知，材料弹性模量已知，材料弹性模量E=206000MPa，许用应力，许用应力=360MPa，试计算悬臂梁是否满足强度要求。试计算悬臂梁是否满足强度要求。47小测验小测验l问题：假如现在交给你一项机械设计的任务，根据你现在所学到的知识，你将如何着手工作？请详细阐述你的思路及采取的手段、方法。l思路：48设计方案结构设计结构设计强度设计强度设计三边设计法三边设计法49