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    机械设计精品课件 疲劳强度.ppt

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    机械设计精品课件 疲劳强度.ppt

    ,,第二章 机械零件的疲劳强度设计,2-1 概 述,2-2 材料疲劳曲线和极限应力图,2-3 影响(part)零件疲劳强度的主要因素,2-4 受稳定循环应力时零件的疲劳强度,2-5 受规律性不稳定循环应力时零件的疲劳强度,2-1 概 述,2-1 概 述,材料疲劳的两种类别,一、交变应力的描述Parameters of variable stress,,,1非对称循环变应力,应 力 幅σaσmax-σmin/2,平均应力σmσmaxσmin/2,应力循环特性r σmin /σmax,-1≤ r ≤1,2 脉动循环变应力,3对称循环变应力,最大应力 σmax,最小应力 σmin,σmin 0 ;σm σar σmin /σmax 0,σm 0 ; σmax σa -σmin r σmin /σmax -1,概述3,概 述,规律性变幅循环应力,随机循环应力,2-1 概 述,2-1 概 述,材料疲劳的两种类别,表2-1 几种典型变应力的循环特征和应力特点,,,,,,,,,当零件受变切应力作用时,只需将公式中的,2-1 概 述,2-1 概 述,材料疲劳的两种类别,,,,,,,,,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,2-1 概 述,2-1 概 述,一、疲劳破坏,疲劳破坏是循环应力作用下零件的主要失效形式。,曲轴断裂,内源断裂,概述2,概 述,疲劳断口特征疲劳区和脆性断裂区。,疲劳破坏的机理疲劳破坏是一个损伤累积的过程,需要时间,寿命可计算。 影响因素不仅与材料性能有关,变应力的循环特性, 应力循环次数,应力幅都对疲劳极限有很大影响。,概述2,概 述,曲轴疲劳断裂断口特征,返回,裂纹源区,,,,,,,2-2 疲劳曲线和极限应力图,2-2 疲劳曲线和极限应力图,一、疲劳曲线( - N 曲线),疲劳极限,循环特征为r的循环变应力下应力循环N次后材料不发生疲劳破坏时的最大应力 称为材料的疲劳极限。,疲劳寿命(N)材料疲劳失效前所经历的应力循环次数N,1、疲劳曲线应力循环特性一定时,材料的疲劳极限与应力循环次数之间关系的曲线,No 循环基数持久极限,,2-2 疲劳曲线和极限应力图,2-2 疲劳曲线和极限应力图,材料的疲劳曲线σrN –N(Curve of fatigue ),N0,,有限寿命区,无限寿命区,,,,,,,,,,,,,A,B,C,,N0循环基数,m、C系数,σrN1,σrN2,N1,N2,σrN0,,,,103,1)有限寿命区当N103104低周循环,疲劳极限接近于屈服极限,按静强度计算,2-2 疲劳曲线和极限应力图,2-2 疲劳曲线和极限应力图,,当N103104高周循环疲劳当 时随循环次数↑疲劳极限↓,注意有色金属和高强度合金钢无无限寿命区。,2)无限寿命区,持久极限,对称循环,脉动循环,3)疲劳曲线方程,,2-2 疲劳曲线和极限应力图,2-2 疲劳曲线和极限应力图,∴疲劳极限,几点说明,② m指数与应力与材料的种类有关。 钢 m9拉、弯应力、剪应力 m6接触应力 青铜 m9弯曲应力 m8接触应力,① No 硬度≤350HBS钢, No107≥350HBS钢, No10 - 25x107 有色金属无水平部分,规定当No25x107时,近似为无限寿命区,寿命系数,疲劳曲线2,材料疲劳曲线和极限应力图,5)无限寿命设计 N ≥ N0 时的设计。取 = 。,注1)计算 时,如 N ≥ ,则取 N= 。,2)工程中常用的是对称循环应力( -1)下的疲劳极限,计算时,只须把 和 换成 和 即可。,3)对于受切应力的情况,则只需将各式中的 换成 即可。,4)当N <( ~ )时,因 N 较小,可按静强度计算。,③ 应力循环特性越大,材料的疲劳极限与持久极限越大,对零件强度越有利。 对称循环(应力循环特性-1)最不利,极限应力图3,材料疲劳曲线和极限应力图,疲劳曲线的用途,根据循环特征为r的无限寿命的疲劳极限,确定疲劳寿命 N 的条件疲劳极限,极限应力图,材料疲劳曲线和极限应力图,二、材料 极限应力图,定义在疲劳寿命N 一定时,表示疲劳极限 与应力比 之间关系的线图。,下图为疲劳寿命为 (无限寿命)时的极限应力图,,,,对任何材料(标准试件),对不同的应力循环特性下有不同的持久极限,即该材料的最大应力 ,再由应力循环特性可求出 、 、,极限应力图2,,,三个特殊点A、B、C 分别对应对称循环、脉动循环、以及静应力下的极限应力点。,极限应力点极限应力线上的点。表示某个应力比下的极限应力,AD段的方程为,式中,--等效系数,疲劳曲线和极限应力图,材料的简化极限应力线图对于高塑性钢,常将其极限应力线简化为折线 ABDG 。可根据材料三个试验数据 和 而作出,其值见教材P18。,DG段方程为,,s,s,s,,,,疲劳曲线和极限应力图,说明,表2-2 等效系数,、,值,如果材料承受的实际工作应力点落在折线ADG以内,最大应力即不超过疲劳极限又不超过 ,则不会发生破坏,且工作应力点距离折线越远越安全。如工作应力点落在ADG折线以外,就会发生破坏。,表中数值表明平均应力对疲劳强度的影响,合金钢比碳钢大。,极限应力图2,,,疲劳曲线和极限应力图,、,值,直线 上各点表示的极限应力所对应的疲劳寿命是相等的,都等于循环基数,从给材料造成损伤的角度考虑,其上每个非对称循环极限应力与点表示的对称循环极限应力( )都是等效的。,推论任何一个非对称循环应力( , )也都可以找到一个与之等效的对称循环应力。,该等效对称循环应力的应力幅 用表示,,,等效处理把非对称循环疲劳问题转化成对称循环疲劳问题加以解决,极限应力图3,疲劳曲线和极限应力图,对于低塑性钢或铸铁,其极限应力线可简化为直线AC。,,,极限应力图3,材料疲劳曲线和极限应力图,极限应力图的用途,根据对称循环的无限寿命的疲劳极限,非对称循环下的疲劳极限,极限应力图2,,,疲劳曲线和极限应力图,、,值,极限应力图2,,,疲劳曲线和极限应力图,、,值,机械零件上的应力集中会加快疲劳裂纹的形成和扩展。从而导致零件的疲劳强度下降。,2-3影响疲劳强度的因素,2-3 影响零件疲劳强度的主要因素,前边提到的各疲劳极限 ,实际上是材料的力学性能指标,是用试件通过试验测出的。,而实际中的各机械零件,与标准试件在形体,表面质量以及绝对尺寸等方面往往是有差异的。因此实际机械零件的疲劳强度与用试件测出的必然有所不同。,影响零件疲劳强度的主要因素有以下三个,一、应力集中的影响,用疲劳缺口系数 、 (也称应力集中系数)计入应力集中的影响 。( 、 的值见教材或有关手册),,,、(,2-3影响疲劳强度的因素,2-3 影响零件疲劳强度的主要因素,,,( )无应力集中试件的对称循环弯曲(扭转剪切)疲劳极限。, )有应力集中试件的对称循环弯曲(扭转剪切)疲劳极限。,注其值不仅与零件几何形状和相对尺寸有关,而且还与零件材料的内部组织结构有关。,当同一剖面上同时有几个应力集中源时,应采用其中最大的疲劳缺口系数进行计算。,表面质量是指表面粗糙度及其表面强化的工艺效果。表面越光滑,疲劳强度可以提高。强化工艺(渗碳、表面淬火、表面滚压、喷丸等)可显著提高零件的疲劳强度。用表面状态系数 、 计入表面质量的影响。,影响疲劳强度的主要因素2,影响零件疲劳强度的主要因素,二、尺寸的影响,零件的尺寸越大,在各种冷、热加工中出现缺陷,产生微观裂 纹等疲劳源的可能性(机会)增大。从而使零件的疲劳强度降低。,用尺寸系数 、 ,计入尺寸的影响。,( 、 见教材或手册 ),三、表面质量的影响,,、 标准尺寸试件的对称循环弯曲(扭转剪切)疲劳极限。,,,,,、 与试件应力集中相同的某种尺寸零件的对称循环弯曲(扭转剪切)疲劳极限。,影响疲劳强度的主要因素3,影响零件疲劳强度的主要因素,综合影响系数,试验证明应力集中、尺寸和表面质量都只对应力幅有影响, 而对平均应力没有明显的影响。(即对静应力没有影响),在计算中,上述三个系数都只计在应力幅上,故可将三个系数组成一个综合影响系数,循环应力,,标准表面状态试件的对称循环疲劳极限。,某种表面状态零件的对称循环疲劳极限。,,,2-4 受恒幅循环应力时,2-4 受恒幅循环应力时零件的疲劳强度,疲劳强度设计的主要内容之一是计算危险剖面处的安全系数,以 判断零件的安全程度。安全条件是S ≥ 。,一、受单向应力时零件的安全系数,零件的极限应力图,,折线 即为零件的极限 应力线。,注由于DG段 属于静强度,而 静强度不受 的影响,故不需修正。,受恒幅循环应力时2,受恒幅循环应力时零件的疲劳强度,计算零件的疲劳强度时,应首先求出零件危险剖面上的工作应力 和 。据此,在极限应力图中标出工作应力点N( , )。 在零件的极限应力线 上确定出相应的极限应力点,根据该极 限应力点表示的极限应力和零件的工作应力计算零件的安全系数。,零件工作应力的增长规律不同,则相应的极限应力点也不同。,典型的应力增长规律通常有三种,疲劳强度线 的方程为,式中 、 为 上任意点的坐标即零件的极限应力分量。,极限应力图,受恒幅循环应力时3,,=C 规律下的极限应力点,1、 =C(常数)(即 =常数),通过原点和工作应 力点 N 的射线即表示 此种应力增长规律。,应力增长规律线与 零件极限应力线的交点即为相应的极限应 力点。,根据工作应力和 点表示的极限应力即可计算零件的安全系数。,按最大应力计算的安全系数为,≥,受恒幅循环应力时零件的疲劳强度,受恒幅循环应力时零件的疲劳强度,受恒幅循环应力时3,,=C 规律下的极限应力点,≥,受恒幅循环应力时零件的疲劳强度,,,疲劳强度区,,,,看成是一个与原来作用的非对称循环工作应力,等效的对称循环应力,由于是对称循环,所以它是一个应力幅 。,受恒幅循环应力时3,=C 规律下的极限应力点,受恒幅循环应力时零件的疲劳强度,,,屈服强度区,,,,,在工程设计中,当难以确定零件工作应力增长规律时,一般可按应力规律,受恒幅循环应力时4,受恒幅循环应力时零件的疲劳强度,注1)应力增长规律为 时,按应力幅计算的安全系数 等与按最大应力计算的安全系数。,2)如按图解法求安全系数,则,2、 (常数),,规律下的极限应力点,3)如极限应力点落在 上,则需计算静强度,应力在增长过程中,平均应力保持不变,如车辆的减振弹簧,平均应力由车的重量产生,振动又产生了对称循环应力。,受恒幅循环应力时4,受恒幅循环应力时零件的疲劳强度,,规律下的极限应力点,,疲劳强度区,,,得,按最大应力计算的安全系数及安全条件为,,按应力幅计算的安全系数及安全条件为,,屈服强度区,,注对于有限寿命设计问题, 须将各式中的 和 换成 N 次 循环下的条件疲劳极限 和,受恒幅循环应力时5,受恒幅循环应力时零件的疲劳强度,,受恒幅循环应力时5,3、 (常数),受恒幅循环应力时零件的疲劳强度,,,如气缸和液压缸上的联结螺栓,其最小应力由预紧力产生,保持不变。,,疲劳强度区,按最大应力计算,,按应力幅计算,,屈服强度区,受恒幅循环应力时6,二、受复合应力下的安全系数,1 塑性材料受弯扭复合应力时的安全系数,式中 、--为单向恒幅循环应力下的安全系数。,2 低塑性和脆性材料受弯扭复合应力时的安全系数,受恒幅循环应力时零件的疲劳强度,非对称循环无限寿命设计,,,非对称循环有限寿命设计,,,2-5受变幅循环应力时,2-5 受变幅循环应力时零件的疲劳强度,本节只介绍规律性变幅循环应力下的疲劳强度计算方法。,一、Miner 法则--疲劳损伤线性累积假说,由最大应力分别为、 、 的三个恒 幅循环应力构成的规律 性变幅循环应力,如右 图所示。,--寿命损伤率,受变幅循环应力时2,受变幅循环应力时零件的疲劳强度,Minger法则在规律性变幅循环应力中各应力的作用下,损伤是独 立进行的,并且可以线性地累积成总损伤。当各应力的寿命损伤率 之和等于1时,则会发生疲劳破坏。,即,上式即为Miner法则的数学表达式,亦即疲劳损伤线性累积假说。,注在计算时,对于小于 的应力,可不考虑。,二、疲劳强度设计,损伤等效,受变幅循环应力时3,受变幅循环应力时零件的疲劳强度,用 表示等效应力 的疲劳寿命。,损伤等效即为 的寿命损伤率=各应力的寿命损伤率之和。,即,(只介绍这种方法),(可看作是等效方程),受变幅循环应力时,受变幅循环应力时零件的疲劳强度,等效循环次数法,这种方法是首先人为选定 ,之后,将选定的 代入上式 计算出 。则,将上式求出的 代入疲劳曲线方程即可求出 下的条件疲 劳极限,则可进一步计算零件的安全系数。(见教材的式(2-29)和式(2-30)), 为等效应力,受变幅循环应力时,受变幅循环应力时零件的疲劳强度,当规律性不稳定循环应力中各应力为对称循环时,,当规律性不稳定循环应力中各应力为非对称循环时,,式中,,、,的应力幅和平均应力,,,对于受规律性非稳定切应力时疲劳强度设计,只需将各公式中的正应力换成切应力即可。,, 寿命系数,

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