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华中科技大学—机械设计—第02章机械设计中的强度问题.ppt

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华中科技大学—机械设计—第02章机械设计中的强度问题.ppt
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强度(Strength),第2章 机械设计中的强度问题,强度约束:,载荷(Load):,作用在零件上的外力、弯矩、扭矩以及冲击能量等,1) 根据性质分类:,,静载荷(Static Load),动载荷(Varying Load),一、载荷和应力(Load and Stress),如:重力、匀速转动时所受离心力等,如:行驶在路面的汽车内零件所受的载荷、刀具所受的切削力等,2) 根据计算方法分类:,工作载荷(working load):,名义载荷(nominal load):,机器正常工作所受的实际载荷,机器在理想和稳定条件下的载荷,计算载荷(computational load):,考虑机器工作中所受的各种附加载荷而得到的载荷,K (load factor):载荷系数,近替似代实际载荷,设计时均用此载荷,计算载荷 = K ×名义载荷,,可根据原动机的额定功率或工作阻力按理论力学的方法求出,应力,静应力(static stress),变应力(varying stress),变应力,,稳定循环,不稳循环,随机(random),T、sa、 sm不随时间而变,T、sa、 sm之一随时间而变,随机变化,均不确定,,,,,主要讨论稳定循环变应力!,0,0,0,3) 应力(stress),稳定循环变应力的几个主要参数:,最大应力(maximum stress),最小应力(minimum stress),平均应力(mean stress),应力幅(stress amplitude),应力循环特征(stress ratio),smax和smin同侧时,r为正值;异侧时,r为负值,,,,,,,最大、最小应力对应波峰、波谷,且,五个参数中只有两个是独立的!,几种典型的稳定循环变应力:,对称循环(repeated and reversed stress),脉动循环(repeated, one-direction stress),静应力(static stress),非对称循环变应力(fluctuating stress),材料不变时,一般来讲,r越小 (越接近-1),循环次数N越多, 零件越容易损坏,请确定下图轴上任一点N 所受弯曲应力的应力循环特征值r。,变应力既可由变载产生,也可由静载产生!,答:,当轴静止时,弯曲应力为静应力,r =+1。,当轴转动时,弯曲应力为对称循环变应力,r =-1。,例题1:,请确定下图弹簧上任一点 所受弯曲应力的应力循环特征值r。,例题2:,二、静应力作用下的强度问题,——零件发生破坏、失去承载能力时的应力,脆性材料:,塑性材料:,例如:,45:,静应力作用下的极限应力:,灰铸铁:,静应力作用下的失效:断裂或塑性变形,强度准则:,变应力作用下的主要失效:疲劳断裂,,强度约束:,变应力作用下极限应力slim或tlim到底为多少?,如何确定?,,,实验发现:变应力作用下零件发生疲劳断裂时的应力远低于强度极限sb,即: slim sb,三、稳定循环变应力作用下的强度问题,与应力循环次数N(使用寿命)有关的断裂,变应力作用下零件的极限应力不唯一,主要与下列因素有关:,◆ 材料的性能,◆ 应力的循环次数N(作用时间),◆ 应力的循环特征r,◆ 零件的表面状态,◆ 零件的大小,三个概念: 材料的极限应力 材料的疲劳极限 零件的疲劳极限,用标准试件进行强度试验,断裂时的应力值,即为材料的极限应力,,如果是疲劳强度试验,则发生疲劳断裂时的最大应力值即为材料的极限应力。此时的极限应力不唯一,与多种因素有关,如果是静强度试验,则材料的极限应力是固定值(屈服极限或强度极限),为示区别,变应力作用下的极限应力也叫疲劳极限应力,1) 不同循环次数N 时的材料的疲劳极限,,srN1,srN2,,,N0,,S-N 曲线,sr,应力越小,寿命越长,低、中碳钢, N0 =106~107,合金钢、有色金属, N0 =108或5×108,对于中、低碳钢,当N达到某数值N0时,疲劳曲线变为水平,——不存在水平段,疲劳曲线上任一点的纵坐标即为在相应寿命下的材料的极限应力,疲劳曲线说明:在有限寿命期内,试件经过一定次数的变应力作用后,总会发生疲劳破坏 ;而K点以后,如果作用的变应力最大应力小于K点的应力,则无论循环多少次,材料都不会破坏,K,以K为界,左边为有限寿命区;右边为无限寿命区,sr— 材料的疲劳极限,srN — 材料的条件疲劳极限,N0 — 循环基数,如s-1 、 s0分别表示对称、脉动循环变应力作用下的材料的疲劳极限,可查手册得到,有限寿命期内(当 N<N0):,= 常数,寿命系数,,无限寿命期内(当 N ≥ N0):,无限寿命时疲劳极限均为sr,例如某种材料,在不同 r 作用下的疲劳曲线如下图:,如: s-1 = 49MPa,s-0.5 = 62MPa
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