1总论3机械零件的强度

第一篇总论第三章机械零件的强度§3-1材料的疲劳强度§3-2机械零件的疲劳强度§3-3机械零件的抗断裂强度§3-4机械零件的接触强度§3-5机械零件的可靠性设计简介第三章机械零件的强度基本要求1.了解疲劳曲线和极限应力曲线的来源、意义及用途，能从材料的几个基本特性及零件的几何特性绘制零件的极限应力简化曲线图；会求零件的极限应力。2.学会单向稳定变应力时机械零件的强度计算方法；3.学会双向变应力时机械零件的强度校核方法；4.会查附录中的有关图表。2一.基本概念1.载荷：静载荷、变载荷1）名义载荷(理论载荷)：Fn、M、T、P2）实际载荷(考虑实际因素的载荷)：2.应力：静应力、变应力ncaKFF§3-1机械零件强度计算概述3）计算载荷(强度计算时所采用的荷)：注意：计算载荷比名义载荷更接近于实际载荷。1）工作应力：按计算载荷计算的作用在零件上的应力，2）计算应力：复杂应力状态时，按强度理论求出的应力，ca3）极限应力：lim(静应力下，极限应力为定值：S或B；变应力下，极限应力是变值）4）许用应力：Slim3二.机械零件的强度方法ca1.设计计算：2.校核计算：1）应力校核计算：SScalim2）安全系数校核计算：4材料选择应力分析公式强度设计公式结构尺寸计算理想方式，一般需要求解方程组结构参数设定应力分析材料选择强度校核一般需要反复计算才能得到满意结果稳定循环变应力非稳定循环变应力三.变应力——应力随时间而变化1）循环变应力（周期变化）2）非循环变应力（非周期变化）minm51）最大应力：max2）最小应力：min3）平均应力：m4）应力幅值：a5）循环特性：r稳定循环变应力及特性：变应力关系：)(21minmaxm)(21minmaxamaxminr注意：1）变应力是由变载荷产生的，也可能是由静载荷产生的(机构运动了)。2）在变应力作用下，零件产生的是疲劳破坏。3）疲劳破坏的特征：（1）linB或s；（2）无塑性变形的突然断裂；（3）是损伤的累积，裂纹随应力循环次数N扩展。minm6循环变应力的类型及特性：1）对称循环变应力：10maxmaxminram、、、2）脉动循环变应力：3）非对称循环变应力：4）静应力：020maxminram、、1maxminrm、变应力关系：)(21minmaxm)(21minmaxamaxminrminm7描述材料的疲劳特性：lim(max)与应力循环次数N和应力循环特性r有关——rN（变应力的极限应力）§3-1材料的疲劳特性当循环特性为r为定值时，对试样作疲劳试验,在不同的N值下,记录试样疲劳破坏的rN值。一、材料疲劳的两种类型低周疲劳高周疲劳8高周疲劳线段分为两部分：二、疲劳曲线1）有限寿命（CD段）：曲线方程：（常数）CNmrNm——材料常数，m=6~20由于ND（106~25106）较大，为了确定常数C，通常取N=N0试验得rN0rN0——循环基数；N0=（1~10）106这样：CNNmrmrN0）（DCrNmrrNNNNKNN02）无限寿命（D点以后段）：)(DrNrrNNND9三.极限应力图：1.材料的极限应力图及其简化：当应力循环次数N为定值时（N=N0），试验得出r与r的关系。通常是找m与a的关系，间接代表r与r的关系。amramamrmaxmaxmin试件的试验条件：1）光滑、无应力集中源；2）标准尺寸。),(am),(am10材料的极限应力的简化：D4545G20ma20A点：r=-1(对称)C点：r=1(静应力)D点：r=0(脉动)11直线：CG0.1~0.20.2~0.3碳钢：合金钢：直线：GAma001121m）（am,）（am,返回12零件的极限应力线图由于零件几何形状的变化、尺寸大小、加工质量及强化因素等的影响，使得零件的疲劳极限要小于材料试件的疲劳极限。以弯曲疲劳极限的综合影响系数Ｋσ表示材料对称循环弯曲疲劳极限σ-1与零件对称循环弯曲疲劳极限σ-1e的比值，即e11K在不对称循环时，Ｋσ是试件与零件极限应力幅的比值。将零件材料的极限应力线图中的直线A'D'G'按比例向下移，成为右图所示的直线ADG，而极限应力曲线的CG部分，由于是按照静应力的要求来考虑的，故不须进行修正。这样就得到了零件的极限应力线图。§3-2机械零件的疲劳强度计算132.零件的极限应力图及其简化：考虑应力集中、绝对尺寸、表面质量、强化等因素时的疲劳极限：应力集中：零件剖面几何形状突变处疲劳极限降低)(kk引入应力集中系数来考虑绝对尺寸：剖面绝对尺寸大、出现缺陷概率大、疲劳极限降低用绝对尺寸系数来考虑)(表面质量：表面光滑或强化处理，能提高疲劳极限用表面质量系数来考虑)(强化处理：表面强化处理，能提高疲劳极限用零件强化系数来考虑q各个系数的值参看P3945本章附录。mmeaaeK,qkK111综合影响系数：14），（KD2200AK1直线AGKaae由G），（aeme），（aeme1meKK1aeeeme1002eK1）直线的方程：AGKaae2）直线：GC15同样，按照上述方法可写出剪应力的极限应力曲线方程。直线:GC直线:AG1eaemeKmea100210021eKKqkK11116一.单向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算•变应力的应力比保持不变，即：r=C•变应力的平均应力保持不变，即：m=C•变应力的最小应力保持不变，即：min=C§3-2机械零件的疲劳强度计算一般步骤：1）由外载荷计算max、minm、a——工作应力；2）将工作应力m、a标在零件极限应力图上，得工作应力点：M（m，a）amM,3）确定工作应力点M（m，a）所对应的零件的极限应力点M（me，ae）aemeM,零件的极限应力aememaxlim4）计算安全系数：SScamaxmaxlim零件的极限应力点的确定：按零件的加载方式分17Cr（如转轴）amM,aemeM,11maxlimmaxamaemeamamKKCrrma11minmaxminmaxmaC1.变应力的应力比保持不变，即上式表示：r=C时，为过坐标原点O的一条直线。1）如果OM线与AG线交于M（me，ae），则有：11,mameaeamamKKmaxlim1maxcaamSSK18amM,aemeM,NsmeaemaxlimN2）如果ON线与GC线交于N（me，ae），则有：SSamscamaxmaxlim按静应力计算：注意：如果工作应力点在OGC区域内，则lim=s，这时按静应力计算极限应力图分两个区：疲劳强度静强度：：OGCOAG192.变应力的平均应力保持不变，即CmamM,（如振动中的弹簧）aemeM,1maxlimmaxmcamaKSSKCm上式表示为：平行纵坐标的一条直线。1）如果此线与AG线交于M（me，ae），则有：1,mmemaeK1limmaxmaemeKK20amM,aemeM,极限应力图分两个区：疲劳强度静强度：：HGCOAGHsmeaemaxlim2）如果此线与GC线交于N（me，ae），则有：SSamscamaxmaxlim按静应力计算：注意：如果工作应力点在HGC区域内，则lim=s，这时按静应力计算NHN213.变应力的最小应力保持不变，即CminamM,M（如受轴向变载荷的紧螺栓的应力状态）Cammin45SKKSacaminmin1maxmaxmaxlim22KKKKammeaemin11maxlim22式表示为：过M点与横坐轴夹角45°的一条直线。KKKamaeamme)(,)(111）如果此线与AG线交于M（me，ae），则有：22amM,MNI45N同样，按照上述方法可写出剪应力的疲劳强度计算公式。略…smeaemaxlim2）如果此线与GC线交于N（me，ae），则有：SSamscamaxmaxlim按静应力计算：注意：如果工作应力点在IGC区域内，则lin=s，这时按静应力计算极限应力图分两个区：疲劳强度静强度：：IGCOAGIJ23规律性不稳定变应力机械零件的疲劳强度计算3机械零件的疲劳强度计算二.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σ1每循环一次对材料的损伤率即为1/N1，而循环了n1次的σ1对材料的损伤率即为n1/N1。如此类推，循环了n2次的σ2对材料的损伤率即为n2/N2，……。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：1332211NnNnNn用统计方法进行疲劳强度计算不稳定变应力非规律性规律性按损伤累积假说进行疲劳强度计算详细分析三.双向稳定变应力时机械零件的疲劳极限若零件上作用有周期相同、相位相同的对称弯曲应力a和扭转剪切应力a时，对一般结构钢，经实验得其对应的极限应力（a，a）符合下列关系：12121eaea注：因为为对称循环，所以：maxmaxaa曲线上任何一点都代表一对极限应力。若零件的工作应力点在以内，则是安全的。),(aa),(aaMABaae1e1oABCDCDeaeaM11,eaeaM11,式中：-1e为零件只受对称时的极限应力-1e为零件只受对称时的极限应力26aae1e1oABCDCDeaeaeaeaDOCOODOC1111aaaacaODDOOCCOOMMOSacaaacaaSS12121eaea12121eacaeacaSSSae1令：Sae1eaeaM11,eaeaM11,27122SSSScaca22SSSSS