工程力学(静力学与材料力学)第16章疲劳强度问题ppt课件.ppt

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1、单辉祖-材料力学教程,1,第 10 章 疲劳强度问题,本章主要研究：, 循环应力与疲劳的概念 材料的疲劳强度 构件的疲劳强度与分析计算 提高构件疲劳强度的措施,单辉祖-材料力学教程,2,1 引言 2 循环应力及其类型3 S-N曲线与材料的疲劳极限4 影响构件疲劳极限的主要因素5 对称循环应力下构件的强度计算6 非对称与弯扭组合循环应力下构件 的强度计算7 变幅循环应力与累积损伤概念简述,单辉祖-材料力学教程,3,1 引 言, 循环应力 疲劳破坏及其特点,单辉祖-材料力学教程,4, 循环应力,实例,载荷 F 的大小循环变化,联杆内应力随之变化,每个齿随齿轮转动循环受力，齿内应力循环变化,单辉祖-

2、材料力学教程,5,起落架因飞机起落而反复受载,（载荷不变, 轴转动）,单辉祖-材料力学教程,6,循环应力随时间循环变化的应力（也称交变应力）,循环应力的变化幅度，可能是恒定的, 也可能是变化的,循环应力,恒幅循环应力,变幅循环应力,单辉祖-材料力学教程,7, 疲劳破坏及其特点,在循环应力作用下，材料或构件产生可见裂纹或完全断裂的现象称为疲劳破坏，简称疲劳,在循环应力作用下，如果应力足够大，并经历应力的多次循环后，构件将产生可见裂纹或完全断裂,疲劳破坏,单辉祖-材料力学教程,8,疲劳破坏特点,钢拉伸疲劳断裂, 破坏时应力低于sb ，甚至 ss, 即使是塑性材料，也呈现脆性断裂, 断口通常呈现光滑

3、与粗粒状两个区域,断,疲劳破坏过程，可理解为裂纹萌生、逐渐扩展与最后断裂的过程,单辉祖-材料力学教程,9,2 循环应力及其类型, 恒幅循环应力描述 恒幅循环应力的类型,单辉祖-材料力学教程,10, 恒幅循环应力描述,恒幅循环应力较常见，也是分析变幅循环应力问题的基础,两种描述方式：, 最大应力 smax 与最小应力smin, 平均应力sm与应力幅sa,单辉祖-材料力学教程,11, 恒幅循环应力的类型,循环应力变化特点，影响材料与构件的疲劳强度,应力比或循环特征,对称循环应力,脉动循环应力,非对称循环应力所有 r -1 的循环应力,单辉祖-材料力学教程,12,3 S-N曲线与材料的疲劳极限, 疲

4、劳试验 S-N曲线与材料的疲劳极限,单辉祖-材料力学教程,13, 疲劳试验,旋转弯曲疲劳试验,采用小尺寸（610 mm）光滑标准试样（为一等强梁）,轴向拉压疲劳试验机,单辉祖-材料力学教程,14, S-N 曲线与材料的疲劳极限, S-N 曲线 - 应力 S（s 或 t）与相应应力循环数（或寿命） N 的关系曲线, 持久极限 - 材料能经受无限次应力循环而不发生疲劳破坏的最大应力值，用 sr 或tr 表示，r循环特征,单辉祖-材料力学教程,15,N0某指定寿命,材料疲劳极限或条件疲劳极限,材料的持久极限与疲劳极限，统称为材料的疲劳极限,单辉祖-材料力学教程,16,4 影响构件疲劳极限的主要因素,

5、 构件外形的影响 构件横截面尺寸的影响 构件表面加工质量的影响,单辉祖-材料力学教程,17, 构件外形的影响,应力集中促使疲劳裂纹的形成，对构件疲劳强度的影响很大,存在应力集中试样的疲劳极限,不存在应力集中试样的疲劳极限, R 愈小, Ks 愈大 sb 愈高，应力集中 对sr 的影响愈显著,Ks有效应力集中因数,单辉祖-材料力学教程,18,应尽量减小应力集中，特别对于高强度材料构件, 增大圆角半径 减小相连杆段的横向尺寸的差别 将必要的孔与沟槽等配置在低应力区 采用凹槽与卸荷糟等,单辉祖-材料力学教程,19, 构件横截面尺寸的影响,试验：弯、扭疲劳极限随构件横截面尺寸增大而减小,标准试样的疲劳

6、极限,大尺寸试样的疲劳极限, d 愈大,sr 降低愈多 sb 愈高,sr 降低愈多,es ,et 尺寸因数,单辉祖-材料力学教程,20, 构件表面加工质量的影响,最大应力发生在构件表层，构件表面又常存在各种缺陷，故构件表面加工质量与表层状况对疲劳强度存在影响,表面加工质量愈低, sr 降低愈多；sb 愈高，加工质量对sr 的影响愈大,b 表面质量因数, 对于重要构件, 尤其存在应力集中的部位, 应特别讲究表面加工方法, 愈采用高 sb 材料, 愈重要 提高构件表层材料的强度、改善表层应力状况，例如渗碳、渗氮、高频淬火、表层滚压与喷丸等,单辉祖-材料力学教程,21,5 对称循环应力下构件的疲劳强

7、度计算, 对称循环疲劳强度条件 例题,单辉祖-材料力学教程,22, 对称循环疲劳强度条件,构件疲劳极限与许用应力,构件疲劳强度条件,（轴）,（拉压杆与梁）,构件疲劳极限,构件疲劳许用应力,nf疲劳安全因数,单辉祖-材料力学教程,23,smax , tmax 最大工作应力（名义应力）s-1 , t-1 对不同截面一般不同,疲劳强度条件的另一种表示形式：,单辉祖-材料力学教程,24, 例 题,例 5-1 铬镍合金钢轴，承受对称循环交变弯矩， Mmax = 700 N.m, 校核疲劳强度。D=50mm，d=40mm, R = 5 mm, sb = 1200 MPa, s-1 = 480 MPa, n

8、f = 1.6，表面精车加工。,解：1. 工作应力计算,危险截面：A-A,单辉祖-材料力学教程,25,2. 确定影响因数,3. 校核疲劳强度,单辉祖-材料力学教程,26,6 非对称与弯扭组合循环应力下构件的疲劳强度计算, 非对称循环疲劳强度条件 弯扭组合循环疲劳强度条件,单辉祖-材料力学教程,27, 非对称循环应力下构件的疲劳强度条件,s0 , t0 材料在脉动循环应力下的疲劳极限,疲劳强度条件（应力比 r 保持一定时）：, 敏感因数，查有关手册，或由下式确定,（轴）,（拉压杆与梁）,sa , sm （ ta , tm ） 构件危险点处的平均应力与应力幅,b , Ks , es , Kt ,

9、et 对称循环下的相关影响因数,单辉祖-材料力学教程,28, 弯扭组合循环应力下构件的疲劳强度条件,弯扭组合静荷强度条件（塑性材料）：,推广到弯扭循环应力,弯扭循环应力构件疲劳强度条件：,试验证实,单辉祖-材料力学教程,29,7 变幅循环应力与累积损伤概念简介, 累积损伤概念 迈因纳定律,单辉祖-材料力学教程,30, 累积损伤概念,汽车轴、飞机起落架等承受变幅循环应力，以最大峰值应力低于疲劳极限考虑其强度，过于保守,累积损伤概念：当构件承受高于疲劳极限的应力时，每个应力循环将使构件受到损伤，而当损伤积累到一定程度时，构件将发生破坏,单辉祖-材料力学教程,31, 迈因纳定律,程序加载应力谱,由 k 级常幅循环应力组成一周期,设寿命为 l周期,则破坏条件为,线性损伤理论,每个周期造成的损伤：,迈因纳(Miner)定律,与试验有些出入, 但简单实用,单辉祖-材料力学教程,32,本章结束！,