机械零件的疲劳强度计算分析课件.ppt
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1、1、主要学习内容:变应力的基本类型和材料的高周疲劳;机械零件的疲劳强度计算;机械零件疲劳强度计算的机构系数;2、学习目标:掌握变应力的基本类型;掌握材料疲劳曲线;掌握单向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算;掌握双向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算;了解单向不稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算;了解提高机械零件疲劳强度的措施;,第三章 机械零件的疲劳强度计算,3、学习的重点和难点:单向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算;双向稳定变应力时机械零件的疲劳强度计算;,第六章 机械零件的疲劳强度计算,3.1 机械零件设计的基本准则及一般设计步骤,一、机械零件设计的基本准则失效:机械零件因为某种原因丧失
2、正常工作能力。失效的形式:断裂或塑性变形、超过规定的弹性变形、工作表面的过度磨损和损伤、打滑或过热以及发生强烈振动等。失效的原因:由于强度、刚度、耐磨性、振动稳定性等不满足工作要求。,计算准则:根据失效原因而制定的判定条件称为计算准则。设计中把计算准则作为防止失效和进行设计计算的依据。,1、强度;2、刚度;3、耐磨性;4、振动稳定性,1、强度:机械零件的强度可以分为体积强度和表面强度两种。,(1)体积强度:零件的体积强度不足,会产生断裂或过大的塑性变形,体积强度就是抵抗这两种失效的能力。设计计算时必须使零件危险截面上的最大应力 不超过材料的许用应力,或使危险截面上的安全系数 不小于零件的许用安
3、全系数。,式中 分别为正应力和切应力的许用安全系数;分别为极限正应力和极限切应力。,极限应力 的选择:1)在静应力下工作并用塑性材料制成的零件,其失效将是塑性变形,应按不发生塑性变形的强度条件计算,故常以材料的屈服点 作为极限应力。2)在静应力下工作并用脆性材料制成的零件,其失效将是断裂,应按不发生断裂的强度条件计算,故常以材料的强度极限 作为极限应力。3)在交变应力下工作的零件,无论使用塑性材料还是用脆性材料制成的零件,其失效均为疲劳断裂,应按不发生疲劳断裂的强度条件计算,故常以材料的疲劳极限作为极限应力。同时应考虑零件尺寸、表面状态及几何形状引起的应力集中对疲劳极限的影响。,(2)表面强度
4、:零件的表面强度不足,会发生表面损失。表面强度可分为表面挤压强度和表面接触强度两种。表面挤压强度是指面接触的两零件,受载后接触面间产生挤压应力,应力分布在接触面不太深的表层,挤压应力过大时,零件表面被压溃。设计计算时应使零件的最大挤压应力不超过材料的许用挤压应力。表面接触强度是指以点或线接触的两零件,受载后由于零件表面的弹性变形,使点或线变为微小的接触面,微小接触面上的局部应力称为接触应力,其最大值用 表示。实际上,大多数回转零件的接触应力是一种变应力,由于接触应力的反复作用,使零件表面的金属呈小片状剥落下来,形成一些小麻坑,这种现象称为疲劳点蚀。零件表面发生疲劳点蚀后,减小了接触面积,损伤了
5、零件的光滑表面,因而也降低了承载能力,并引起振动和噪声。,设计时应按不发生疲劳点蚀为强度条件计算,使零件表面上的最大接触应力 不超过材料的许用接触应力,即:式中:零件表面的最大接触应力;许用接触应力;材料的接触疲劳极限;接触强度的许用安全系数。,2、刚度刚度是零件在载荷作用下抵抗弹性变形的能力。如果零件的刚度不足,产生的弹性变形过大,会影响机器的正常工作(如果机床主轴刚度不足,会影响零件的加工精度)。设计计算时,必须使零件在载荷作用下产生的最大弹性变形量不超过许用变形量:式中:分别为零件的变形量和许用变形量;分别为零件的转角和许用转角;分别为零件的扭角和许用扭角;,3、耐磨性耐磨性是在载荷作用
6、下相对运动的两零件表面抵抗磨损的能力。零件过度磨损会使形状尺寸改变,配合间隙增大,精度降低,产生冲击振动,从而失效。设计时应使零件在预期使用寿命内的磨损量不超过允许范围。一般通过限制工作面的单位压力和相对滑动速度;选择合适的材料组合及热处理方法;良好地润滑以及提高表面硬度和表面质量等均能提高耐磨性。对于传动效率低、发热量大的运动副(如蜗杆传动副),如果散热不良,将使零件温升过高,致使两零件局部熔融引起胶合,因此还应进行散热计算,使其正常工作时的温度不超过允许限度。,4、振动稳定性如果机器中某一零件的固有频率f和周期性强迫振动频率fp相等或成整数倍时,零件振幅就会急剧增大而产生共振,使零件工作性
7、能失常,还可能引起破坏。所谓振动稳定性,就是设计时避免使零件的固有频率和强迫振动频率相等或成整数倍。强度、刚度、耐磨性及振动稳定性是衡量机械零件工作能力的准则,设计计算时并不是每一种零件均需按这些准则逐项计算,而是根据零件的实际工作条件,分析出主要失效形式,按其相应的计算准则进行设计计算;确定出主要参数后,必要时再按其他准则校核,机械设计中的机械零件强度计算是最基本的设计计算,强度可以分为静应力强度和变应力强度。静应力强度计算常用于应力变化次数小于103次,而峰值较大。变应力强度计算即为疲劳强度计算。应力变化次数大于103次。,3.1 变应力的基本类型和材料的高周疲劳,载荷谱(应力谱):作用在
8、机械零件上的变载荷或变应力随时间变化的图形。其应力类型可以分为稳定循环变应力、非稳定循环变应力和随机变应力。稳定循环变应力:分为非对称循环变应力、脉动循环变应力和对称循环变应力等三类。,一、变应力的分类,a)随时间按一定规律周期性变化,而且变化幅度保持常数的变应力称为稳定循环变应力。,变应力,循环变应力(周期),稳定,不稳定循环变应力,简单,复合扭、弯结合,对 称,脉 动,非对称,随机变应力(非周期),b)若变化幅度也是按一定规律周期性变化如图b所示,则称为不稳定循环变应力。,c)如果幅度变化不呈周期性,而带有偶然性,则称为随机变应力,如图c所示。,二、变应力参数 图2给出了一般情况下稳定循环
9、变应力谱的应力变化规律。,零件受周期性的应力作用:它们之间的关系为:最小应力min;最大应力max;应力幅为a;平均应力为m;应力循环特性r;,规定:1、a总为正值;2、a的符号要与m的符号保持一致。其中:max变应力最大值;min变应力最小值;m平均应力;a应力幅;r循环特性,-1 r+1。由此可以看出,一种变应力的状况,一般地可由max、min、m、a及r五个参数中的任意两个来确定。,a 参数不随时间变化的循环应力称为稳定循环应力;b 参数随时间变化的循环应力称为不稳定循环应力;,c 稳定循环应力中,当r=-1时,表明,这种应力称为对称循环应力。d 当 时,表明;称为非对称循环应力。e 当
10、r=0时,表明,这种应力称为脉动循环应力;f 当r=+1时,表明,即为静应力。,例1 已知:max=200N/mm2,r=0.5,求:min、a、m。解:,应力谱、载荷谱,例2 已知:a=80N/mm2,m=40N/mm2 求:max、min、r、绘图。解:,例3 已知:A截面产生max=400N/mm2,min=100N/mm2 求:a、m,r。,解:,二、材料疲劳的两种类别根据作用在机械零件上的变应力循环次数的不同,把材料的疲劳分为两类:当变应力循环次数大约在104左右时,材料的疲劳现象称为低周疲劳,亦称应变疲劳。例如:飞机起落架、炮筒、导弹壳体等。大部分通用零件和专用零件在工作时所承受的
11、变应力循环次数大于104,此时材料的疲劳称为高周疲劳。本章只讨论高周疲劳问题。,疲劳断裂的特征疲劳断裂是材料在变应力作用下,在一处或几处产生局部永久性累积损伤,经一定循环次数后,产生裂纹或突然发生断裂的过程。疲劳断裂有几个特征:1)疲劳断裂可分为两个阶段,即首先在零件表面应力较大处产生初始裂纹,而后裂纹尖端在切应力作用下,反复发生塑性变形,使裂纹扩展到一定程度后,发生突然断裂。2)疲劳断裂的断面明显分成两个区,即表面光滑的疲劳发展区和表面粗糙的脆性断裂区。3)不论塑性材料还是脆性材料制成的零件,疲劳断裂均为脆性突然断裂。4)疲劳极限比同材料的屈服点低,疲劳极限的大小和应力循环次数及循环特性有关
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