2010第二章機械零件強度.ppt
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機械設計,教師：陳豐郵箱：fengchen_12@,知識回顧和問題,知識回顧:1、知道了“學什么，為什么學，如何學”的問題；2、幾個名詞和概念；3、機械設計的總體原則和一般程序；4、零件設計的一般程序。,問題：1、本課程的研究對象是什么？主要任務是什么？2、從功能方面談談機械的組成。3、什么叫機械零部件的失效？,第二章機械零件的強度,【計劃學時】2-3學時【主要內(nèi)容】機械零件的工作能力和計算準則，機械零件的設計方法，載荷與應力分類，靜應力時機械零件的強度計算，機械零件的疲勞強度計算，機械零件的接觸強度【學習目標】了解機械零件的工作能力和計算準則以及設計方法，掌握變應力的種類和基本參數(shù)，明確材料簡化極限應力圖和零件簡化極限應力圖的意義及應用，能夠進行單向穩(wěn)定變應力時的疲勞強度計算：γ=C、σm=C、σmin=C的疲勞強度校核，了解提高機械零件疲勞強度的措施?！局攸c難點】重點是掌握變應力的種類和基本參數(shù)，材料簡化極限應力圖和零件簡化應力圖的意義及應用。,第1節(jié)機械零件的工作能力和計算準則第2節(jié)載荷與應力的分類第3節(jié)靜應力時機械零件的強度計算第4節(jié)機械零件的疲勞強度計算第5節(jié)機械零件的接觸強度（自學）,主要內(nèi)容,1機械零件的工作能力和計算準則,1.1機械零件的主要失效形式和工作能力1）機械零件的主要失效形式,機械零件的主要失效形式,,整體斷裂：拉，壓，彎，扭,零件表面的破壞：磨損、腐蝕、接觸疲勞,破壞正常工作條件引起的失效：打滑，共振，膠合,過大的殘余應力：加工，熱處理,,2）機械零件的工作能力零件不發(fā)生失效的安全工作限度稱為工作能力。對載荷而言的工作能力稱為承載能力。有時，零件工作能力是針對變形、速度、溫度或壓力而言的安全工作限度。機械零件設計的基本要求：避免在預期壽命期內(nèi)失效的要求（強度、剛度、耐磨性、振動穩(wěn)定性、可靠性等）結(jié)構(gòu)工藝性的要求經(jīng)濟性要求質(zhì)量小的要求可靠性要求,1機械零件的工作能力和計算準則,1機械零件的工作能力和計算準則,1.2機械零件的計算準則,1機械零件的工作能力和計算準則,1.3機械零件的設計方法(一般設計方法)（1）理論設計1）根據(jù)使用要求，選擇零件的類型和結(jié)構(gòu)。2）根據(jù)機器的工作要求，計算作用在零件上的載荷。名義載荷（F、P、T）：力學公式計算出的載荷。但：由于載荷作用的不平穩(wěn)性、分布的不均勻性等因素，實際載荷大于名義載荷?！d荷系數(shù)K∴計算載荷(Fc、Pc、Tc)=載荷系數(shù)名義載荷3）選擇適當?shù)牟牧稀?）根據(jù)零件工作能力準則，確定零件的主要尺寸兩種計算方法：a）設計計算：直接求出危險截面尺寸A。,1機械零件的工作能力和計算準則,b）校核計算：其他方法初步設計→驗算。5）畫零件圖。（2）經(jīng)驗設計根據(jù)經(jīng)驗關系式，用類比的方法所進行的設計。如：箱體、傳動件各個結(jié)構(gòu)要素等（3）模型實驗設計把初步設計的零、部件或機器作成小模型或小尺寸樣機進行實驗。如：飛機、橋梁、風力發(fā)電設備等的風洞實驗，水輪機、輪船、潛艇等的水洞實驗。,2載荷與應力的分類,2.1、載荷的分類,隨機變載荷,變載荷：,靜載荷:,如鍋爐的壓力、勻速轉(zhuǎn)動的離心力、自重等。,,循環(huán)變載荷,,穩(wěn)定循環(huán)變載荷：,,不穩(wěn)定循環(huán)變載荷：,如汽車、農(nóng)業(yè)機械等。,2載荷與應力的分類,靜應力:,2.2應力的分類,1）應力種類,變應力：,穩(wěn)定循環(huán)變應力:應力變化周期、應力幅和平均應力均不隨時間而改變者；,非對稱循環(huán)變應力,脈動循環(huán)變應力,對稱循環(huán)變應力,2載荷與應力的分類,2）穩(wěn)定循環(huán)變應力的基本參數(shù)和種類,a)基本參數(shù):,平均應力:,應力幅:,最大應力:,最小應力:,2載荷與應力的分類,應力循環(huán)特性:,b)穩(wěn)定循環(huán)變應力種類：,-1<γ<+1——不對稱循環(huán)變應力,γ=0——脈動循環(huán)變應力,γ=+1——靜應力,γ=–1——對稱循環(huán)變應力,注意：靜應力只能由靜載荷產(chǎn)生，而變應力可能由變載荷產(chǎn)生，也可能由靜載荷產(chǎn)生！？,2載荷與應力的分類,名義應力——由名義載荷產(chǎn)生的應力計算應力——由計算載荷產(chǎn)生的應力,3）名義應力和計算應力,3靜應力時機械零件的強度計算,3.1單向應力下的塑性零件,強度條件：,或：,（失效形式：塑性變形）,3.2復合應力時的塑性材料零件,按第三或第四強度理論對彎扭復合應力進行強度計算由第三強度理論：（最大剪應力理論）由第四強度理論：（最大變形能理論）,（失效形式：塑性變形）,3靜應力時機械零件的強度計算,復合應力計算安全系數(shù)為：,或：,3.3脆性材料與低塑性材料,脆性材料極限應力：——強度極限,（失效形式：斷裂）,3靜應力時機械零件的強度計算,按第一強度條件：（最大主應力理論）,2）復合應力下工作的零件,注意：(1)低塑性材料強度計算應計入應力集中的影響。(2)脆性材料強度計算不考慮應力集中。(3)一般工作期內(nèi)應力變化次數(shù)<103（104），按靜應力強度計算。,4機械零件的疲勞強度計算,比例極限：,彈性極限：,屈服極限或屈服強度：,抗拉強度：,最大斷裂強度：,4機械零件的疲勞強度計算,（1）失效形式：疲勞斷裂。（2）疲勞破壞特征：1）斷裂過程：①產(chǎn)生初始裂紋（應力較大處）②裂紋尖端在切應力作用下，反復擴展，直至產(chǎn)生疲勞斷裂。,4.1變應力作用下機械零件的失效特征,4機械零件的疲勞強度計算,2）斷裂面：①光滑區(qū)（疲勞發(fā)展區(qū)）②粗糙區(qū)（脆性斷裂區(qū)）3）無明顯塑性變形的脆性突然斷裂4）破壞時的應力（疲勞極限）遠小于材料的屈服極限。,4.1變應力作用下機械零件的失效特征,4機械零件的疲勞強度計算,（4）影響因素：不僅與材料性能有關，變應力的循環(huán)特性，應力循環(huán)次數(shù)，應力幅都對疲勞極限有很大影響。,（3）疲勞破壞的機理：損傷的累積。,4.2材料的疲勞曲線和極限應力圖,——疲勞極限，應力循環(huán)特性γ下應力循環(huán)N次后材料不發(fā)生疲勞破壞時的最大應力。,疲勞壽命（N）——材料疲勞失效前所經(jīng)歷的應力循環(huán)次數(shù)N,（1）疲勞曲線：應力循環(huán)特性一定時，材料的疲勞極限與應力循環(huán)次數(shù)之間關系的曲線。,4機械零件的疲勞強度計算,1）有限壽命區(qū),N103(104)——高周循環(huán)疲勞。,N0—循環(huán)基數(shù)—持久極限,注意：大多數(shù)通用機械零件及專用零件的失效都是高周循環(huán)疲勞引起的。,4機械零件的疲勞強度計算,2）無限壽命區(qū),——持久極限,對稱循環(huán)：,脈動循環(huán)：,,,注意：有色金屬和高強度合金鋼無無限壽命區(qū)!,3）疲勞曲線方程,隨循環(huán)次數(shù)↑疲勞極限↓。,4機械零件的疲勞強度計算,——壽命系數(shù),幾點說明：,①N0——循環(huán)基數(shù)，與材料性質(zhì)有關。鋼:硬度≤350HBS，N0=107≥350HBS，N0=(10～25)x107有色金屬:疲勞曲線無水平部分，規(guī)定當N0>25x107時，近似為無限壽命區(qū)。,4機械零件的疲勞強度計算,②m——材料常數(shù)，與應力及材料的種類有關。,m=9——拉、彎曲應力、剪應力。m=6——接觸應力。,m=9——彎曲應力。m=8——接觸應力。,鋼：,青銅：,③應力循環(huán)特性γ越大，材料的疲勞極限與持久極限越大，對零件強度越有利。對稱循環(huán)（應力循環(huán)特性=-1）最不利！,4機械零件的疲勞強度計算,以為橫坐標、為縱坐標，即可得材料在不同應力循環(huán)特性下的—曲線，即為材料的疲勞極限應力圖。,（2）材料的疲勞極限應力圖——同一種材料在不同的應力循環(huán)特性下的疲勞極限圖。,4機械零件的疲勞強度計算,—強度極限點,如圖A′B曲線上的點對應著不同應力循環(huán)特性γ下的材料疲勞極限σ,—對稱疲勞極限點,—脈動疲勞極限點,—屈服極限點,4機械零件的疲勞強度計算,材料的簡化極限應力線圖，可根據(jù)材料的三個試驗數(shù)據(jù)而作出。,折線以內(nèi)為疲勞和塑性安全區(qū)，折線以外為疲勞和塑性失效區(qū)，工作應力點離折線越遠，安全程度愈高。,4機械零件的疲勞強度計算,應力集中、零件尺寸和表面狀態(tài)三項因素對機械零件的疲勞強度影響最大!,4.3影響機械零件疲勞強度的主要因素和零件極限應力圖,（1）應力集中的影響——有效應力集中系數(shù),零件受載時，在幾何形狀突變處（直角、凹槽、孔等）要產(chǎn)生應力集中，對應力集中的敏感程度與零件的材料有關。,4機械零件的疲勞強度計算,——為考慮零件幾何形狀的理論應力集中系數(shù),——應力集中源處名義應力,——材料對應力集中的敏感系數(shù),——應力集中源處最大應力,（2）零件尺寸的影響——尺寸系數(shù),由于零件尺寸愈大時，材料的晶粒較粗，出現(xiàn)缺陷的概率大，而機械加工后表面冷作硬化層相對較薄，所以對零件疲勞強度的不良影響愈顯著。,（3）表面狀態(tài)的影響,1）表面質(zhì)量系數(shù),零件加工的表面質(zhì)量（主要指表面粗糙度）對疲勞強度的影響。,鋼的越高，表面愈粗糙，愈低。,強化處理——淬火、滲氮、滲碳、熱處理、拋光、噴丸、滾壓等。,2）表面強化系數(shù),考慮對零件進行不同的強化處理，對零件疲勞強度的影響。,查相關表。,4機械零件的疲勞強度計算,4機械零件的疲勞強度計算,應力集中，零件尺寸和表面狀態(tài)只對應力幅有影響，而對平均應力無影響。,（4）綜合影響系數(shù)和零件的極限應力圖,綜合影響系數(shù)表示了材料極限應力幅與零件極限應力幅的比值。,1）綜合影響系數(shù),4機械零件的疲勞強度計算,2)零件的極限應力圖,——零件脈動循環(huán)疲勞點,——零件對稱循環(huán)疲勞點,GC——零件屈服極限曲線,AG——零件許用疲勞極限曲線,4機械零件的疲勞強度計算,——零件的材料特性,——標準試件的材料特性,——零件的極限應力幅和極限平均應力。,4機械零件的疲勞強度計算,4.4單向穩(wěn)定變應力時的疲勞強度計算,1）——大多數(shù)轉(zhuǎn)軸中的應力狀態(tài),已知零件危險斷面的最大工作應力和最小工作應力，求對應于M點的零件的極限應力（疲勞極限）,過原點與工作應力點M或N作連線交ADGC于M1或N1點?！叽酥本€上任一點的應力循環(huán)特性均相同?！郙1或N1點即為所求的極限應力點。,4機械零件的疲勞強度計算,a)當工作應力點位于OAG內(nèi),極限應力為疲勞極限，按疲勞強度計算。,聯(lián)解OM和AG兩直線方程即可求得M1坐標，縱橫坐標加起來既可得到零件的極限應力,零件的極限應力（疲勞極限）：,強度條件：,4機械零件的疲勞強度計算,b)當工作應力點位于OGC內(nèi),極限應力為屈服極限，按靜強度計算。,強度條件：,4機械零件的疲勞強度計算,2）——振動中的受載彈簧的應力狀態(tài),過工作應力點M（N）作與縱軸平行的軸線交AG(GC)于M2（N2）點?！叽酥本€上任一點的都具有相同的平均應力值?！郙2或N2點即為所求的極限應力點。,4機械零件的疲勞強度計算,a)當工作應力點位于OAGH區(qū)域內(nèi),強度條件：,極限應力為疲勞極限，按疲勞強度計算。,b）工作應力點位于GHC區(qū)域內(nèi),強度條件為：,極限應力為屈服極限，按靜強度計算。,4機械零件的疲勞強度計算,3）——軸向變載荷的緊螺栓聯(lián)接中的螺栓應力狀態(tài),∴過工作應力點M（N）作與橫坐標成45的直線，則這直線任一點的最小應力均相同?！嘀本€與極限應力線圖交點即為所求極限應力點。,4機械零件的疲勞強度計算,a)工作應力點位于OJGI內(nèi),極限應力為疲勞極限，按疲勞強度計算。,求AG與MM3的交點:,強度條件:,,4機械零件的疲勞強度計算,b)工作應力點位于IGC區(qū)域內(nèi),∵極限應力點為,強度條件：,極限應力為屈服極限，按靜強度計算。,4機械零件的疲勞強度計算,注意：,1）若零件所受應力變化規(guī)律不能肯定，一般采用γ=C的情況計算。,2）上述計算均為按無限壽命進行零件設計，若按有限壽命要求設計零件時，即應力循環(huán)次數(shù)103(104)
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- 2010 第二 機械零件 強度
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