2010第二章機械零件強度.ppt
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機械設(shè)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(xué)什么，為什么學(xué)，如何學(xué)”的問題；2、幾個名詞和概念；3、機械設(shè)計的總體原則和一般程序；4、零件設(shè)計的一般程序。,問題：1、本課程的研究對象是什么？主要任務(wù)是什么？2、從功能方面談?wù)剻C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(xué)時】2-3學(xué)時【主要內(nèi)容】機械零件的工作能力和計算準(zhǔn)則，機械零件的設(shè)計方法，載荷與應(yīng)力分類，靜應(yīng)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(xué)習(xí)目標(biāo)】了解機械零件的工作能力和計算準(zhǔn)則以及設(shè)計方法，掌握變應(yīng)力的種類和基本參數(shù)，明確材料簡化極限應(yīng)力圖和零件簡化極限應(yīng)力圖的意義及應(yīng)用，能夠進行單向穩(wěn)定變應(yīng)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(yīng)力的種類和基本參數(shù)，材料簡化極限應(yīng)力圖和零件簡化應(yīng)力圖的意義及應(yīng)用。,第1節(jié)機械零件的工作能力和計算準(zhǔn)則第2節(jié)載荷與應(yīng)力的分類第3節(jié)靜應(yīng)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(xué)）,主要內(nèi)容,1機械零件的工作能力和計算準(zhǔn)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(yīng)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(shè)計的基本要求：避免在預(yù)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(zhǔn)則,1機械零件的工作能力和計算準(zhǔn)則,1.2機械零件的計算準(zhǔn)則,1機械零件的工作能力和計算準(zhǔn)則,1.3機械零件的設(shè)計方法(一般設(shè)計方法)（1）理論設(shè)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(xué)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(dāng)?shù)牟牧稀?）根據(jù)零件工作能力準(zhǔn)則，確定零件的主要尺寸兩種計算方法：a）設(shè)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(zhǔn)則,b）校核計算：其他方法初步設(shè)計→驗算。5）畫零件圖。（2）經(jīng)驗設(shè)計根據(jù)經(jīng)驗關(guān)系式，用類比的方法所進行的設(shè)計。如：箱體、傳動件各個結(jié)構(gòu)要素等（3）模型實驗設(shè)計把初步設(shè)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(fēng)力發(fā)電設(shè)備等的風(fēng)洞實驗，水輪機、輪船、潛艇等的水洞實驗。,2載荷與應(yīng)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(yīng)力的分類,靜應(yīng)力:,2.2應(yīng)力的分類,1）應(yīng)力種類,變應(yīng)力：,穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力:應(yīng)力變化周期、應(yīng)力幅和平均應(yīng)力均不隨時間而改變者；,非對稱循環(huán)變應(yīng)力,脈動循環(huán)變應(yīng)力,對稱循環(huán)變應(yīng)力,2載荷與應(yīng)力的分類,2）穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力的基本參數(shù)和種類,a)基本參數(shù):,平均應(yīng)力:,應(yīng)力幅:,最大應(yīng)力:,最小應(yīng)力:,2載荷與應(yīng)力的分類,應(yīng)力循環(huán)特性:,b)穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力種類：,-1<γ<+1——不對稱循環(huán)變應(yīng)力,γ=0——脈動循環(huán)變應(yīng)力,γ=+1——靜應(yīng)力,γ=–1——對稱循環(huán)變應(yīng)力,注意：靜應(yīng)力只能由靜載荷產(chǎn)生，而變應(yīng)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(yīng)力的分類,名義應(yīng)力——由名義載荷產(chǎn)生的應(yīng)力計算應(yīng)力——由計算載荷產(chǎn)生的應(yīng)力,3）名義應(yīng)力和計算應(yīng)力,3靜應(yīng)力時機械零件的強度計算,3.1單向應(yīng)力下的塑性零件,強度條件：,或：,（失效形式：塑性變形）,3.2復(fù)合應(yīng)力時的塑性材料零件,按第三或第四強度理論對彎扭復(fù)合應(yīng)力進行強度計算由第三強度理論：（最大剪應(yīng)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(yīng)力時機械零件的強度計算,復(fù)合應(yīng)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(yīng)力：——強度極限,（失效形式：斷裂）,3靜應(yīng)力時機械零件的強度計算,按第一強度條件：（最大主應(yīng)力理論）,2）復(fù)合應(yīng)力下工作的零件,注意：(1)低塑性材料強度計算應(yīng)計入應(yīng)力集中的影響。(2)脆性材料強度計算不考慮應(yīng)力集中。(3)一般工作期內(nèi)應(yīng)力變化次數(shù)<103（104），按靜應(yīng)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(yīng)力較大處）②裂紋尖端在切應(yīng)力作用下，反復(fù)擴展，直至產(chǎn)生疲勞斷裂。,4.1變應(yīng)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(yīng)力（疲勞極限）遠小于材料的屈服極限。,4.1變應(yīng)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(guān)，變應(yīng)力的循環(huán)特性，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，應(yīng)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(yīng)力圖,——疲勞極限，應(yīng)力循環(huán)特性γ下應(yīng)力循環(huán)N次后材料不發(fā)生疲勞破壞時的最大應(yīng)力。,疲勞壽命（N）——材料疲勞失效前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N,（1）疲勞曲線：應(yīng)力循環(huán)特性一定時，材料的疲勞極限與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)之間關(guān)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(guān)。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(dāng)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(yīng)力及材料的種類有關(guān)。,m=9——拉、彎曲應(yīng)力、剪應(yīng)力。m=6——接觸應(yīng)力。,m=9——彎曲應(yīng)力。m=8——接觸應(yīng)力。,鋼：,青銅：,③應(yīng)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(yīng)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(biāo)、為縱坐標(biāo)，即可得材料在不同應(yīng)力循環(huán)特性下的—曲線，即為材料的疲勞極限應(yīng)力圖。,（2）材料的疲勞極限應(yīng)力圖——同一種材料在不同的應(yīng)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(yīng)著不同應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力圖,（1）應(yīng)力集中的影響——有效應(yīng)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(yīng)力集中，對應(yīng)力集中的敏感程度與零件的材料有關(guān)。,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(yīng)力集中系數(shù),——應(yīng)力集中源處名義應(yīng)力,——材料對應(yīng)力集中的敏感系數(shù),——應(yīng)力集中源處最大應(yīng)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(guān)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(yīng)力集中，零件尺寸和表面狀態(tài)只對應(yīng)力幅有影響，而對平均應(yīng)力無影響。,（4）綜合影響系數(shù)和零件的極限應(yīng)力圖,綜合影響系數(shù)表示了材料極限應(yīng)力幅與零件極限應(yīng)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)試件的材料特性,——零件的極限應(yīng)力幅和極限平均應(yīng)力。,4機械零件的疲勞強度計算,4.4單向穩(wěn)定變應(yīng)力時的疲勞強度計算,1）——大多數(shù)轉(zhuǎn)軸中的應(yīng)力狀態(tài),已知零件危險斷面的最大工作應(yīng)力和最小工作應(yīng)力，求對應(yīng)于M點的零件的極限應(yīng)力（疲勞極限）,過原點與工作應(yīng)力點M或N作連線交ADGC于M1或N1點?！叽酥本€上任一點的應(yīng)力循環(huán)特性均相同?！郙1或N1點即為所求的極限應(yīng)力點。,4機械零件的疲勞強度計算,a)當(dāng)工作應(yīng)力點位于OAG內(nèi),極限應(yīng)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(biāo)，縱橫坐標(biāo)加起來既可得到零件的極限應(yīng)力,零件的極限應(yīng)力（疲勞極限）：,強度條件：,4機械零件的疲勞強度計算,b)當(dāng)工作應(yīng)力點位于OGC內(nèi),極限應(yīng)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(yīng)力狀態(tài),過工作應(yīng)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(yīng)力值?！郙2或N2點即為所求的極限應(yīng)力點。,4機械零件的疲勞強度計算,a)當(dāng)工作應(yīng)力點位于OAGH區(qū)域內(nèi),強度條件：,極限應(yīng)力為疲勞極限，按疲勞強度計算。,b）工作應(yīng)力點位于GHC區(qū)域內(nèi),強度條件為：,極限應(yīng)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(yīng)力狀態(tài),∴過工作應(yīng)力點M（N）作與橫坐標(biāo)成45的直線，則這直線任一點的最小應(yīng)力均相同?！嘀本€與極限應(yīng)力線圖交點即為所求極限應(yīng)力點。,4機械零件的疲勞強度計算,a)工作應(yīng)力點位于OJGI內(nèi),極限應(yīng)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(yīng)力點位于IGC區(qū)域內(nèi),∵極限應(yīng)力點為,強度條件：,極限應(yīng)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(yīng)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(shè)計，若按有限壽命要求設(shè)計零件時，即應(yīng)力循環(huán)次數(shù)103(104)下載提示(請認真閱讀)
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