2010第二章機(jī)械零件強(qiáng)度.ppt
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機(jī)械設(shè)計(jì),教師：陳豐郵箱：fengchen_12@,知識(shí)回顧和問(wèn)題,知識(shí)回顧:1、知道了“學(xué)什么，為什么學(xué)，如何學(xué)”的問(wèn)題；2、幾個(gè)名詞和概念；3、機(jī)械設(shè)計(jì)的總體原則和一般程序；4、零件設(shè)計(jì)的一般程序。,問(wèn)題：1、本課程的研究對(duì)象是什么？主要任務(wù)是什么？2、從功能方面談?wù)剻C(jī)械的組成。3、什么叫機(jī)械零部件的失效？,第二章機(jī)械零件的強(qiáng)度,【計(jì)劃學(xué)時(shí)】2-3學(xué)時(shí)【主要內(nèi)容】機(jī)械零件的工作能力和計(jì)算準(zhǔn)則，機(jī)械零件的設(shè)計(jì)方法，載荷與應(yīng)力分類(lèi)，靜應(yīng)力時(shí)機(jī)械零件的強(qiáng)度計(jì)算，機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算，機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度【學(xué)習(xí)目標(biāo)】了解機(jī)械零件的工作能力和計(jì)算準(zhǔn)則以及設(shè)計(jì)方法，掌握變應(yīng)力的種類(lèi)和基本參數(shù)，明確材料簡(jiǎn)化極限應(yīng)力圖和零件簡(jiǎn)化極限應(yīng)力圖的意義及應(yīng)用，能夠進(jìn)行單向穩(wěn)定變應(yīng)力時(shí)的疲勞強(qiáng)度計(jì)算：γ=C、σm=C、σmin=C的疲勞強(qiáng)度校核，了解提高機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度的措施?！局攸c(diǎn)難點(diǎn)】重點(diǎn)是掌握變應(yīng)力的種類(lèi)和基本參數(shù)，材料簡(jiǎn)化極限應(yīng)力圖和零件簡(jiǎn)化應(yīng)力圖的意義及應(yīng)用。,第1節(jié)機(jī)械零件的工作能力和計(jì)算準(zhǔn)則第2節(jié)載荷與應(yīng)力的分類(lèi)第3節(jié)靜應(yīng)力時(shí)機(jī)械零件的強(qiáng)度計(jì)算第4節(jié)機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算第5節(jié)機(jī)械零件的接觸強(qiáng)度（自學(xué)）,主要內(nèi)容,1機(jī)械零件的工作能力和計(jì)算準(zhǔn)則,1.1機(jī)械零件的主要失效形式和工作能力1）機(jī)械零件的主要失效形式,機(jī)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(guò)大的殘余應(yīng)力：加工，熱處理,,2）機(jī)械零件的工作能力零件不發(fā)生失效的安全工作限度稱(chēng)為工作能力。對(duì)載荷而言的工作能力稱(chēng)為承載能力。有時(shí)，零件工作能力是針對(duì)變形、速度、溫度或壓力而言的安全工作限度。機(jī)械零件設(shè)計(jì)的基本要求：避免在預(yù)期壽命期內(nèi)失效的要求（強(qiáng)度、剛度、耐磨性、振動(dòng)穩(wěn)定性、可靠性等）結(jié)構(gòu)工藝性的要求經(jīng)濟(jì)性要求質(zhì)量小的要求可靠性要求,1機(jī)械零件的工作能力和計(jì)算準(zhǔn)則,1機(jī)械零件的工作能力和計(jì)算準(zhǔn)則,1.2機(jī)械零件的計(jì)算準(zhǔn)則,1機(jī)械零件的工作能力和計(jì)算準(zhǔn)則,1.3機(jī)械零件的設(shè)計(jì)方法(一般設(shè)計(jì)方法)（1）理論設(shè)計(jì)1）根據(jù)使用要求，選擇零件的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)。2）根據(jù)機(jī)器的工作要求，計(jì)算作用在零件上的載荷。名義載荷（F、P、T）：力學(xué)公式計(jì)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(shí)際載荷大于名義載荷?！d荷系數(shù)K∴計(jì)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(jì)算方法：a）設(shè)計(jì)計(jì)算：直接求出危險(xiǎn)截面尺寸A。,1機(jī)械零件的工作能力和計(jì)算準(zhǔn)則,b）校核計(jì)算：其他方法初步設(shè)計(jì)→驗(yàn)算。5）畫(huà)零件圖。（2）經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，用類(lèi)比的方法所進(jìn)行的設(shè)計(jì)。如：箱體、傳動(dòng)件各個(gè)結(jié)構(gòu)要素等（3）模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)把初步設(shè)計(jì)的零、部件或機(jī)器作成小模型或小尺寸樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如：飛機(jī)、橋梁、風(fēng)力發(fā)電設(shè)備等的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，水輪機(jī)、輪船、潛艇等的水洞實(shí)驗(yàn)。,2載荷與應(yīng)力的分類(lèi),2.1、載荷的分類(lèi),隨機(jī)變載荷,變載荷：,靜載荷:,如鍋爐的壓力、勻速轉(zhuǎn)動(dòng)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(chē)、農(nóng)業(yè)機(jī)械等。,2載荷與應(yīng)力的分類(lèi),靜應(yīng)力:,2.2應(yīng)力的分類(lèi),1）應(yīng)力種類(lèi),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(shí)間而改變者；,非對(duì)稱(chēng)循環(huán)變應(yīng)力,脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力,對(duì)稱(chēng)循環(huán)變應(yīng)力,2載荷與應(yīng)力的分類(lèi),2）穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力的基本參數(shù)和種類(lèi),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(lèi),應(yīng)力循環(huán)特性:,b)穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力種類(lèi)：,-1<γ<+1——不對(duì)稱(chēng)循環(huán)變應(yīng)力,γ=0——脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力,γ=+1——靜應(yīng)力,γ=–1——對(duì)稱(chēng)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(lèi),名義應(yīng)力——由名義載荷產(chǎn)生的應(yīng)力計(jì)算應(yīng)力——由計(jì)算載荷產(chǎn)生的應(yīng)力,3）名義應(yīng)力和計(jì)算應(yīng)力,3靜應(yīng)力時(shí)機(jī)械零件的強(qiáng)度計(jì)算,3.1單向應(yīng)力下的塑性零件,強(qiáng)度條件：,或：,（失效形式：塑性變形）,3.2復(fù)合應(yīng)力時(shí)的塑性材料零件,按第三或第四強(qiáng)度理論對(duì)彎扭復(fù)合應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算由第三強(qiáng)度理論：（最大剪應(yīng)力理論）由第四強(qiáng)度理論：（最大變形能理論）,（失效形式：塑性變形）,3靜應(yīng)力時(shí)機(jī)械零件的強(qiáng)度計(jì)算,復(fù)合應(yīng)力計(jì)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(qiáng)度極限,（失效形式：斷裂）,3靜應(yīng)力時(shí)機(jī)械零件的強(qiáng)度計(jì)算,按第一強(qiáng)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(qiáng)度計(jì)算應(yīng)計(jì)入應(yīng)力集中的影響。(2)脆性材料強(qiáng)度計(jì)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(qiáng)度計(jì)算。,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算,比例極限：,彈性極限：,屈服極限或屈服強(qiáng)度：,抗拉強(qiáng)度：,最大斷裂強(qiáng)度：,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算,（1）失效形式：疲勞斷裂。（2）疲勞破壞特征：1）斷裂過(guò)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(kuò)展，直至產(chǎn)生疲勞斷裂。,4.1變應(yīng)力作用下機(jī)械零件的失效特征,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)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(wú)明顯塑性變形的脆性突然斷裂4）破壞時(shí)的應(yīng)力（疲勞極限）遠(yuǎn)小于材料的屈服極限。,4.1變應(yīng)力作用下機(jī)械零件的失效特征,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)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(duì)疲勞極限有很大影響。,（3）疲勞破壞的機(jī)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(shí)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(shí)，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(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)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(jī)械零件及專(zhuān)用零件的失效都是高周循環(huán)疲勞引起的。,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算,2）無(wú)限壽命區(qū),——持久極限,對(duì)稱(chēng)循環(huán)：,脈動(dòng)循環(huán)：,,,注意：有色金屬和高強(qiáng)度合金鋼無(wú)無(wú)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(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算,——壽命系數(shù),幾點(diǎn)說(shuō)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(wú)水平部分，規(guī)定當(dāng)N0>25x107時(shí)，近似為無(wú)限壽命區(qū)。,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算,②m——材料常數(shù)，與應(yīng)力及材料的種類(lèi)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(duì)零件強(qiáng)度越有利。對(duì)稱(chēng)循環(huán)（應(yīng)力循環(huán)特性=-1）最不利！,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)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(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算,—強(qiáng)度極限點(diǎn),如圖A′B曲線上的點(diǎn)對(duì)應(yīng)著不同應(yīng)力循環(huán)特性γ下的材料疲勞極限σ,—對(duì)稱(chēng)疲勞極限點(diǎn),—脈動(dòng)疲勞極限點(diǎn),—屈服極限點(diǎn),4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算,材料的簡(jiǎn)化極限應(yīng)力線圖，可根據(jù)材料的三個(gè)試驗(yàn)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(diǎn)離折線越遠(yuǎn)，安全程度愈高。,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算,應(yīng)力集中、零件尺寸和表面狀態(tài)三項(xiàng)因素對(duì)機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度影響最大!,4.3影響機(jī)械零件疲勞強(qiáng)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(shí)，在幾何形狀突變處（直角、凹槽、孔等）要產(chǎn)生應(yīng)力集中，對(duì)應(yīng)力集中的敏感程度與零件的材料有關(guān)。,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)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(duì)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(shí)，材料的晶粒較粗，出現(xiàn)缺陷的概率大，而機(jī)械加工后表面冷作硬化層相對(duì)較薄，所以對(duì)零件疲勞強(qiáng)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(duì)疲勞強(qiáng)度的影響。,鋼的越高，表面愈粗糙，愈低。,強(qiáng)化處理——淬火、滲氮、滲碳、熱處理、拋光、噴丸、滾壓等。,2）表面強(qiáng)化系數(shù),考慮對(duì)零件進(jìn)行不同的強(qiáng)化處理，對(duì)零件疲勞強(qiáng)度的影響。,查相關(guān)表。,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算,應(yīng)力集中，零件尺寸和表面狀態(tài)只對(duì)應(yīng)力幅有影響，而對(duì)平均應(yīng)力無(wú)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(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算,2)零件的極限應(yīng)力圖,——零件脈動(dòng)循環(huán)疲勞點(diǎn),——零件對(duì)稱(chēng)循環(huán)疲勞點(diǎn),GC——零件屈服極限曲線,AG——零件許用疲勞極限曲線,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)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(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算,4.4單向穩(wěn)定變應(yīng)力時(shí)的疲勞強(qiáng)度計(jì)算,1）——大多數(shù)轉(zhuǎn)軸中的應(yīng)力狀態(tài),已知零件危險(xiǎn)斷面的最大工作應(yīng)力和最小工作應(yīng)力，求對(duì)應(yīng)于M點(diǎn)的零件的極限應(yīng)力（疲勞極限）,過(guò)原點(diǎn)與工作應(yīng)力點(diǎn)M或N作連線交ADGC于M1或N1點(diǎn)?！叽酥本€上任一點(diǎn)的應(yīng)力循環(huán)特性均相同?！郙1或N1點(diǎn)即為所求的極限應(yīng)力點(diǎn)。,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算,a)當(dāng)工作應(yīng)力點(diǎn)位于OAG內(nèi),極限應(yīng)力為疲勞極限，按疲勞強(qiáng)度計(jì)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(lái)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(qiáng)度條件：,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算,b)當(dāng)工作應(yīng)力點(diǎn)位于OGC內(nèi),極限應(yīng)力為屈服極限，按靜強(qiáng)度計(jì)算。,強(qiáng)度條件：,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算,2）——振動(dòng)中的受載彈簧的應(yīng)力狀態(tài),過(guò)工作應(yīng)力點(diǎn)M（N）作與縱軸平行的軸線交AG(GC)于M2（N2）點(diǎn)?！叽酥本€上任一點(diǎn)的都具有相同的平均應(yīng)力值?！郙2或N2點(diǎn)即為所求的極限應(yīng)力點(diǎn)。,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算,a)當(dāng)工作應(yīng)力點(diǎn)位于OAGH區(qū)域內(nèi),強(qiáng)度條件：,極限應(yīng)力為疲勞極限，按疲勞強(qiáng)度計(jì)算。,b）工作應(yīng)力點(diǎn)位于GHC區(qū)域內(nèi),強(qiáng)度條件為：,極限應(yīng)力為屈服極限，按靜強(qiáng)度計(jì)算。,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)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(guò)工作應(yīng)力點(diǎn)M（N）作與橫坐標(biāo)成45的直線，則這直線任一點(diǎn)的最小應(yīng)力均相同。∴直線與極限應(yīng)力線圖交點(diǎn)即為所求極限應(yīng)力點(diǎn)。,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算,a)工作應(yīng)力點(diǎn)位于OJGI內(nèi),極限應(yīng)力為疲勞極限，按疲勞強(qiáng)度計(jì)算。,求AG與MM3的交點(diǎn):,強(qiáng)度條件:,,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)算,b)工作應(yīng)力點(diǎn)位于IGC區(qū)域內(nèi),∵極限應(yīng)力點(diǎn)為,強(qiáng)度條件：,極限應(yīng)力為屈服極限，按靜強(qiáng)度計(jì)算。,4機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度計(jì)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(jì)算。,2）上述計(jì)算均為按無(wú)限壽命進(jìn)行零件設(shè)計(jì)，若按有限壽命要求設(shè)計(jì)零件時(shí)，即應(yīng)力循環(huán)次數(shù)103(104)下載提示(請(qǐng)認(rèn)真閱讀)
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