機械設計CH7-2機械零件的疲勞強度

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1、多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章 第 7章 機 械 零 件 的 疲 勞 強 度 計 劃 學 時 ： 2h 制 作 人 ： 向 敬 忠基 本 要 求 及 重 點 、 難 點7.1 變 應 力7.2 疲 勞 破 壞 的 特 征7.3-N疲 勞 曲 線7.4 疲 勞 極 限 應 力 圖 （ 等 壽 命 疲 勞 曲 線 ）7.5 影 響 機 械 零 件 強 度 的 主 要 因 素7.6 零 件 的 許 用 疲 勞 極 限 應 力 簡 圖7.7 穩(wěn) 定 變 應 力 時 安 全 系 數(shù) 的 計 算 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章基 本 要 求 :1） 變 應 力

2、的 類 型 和 特 征 ；2） 疲 勞 曲 線 及 其 方 程 ；3） 材 料 和 零 件 的 簡 化 極 限 應 力 圖 ；4） 影 響 機 械 零 件 疲 勞 極 限 的 因 素 ；5） 穩(wěn) 定 變 應 力 下 機 械 零 件 的 疲 勞 強 度 計 算 。重 點 、 難 點 ：1） 材 料 和 零 件 的 簡 化 極 限 應 力 圖 的 畫 法 2） 影 響 機 械 零 件 疲 勞 極 限 的 因 素 ；3） 單 向 穩(wěn) 定 變 應 力 下 安 全 系 數(shù) 的 計 算 。作 業(yè) : 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章7.1 變 應 力 隨 時 間 作 周 期 性 變 化

3、 的 應 力 )( maxmax )( minmin )( 2 minmax mm )( 2 minmax aa )1r1( r maxmin 最 大 應 力 ：最 小 應 力 ：平 均 應 力 ：應 力 幅 ： 循 環(huán) 特 性 ： 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章 1r 靜 應 力 1r 對 稱 循 環(huán) 應 力 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章非 對 稱 循 環(huán) 應 力 1r1 0r 脈 動 循 環(huán) 應 力 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章在 靜 載 荷 作 用 下 ， 變 應 力 示 例 之 一 多 媒 體 CAI課 件 設 計

4、基 礎 第 一 章在 靜 載 荷 作 用 下 ， 變 應 力 示 例 之 二 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章在 靜 載 荷 作 用 下 ， 變 應 力 示 例 之 三 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章 在 一 定 循 環(huán) 特 性 r下 的 變 應 力 ， 經(jīng) 過 N次 循 環(huán) 后 ， 材 料 不 發(fā) 生 破 壞 的 應 力 最 大 值稱 為 在 一 定 循 環(huán) 特 性 下 的 疲 勞 極 限 。如 對 稱 循 環(huán) 用 ， 脈 動 循 環(huán) 用 。 rN rN 1- 0 多 媒 體 CAI課 件 設 計

5、 基 礎 第 一 章7.2疲 勞 破 壞 的 特 征 實 踐 表 明 ， 長 期 處 在 交 變 應 力 下 工 作 的 桿件 ， 即 使 用 塑 性 較 好 的 材 料 制 成 ， 且 其 最 大 工作 應 力 遠 低 于 材 料 的 強 度 極 限 ， 也 常 在 沒 有 明顯 塑 性 變 形 的 情 況 下 發(fā) 生 突 然 斷 裂 。 這 種 現(xiàn) 象稱 為 疲 勞 破 壞 。 汽 錘 桿 疲 勞 破 壞 后 的 斷 口 裂 紋 源光 滑 區(qū) 粗 糙 區(qū) 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章7.3疲 勞 曲 線 N 在 任 意 給 定 的 循 環(huán) 特 性 r條 件 下 ，

6、表 示 應 力 循 環(huán)次 數(shù) N與 疲 勞 極 限 的 關 系 曲 線 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章AB段 靜 應 力 強 度 階 段AC段 低 周 疲 勞 階 段BC段 這 一 階 段 的 疲 勞 破 壞 已 伴 隨 著 塑 性 變 形 ，但 應 力 循 環(huán) 次 數(shù) 相 對 很 小 。 CD段 有 限 壽 命 疲 勞 階 段 rN 有 效 壽 命 疲 勞 極 限 *疲 勞 極 限 是 指 在 一 定 循 環(huán) 特 性 下 ， 應力 循 環(huán) 次 數(shù) 為 N時 的 極 限 應 力 ， r， N不 同極 限 應 力 也 不

7、 一 樣 。 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章CD段 的 設 計 有 限 疲 勞 設 計 D43 NN)(1010 CNmrN *當 工 作 的 變 應 力 的 最 大 應 力 小 于 D點 的 應 力 ，可 認 為 無 論 應 力 變 化 多 少 次 ， 材 料 都 不 會 破 壞 。 D點 以 后 的 階 段 無 限 疲 勞 階 段 持 久 疲 勞 極 限 r 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章各 種 工 程 材 料 76D 102510N 0N 循 環(huán) 基 數(shù) D0 NN 代 替 rr 代 替 DC mrmrN NNN CNN 0 NrmrrN KN

8、N 0 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章 mN NNK 0 壽 命 系 數(shù) m 材 料 常 數(shù) 對 于 鋼 材 ， 在 彎 曲 疲 勞 或 拉 壓 疲 勞 時 60 10)101(,206 Nm在 初 步 計 算 時 ， 鋼 制 零 件 受 彎 曲 疲 勞中 等 尺 寸 零 件 取 60 105,9 Nm大 尺 寸 零 件 取 70 10,9 NmC點 以 后 的 階 段 高 周 疲 勞 階 段 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章7.4疲 勞 極 限 應 力 圖 （ 等 壽 命 疲 勞 曲 線 ） 材 料 在 相 同 的 循 環(huán) 次 數(shù) 和 不 同 的 循

9、 環(huán) 特 性 下 有 不同 的 疲 勞 極 限 ， 可 繪 制 出 相 應 的 疲 勞 極 限 應 力 圖 。 對于 塑 性 材 料 其 極 限 應 力 圖 呈 拋 物 線 分 布 。 *三 個 特 殊 點 ),0(A 1 )2,2(B 00 )0,(F B 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章材 料 的 極 限 應 力 簡 圖 折 線 ABES 001 /)2(tan 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章r接 近 1時 （ 較 小 時 ） 可 按 靜 強 度 計 算aES為 屈 服 極 限 曲 線 ， 線 上 各 點 均 為 sam max其 他 的 按 疲

10、勞 強 度 計 算 *三 個 區(qū)疲 勞 和 塑 性 安 全 區(qū) 疲 勞 失 效 區(qū) 塑 性 失 效 區(qū) 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章7.5影 響 機 械 零 件 強 度 的 主 要 因 素 1.應 力 集 中 的 影 響 零 件 受 載 時 ， 幾 何 形 狀 、 尺 寸 的 突 變 應 力 集 中應 力 集 中 源 ： 軸 上 環(huán) 槽 、 軸 肩 圓 角 、 橫 向 孔 、 鍵槽 、 外 花 鍵 等 有 效 應 力 集 中 系 數(shù) )( kk )1(1 qk )1(1 qk式 中 ： ， 考 慮 零 件 幾 何 形 狀 的 理 論 應 力 系 數(shù) 。 考 慮 材 料

11、對 應 力 集 中 感 受 程 度 的 敏 性 系 數(shù) 。 q kK D )( 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章注 意 問 題 ： * 強 度 極 限 愈 高 鋼 的 敏 性 系 數(shù) 值 愈 大 ， 說 明 對 應 力 集 中 愈敏 感 。 鑄 鐵 由 外 引 起 的 應 力 集 中 遠 低 于 內(nèi) 部 組 織 的 應 力 集 中 ，故 取 ： 而0q 1 kk

12、* 在 缺 乏 數(shù) 據(jù) 時 )1(061 kk* 降 低 應 力 集 中 的 措 施 ： 減 緩 零 件 幾 何 尺 寸 的 突 變 、 增 大過 渡 圓 角 半 徑 、 采 用 卸 載 結 構 等 。 * 若 在 同 一 截 面 上 同 時 有 幾 個 應 力 集 中 源 時 ， 應 采 用 最 大有 效 應 力 集 中 系 數(shù) 進 行 計 算 。 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章2.尺 寸 的 影 響 尺 寸 系 數(shù) )( 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章* 當 其 他 條 件 相 同 時 ，尺 寸 愈 大 ， 對 零 件 疲 勞 強 度 的 不 良

13、 影 響 更 加 顯 著 。 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章3.表 面 狀 態(tài) 的 影 響 表 面 狀 態(tài) 系 數(shù) )( 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章注 意 問 題 ： * 在 缺 乏 數(shù) 據(jù) 時 4.06.0 * 鋼 的 強 度 極 限 愈 高 ， 表 面 愈 粗 糙 ， 表 面 狀 態(tài) 系 數(shù) 愈 低 。所 以 在 采 用 高 強 度 鋼 時 ， 常 用 提 高 表 面 加 工 質(zhì) 量 的 方 法 來 提高 零 件 的 疲 勞 強 度 。

14、 鑄 鐵 對 加 工 的 表 面 狀 態(tài) 極 不 敏 感 ， 一 般取 ： 1 * 常 用 的 改 善 表 面 狀 態(tài) 措 施 有 ： 淬 火 、 滲 碳 、 滲 氮 等 熱 處理 工 藝 ， 以 及 拋 光 、 噴 丸 、 滾 壓 等 表 面 強 化 處 理 工 藝 。 改 善后 的 表 面 強 化 系 數(shù) 通 常 大 于 1， 一 般 取 1。 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章 4.綜 合 影 響 系 數(shù) kK D )( kK D )(* 實 驗 表 明 ， 應 力 集 中 、 零 件 尺 寸 和 表 面 狀 態(tài) 都 只 對 應 力幅 產(chǎn) 生 影 響 ， 而 對 平 均

15、 應 力 沒 有 明 顯 影 響 。 注 意 問 題 ： * 計 算 時 ， 零 件 的 工 作 應 力 要 乘 以 綜 合 影 響 系 數(shù) ， 或 材 料 極 限 應 力 幅 要 除 以 綜 合 影 響 系 數(shù) 。 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章7.6 零 件 的 許 用 疲 勞 極 限 應 力 簡 圖 對 材 料 的 簡 化 疲 勞 極 限 圖 ， 考 慮 疲 勞 強 度 的 綜 合 影 響 系數(shù) 或 和 壽 命 系 數(shù) ， 對 其 進 行 修 正 ， 得 DK )( DK )( NK)(,0( 1DNKKA )(

16、,2( 00 DNN KKKC * 是 按 靜 應 力 強 度 考慮 的 ， 不 需 修 正 。 BD DK )/( 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章* AB線 的 斜 率 ： 001 /)2(tan * 線 的 斜 率 ： DA DK )/( * 與 相 同 不 變 。 ESBD設 上 的 坐 標 為 BCA ),( am 可 得 和 的 直 線 方 程 ： DCA BD maDmaD KK ）（， 即 ： 11)( Sma *對 于 剪 切 應 力 ， 只 需 用 來 代 替 上 述 理 論 中 的 即 可 。 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章7.7

17、穩(wěn) 定 變 應 力 時 安 全 系 數(shù) 的 計 算 單 向 穩(wěn) 定 變 應 力 在 每 次 循 環(huán) 中 ， 平 均 應 力 、 應 力幅 和 循 環(huán) 特 性 ， 其 中 一 項 保 持 不 變 的 變 應 力 穩(wěn) 定 變 應 力 在 每 次 循 環(huán) 中 ， 平 均 應 力 、 應 力 幅 和 周期 都 不 隨 時 間 變 化 的 變 應 力 解 析 法 計 算 零 件 疲 勞 強 度 的 步 驟 ： 根 據(jù) 材 料 幾 次 零 件 危 險 截 面 處 的 情 況 畫 出 零 件 的 極 限 應力 簡 圖 ； 求 出 危 險 截 面 工 作 應 力 的 最 大 值 和 最 小 值 ； max m

18、in 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章 計 算 ， ， 并 在 圖 中 找 出 對 應 的 工 作 應 力 點M( , )或 N點 ； m am a 根 據(jù) 單 向 穩(wěn) 定 類 型 及 M( , )求 出 折 線 上 對應 的 極 限 應 力 ( , )點 ， 則 ； m a m a BDA am lim 疲 勞 強 度 校 核 maxlim SSca 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章7.7.1變 應 力 循 環(huán) 特 性 不 變 Cr Cr mamaam am 11maxmin可 見 Cr 必 有 C ma 示 例 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基

19、礎 第 一 章1. 圖 解 法 過 坐 標 原 點 O（ 0， 0） 點 和 M( , )做 一 條 直 線 與 交 于 ( , )點 （ 或 N點 交 為 點 ） 。 m a DCA M m a BD N *比 例 尺 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章應 力 幅 安 全 系 數(shù) maxmax SOMMOS am am 安 全 系 數(shù) aaaa SS 疲 勞 失 效 塑 性 破 壞 SS am s 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章2.解 析 法 當 M點 疲 勞 區(qū) 時 ， 過 O， M兩 點 列 直 線 方 程 ， 聯(lián) 解 的 方程 求 出 交 點 的

20、 坐 標 ( , )， DCA M m a得 安 全 系 數(shù) 計 算 公 式 )( 1 Sk KS maD N 得 安 全 系 數(shù) 計 算 公 式 )( 1 amaD Naaa Sk kS 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章當 N點 為 于 塑 性 區(qū) ， 則 應 屈 服 安 全 系 數(shù) SS am s 注 意 作 圖 法 準 確 性 取 決 于 作 圖 ， 但 可 直 接 判 斷 工 作 點 所在 的 區(qū) 域 ， 而 解 析 法 則 無 法 判 斷 ， 所 以 為 了 安 全 起見 ， 采 用 解 析 法 計 算 時 ， 疲 勞 強 度 和 屈 服 強 度 安 全系 數(shù) 都

21、 需 要 進 行 計 算 。 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章 示 例7.7.2變 應 力 的 平 均 應 力 不 變 Cm 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章過 M( , )做 一 條 垂 直 橫 坐 標 的 直 線 ， 列 直 線 方 程 m a 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章得 安 全 系 數(shù) 計 算 公 式 )()( )(1 Sk kkS maD mDN 得 安 全 系 數(shù) 計 算 公 式 )( 1 aaD mN SkkS 當 N點 為 于 塑 性 區(qū) ， 則 應 屈 服 安 全 系 數(shù) SS am s 多 媒 體 CAI課

22、件 設 計 基 礎 第 一 章7.7.3變 應 力 的 最 小 應 力 不 變 Cmin示 例 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章過 M( , )做 一 條 斜 率 為 1直 線 ， 列 直 線 方 程 m a 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章得 安 全 系 數(shù) 計 算 公 式 )2()( )(2 minmin1 Sk kkS aD DN 得 安 全 系 數(shù) 計 算 公 式 )( min1 aaDNa SkkS 當 N點 為 于 塑 性 區(qū) ， 則 應 屈 服 安 全 系 數(shù) SS am s *對 于 剪 切 應 力 ， 只 需 用 來 代 替 上 述 理

23、 論 中 的 即 可 。 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章7.7.4復 合 應 力 狀 態(tài) 時 的 安 全 系 數(shù) 計 算 雙 向 穩(wěn) 定 變 應 力 零 件 在 同 一 截 面 上 同 時 作 用 有 同相 位 的 法 向 及 切 向 對 稱 循 環(huán) 穩(wěn) 定 變 應 力 及 a a aDNa kKSS )( 1 aDNa kKSS )( 1 如 不 是 對 稱 循 環(huán) 穩(wěn) 定 變 應 力 ma 1Nk kS ma 1Nk kS 復 合 安 全 系 數(shù) SSS SSS 22 多 媒 體 CAI課 件 設 計 基 礎 第 一 章 為 防 止 塑 性 材 料 在 復 合 應 力 下 發(fā) 生 塑 性 變 形 ， 還 要 根 據(jù)第 三 或 第 四 強 度 理 論 驗 算 復 合 應 力 屈 服 強 度 安 全 系 數(shù) 。 4 2max2max SS s 3 2max2max SS s