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1、第三章 机械零件的强度 零件的工作能力设计 强度准则外载荷引起零件的内应力不超过允许的数值。 作用在零件上的载荷 静载荷 变载荷变应力 ？ 静 载荷 停止：静应力 行驶：变应力 静应力 t s sm 变应力 稳定循环变应力 不稳定循环变应力 随机变应力 变应力 零件的工作能力设计强度准则 变应力 稳定循环 非稳定循环 随机 t s 周期 a) 稳定循环变应力 c) 随机变应力 尖峰应力 t s 周期 s t b) 不稳定循环变应力 t s sm t s 对称 脉动 变应力性质 行驶时 对称稳定循环变应力 变应力的特性 最大应力 smax 最小应力 smin 平均应力 sm 应 力 幅 sa s
2、min smax sm sa t s o 循环特性 规定:用绝对值最大者作为smax 静应力 r =+1 零件的工作能力设计强度准则 稳定循环变应力 零件的工作能力设计强度准则 t s sm t s t s 5个参数,已知2个,可求其它3个 t t 轮齿弯曲应力 惰轮轮齿弯曲应力 切纸机连杆 强度准则外载荷引起零件的内应力不超过允许的数值。 零件的工作能力设计强度准则 拉伸试验和应力应变曲线 零件 标准试件 d L 零件的工作能力设计 机械零件 受力不同 形状不同 尺寸不同 与其他零件有连接 所处环境不同 强度准则 静强度（工程力学课程） 疲劳强度 早期的飞机失事 2010.6.29深圳大峡谷
3、景区游乐 设备中有一M16螺栓疲劳断裂 ，6人死亡10人受伤 疲劳强度 疲劳断裂的过程 第一阶段疲劳裂纹的产生 第二阶段疲劳裂纹的扩展 第三阶段发生疲劳断裂 零件的工作能力设计 强度准则 强度设计准则 变应力下， 静应力下， smax NNA=1/4 A NB103 B NC104 C ND D -N疲劳曲线 原点：N=1/4 AB段：当作静应力 BC段：低周疲劳 C：高周疲劳 CD有限寿命；D无限寿命 高周疲劳 零件的工作能力设计 强度准则 有限寿命区无限寿命区 CD段（高周疲劳）曲线方程 特定点 寿命系数 循环基数N0 疲劳极限 疲劳极限 钢 m=9 中等尺寸 N0=5*106 大尺寸 N
4、0=107 smax NNA=1/4 A NB103 B NC104 C ND D 零件的工作能力设计 强度准则 -N 疲劳曲线 同一种应力变化规律 不同次数的循环后破坏 sa sm 0 等寿命曲线 同一个循环次数 不同的应力变化规律 极限应力线图 循环基数N0 塑性材料 特定寿命下，最大应力max与应力循环特性r的关系 等寿命疲劳曲线等寿命疲劳曲线 材料的极限应力图 C （ S， 0）：r = +1 A（0， -1 ）：r = -1 D（ 0 /2 ， 0 /2 ）：r = 0 G：交点 在OA G C 内为安全区 C s A D（ 0/2 ， 0/2） G m a -1 45 45 O s
5、 -1 a m O A C 等寿命疲劳曲线（极限应力线图） 同一种材料,不同应力特性下的各疲劳极限r之间的内在关系 仅利用少数几个(-1、0、+1)，求其它任意的r s-1 s1 sa sm 0 N相等情况下讨论 破坏前的最大 零件的工作能力设计 强度准则 塑性材料 45 t s sm t s 极限应力线图 s-1 ss sa sm 0 s0/2 A D G C s0/2 45 零件的工作能力设计 强度准则 极限应力线图 零件 零件的极限应力线图 -1e零件对称循环时的疲劳极限 -1 材料对称循环时的疲劳极限 0 C s-1 ss sa sm s0/2 4545 A D G s0/2 A D
6、G 综合影响系数 k：零件的有效应力集中系数 ：零件的尺寸系数 ：零件的表面质量系数 q：零件的强化系数 零件的工作能力设计 强度准则 查机械设计手册 书本P.3845 变应力种类 变应力性质 零件的工作能力设计 强度准则 单向稳定变应力 单向不稳定变应力 单向 双向（正应力、切应力） 强度设计准则 t s s t 双向稳定变应力 单向稳定变应力 零件强度校核 1、确定零件应力特征 2、确定零件的危险截面 3、计算平均应力和应力幅 4、计算极限应力 零件强度设计 1、确定零件应力特征 2、估计K 、 a/m 3、计算极限应力 4、选择安全系数 5、计算最大应力 零件的工作能力设计 强度准则 s
7、m sa O D A G C 1. r =C 的情况 M sm sa M1 求极限应力 OGC区域内按照静强度计算 单向稳定变应力 疲劳安全区 塑性安全区 单向稳定变应力 零件的工作能力设计 强度准则 求极限应力 2.m=C的情况 sm sa O D A G C M M2 疲劳安全区 塑性安全区 3.min=C的情况 sm sa O D A G C M M3 J 疲劳安全区 塑性安全区 minM minN I N3 N 45 不稳定变应力 不稳定变应力下机械零件的疲劳强度计算 零件的工作能力设计 强度准则 疲劳损伤累积假说 在每一次应力作用下,零件都会造成 一定的疲劳损伤，当疲劳损伤累积 到一
8、定程度,便发生疲劳破坏。 n n1 max 1 2 3 4 n2n3n4 o s t 仅有1时，极限循环应力循环次 数为N1 ，则每作用1次，疲劳损 伤率为1/N1 ， 现作用n1次，则 疲劳损伤率为n1/N1 ； N1 N3 N2 1 2 3 n1n2n3 rN No N0 r r 2 ，疲劳损伤率为n2/N2 ； 3 ，疲劳损伤率为n3/N3 ； 4 不考虑 不稳定变应力 总损伤 零件的工作能力设计 强度准则 理论上，损伤率达到1时，便发生 疲劳破坏，实际上许可范围： （0.72.2) N1 N3 N2 1 2 3 n1n2n3 rN No N0 r 疲劳极限条件: 材料(试件)的r, 若
9、为实际零件 ,则max取代 r 接触疲劳强度 按疲劳强度设计的零件，若存在次数很少、 峰值很大的情况，也要进行静强度校核 机械零件的接触疲劳强度 零件的工作能力设计 强度准则 弹性力学 最大接触应力H 赫兹(Hertz)公式: 式中: 1、2：曲率半径 1、2：材料泊松比 E1、E2：材料的弹性模量 sH 接触疲劳强度 F F H 1 2 2b O1 O2 2 1 1 2 F F H 2b O1 O2 2 1 2 1 1 2 零件的工作能力设计 强度准则 弹性力学 最大接触应力H 工程上，当E1=E2，1=2=0.3 R1、R2是零件的半径 齿轮 O1 r1 rb1 rb2 r2 B1 B2 N2 N1 1 Ov1Ov2 P 2 凸轮
