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1、2020/8/8,.,1,机械强度设计计算,2020/8/8,.,2,主要内容：,一、疲劳强度计算 二、机械零件的抗断裂强度和接触强度 三、低周疲劳和热疲劳,2020/8/8,.,3,一、疲劳强度计算,1、疲劳强度破坏 材料在循环应力作用下，其工作应力的最大值虽然小于材料的强度极限，但在零部件的高局部应力区，材料中较弱的晶粒在变应力下形成微裂纹，裂纹逐渐扩展导致最终的疲劳破坏。 疲劳破坏的过程可分三个阶段： 1）疲劳裂纹的形成 2）疲劳裂纹的扩展 3）瞬时断裂,2020/8/8,.,4,2、变应力的类型 载荷或应力随时间变化的图形称为载荷谱或应力谱。它们可以分为以下三类： 1）稳定循环变应力,
2、a),2020/8/8,.,5,根据不同的循环特征，稳定循环应变力又可分为： （1）非对称循环变应力 -1r+1,但r不等于零 （2）对称循环变应力 r=-1 （3）脉动循环变应力 r=1 2、不稳定循环变应力,右图显示是应力幅按照一定规律 周期变化的不稳定循环变应力；与稳 定循环变应力相比，在很多情况下它 更接近于真实的发生在机械零件中的 变应力。,2020/8/8,.,6,3、随机变应力,右图是典型的随机变应力谱。 由于真实的应力状况基本上都是 随机变应力或近似的不稳定循环 变应力，而材料的疲劳特性值都 是在稳定循环变应力的条件下试 验得出的，因此疲劳强度设计计 算所要解决的问题，基本上就
3、是 如何利用试件的对称循环疲劳极 限来判定承受不稳定循环变应力 和随机变应力的机械零件的疲劳 强度和疲劳寿命。,2020/8/8,.,7,3、单向稳定变应力时的疲劳强度计算,进行零件疲劳强度计算时，首先根据零件危险截面上的 max 及 min确定 平均应力m与应力幅a，然后，在极限应力线图的坐标中标示出相应工作应 力点M或N。,相应的疲劳极限应力应是极限应力曲线上的某一个点所代表的应力。,根据零件工作时所受的约束来确定应力可能发生的变化规律，从而决定以哪一个点来表示极限应力。 机械零件可能发生的典型的应力变化规律有以下三种：,应力比为常数：r=C 平均应力为常数m=C 最小应力为常数min=C
4、,2020/8/8,.,8,4、双向稳定变应力时的疲劳强度计算,当零件上同时作用有同相位的稳定对称循环变应力sa 和ta时，由实验得出的极限应力关系式为：,式中 ta及sa为同时作用的切向及法向应力 幅的极限值。,由于是对称循环变应力，故应力幅即为最大应力。弧线 AMB 上任何一个点即代表一对 极限应力a及a。,若作用于零件上的应力幅sa及ta如图中M点表示，则由于此工作应力点在 极限以内，未达到极限条件，因而是安全的。,计算安全系数：,2020/8/8,.,9,5、单向不稳定变应力时的疲劳强度计算,规律性不稳定变应力,若应力每循环一次都对材料的破坏起相同的作用，则应力 1 每循环一次对材料的
5、损伤率即为1/N1，而循环了n1次的1对材料的损伤率即为n1/N1。如此类推，循环了n2次的2对材料的损伤率即为n2/N2，。,当损伤率达到100%时，材料即发生疲劳破坏，故对应于极限状况有：,2020/8/8,.,10,二、机械零件的抗断裂强度和接触强度,1、机械零件的抗断裂强度,在工程实际中，往往会发生工作应力小于许用应力时所发生的突然断裂，这种现象称为低应力脆断。,通过对大量结构断裂事故分析表明，结构内部裂纹和缺陷的存在是导致低应力断裂的内在原因。,对于高强度材料，一方面是它的强度高（即许用应力高），另一方面则是它抵抗裂纹扩展的能力要随着强度的增高而下降。因此，用传统的强度理论计算高强度
6、材料结构的强度问题，就存在一定的危险性。,2020/8/8,.,11,使裂纹体断裂的主要原因是：1）载荷的大小，及其使物体形成的应力； 2）裂纹的大小即裂纹的长度和深浅。经过理论推导和试验证明，裂纹物体 断裂的条件与这二者所结合的一个参数有关，即应力强度因子KI 。,当某种材料发生脆断时的应力强度因子数值即为该材料应力强度因子的极限值，称为材料的断裂韧性。 用KIC 表示。,2020/8/8,.,12,2、机械零件的接触疲劳强度,1）定义： 当两零件以高副接触即点、线相接触时，其接触的表层局部会引起较大的应力。这局部的应力称为接触应力。,2）计算公式：对于线接触的情况，其接触应力可用赫兹应力公
7、式计算。,式中1和2 分别为两零件初始接触线处的曲率半径, 其中正号用于外接触，负号用于内接触。,接触应力是不同于以往所学过的挤压应力的。挤压应力是面接触引起的应力，是二向应力状态，而接触应力是三向应力状态。接触应力的特点是：仅在局部很小的区域内产生很大的应力。,2020/8/8,.,13,三、低周疲劳和热疲劳,1、低周疲劳,1）定义：金属材料在超过其屈服强度的低频率循环应力或超过其屈服应变作用下，经102105次循环而产生的疲劳。 在火电厂应用中一般指机组启停时因热应力或离心力施加和释放的循环所导致的疲劳,2）常按破坏循环次数的高低将疲劳分为两类： 高循环疲劳（高周疲劳）。作用于零件、构件的
8、应力水平较低 ，破坏循环次数一般高于104105的疲劳 ，弹簧、传动轴等的疲劳属此类。 低循环疲劳（低周疲劳）。作用于零件、构件的应力水平较高 ，破坏循环次数一般低于104105的疲劳，如压力容器、燃气轮机零件等的疲劳。,2020/8/8,.,14,3）影响低周疲劳的主要因素 a、塑性 塑性好的材料，易产生塑性变形，使应力得到重新分布。因此 抵抗低周疲劳性能较好。 b、加载频率和保持时间 加载频率降低和保持时间增加会降低材料寿命。 c、晶粒大小 随着晶粒变细，材料的低周疲劳寿命增加。 d、环境介质 高温下，裂纹尖端发生氧化，加速裂纹扩展。,2020/8/8,.,15,2、热疲劳,1）定义 ：在
9、温度循环变化下工作的机械零件，如轧钢机的轧辊、汽轮机和燃气机的叶轮和叶片等，由于有温度升高和冷却的循环变化，而产生应变循环的变化，同时热应力也随之循环变化，当循环次数达到一定数值时，金属材料将产生的疲劳破坏。,2）成因：在热疲劳过程中由于高温引起材料内部组织结构变化，降低了材料的热疲劳抗力；高温促使表面和裂纹尖端氧化，甚至局部熔化，加速热疲劳破坏;零件截面上存在温度梯度，特别足厚壁零件温度梯度更大，在温度梯度最大处造成塑性应变集中，促进热疲劳破坏的发生。热疲劳裂纹是在受热表面热应变最大区域形成，一般有几个疲劳裂纹源，裂纹沿表面垂直受热方向扩展，并向表面内纵深方向发展。,2020/8/8,.,16,3）特征：零件热疲劳破坏是以受热表面上产生特有的龟裂裂纹为特征。热疲劳裂纹与循环温差、零件表面缺口状态和材料有关。循环温差越大、表面缺口越尖锐，就越容易发生热疲劳。金属材料的热疲劳抗力不但与材料的导热性、比热等热力学性质有关，而且与弹性摸量E、屈服极限s等力学性能关有。所以导热性差的脆性材料，如灰口铸铁容易发生热疲劳破坏,4）提高材料热疲劳抗力的途径主要有： （1）尽可能地减少甚至消除零件上的应力集中和应变集中; （2）提高材料的高温强度; （3）提高材料的塑性; （4）降低材料的热膨胀系数。,/10/29,.,17,
