工程力学-第12章-B讲义.ppt

;范钦珊教育与教学工作室;第二篇 材料力学;动载荷与疲劳强度概述(B) ; 结构的构件或机械、仪表的零部件在交变应力（alternative stress）作用下发生的失效，称为疲劳失效，简称为疲劳（fatigue）。对于矿山、冶金、动力、运输机械以及航空航天等工业部门，疲劳是零件或构件的主要失效形式。统计结果表明，在各种机械的断裂事故中，大约有 80％以上是由于疲劳失效引起的。因此，对于承受交变应力的设备，疲劳分析在设计中占有重要的地位。;? 疲劳强度概述 ;? 疲劳强度概述 ;? 疲劳失效特征与失效原因分析 ;传动轴的疲劳失效;弹簧的疲劳失效;弹簧的疲劳失效;弹簧的疲劳失效;飞机的疲劳失效;飞机的疲劳失效;? 疲劳强度概述 ;? 交变应力 ; 交变应力 —— 一点的应力若随时间而变化，这种应力称为交变应力(alternative stress); 承受交变应力作用的构件或零部件，大部分都在规则或不规则变化的应力作用下工作。 ;;应力循环——应力变化的一个周期;应力比——应力循环中最小应力与最大应力之比。;对称循环——应力比 r = －1 的应力循环。;脉冲循环——应力比 r = 0 的应力循环。; 静应力（statical stress）——静应力可作为交变应力的特例。在静应力作用下，有 ; 需要注意的是：应力循环指一点的应力随时间的变化循环，最大应力与最小应力等都是指一点的应力循环中的数值。它们既不是指横截面上由于应力分布不均匀所引起的最大和最小应力，也不是指一点应力状态中的最大和最小应力。 ;? 疲劳失效特征与失效原因分析 ;? 破坏时，名义应力值远低于材料的静载强度极限；; ? 同一疲劳断口，一般都有明显的光滑区域和颗粒状区域。;晶粒;滑移带;初始缺陷;? 疲劳强度概述 ;? 疲劳极限与应力-寿命曲线 ;疲劳强度设计的依据——疲劳极限;疲劳试样;疲劳试验装置;实际结构疲劳试验装置;? 疲劳极限与应力-寿命曲线 ;? 疲劳极限与应力-寿命曲线 ;? 疲劳极限与应力-寿命曲线 ;? 疲劳极限与应力-寿命曲线 ;应力-寿命曲线;O;O;O; 条件疲劳极限 ; 需要指出的是，裂纹的生成和扩展是一个复杂过程，它与构件的外形、尺寸、应力变化情况以及所处的介质环境等都有关系。因此，对于承受交变应力的构件，不仅在设计中要考虑疲劳问题，而且在使用期限内需要进行中修或大修，以检测构件是否发生裂纹及裂纹扩展的情况。;? 影响疲劳寿命的因素 ;? 影响疲劳寿命的因素 ;? 应力集中的影响——有效应力集中因数 ; ? 应力集中的影响—— 有效应力集中因数 ; 在构件或零件截面形状和尺寸突变处（如阶梯轴轴肩圆角、开孔、切槽等),局部应力远远大于按一般理论公式算得的数值，这种现象称为应力集中。显然，应力集中的存在不仅有利于形成初始的疲劳裂纹，而且有利于裂纹的扩展，从而降低零件的疲劳极限。; 理论应力集中因数只考虑了零件的几何形状和尺寸的影响，没有考虑不同材料对于应力集中具有不同的敏感性。因此，根据理论应力集中因数不能直接确定应力集中对疲劳极限的影响程度。考虑应力集中对疲劳极限的影响，工程上采用有效应力集中因数（effective stress concentration factor），它是在材料、尺寸和加载条件都相同的前提下，光滑试样与缺口试样的疲劳极限的比值，即 ; 有效应力集中因数不仅与零件的形状和尺寸有关，而且与材料有关。前者由理论应力集中因数反映；后者由缺口敏感因数（notch sensitivity factor）q反映。三者之间有如下关系： ;? 零件尺寸的影响——尺寸因数 ; 前面所讲的疲劳极限为光滑小试样（直径6~10 mm）的试验结果，称为“试样的疲劳极限”或“材料的疲劳极限”。试验结果表明，随着试样直径的增加，疲劳极限将下降，而且对于钢材，强度愈高，疲劳极限下降愈明显。因此，当零件尺寸大于标准试样尺寸时，必须考虑尺寸的影响。;? 影响疲劳寿命的因素 ; 零件尺寸对疲劳极限的影响用尺寸因数度量： ;? 表面加工质量的影响 ——表面质量因数 ; 零件承受弯曲或扭转时，表层应力最大，对于几何形状有突变的拉压构件，表层处也会出现较大的峰值应力。因此，表面加工质量将会直接影响裂纹的形成和扩展，从而影响零件的疲劳极限。; 上述各种影响零件疲劳极限的因数都可以在有关的设计手册中查到。 ;? 基于无限寿命设计方法 的疲劳强度 ;? 构件寿命的概念 ;? 构件寿命的概念 ; 无限 寿命区; 无限 寿命区; 从工程角度来看，构件的寿命包括裂纹萌生期和裂纹扩展期。在传统的 S-N