14第十章动载荷与疲劳强度简述.ppt

§10–5 疲劳强度设计 循环基数： 一、构件寿命 常温下的试验结果表明，如果钢制试件经历107次应力循环仍未疲劳，则再增加循环次数也不会疲劳。所以就把在107次循环下仍未疲劳的最大应力规定为钢材的持久极限，并把 N0 =107称为循环基数。 lgS lgN Si称为在规定寿命Ni下的条件疲劳极限。 有限寿命区 无限寿命区＊ (循环基数) 按照疲劳极限进行强度设计，称为无限寿命设计。 按照条件疲劳极限进行强度设计，称为有限寿命设计。 N0 lgS-1 二、无限寿命设计方法-安全因数法 1、设计步骤： （1）根据静载设计准则首先确定构件或零部件的初步尺寸； （2）根据疲劳强度设计准则对危险部位作疲劳强度校核； （3）根据疲劳强度准则： n，工作安全因数； [n]规定（许用）安全因数 [n]取值在 1.3~2.5之间。 2、等幅对称应力循环下的工作安全因数 正应力循环 切应力循环 3、等幅交变应力作用下的疲劳寿命估算 由零件实验的S-N曲线确定 确定危险点的应力幅Sa之后，根据Sa由S-N曲线得到这一应力水平下发生疲劳断裂时的循环次数N,即为所要求的寿命。 Sa N s N 例 图中所示的两根受重物Q冲击的钢梁，其中一根是支承于刚性支座上，另外一根支于弹簧刚度系数k=100N/mm的弹性支座上。已知l = 3m, h=0.05m, Q=1kN, I=3.4×107mm4, E=200GPa,比较两者的冲击应力。 刚性支承情况下的冲击应力: 弹性支承情况下的冲击应力: 比较上述两种情况的结果可以知道，采用弹性支座，可以减少系统的刚度，降低动荷因数，从而减少冲击应力，这就是缓冲减振的原理。 如何提高构件的抗冲击能力？(减小冲击载荷) 1、降低构件刚度。（在被冲击构件上增加缓冲装置，比如缓冲弹簧，弹性垫圈，弹性支座）； 2、避免构件局部削弱； 3、增大构件体积。 冲击韧度 材料在冲击载荷作用下，虽然其变形和破坏过程仍可以分为弹性变形、塑性变形和断裂破坏几个阶段，但其力学性能和静载荷时有明显的差异，主要表现为: 屈服点有较大的提高但是塑性明显下降，材料产生明显的脆性倾向。 为了衡量材料抵抗冲击的能力，工程上提出了冲击韧度的概念，由冲击试验确定。 冲击试验机 冲击试件 §10–3 疲劳强度简述 在工程中，尤其是在机械工程中，有许多构件承受随时间周期性变化的应力。 构件中一点的应力随时间的改变而变化的应力称为交变应力。 交变应力与疲劳破坏密切相关。 本节介绍交变应力的基本概念、持久极限以及影响因素和疲劳强度计算等 。 一、基本概念和名词 疲劳失效现象出现始于19世纪初叶，产业革命以后，随着蒸汽机车和机动运载工具的发展，以及机械设备的广泛应用，运动的部件破坏经常发生。破坏往往发生在零部件的截面尺寸突变处，破坏的名义应力不高，低于材料的抗拉强度和屈服点。破坏的原因一时使工程师们摸不着头脑。 1829年，法国人Albert.W.A用矿山卷扬机链条进行疲劳实验，阐明疲劳破坏事故。1867年，德国A.沃勒在巴黎博览会上展出了他用旋转弯曲试验获得车轴疲劳试验结果，把疲劳与应力联系起来，提出了疲劳极限的概念，为常规疲劳设计奠定了基础。 t σ o T 1 最大应力 5 循环特征 2 最小应力 3 平均应力 4 应力幅 名词与术语 6 对称循环 7 非对称循环 交变应力的 和 大小相等，符号相反。 除对称循环外，其余情况为非对称循环 t σ o 交变应力变动于某一应力与零之间 8 脉动循环 或 9 静应力 应力保持某恒定值不变 σ o σ o 交变应力实例【火车轮轴】 P P m n A 1 2 3 4 t ? 1 2 3 4 1 A点应力：1-2-3-4-1 二、交变应力与疲劳破坏特征 1、交变应力的特点： （1）交变应力下构件的强度远小于静载荷作用下的强度极限 ，甚至小于屈服极限 。 （2）破坏时，不论是脆性材料和塑性材料，均无明显的塑性变形，且为突然断裂，通常称疲劳破坏。 （1） 破坏时，应力低于材料的强度极限，甚至低于材料的屈服应力； （2） 疲劳破坏需经历多次应力循环后才能出现，即破坏是个积累损伤的过程； （3）即使塑性材料破坏时，一般也无明显的塑性变形，即表现为脆性断裂； （4）疲劳破坏的断口，可分为光滑区及晶粒粗糙区。在光滑区可见到微裂纹的起始点（疲劳源），周围为中心逐渐向四周扩展的弧形线。 2、疲劳破坏具有以下特点 ： 贝壳纹 交变应力超过一定的限度，在构件上应力集中处，产生微裂纹，再向四周扩展，形成宏观裂纹，而不断扩展。扩展中裂纹表面摩擦，形成光滑区；随着裂纹的扩展，形成弧形。当表面被削弱至不能承受所加载荷而