第二章 机械零件设计概论课件.ppt

第二节???机械设计的过程和方法 现代设计方法 创造性设计 可靠性设计 动态设计 优化设计 机械设计专家系统 计算机辅助设计 2-5 机械零件的强度 §1 材料的疲劳特性 §2 机械零件的疲劳强度计算 §3 机械零件的抗断裂强度 §4 机械零件的接触强度 一、应力的种类 o t σ σ=常数 脉动循环变应力 r =0 静应力: σ=常数 变应力: σ随时间变化 平均应力: 应力幅: 循环变应力 变应力的循环特性: 对称循环变应力 r =-1 ----脉动循环变应力 ----对称循环变应力 -1 = 0 +1 ----静应力 σmax σm T σmax σmin σa σa σm o t σ σmax σmin σa σa o t σ o t σ σa σa σmin r =+1 静应力是变应力的特例 §1 材料的疲劳特性 变应力下，零件的损坏形式是疲劳断裂。 ▲ 疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极限 低，甚至比屈服极限低; ▲ 疲劳断口均表现为无明显塑性变形的脆性突然断裂; ▲ 疲劳断裂是微观损伤积累到一定程度的结果。 不管脆性材料或塑性材料， ▲零件表层产生微小裂纹； 疲劳断裂过程： ▲随着循环次数增加，微裂 纹逐渐扩展； ▲当剩余材料不足以承受载 荷时，突然脆性断裂。 疲劳断裂是与应力循环次数(即使用寿命)有关的断裂。 疲劳断裂具有以下特征： ▲ 断裂面累积损伤处表面光滑，而折断区表面粗糙。 表面光滑 表面粗糙 σmax N 二、 s－N疲劳曲线 用参数σmax表征材料的疲劳极限，通过实验，可得出如图所示的疲劳曲线。称为： s－N疲劳曲线 104 C 在原点处，对应的应力循环次数为N=1/4，意味着在加载到最大值时材料被拉断。显然该值为强度极限σB 。 B 103 σ t σB A N=1/4 在AB段，应力循环次数103 σmax变化很小，可以近似看作为静应力强度。 BC段，N=103~104，随着N ↑ → σmax ↓ ,疲劳现象明显。 因N较小，特称为： 低周疲劳。 由于ND很大，所以在作疲劳试验时，常规定一个循环次数N0(称为循环基数)，用N0及其相对应的疲劳极限σr来近似代表ND和 σr∞。 σmax N σr N0≈107 C D σrN N σB A N=1/4 D点以后的疲劳曲线呈一水平线，代表着无限寿命区其方程为： ? 实践证明，机械零件的疲劳大多发生在CD段。 可用下式描述： 于是有： 104 C B 103 CD区间内循环次数N与疲劳极限srN的关系为： 式中， sr、N0及m的值由材料试验确定。 试验结果表明在CD区间内，试件经过相应次数的边应力作用之后，总会发生疲劳破坏。而D点以后，如果作用的变应力最大应力小于D点的应力（σmaxσr）， 则无论循环多少次，材料都不会破坏。 CD区间-----有限疲劳寿命阶段 D点之后----无限疲劳寿命阶段 高周疲劳 σmax N σr N0≈107 C σB A N=1/4 104 C B 103 D σrN N σa σm 应力幅 平均应力 σa σm σS σ-1 σa σm σS σ-1 材料的疲劳极限曲线也可用在特定的应力循环次数N下，极限应力幅之间的关系曲线来表示，特称为等寿命曲线。 简化曲线之一 简化曲线之二 三、等寿命疲劳曲线 实际应用时常有两种简化方法。 σS σ-1 45? σa σm σS 45? σ-1 O 简化等寿命曲线（极限应力线图）： 已知A’(0，σ-1) D’ (σ0 /2，σ0 /2)两点坐标，求得A‘Ｇ’直线的方程为： AＧ’直线上任意点代表了一定循环特性时的疲劳极限。 对称循环： σm=0 A’ 脉动循环： σm=σa =σ0 /2 说明CＧ‘直 线上任意点的最大应力达到了屈服极限应力。 σ0 /2 σ0 /2 45? D’ σ’m σ’a CＧ’直线上任意点N’ 的坐标为（σ’m ，σ’a ） 由?中两条直角边相等可求得 CＧ’直线的方程为： σ’a G’ C N’ σa σm σS 45? σ-1 G’ C σ0 /2 σ0 /2 45? D’ C G’ A’ O 而正好落在A’G’C折线上时，表示应力状况达到疲劳破坏的极限值。 对于碳钢，yσ≈0.1~0.2，对于合金钢，yσ≈0.2~0.3。 公式 中的参数yσ为试件受循环弯曲应力时的材料常数，其值由试验及下式决定： 当应力点落在OA’G’C以外时，一定会发生疲劳破坏。