《机械设计基础》课程PPT教学课件（机械原理）第二章 机械零件的强度

第二章机械零件的强度 521载荷与应力的分类 载荷的分类 静载荷 变载荷:1)循环变载荷 a)稳定循环变载荷 b)不稳定循环变载荷 2)随机变载荷 载荷:1)名义载荷 2)计算载荷

1 第二章 机械零件的强度 §2—1 载荷与应力的分类 一、载荷的分类 1）循环变载荷 a) 稳定循环变载荷 b) 不稳定循环变载荷 2）随机变载荷 静载荷 变载荷： 载荷：1）名义载荷 2）计算载荷

应力的分类 1、应力种类 静应力 变应力 稳定循环变应力 不稳定变应力: 个循环 O 规律性不稳定变应力 随机变应力

2 随机变应力 静应力 规律性不稳定变应力 二、应力的分类 1、应力种类 变应力： 不稳定变应力： 稳定循环变应力 一个循环 O  O t t 

稳定循环变应力的基本参数和种类 a)基本参数 最大应力 max 最小应力 mIn 平均应力 max 应力幅 max 应力循环特性 min 1<y<+1 maX b)稳定循环变应力种类 y=-1—对称循环变应力-1y<+1—不对称循环变应力 0 脉动循环变应力 y=+1 静应力

3 2、稳定循环变应力的基本参数和种类 a) 基本参数 应力循环特性  max = m + a  min = m − a 2 max m m    + = 2 max m a    − = max min    = 最大应力 最小应力 平均应力 应力幅 −1   +1 b) 稳定循环变应力种类： -1< γ<+1——不对称循环变应力 γ =+1 —— 静应力 γ = –1 ——对称循环变应力 γ = 0 —— 脉动循环变应力

注意:静应力只能由静载荷产生,而变应力可能由变载荷产生, 也可能由静载荷产生 3)名义应力和计算应力 名义应力由名义载荷产生的应力(z) 计算应力—由计算载荷产生的应力σa(za)

4 注意：静应力只能由静载荷产生，而变应力可能由变载荷产生， 也可能由静载荷产生  O a  t O t a 名义应力——由名义载荷产生的应力 计算应力——由计算载荷产生的应力  ( ) ( ) ca ca   3）名义应力和计算应力

§2—2静应力时机械零件的强度计算 单向应力下的塑性零件 ●强度条件:aa≤[ 或 [s] 复合应力时的塑性材料零件 ●按第三或第四强度理论对弯扭复合应力进行强度计算 ●由第三强度理论 2+4zs[o]=a。sl (最大剪应力理论) 由第四强度理论 2+32≤|o]=as (最大变形能理论)

5 一、单向应力下的塑性零件 ⚫ 强度条件： 或        =  =          [ ] [ ] s s s s ca s ca s § 2—2 静应力时机械零件的强度计算 二、复合应力时的塑性材料零件 ⚫ 按第三或第四强度理论对弯扭复合应力进行强度计算 ⚫ 由第三强度理论 （最大剪应力理论） 由第四强度理论： （最大变形能理论） 4 [ ] /[ ] 2 2 s ca   s  =  +   = 3 [ ] /[ ] 2 2 s ca   s  =  +   =

复合应力计算安全系数为: ≤[s] 2+() ˉ+S 脆性材料与低塑性材料 失效形式:断裂 ●脆性材料极限应力:σg(强度极限) 1、单向应力状态 ●强度条件:a。≤[G]= ≥[S

6 [ ] ( ) 2 2 2 s s s s s ca  + =      [ ] 2 2 s s s s s sca  + =     复合应力计算安全系数为： 三、脆性材料与低塑性材料 ⚫ 脆性材料极限应力： （强度极限） 1、单向应力状态 ⚫ 强度条件： 或 ⚫ ⚫ 或  B     [ ] [ ] s B ca  =     s [s] ca B =      [ ] [ ] s B ca  =     s [s] ca B =  失效形式：断裂

2、复合应力下工作的零件 ●按第一强度条件 (a+√a2+4x2)≤[G] 2 ●(最大主应力理论) 2 B ca ≥[s] +√2+4 ●注意:低塑性材料(低温回火的高强度钢) 强度计算应计入应力集中的影响 脆性材料(铸铁) 一强度计算不考虑应力集中 ●一般工作期内应力变化次数<103(104)按静应力强度计

7 ⚫ 按第一强度条件： ⚫ （最大主应力理论） ⚫ 注意：低塑性材料（低温回火的高强度钢） ⚫ —强度计算应计入应力集中的影响 ⚫ 脆性材料（铸铁） ⚫ —强度计算不考虑应力集中 ⚫ 一般工作期内应力变化次数<103（104）按静应力强度计 算 [ ] ( 4 ) [ ] 2 1 2 2 s B ca   =  +  +    = [ ] 4 2 2 2 s s B ca  + + =     2、复合应力下工作的零件

52-3机械零件的疲劳强庋计算 变应力作用下机械零件的失效特征 1、失效飛式:疲劳(破坏)(断裂) 2、疲劳破坏特征 1)断裂过程:①产生初始裂纹(应力较大处) ②裂纹尖端在切应力作用下,反复扩 展,直至产生疲劳裂纹。 2)断裂面:①光滑区(疲芳发展区) ②粗糙区(脆性断裂区 ●3)无明显塑性变形的脆性突然断裂 ●4)破坏时的应力(疲劳极限)远小于材料的屈服极限 3、疲劳破坏的机理:损伤的累积 4、影响因素:不仅与材料性能有关,变应力的循环特性 应力循环次数,应力幅都对疲劳极限有很大影响

8 ⚫ 1、失效形式：疲劳（破坏）（断裂） ⚫ 2、疲劳破坏特征： ⚫ 1）断裂过程：①产生初始裂纹 （应力较大处） ⚫ ②裂纹尖端在切应力作用下，反复扩 ⚫ 展，直至产生疲劳裂纹。 ⚫ 2）断裂面：①光滑区（疲劳发展区） ⚫ ②粗糙区（脆性断裂区） ⚫ 3）无明显塑性变形的脆性突然断裂 ⚫ 4）破坏时的应力（疲劳极限）远小于材料的屈服极限 §2-3 机械零件的疲劳强度计算 一、变应力作用下机械零件的失效特征 3、疲劳破坏的机理：损伤的累积 4、影响因素：不仅与材料性能有关，变应力的循环特性， 应力循环次数，应力幅都对疲劳极限有很大影响

材料的疲劳曲线和极限应力图 N(zN)疲劳极眼循环变应力下应力循环N次后 材料不发生疲劳破坏时的最大应力称为 材料的疲劳极限 疲劳寿命(N)—材料疲劳失效前所经历的应力循环次数N 1、疲劳曲线:应力循环特性一定时,材料的疲劳极限与应力循 环次数之间关系的曲线 No一循环基数0有限寿命区 无限寿命区 一持久极限 1)有限寿命区 当№<103(104)低周循环 疲劳极限接近于屈服极限, 按静强度计算

9 ( )  N  N  N − N   二、材料的疲劳曲线和极限应力图 ——疲劳极限，循环变应力下应力循环N次后 材料不发生疲劳破坏时的最大应力称为 材料的疲劳极限 疲劳寿命（N）——材料疲劳失效前所经历的应力循环次数N 1、疲劳曲线： 应力循环特性一定时，材料的疲劳极限与应力循 环次数之间关系的曲线 No —循环基数 —持久极限 O N N N0 N  N 有限寿命区 无限寿命区 1）有限寿命区 当N<103 (104 )—低周循环， 疲劳极限接近于屈服极限， 按静强度计算

当N>103(104)高周循环疲劳 N 有限寿命区 无限寿命区 当103(04)≤肘随額环次数疲 劳极限↓ 2)无限寿命区 N≥N 持久极限O 对称循环:σ11脉动循环 注意:有色金属和高强度合金钢无无限寿命区 3)疲劳曲线方程(0(0)≤N≤N) N

10 当N>103 (104 )——高周循环疲劳 当 时随循环次数↑疲 劳极限↓ 0 3 4 10 (10 )  N  N O N N N0 N  N 有限寿命区 无限寿命区 ⚫注意：有色金属和高强度合金钢无无限寿命区。 2）无限寿命区 N  N0  N =   ——持久极限 对称循环： 脉动循环： 0  0  −1  −1  ⚫3）疲劳曲线方程 (10 (10 ) ) 0 3 4  N  N N N C m m  N  =   0 =