機械強度設計計算

1、機械強度設計計算,主要內容：,一、疲勞強度計算 二、機械零件的抗斷裂強度和接觸強度 三、低周疲勞和熱疲勞,一、疲勞強度計算,1、疲勞強度破壞 材料在循環(huán)應力作用下，其工作應力的最大值雖然小于材料的強度極限，但在零部件的高局部應力區(qū)，材料中較弱的晶粒在變應力下形成微裂紋，裂紋逐漸擴展導致最終的疲勞破壞。 疲勞破壞的過程可分三個階段： 1）疲勞裂紋的形成 2）疲勞裂紋的擴展 3）瞬時斷裂,2、變應力的類型 載荷或應力隨時間變化的圖形稱為載荷譜或應力譜。它們可以分為以下三類： 1）穩(wěn)定循環(huán)變應力,a),根據不同的循環(huán)特征，穩(wěn)定循環(huán)應變力又可分為： （1）非對稱循環(huán)變應力 -1r+1,但r不等于零 （

2、2）對稱循環(huán)變應力 r=-1 （3）脈動循環(huán)變應力 r=1 2、不穩(wěn)定循環(huán)變應力,右圖顯示是應力幅按照一定規(guī)律 周期變化的不穩(wěn)定循環(huán)變應力；與穩(wěn) 定循環(huán)變應力相比，在很多情況下它 更接近于真實的發(fā)生在機械零件中的 變應力。,3、隨機變應力,右圖是典型的隨機變應力譜。 由于真實的應力狀況基本上都是 隨機變應力或近似的不穩(wěn)定循環(huán) 變應力，而材料的疲勞特性值都 是在穩(wěn)定循環(huán)變應力的條件下試 驗得出的，因此疲勞強度設計計 算所要解決的問題，基本上就是 如何利用試件的對稱循環(huán)疲勞極 限來判定承受不穩(wěn)定循環(huán)變應力 和隨機變應力的機械零件的疲勞 強度和疲勞壽命。,3、單向穩(wěn)定變應力時的疲勞強度計算,進行零件

3、疲勞強度計算時，首先根據零件危險截面上的 max 及 min確定 平均應力m與應力幅a，然后，在極限應力線圖的坐標中標示出相應工作應 力點M或N。,相應的疲勞極限應力應是極限應力曲線上的某一個點所代表的應力 。,根據零件工作時所受的約束來確定應力可能發(fā)生的變化規(guī)律，從而決定以哪一個點來表示極限應力。 機械零件可能發(fā)生的典型的應力變化規(guī)律有以下三種：,應力比為常數(shù)：r=C 平均應力為常數(shù)m=C 最小應力為常數(shù)min=C,4、雙向穩(wěn)定變應力時的疲勞強度計算,當零件上同時作用有同相位的穩(wěn)定對稱循環(huán)變應力sa 和ta時，由實驗得出的極限應力關系式為：,式中 ta及sa為同時作用的切向及法向應力 幅的極

4、限值。,由于是對稱循環(huán)變應力，故應力幅即為最大應力?；【€ AMB 上任何一個點即代表一對 極限應力a及a。,若作用于零件上的應力幅sa及ta如圖中M點表示，則由于此工作應力點在 極限以內，未達到極限條件，因而是安全的。,計算安全系數(shù)：,5、單向不穩(wěn)定變應力時的疲勞強度計算,規(guī)律性不穩(wěn)定變應力,若應力每循環(huán)一次都對材料的破壞起相同的作用，則應力 1 每循環(huán)一次對材料的損傷率即為1/N1，而循環(huán)了n1次的1對材料的損傷率即為n1/N1。如此類推，循環(huán)了n2次的2對材料的損傷率即為n2/N2，。,當損傷率達到100%時，材料即發(fā)生疲勞破壞，故對應于極限狀況有：,二、機械零件的抗斷裂強度和接觸強度,1

5、、機械零件的抗斷裂強度,在工程實際中，往往會發(fā)生工作應力小于許用應力時所發(fā)生的突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為低應力脆斷。,通過對大量結構斷裂事故分析表明，結構內部裂紋和缺陷的存在是導致低應力斷裂的內在原因。,對于高強度材料，一方面是它的強度高（即許用應力高），另一方面則是它抵抗裂紋擴展的能力要隨著強度的增高而下降。因此，用傳統(tǒng)的強度理論計算高強度材料結構的強度問題，就存在一定的危險性。,使裂紋體斷裂的主要原因是：1）載荷的大小，及其使物體形成的應力； 2）裂紋的大小即裂紋的長度和深淺。經過理論推導和試驗證明，裂紋物體 斷裂的條件與這二者所結合的一個參數(shù)有關，即應力強度因子KI 。,當某種材料發(fā)生脆斷時

6、的應力強度因子數(shù)值即為該材料應力強度因子的極限值，稱為材料的斷裂韌性。 用KIC 表示。,2、機械零件的接觸疲勞強度,1）定義： 當兩零件以高副接觸即點、線相接觸時，其接觸的表層局部會引起較大的應力。這局部的應力稱為接觸應力。,2）計算公式：對于線接觸的情況，其接觸應力可用赫茲應力公式計算。,式中1和2 分別為兩零件初始接觸線處的曲率半徑, 其中正號用于外接觸，負號用于內接觸。,接觸應力是不同于以往所學過的擠壓應力的。擠壓應力是面接觸引起的應力，是二向應力狀態(tài)，而接觸應力是三向應力狀態(tài)。接觸應力的特點是：僅在局部很小的區(qū)域內產生很大的應力。,三、低周疲勞和熱疲勞,1、低周疲勞,1）定義：金屬材

7、料在超過其屈服強度的低頻率循環(huán)應力或超過其屈服應變作用下，經102105次循環(huán)而產生的疲勞。 在火電廠應用中一般指機組啟停時因熱應力或離心力施加和釋放的循環(huán)所導致的疲勞,2）常按破壞循環(huán)次數(shù)的高低將疲勞分為兩類： 高循環(huán)疲勞（高周疲勞）。作用于零件、構件的應力水平較低 ，破壞循環(huán)次數(shù)一般高于104105的疲勞 ，彈簧、傳動軸等的疲勞屬此類。 低循環(huán)疲勞（低周疲勞）。作用于零件、構件的應力水平較高 ，破壞循環(huán)次數(shù)一般低于104105的疲勞，如壓力容器、燃氣輪機零件等的疲勞。,3）影響低周疲勞的主要因素 a、塑性 塑性好的材料，易產生塑性變形，使應力得到重新分布。因此 抵抗低周疲勞性能較好。 b、

8、加載頻率和保持時間 加載頻率降低和保持時間增加會降低材料壽命。 c、晶粒大小 隨著晶粒變細，材料的低周疲勞壽命增加。 d、環(huán)境介質 高溫下，裂紋尖端發(fā)生氧化，加速裂紋擴展。,2、熱疲勞,1）定義 ：在溫度循環(huán)變化下工作的機械零件，如軋鋼機的軋輥、汽輪機和燃氣機的葉輪和葉片等，由于有溫度升高和冷卻的循環(huán)變化，而產生應變循環(huán)的變化，同時熱應力也隨之循環(huán)變化，當循環(huán)次數(shù)達到一定數(shù)值時，金屬材料將產生的疲勞破壞。,2）成因：在熱疲勞過程中由于高溫引起材料內部組織結構變化，降低了材料的熱疲勞抗力；高溫促使表面和裂紋尖端氧化，甚至局部熔化，加速熱疲勞破壞;零件截面上存在溫度梯度，特別足厚壁零件溫度梯度更大，在溫度梯度最大處造成塑性應變集中，促進熱疲勞破壞的發(fā)生。熱疲勞裂紋是在受熱表面熱應變最大區(qū)域形成，一般有幾個疲勞裂紋源，裂紋沿表面垂直受熱方向擴展，并向表面內縱深方向發(fā)展。,3）特征：零件熱疲勞破壞是以受熱表面上產生特有的龜裂裂紋為特征。熱疲勞裂紋與循環(huán)溫差、零件表面缺口狀態(tài)和材料有關。循環(huán)溫差越大、表面缺口越尖銳，就越容易發(fā)生熱疲勞。金屬材料的熱疲勞抗力不但與材料的導熱性、比熱等熱力學性質有關，而