工程力学 教学课件 作者 李章政 编第12章交变应力.ppt

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1、工程力学9/3/20211第12章交变应力一、交变应力1.交变应力的概念应力是时间的周期函数12.1交变应力与疲劳失效OTTTst应力变化的一个周期T，称为一次应力循环曲线称为应力谱9/3/202122.特殊的交变应力对称循环OzyAy旋转轴的应力应力随时间按正弦规律变化变化范围[-a,a]9/3/20213脉冲循环齿轮齿根应力：由0到最大值之间变化脉动循环OTTTt应力由零到最大之间变化9/3/20214二、疲劳失效1.疲劳失效的概念当物件长期在交变应力下工作时，往往在应力低于屈服极限或强度极限的情况而突然发生断裂，即是塑性材料在断裂前也无明显的塑性变形，这种现象称为疲劳失效。2.疲劳

2、的出现疲劳现象19世纪初蒸汽机车、机动运载、运动部件开始发生。1829法国人Albert,W.A.用矿山卷扬机焊链条进行疲劳试验9/3/202151939法国人Poncelet,J.V.在巴黎大学讲课时首先使用“疲劳”术语，描述材料在循环载荷作用下承载能力逐渐耗尽以致最后突然断裂的现象。3.疲劳失效案例飞机疲劳失效：机头、机翼、机身9/3/20216发动机连杆疲劳失效（拉压）弹簧疲劳失效（拉压）齿轮疲劳失效：弯曲应力脉动循环汽轮机、涡轮机叶片连接螺栓9/3/20217三、疲劳失效（破坏）的特点1.低应力破坏破坏的名义应力很低，称为低应力破坏但实际应力却是很高，因为构件的有效截面面积下降很多2

3、.经历多次应力循环每经历一次应力循环，材料有一定的损伤损伤累积到一定程度才会破坏3.脆性破坏疲劳破坏表现出断裂失效，没有一点先兆延性材料也是如此9/3/202184.对构件表面及材料本身缺陷的高度敏感性表面及材料缺陷导致应力集中应力集中处是疲劳的策源地5.变形的高度局部性和不均匀性局部高应力区产生塑性变形，造成损伤形成裂纹，扩展断裂6.疲劳断口分两个区域：光滑区—裂纹扩展区粗糙区—突然断裂区9/3/2021912.2交变应力参数一、交变应力参数定义1.最大应力max2.最小应力min3.应力比rO一次循环tmaxminaam循环特征rr=-1，对称循环r=0，脉动循环r=

4、1，静应力旋转轴的应力9/3/2021104.平均应力mO一次循环tmaxminaam5.应力半幅a应力变化幅度的一半，称为应力半幅，又称应力幅值6.应力幅钢结构将最大应力与最小应力之差定义为应力幅非焊接部位采用折算应力幅9/3/202111二、交变应力分类1.对称循环(r=-1)O一次循环tmaxminaam2.非对称循环(r-1)脉冲循环(r=0)：静应力(r=1)：非对称循环有无穷多种情况！对称循环的承载力最低而静应力的承载力最高9/3/202112三、疲劳分类温度疲劳和温度有关的疲劳高温疲劳，常温疲劳，低温疲劳环境介质疲劳和工作环境、接触介质

5、有关的疲劳腐蚀疲劳，辐照疲劳，噪声疲劳应力状态疲劳与不同应力状态有关的疲劳弯曲疲劳，拉-拉疲劳，拉压疲劳，扭转疲劳，弯扭疲劳9/3/20211312.3材料的疲劳极限一、材料的疲劳极限测定疲劳极限的概念在一定循环特征r下，材料经历无限次循环而不发生疲劳失效的最大应力max的最高限值，称为材料的疲劳极限或持久极限，用r表示—-1、0。若经历一定循环次数N而失效，则N称为疲劳寿命（有限寿命）；疲劳极限属于无限寿命。9/3/202114疲劳极限测定纯弯曲疲劳试验机一组标准试件（7~10根）第一根最大应力为（60%~70%)b逐渐减小最大应力依次测定断裂前所经受的循环次数Ni最后一根试件至

6、少要达到107~108作疲劳曲线NomaxN1max11max2N22max3N33-N曲线-1-N曲线的渐近线对应的应力就是材料的疲劳极限-1扭转疲劳试验可以测定-19/3/202115二、疲劳极限影响因素构件外形的影响轴肩、孔口等导致应力集中引起初始裂纹，扩展后降低疲劳极限引进有效应力集中系数K>1D/d=2，d=30~50mm无应力集中时K=19/3/202116构件尺寸的影响尺寸越大，疲劳极限越低大试样的高应力区大于小试样引进尺寸系数<1表面加工质量表面质量越好疲劳极限越高考虑表面质量系数19/3/202117提高构件疲劳强度的途径缓和应力集中（截面突变

7、，圆角过渡）提高表面质量：精加工表层强化处理：化学处理—渗碳、氮化机械加工—喷丸、滚压处理9/3/202118K1—应力集中影响系数<1—构件尺寸影响系数1—构件表面条件影响系数构件的疲劳极限考虑上述影响因素后，构件的疲劳极限调整为同理，对于扭转疲劳有9/3/20211912.4机械零件疲劳强度计算一、对称循环下构件的疲劳强度验算许用应力法考虑疲劳安全系数规定值[n]，构件的许用应力交变应力作用下