工程力学 教学课件 作者王丽梅上传资料项目9 交变应力项目9 交变应力.ppt

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1、项目9交变应力任务9.1交变应力及疲劳破坏一、交变应力的概念随时间做周期性变化的应力称为交变应力。PσAtO齿顶圆齿根圆节圆ωAB齿顶圆齿根圆节圆APzyPyPzPzD/2设B点所在截面在xy平面内弯矩为Mz，则B点在xy平面内正应力设轴直径为r，则ωσt设简支梁在电机偏心转子作用下做强迫振动，转子重量p，定子重量P。转子匀速转动，偏心距e，角速度ω。仅讨论Ry，根据质心运动定理定子质心：转子质心：系统（定子＋转子）质心：RyxyOBAPpeABPpRyOxy根据质心运动定理动载荷静载荷σmaxtσσjσmin二、交变应力作用下构件的破坏与静载荷情况

2、下破坏完全不同，疲劳破坏(fatigue)。现象：应力低于屈服极限，在交变应力长期作用下，构件突然断裂。即便对于塑性材料，在断裂前也没有明显塑性变形。危害性大，飞机、车辆和机器发生的事故中，很大比例是由于零部件疲劳实效造成的。机理：由于构件形状和材料不均匀等原因，构件内某些局部区域应力较大，在长期交变应力作用下，在该局部区域沿最大切应力作用面形成滑移带，滑移带开裂形成微观裂纹，裂纹尖端的应力集中，进一步使得裂纹逐渐扩展，由微观裂纹变为宏观裂纹。并且在裂纹尖端一般处于三向拉伸应力状态，不易出现塑性变形。当裂纹扩展到一定限度，可能骤然迅速扩展，使构件截面

3、严重削弱，最后发生突然脆性断裂。试验解释：图11.4(page345)。3、交变应力循环特性、应力幅度和平均应力循环特性平均应力tσσmσminσmaxTσa应力幅σtOωAσtO静载荷：4.持久极限概念：交变应力下，静强度指标σs(σb)不能再作为强度指标。试验表明，在一定交变应力下，疲劳破坏同循环次数有关。当交变应力最大值σmax不大于某一临界值时，构件可经历无穷多次应力循环而不发生疲劳破坏，该临界值成为持久极限或者疲劳极限。测定：以纯弯曲下的对称循环为例FaFa试样：d＝7～10mm的光滑小试件，每组6～10根。设备：疲劳试验机FFaa试样最大

4、正应力测定：1.通过F使得第一根试样的σmax≈70％σb，经过一定循环次数N1，试件破坏；2.第二根试样减小σmax，循环次数N2，破坏；3.第三、四…，以此类推，得到一系列σmax值和N值。FFaa试样结果分析：1.同一循环特性，σmax越大，循环次数越少；反之亦然。2.曲线有一水平渐进线。→应力只要不超过该值，循环次数可以无穷多(循环次数无限构件也不发生疲劳破坏)。持久极限（疲劳极限）σmaxNN1N2σmax,1σmax,2σ－1循环基数：试验不可能无限期进行，实践中规定一个循环次数N0对应的应力为持久极限，如果试样在N0没有发生疲劳破坏，则

5、认为超过N0也不会疲劳破坏。如钢和铸铁等黑色金属材料，循环基数N0＝107。应力－寿命曲线5、影响持久极限的因素同一种材料，影响持久极限的因素主要有：（1）构件外形的影响构件外形的突然变化，如槽、孔、缺口、轴肩等，引起应力集中，在应力集中区域更易形成疲劳裂纹，使持久极限显著降低。有效应力集中系数：无应力集中的持久极限有应力集中的持久极限理论应力集中系数仅同构件外形有关。同构件外形、材料形状有关。（图11.8，11.9）（2）构件尺寸的影响构件横截面尺寸越大，持久极限越小。光滑大试件的持久极限光滑小试件的持久极限尺寸系数相同最大切应力情况下，沿着横截面

6、半径，大试件应力衰减比小试件缓慢，因而大试件截面上高应力区比小试件大。所以形成疲劳裂纹的机会也更多。持久极限降低。（表11.1）（3）构件表面质量的影响表面质量系数表面为其他加工情况时的持久极限表面磨光时的持久极限表面有缺陷，如刀痕、擦伤等，表面经过强化处理，如淬火、渗炭、氮化、滚压、喷丸等，显然，有效应力集中系数越小、尺寸系数和表面质量系数越大，则实际构件的持久极限越大。（表11.2）（表11.3）光滑小试件的持久极限任务9.2工程构件的疲劳强度计算显然，构件应力必须小于持久极限，考虑安全系数：许用应力强度条件or工作安全系数例3.2mmΦ50m-

7、m某减速器第一轴如图。键槽为端铣加工，m-m截面弯矩M＝860N·m，材料Q255钢，校核该截面强度，且规定安全系数若不计键槽对截面影响，最大工作应力显然，交变应力属于对称循环工作安全系数差表得满足疲劳强度要求提高构件疲劳强度的措施疲劳裂纹主要在应力集中部位和构件表面发生，所以改善措施应从减缓应力集中，提高构件表面质量入手。1、减缓应力集中圆角、减荷槽、退刀槽、坡口焊接等等。2、降低表面粗糙度提高表面加工质量3、增强表面强度强化处理，如淬火、渗炭、氮化、滚压、喷丸等提高加工工艺