1、北京航空航天大學機械工程及自動化學院北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅劉繼紅二章第二章E靜應力狀態(tài)下的強度計算靜應力狀態(tài)下的強度計算E變應力狀態(tài)下的強度計算變應力狀態(tài)下的強度計算E表面強度計算表面強度計算E剛度和振動計算剛度和振動計算北京航空航天大學機械工程及自動化學院北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅劉繼紅驟步驟1 1：繪制運動簡圖：繪制運動簡圖步驟步驟2 2：繪制結構簡圖：繪制結構簡圖步驟步驟3 3：分析載荷應力：分析載荷應力步驟步驟4 4：選擇零件材料：選擇零件材料步驟步驟5 5：分析失效形式：分析失效形式步驟步驟6

2、 6：確定工作準則：確定工作準則步驟步驟7 7：進行設計計算：進行設計計算步驟步驟8 8：進行結構設計：進行結構設計步驟步驟9 9：進行校核驗算：進行校核驗算機械零件設計的一般步驟機械零件設計的一般步驟北京航空航天大學機械工程及自動化學院北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅劉繼紅驟步驟1 1：繪制運動簡圖：繪制運動簡圖步驟步驟2 2：繪制結構簡圖：繪制結構簡圖步驟步驟3 3：分析載荷應力：分析載荷應力步驟步驟4 4：選擇零件材料：選擇零件材料步驟步驟5 5：分析失效形式：分析失效形式步驟步驟6 6：確定工作準則：確定工作準則步驟步驟7 7：進行設計計算：進行設

3、計計算步驟步驟8 8：進行結構設計：進行結構設計步驟步驟9 9：進行校核驗算：進行校核驗算機械零件設計的一般步驟機械零件設計的一般步驟北京航空航天大學機械工程及自動化學院北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅劉繼紅算載荷計算載荷= =K K 名義載荷名義載荷載荷系數(shù)（工作情況系數(shù)）載荷系數(shù)（工作情況系數(shù)）載荷（載荷（1）載荷載荷 作用于零件上的力或力矩作用于零件上的力或力矩名義載荷（理論載荷）名義載荷（理論載荷）F F 理想工作條件下的載荷，根據(jù)額定功率計理想工作條件下的載荷，根據(jù)額定功率計算算計算載荷（實際載荷）計算載荷（實際載荷）F Fc c 作用于零件的實

4、際載荷，考慮各種附加載作用于零件的實際載荷，考慮各種附加載荷荷K 1主因是動力機與工作機的工作性質(zhì)，如平穩(wěn)、沖擊主因是動力機與工作機的工作性質(zhì)，如平穩(wěn)、沖擊北京航空航天大學機械工程及自動化學院北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅劉繼紅燃機閥門內(nèi)燃機閥門彈簧受力彈簧受力載荷（載荷（2）靜載荷靜載荷 不隨時間變化或變化緩慢的載荷不隨時間變化或變化緩慢的載荷 鍋爐受力鍋爐受力變載荷變載荷 隨時間周期性或非周期性變化的載荷隨時間周期性或非周期性變化的載荷汽車軸、汽車軸、齒輪受力齒輪受力北京航空航天大學機械工程及自動化學院北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅劉繼

5、紅力應力 （）單位面積上的內(nèi)力單位面積上的內(nèi)力拉伸應力、壓縮應力、剪切應力拉伸應力、壓縮應力、剪切應力F北京航空航天大學機械工程及自動化學院北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅劉繼紅 tminmaxm零件的應力零件的應力作用在零件剖面上的應力作用在零件剖面上的應力穩(wěn)定變應力穩(wěn)定變應力靜應力靜應力 不隨時間變化或變化緩慢的應力不隨時間變化或變化緩慢的應力變應力變應力 隨時間周期性或非周期性變化的應力隨時間周期性或非周期性變化的應力非穩(wěn)定變應力非穩(wěn)定變應力北京航空航天大學機械工程及自動化學院北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅劉繼

6、紅題問題：靜變載荷與靜變應力的關系？靜變載荷與靜變應力的關系？名義應力？計算應力？名義應力？計算應力？北京航空航天大學機械工程及自動化學院北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅劉繼紅定變應力穩(wěn)定變應力每次循環(huán)的參數(shù)和周期均不隨時間變化每次循環(huán)的參數(shù)和周期均不隨時間變化的周期性變應力，亦稱循環(huán)變應力的周期性變應力，亦稱循環(huán)變應力對稱循環(huán)變應力對稱循環(huán)變應力脈動循環(huán)變應力脈動循環(huán)變應力非對稱循環(huán)變應力非對稱循環(huán)變應力應力參數(shù)應力參數(shù)最大應力最大應力max max m m + + a a最小應力最小應力minmin m m a a平均應力平均

7、應力m m (maxmax+ +minmin) )2 2 應力幅應力幅 a a (maxmaxminmin) )2 2 應力循環(huán)特性應力循環(huán)特性 r r = = minminmaxmax問題問題：三種穩(wěn)定變應力的參數(shù)？三種穩(wěn)定變應力的參數(shù)？ 靜應力的參數(shù)？靜應力的參數(shù)？北京航空航天大學機械工程及自動化學院北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅劉繼紅料的極限應力（材料的極限應力（1） Be e 玻璃鋼玻璃鋼灰口鑄鐵灰口鑄鐵e e p S BA AB BCDE靜應力靜應力下的極限應力與材料性能有關下的極限應力與材料性能有關脆性材料取強度極限應力脆性材料取強度極限應力

8、B B塑性材料取屈服極限應力塑性材料取屈服極限應力S S北京航空航天大學機械工程及自動化學院北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅劉繼紅料的極限應力（材料的極限應力（2）變應力變應力下的極限應力依據(jù)防疲勞斷裂準則確定，下的極限應力依據(jù)防疲勞斷裂準則確定，取疲勞極限應力（材料經(jīng)過取疲勞極限應力（材料經(jīng)過N N0 0次應力循環(huán)不發(fā)生次應力循環(huán)不發(fā)生破壞的最大應力）破壞的最大應力）r，該值可從有關手冊查取。，該值可從有關手冊查取。0NNNrNr有限壽命區(qū)有限壽命區(qū) 無限壽命區(qū)無限壽命區(qū)北京航空航天大學機械工程及自動化學院北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅劉繼

9、紅用應力：許用應力：設計零件時所依據(jù)的條件應力設計零件時所依據(jù)的條件應力許用安全系數(shù)：許用安全系數(shù)：考慮計算精度、材料均勻度和考慮計算精度、材料均勻度和 零件重要度等因素，查表而得。零件重要度等因素，查表而得。許用安全系數(shù)許用安全系數(shù)許用應力許用應力結構笨重結構笨重許用安全系數(shù)許用安全系數(shù)許用應力許用應力不夠安全不夠安全許用應力與許用安全系數(shù)許用應力與許用安全系數(shù)SlimSlim許用應力許用應力極限應力極限應力許用安全系數(shù)許用安全系數(shù) 北京航空航天大學機械工程及自動化學院北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅劉繼紅驟步驟1 1：繪制運動

10、簡圖：繪制運動簡圖步驟步驟2 2：繪制結構簡圖：繪制結構簡圖步驟步驟3 3：分析載荷應力：分析載荷應力步驟步驟4 4：選擇零件材料：選擇零件材料步驟步驟5 5：分析失效形式：分析失效形式步驟步驟6 6：確定工作準則：確定工作準則步驟步驟7 7：進行設計計算：進行設計計算步驟步驟8 8：進行結構設計：進行結構設計步驟步驟9 9：進行校核驗算：進行校核驗算機械零件設計的一般步驟機械零件設計的一般步驟北京航空航天大學機械工程及自動化學院北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅劉繼紅用零件材料的力學性能等級和牌號常用零件材料的力學性能等級和牌號（1 1）鑄鐵鑄鐵：含：含2

11、.062.06易成型、價廉、吸振、易成型、價廉、吸振、可靠性差。如灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵可靠性差。如灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵（2 2）鋼鋼：含量：含量1.41.4常用。常用。 碳素鋼碳素鋼：普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼 合金鋼：綜合機械性能好，但較貴合金鋼：綜合機械性能好，但較貴 鑄鋼：含（鑄鋼：含（0.150.150.60.6）易成型易成型（3 3）有色金屬合金有色金屬合金：有特殊性能，價昂：有特殊性能，價昂少用。如少用。如鋁合金、銅合金（黃銅、青銅）、軸承合金鋁合金、銅合金（黃銅、青銅）、軸承合金（4 4） 非金屬材料非金屬材料：如工程塑料、橡膠、玻璃等燒結：如工程塑

12、料、橡膠、玻璃等燒結材料、復合材料材料、復合材料常用材料常用材料北京航空航天大學機械工程及自動化學院北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅劉繼紅料選用原則材料選用原則使用要求使用要求使用環(huán)境、載荷性質(zhì)、結構、重要程度使用環(huán)境、載荷性質(zhì)、結構、重要程度. .工藝要求工藝要求零件及其毛坯的形狀、批量、加工方法零件及其毛坯的形狀、批量、加工方法. .經(jīng)濟要求經(jīng)濟要求材料價格結合加工費用、材料利用率材料價格結合加工費用、材料利用率. .北京航空航天大學機械工程及自動化學院北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅劉繼紅驟步驟1 1：繪制運動簡

13、圖：繪制運動簡圖步驟步驟2 2：繪制結構簡圖：繪制結構簡圖步驟步驟3 3：分析載荷應力：分析載荷應力步驟步驟4 4：選擇零件材料：選擇零件材料步驟步驟5 5：分析失效形式：分析失效形式步驟步驟6 6：確定工作準則：確定工作準則步驟步驟7 7：進行設計計算：進行設計計算步驟步驟8 8：進行結構設計：進行結構設計步驟步驟9 9：進行校核驗算：進行校核驗算機械零件設計的一般步驟機械零件設計的一般步驟北京航空航天大學機械工程及自動化學院北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅劉繼紅可能的失效形式：軸可能的失效形式：斷裂、塑性變形、過大彈性變形、共振斷裂、塑性變形、過大彈性

14、變形、共振Fn零件失效形式零件失效形式失效失效零件喪失工作能力或達不到設計要求的性能，不零件喪失工作能力或達不到設計要求的性能，不僅僅指破壞僅僅指破壞主要失效形式主要失效形式斷裂斷裂：如軸、齒輪輪齒發(fā)生斷裂：如軸、齒輪輪齒發(fā)生斷裂表面點蝕表面點蝕：工作表面片狀剝落：工作表面片狀剝落塑性變形塑性變形：零件發(fā)生永久性變形：零件發(fā)生永久性變形過大彈性變形過大彈性變形表面破壞表面破壞過大振動和噪聲、過熱過大振動和噪聲、過熱等等北京航空航天大學機械工程及自動化學院北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅劉繼紅驟步驟1 1：繪制運動簡圖：繪制運動簡圖步驟步驟2 2：繪制結構簡

15、圖：繪制結構簡圖步驟步驟3 3：分析載荷應力：分析載荷應力步驟步驟4 4：選擇零件材料：選擇零件材料步驟步驟5 5：分析失效形式：分析失效形式步驟步驟6 6：確定工作準則：確定工作準則步驟步驟7 7：進行設計計算：進行設計計算步驟步驟8 8：進行結構設計：進行結構設計步驟步驟9 9：進行校核驗算：進行校核驗算機械零件設計的一般步驟機械零件設計的一般步驟北京航空航天大學機械工程及自動化學院北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅劉繼紅 1352204602250 kN零件工作能力準則零件工作能力準則工作能力工作能力不失效條件下零件的安全工作限度。該限不失效條件下零件的安全工作限度。該限度通常

16、以零件承受載荷的大小來表示，又度通常以零件承受載荷的大小來表示，又常稱為常稱為“承載能力承載能力”。如：吊鉤最大起重。如：吊鉤最大起重量量50 kN50 kN，其工作能力或承載能力為，其工作能力或承載能力為50 kN50 kN工作能力準則工作能力準則衡量零件工作能力的指標。零件設計就是針對零件主要衡量零件工作能力的指標。零件設計就是針對零件主要失效形式選擇適合的工作能力準則進行設計。主要包括失效形式選擇適合的工作能力準則進行設計。主要包括強度準則、剛度準則、耐磨性準則、振動穩(wěn)定性準則、強度準則、剛度準則、耐磨性準則、振動穩(wěn)定性準則、耐熱性準則耐熱性準則北京航空航天大學機械工程及自動化學院北京航

17、空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅劉繼紅強度度準準則則剛度準則剛度準則耐磨性準則耐磨性準則選擇工作準則選擇工作準則主要失效形式與工作準則的對應主要失效形式與工作準則的對應斷裂斷裂：如軸、齒輪輪齒發(fā)生斷裂：如軸、齒輪輪齒發(fā)生斷裂表面點蝕表面點蝕：工作表面片狀剝落：工作表面片狀剝落塑性變形塑性變形：零件發(fā)生永久性變形：零件發(fā)生永久性變形過大彈性變形過大彈性變形表面破壞表面破壞過大振動和噪聲、過熱過大振動和噪聲、過熱等等振動穩(wěn)定性準則振動穩(wěn)定性準則北京航空航天大學機械工程及自動化學院北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅劉繼紅驟步驟1 1

18、：繪制運動簡圖：繪制運動簡圖步驟步驟2 2：繪制結構簡圖：繪制結構簡圖步驟步驟3 3：分析載荷應力：分析載荷應力步驟步驟4 4：選擇零件材料：選擇零件材料步驟步驟5 5：分析失效形式：分析失效形式步驟步驟6 6：確定工作準則：確定工作準則步驟步驟7 7：進行設計計算：進行設計計算步驟步驟8 8：進行結構設計：進行結構設計步驟步驟9 9：進行校核驗算：進行校核驗算機械零件設計的一般步驟機械零件設計的一般步驟北京航空航天大學機械工程及自動化學院北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅劉繼紅度計算強度計算強度：強度：材料抵抗斷裂或殘余變形的能力材料抵抗斷裂或殘余變形的能

19、力強度準則：強度準則：工作應力工作應力許用應力許用應力 或或 失效形式：失效形式：斷裂、疲勞破壞、殘余變形斷裂、疲勞破壞、殘余變形典型零件：典型零件：軸、齒輪、軸、齒輪、 帶輪等帶輪等Slim 正應力：正應力：Slim 剪應力：剪應力：機械零件工作能力的最基本準則機械零件工作能力的最基本準則北京航空航天大學機械工程及自動化學院北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅劉繼紅應力狀態(tài)下的強度計算靜應力狀態(tài)下的強度計算塑性材料零件塑性材料零件 = sS = sS脆性或低塑性材料零件脆性或低塑性材料零件 = BS = BS防止塑性變形防止塑性變形防止斷裂防止斷裂北京航空航

20、天大學機械工程及自動化學院北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅劉繼紅應力狀態(tài)下的強度計算（變應力狀態(tài)下的強度計算（1）疲勞破壞機理：疲勞破壞機理：零件產(chǎn)生微觀裂紋；發(fā)展成宏觀裂紋；零件產(chǎn)生微觀裂紋；發(fā)展成宏觀裂紋；宏觀裂紋急劇擴展；到達材料極限強度時發(fā)生斷裂宏觀裂紋急劇擴展；到達材料極限強度時發(fā)生斷裂影響零件疲勞強度因素影響零件疲勞強度因素材料極限應力材料極限應力 應力集中應力集中 尺寸效應尺寸效應 表面狀態(tài)表面狀態(tài) 疲勞失效：疲勞失效：大多數(shù)機械零件工作時受變應力作用。即大多數(shù)機械零件工作時受變應力作用。即使應力值小于材料的屈服強度，也會在經(jīng)受一定應力循使應

21、力值小于材料的屈服強度，也會在經(jīng)受一定應力循環(huán)周期后突然斷裂，而且斷裂時沒有明顯的宏觀塑性變環(huán)周期后突然斷裂，而且斷裂時沒有明顯的宏觀塑性變形，這種破壞形式稱為疲勞失效形，這種破壞形式稱為疲勞失效北京航空航天大學機械工程及自動化學院北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅劉繼紅應力狀態(tài)下的強度計算（變應力狀態(tài)下的強度計算（2）0NNNrNr有限壽命區(qū)有限壽命區(qū) 無限壽命區(qū)無限壽命區(qū)循環(huán)特性循環(huán)特性r r一定時，應力循環(huán)一定時，應力循環(huán)N N次后，材料不發(fā)次后，材料不發(fā)生疲勞破壞時的最大應力，稱為疲勞極限。生疲勞破壞時的最大應力，稱為疲勞極限。NrmrrNKNN0K

22、 KN N：壽命系數(shù)：壽命系數(shù)N N0 0: : 循環(huán)基數(shù)循環(huán)基數(shù)m m：材料與應力指數(shù)：材料與應力指數(shù)疲勞曲線（疲勞曲線（ N曲線曲線） rNmN = rmN0 = C北京航空航天大學機械工程及自動化學院北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅劉繼紅應力狀態(tài)下的強度計算（變應力狀態(tài)下的強度計算（3）lgNlg rNO103(104)N0 rAB低周循環(huán)低周循環(huán)高周循環(huán)高周循環(huán)有限壽命區(qū)有限壽命區(qū)無限壽命區(qū)無限壽命區(qū)循環(huán)基數(shù)循環(huán)基數(shù)(107)疲勞曲線一般是在對稱循環(huán)變應力條件下的實驗結果疲勞曲線一般是在對稱循環(huán)變應力條件下的實驗結果北京航空航天大學機械工程及自動化

23、學院北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅劉繼紅應力狀態(tài)下的強度計算（變應力狀態(tài)下的強度計算（4）相同循環(huán)次數(shù)（通常取相同循環(huán)次數(shù)（通常取N N0 0）和不同循環(huán)特性）和不同循環(huán)特性r r下，下，材料有不同的疲勞極限，可從材料疲勞極限應力材料有不同的疲勞極限，可從材料疲勞極限應力圖求得。圖求得。 a mF( B,0)S( s,0)A(0, -1)B( 0/2, 0/2)E安全區(qū)安全區(qū)塑性失效區(qū)塑性失效區(qū)疲勞失效區(qū)疲勞失效區(qū)45o135oABES北京航空航天大學機械工程及自動化學院北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅劉繼紅應力狀態(tài)

24、下的強度計算（變應力狀態(tài)下的強度計算（5） a mS( s,0)A a mS( s,0)A a mS( s,0)A lim=2 -1K (1-r)+ (1+r)許用疲勞極限曲線許用疲勞極限曲線許用疲勞極限曲線許用疲勞極限曲線許用疲勞極限曲線許用疲勞極限曲線簡化疲勞曲線簡化疲勞曲線簡化疲勞曲線簡化疲勞曲線簡化疲勞曲線簡化疲勞曲線m1minK K ：疲勞強度綜合影響系數(shù)：疲勞強度綜合影響系數(shù)北京航空航天大學機械工程及自動化學院北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅劉繼紅應力狀態(tài)下的強度計算（變應力狀態(tài)下的強度計算（6） max = limS a a = lim-aS

25、疲勞強度準則：疲勞強度準則：北京航空航天大學機械工程及自動化學院北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅劉繼紅面強度計算表面強度計算表面接觸強度表面接觸強度表面擠壓強度表面擠壓強度表面磨損強度表面磨損強度齒輪傳動、蝸桿傳動以及滾動軸承等依靠表面接齒輪傳動、蝸桿傳動以及滾動軸承等依靠表面接觸工作的零件，受到法向載荷時，其工作能力取觸工作的零件，受到法向載荷時，其工作能力取決于接觸表面的強度決于接觸表面的強度北京航空航天大學機械工程及自動化學院北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅劉繼紅面接觸強度表面接觸強度北京航空航天大學機械工程及自動化學院北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅劉繼紅EEFcaH222121211111赫茲公式赫茲公式接觸應力的計算公式接觸應力的計算公式影響接觸應力的因素：影響接觸應力的因素：曲率半徑曲率半徑材料材料接觸線長度接觸線長度FacFac：法向載荷；：法向載荷；L L：接觸長度；：接觸長度；疲勞強度準則：疲勞強度準則： H H 北京航空航天大學機械工程及自動化學院北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅