機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)分析

1疲勞可靠性設(shè)計(jì)概述基本概念交變應(yīng)力S-N曲線P-S-N曲線結(jié)構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的修正等壽命圖高周疲勞和低周疲勞影響疲勞強(qiáng)度的因素結(jié)構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的分散特性疲勞應(yīng)力——強(qiáng)度干涉模型疲勞可靠性設(shè)計(jì)分析舉例2在一百多年前，隨著蒸汽機(jī)的出現(xiàn)和鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，機(jī)車(chē)車(chē)軸經(jīng)常發(fā)生意外的破壞，即在滿足靜強(qiáng)度的條件下，經(jīng)歷了一段時(shí)間的使用，會(huì)突然發(fā)生斷裂。二次世界大戰(zhàn)前后，約有20架英國(guó)‘惠靈頓’號(hào)重型轟炸機(jī)疲勞破壞機(jī)械結(jié)構(gòu)在滿足靜強(qiáng)度時(shí),仍發(fā)生疲勞破壞在交變應(yīng)力遠(yuǎn)小于極限強(qiáng)度的情況下，破壞也可能發(fā)生靜強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)不包含壽命問(wèn)題3疲勞破壞斷口起點(diǎn)在某一點(diǎn)產(chǎn)生微小的裂紋：“疲勞源”發(fā)生在局部高應(yīng)力或高應(yīng)變區(qū)域裂紋形成區(qū)放射區(qū)光滑區(qū)裂紋快速擴(kuò)展區(qū)最后破壞區(qū)粗糙區(qū)大量滑移位移5疲勞失效的斷口特征6疲勞裂紋形成機(jī)理累積損傷破壞過(guò)程疲勞裂紋的萌生在交變載荷作用下，材料發(fā)生局部滑移。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，滑移線在某些局部區(qū)域內(nèi)變粗，并形成滑移帶，其中一部分滑移帶為駐留帶。進(jìn)一步增加循環(huán)次數(shù)，駐留滑移帶上可以形成擠出峰、擠入槽現(xiàn)象，這就是疲勞裂紋的萌生。表面缺陷或材料內(nèi)部缺陷起著尖缺口的作用，使應(yīng)力集中，促進(jìn)疲勞裂紋的形成。實(shí)際工程構(gòu)件的疲勞裂紋大都在零件表面缺陷、晶界或第二相粒子處萌生。7疲勞失效判據(jù)無(wú)限壽命設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)應(yīng)力低于疲勞極限安全壽命設(shè)計(jì)在規(guī)定的使用期限內(nèi)不能產(chǎn)生疲勞裂紋破損安全設(shè)計(jì)裂紋被檢出之前，裂紋不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)破壞。這要求裂紋及時(shí)檢出，并發(fā)展速度較慢。損傷容限設(shè)計(jì)首先假設(shè)結(jié)構(gòu)中預(yù)先存在裂紋，再用斷裂力學(xué)的方法計(jì)算分析這些裂紋的擴(kuò)展規(guī)律。此種方法適用于裂紋擴(kuò)展速率較慢，且具有高韌性的材料。9基本概念交變應(yīng)力應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力的每一個(gè)周期性變化稱(chēng)做一個(gè)‘應(yīng)力循環(huán)’“最大應(yīng)力”、“最小應(yīng)力”、“平均應(yīng)力”在應(yīng)力循環(huán)中，兩個(gè)極值中代數(shù)值較大的一個(gè)在應(yīng)力循環(huán)中，兩個(gè)極值中代數(shù)值較小的一個(gè)最大應(yīng)力和最小應(yīng)力的代數(shù)平均值10疲勞可靠性基本概念穩(wěn)定性變應(yīng)力11疲勞可靠性基本概念隨機(jī)不穩(wěn)定變應(yīng)力13疲勞可靠性基本概念14S-N曲線在交變應(yīng)力下，材料對(duì)疲勞的抗力一般用S?N曲線與疲勞極限來(lái)衡量。在一定的應(yīng)力比R下，使用一組標(biāo)準(zhǔn)試樣，分別在不同的Smax下施加交變載荷，直至破壞，記下每根試樣破壞時(shí)的循環(huán)次數(shù)N。以Smax為縱坐標(biāo)，破壞循環(huán)次數(shù)N為橫坐標(biāo)做出的曲線，就是材料在指定應(yīng)力比R下的S?N曲線。15等壽命曲線當(dāng)改變應(yīng)力比R時(shí)，材料的S?N曲線也發(fā)生變化。如給出若干個(gè)應(yīng)力比數(shù)值，即可得到該材料對(duì)應(yīng)于不同應(yīng)力比R的S?N曲線族。在常規(guī)穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力下的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)中，給定壽命下的疲勞強(qiáng)度常以等壽命圖（疲勞極限圖）代表，等壽命曲線需要大量的不同載荷循環(huán)特征(r不同)下的疲勞試驗(yàn)獲得。17等壽命圖雖然已經(jīng)有了一些常用材料的等壽命曲線，但當(dāng)沒(méi)有時(shí)，就需要借助于各種簡(jiǎn)化的等壽命曲線。a.Goodman直線

b.Gerber拋物線c.VonMises-Hencky橢圓18等壽命圖19高周疲勞和低周疲勞疲勞類(lèi)型高周疲勞低周疲勞定義破壞循環(huán)數(shù)大于104~105破壞循環(huán)數(shù)小于104~105應(yīng)力低于彈性極限高于彈性極限塑性變形無(wú)明顯塑性變形有明顯塑性變形應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系線性關(guān)系非線性關(guān)系設(shè)計(jì)變量應(yīng)力應(yīng)變21影響疲勞強(qiáng)度的因素工作條件載荷特征（應(yīng)力狀態(tài)、循環(huán)特征、高載效應(yīng)等）載荷交變頻率使用溫度環(huán)境介質(zhì)材料特性化學(xué)成分金相組織纖維方向內(nèi)部缺陷零件幾何形狀及表面狀態(tài)缺口效應(yīng)：對(duì)疲勞強(qiáng)度影響極大。應(yīng)力集中點(diǎn)，形成疲勞源。表面光潔度：對(duì)疲勞強(qiáng)度影響很大，表面缺陷降低疲勞強(qiáng)度。尺寸效應(yīng)：尺寸增大而降低，可由對(duì)比試驗(yàn)測(cè)得。表面防腐蝕：腐蝕造成表面粗糙，促使產(chǎn)生疲勞裂紋，降低疲勞強(qiáng)度。表面熱處理及殘余應(yīng)力（表面冷作硬化、表面熱處理、表面涂層）高頻淬火、氮化、滲碳、噴丸強(qiáng)化、磙子滾壓22結(jié)構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的分散特性在常規(guī)疲勞強(qiáng)度計(jì)算中，結(jié)構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度可由材料標(biāo)準(zhǔn)試件的疲勞強(qiáng)度考慮各種修正系數(shù)得到。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可視各種影響因素相互獨(dú)立。——標(biāo)準(zhǔn)試件的疲勞強(qiáng)度；——尺寸系數(shù)；——表面加工系數(shù)；——表面強(qiáng)化系數(shù)；——有效應(yīng)力集中系數(shù)；23復(fù)合疲勞應(yīng)力——復(fù)合強(qiáng)度干涉模型25疲勞應(yīng)力——強(qiáng)度干涉模型復(fù)合疲勞應(yīng)力和復(fù)合疲勞強(qiáng)度的一維應(yīng)力——強(qiáng)度干涉模型僅考慮應(yīng)力幅和平均應(yīng)力的分散特性（載荷循環(huán)特征值r為常數(shù)），在疲勞極限圖的等壽命圖上給出干涉模型疲勞可靠性的計(jì)算與前面所述的靜強(qiáng)度應(yīng)力——強(qiáng)度干涉模型相同穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力下的疲勞可靠性設(shè)計(jì)是其它交變載荷情況下疲勞可靠性分析的基礎(chǔ)，他們可以通過(guò)應(yīng)用等效損傷理論向穩(wěn)定循環(huán)變應(yīng)力轉(zhuǎn)換。Miner線性累積損傷理論循環(huán)比：∑D=100%26可靠度系數(shù)：可靠度：

疲勞可靠性分析設(shè)計(jì)方法29疲勞可靠性設(shè)計(jì)分析舉例[例10-3]如圖10-11所示為某航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)軸，其承受交變彎矩和不變扭矩，受力情況如圖所示?，F(xiàn)假設(shè)循環(huán)特征值為確定值，其疲勞強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)方法及步驟如下：30疲勞可靠性設(shè)計(jì)分析舉例a.提出設(shè)計(jì)問(wèn)題，給出任務(wù)剖面該軸的受力情況及結(jié)構(gòu)尺寸如圖10-11所示。轉(zhuǎn)軸材料為40CrNiMoA鋼調(diào)質(zhì)處理。轉(zhuǎn)子作用于軸的載荷為F1，扭矩Mr，轉(zhuǎn)子的重量為G。軸的一端為花鍵連接，考慮可能對(duì)中不準(zhǔn)而引起徑向力為F2。軸的環(huán)境溫度為常溫（21~26℃），轉(zhuǎn)速為n，要求壽命為NL=10×106時(shí)的可靠度為R*，任務(wù)為設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)軸直徑d使其滿足可靠度R*。31疲勞可靠性設(shè)計(jì)分析舉例b.確定失效判據(jù)該軸在交變應(yīng)力作用下工作，其失效模式為疲勞斷裂。應(yīng)力分析表明，A-A剖面為危險(xiǎn)部位。因此，應(yīng)根據(jù)該處的應(yīng)力水平進(jìn)行疲勞強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)。根據(jù)疲勞情況下的變形能強(qiáng)度理論，該轉(zhuǎn)軸危險(xiǎn)部位的彎扭復(fù)合應(yīng)力為：32疲勞可靠性設(shè)計(jì)分析舉例33疲勞可靠性設(shè)計(jì)分析舉例34疲勞可靠性設(shè)計(jì)分析舉例35疲勞可靠性設(shè)計(jì)分析舉例36疲勞可靠性設(shè)計(jì)分析舉例37疲勞可靠性設(shè)計(jì)分析舉例38疲