6機械強度設(shè)計7/26/20231?強度與失效失效：產(chǎn)品不能完成預(yù)定功能強度：抵抗失效的能力承載變形振動摩擦腐蝕……2?5機械強度設(shè)計5.1常規(guī)機械強度設(shè)計5.2抗疲勞強度設(shè)計5.3損傷容限設(shè)計3?5.1常規(guī)機械強度設(shè)計5.1.1機械強度的安全性判據(jù)5.1.2影響安全系數(shù)的因素5.1.3安全系數(shù)計算4?5.1.1機械強度的安全性判據(jù)應(yīng)力計算、實測許用應(yīng)力由材料、結(jié)構(gòu)及工況規(guī)定工作安全系數(shù)計算許用安全系數(shù)根據(jù)工況等規(guī)定5?5.1.2影響安全系數(shù)的因素零部件重要程度的影響：K1載荷及應(yīng)力計算的準(zhǔn)確程度的影響：K2不同失效形式的影響：K3應(yīng)力集中的影響：K4截面尺寸的影響：K5表面加工狀態(tài)的影響：K6檢驗質(zhì)量的影響：K76?零部件重要程度系數(shù)：K17?應(yīng)力計算的準(zhǔn)確度系數(shù)：K2計算公式準(zhǔn)確，所有作用力及應(yīng)力已知時，取K2=1.0；計算公式或圖表，使計算所得應(yīng)力較實際應(yīng)力高時，取K2=1.0；計算應(yīng)力較實際應(yīng)力低，根據(jù)兩者之差異，可選取K2=1.05—1.65；8?失效形式影響系數(shù)：K3規(guī)定拉伸失效為理想失效，該失效形式下的強度極限為拉伸強度極限，K3=1.0；則在其它失效形式下，K3值分別為：塑性材料脆性材料疲勞破環(huán)9?安全系數(shù)影響因素K4、K5、K6、K7K4：應(yīng)力集中系數(shù)K4=σmax/σnK5：截面尺寸增大系數(shù)K5=1/εK6：表面加工狀況系數(shù)K6=1/βK7：檢驗質(zhì)量系數(shù),抽檢1.15-1.30,逐個檢驗1.05-1.1510?5.1.3安全系數(shù)計算靜應(yīng)力下安全系數(shù)塑性材料脆性材料11?5.1.3安全系數(shù)計算變應(yīng)力下安全系數(shù)交變應(yīng)力等應(yīng)力幅變應(yīng)力幅復(fù)合應(yīng)力對稱循環(huán)非對稱循環(huán)正應(yīng)力剪應(yīng)力12?等應(yīng)力幅的安全系數(shù)—對稱循環(huán)強度判據(jù)疲勞極限有效值工作應(yīng)力幅13?等應(yīng)力幅的安全系數(shù)—不對稱循環(huán)不對稱系數(shù)由下式求得14?15?變應(yīng)力幅的安全系數(shù)等幅當(dāng)量應(yīng)力按Miner準(zhǔn)則和S-N曲線求得16?彎扭同時作用下的安全系數(shù)17?5.2抗疲勞強度設(shè)計5.2.1疲勞破環(huán)及疲勞過程5.2.2金屬材料的疲勞特性5.2.3影響疲勞強度的因素5.2.4疲勞壽命設(shè)計18?5.2.1疲勞破環(huán)及疲勞過程定義：材料或零構(gòu)件在循環(huán)載荷作用下產(chǎn)生裂紋并擴展至斷裂的現(xiàn)象稱為疲勞破環(huán)。與靜強度破環(huán)的主要區(qū)別：危險截面局部危險點變形過大微裂紋擴展疲勞破環(huán)靜強度破環(huán)靜載破壞斷口疲勞破壞斷口19?疲勞破環(huán)特點五大特點：低應(yīng)力性；突然性；時間性；敏感性；斷口的疲勞特性。20?疲勞破環(huán)過程裂紋擴展的第一階段裂紋成核階段微觀裂紋擴展階段裂紋擴展的第二階段宏觀裂紋擴展階段斷裂階段疲勞裂紋形成階段（壽命Ni）疲勞裂紋擴展階段（壽命Np）21?疲勞的分類按疲勞失效周次：高周疲勞、低周疲勞；按應(yīng)力狀態(tài)分：單軸疲勞、多軸疲勞；按載荷變化分：恒幅、變幅、隨機疲勞按研究對象分：材料疲勞、結(jié)構(gòu)疲勞按工作環(huán)境分：常規(guī)疲勞、高溫、低溫、熱疲勞、腐蝕疲勞、接觸疲勞、沖擊疲勞、…22?5.2.2金屬材料的疲勞特性S-N曲線23?5.2.2金屬材料的疲勞特性疲勞極限線圖：將不同r下的疲勞極限畫到一個圖上史密斯疲勞極限線圖哈埃疲勞極限線圖024?5.2.2金屬材料的疲勞特性循環(huán)應(yīng)力—應(yīng)變下的材料特性材料的循環(huán)硬化和循環(huán)軟化25?5.2.2金屬材料的疲勞特性循環(huán)應(yīng)力—應(yīng)變下的材料特性循環(huán)應(yīng)力—應(yīng)變曲線26?5.2.3影響疲勞強度的因素材料組織成分、結(jié)構(gòu)的影響；零部件形狀、尺寸和表面狀況的影響；工作載荷特性的影響；服役環(huán)境和條件的影響。27?5.2.3影響疲勞強度的因素1.應(yīng)力集中的影響應(yīng)力集中：外形突然變化或材料不連續(xù)地方，常產(chǎn)生很大的局部應(yīng)力理論應(yīng)力集中系數(shù)ασ、ατ：在彈性變化范圍內(nèi)材料的局部應(yīng)力峰值σ

max與名義應(yīng)力σ之比有效應(yīng)力集中系數(shù)Kσ、Kτ：實際衡量應(yīng)力集中對疲勞強度影響的系數(shù)28?5.2.3影響疲勞強度的因素2.尺寸影響尺寸效應(yīng)：疲勞強度隨零件尺寸增大而降低的現(xiàn)象尺寸系數(shù)εσ、ετ：一般零部件或試樣的疲勞極限與幾何相似的標(biāo)準(zhǔn)試樣的疲勞極限之比29?5.2.3影響疲勞強度的因素3.表面加工方法的影響不同表面加工的影響：表面加工系數(shù)β1、腐蝕系數(shù)β2、表面強化系數(shù)β3表面加工系數(shù)：某種加工表面的標(biāo)準(zhǔn)光滑試樣與磨光（國外為拋光）的標(biāo)準(zhǔn)光滑試樣疲勞極限之比30?5.2.4疲勞壽命設(shè)計1.疲勞壽命設(shè)計的基本思想：疲勞累積損傷理論當(dāng)材料承受高于疲勞極限的應(yīng)力時，每一循環(huán)都使材料產(chǎn)生一定量的損傷，這種損傷能夠累積，當(dāng)損傷累積到某一臨界值時將產(chǎn)生破壞。

Miner線性累積損傷理論相同應(yīng)變幅值和平均應(yīng)力的ni個應(yīng)變和應(yīng)力循環(huán)將按線性累加，造成ni/Ni的損傷，即消耗掉ni/Ni部分疲勞壽命；當(dāng)損傷按線性累加達(dá)到1時，疲勞破壞就發(fā)生了。31?5.2.4疲勞壽命設(shè)計Miner線性累積損傷理論基礎(chǔ)疲勞極限：σr條件疲勞極限：σrN以σi循環(huán)ni次造成的損傷：ni/Ni；各個不同σr下造成的總損傷：Σni/Ni

注意：事實上，前面的加載應(yīng)力大小對后面的損傷累積有影響。32?5.2.4疲勞壽命設(shè)計2.常規(guī)疲勞壽命設(shè)計（1）無限壽命設(shè)計：對疲勞強度要求高。鋼軌、橋梁、車軸等的設(shè)計。靜強度設(shè)計疲勞強度校核33?5.2.4疲勞壽命設(shè)計2.常規(guī)疲勞壽命設(shè)計（2）有限壽命設(shè)計：要求零部件或結(jié)構(gòu)在給定的使用周期內(nèi)不能產(chǎn)生任何疲勞缺陷。常用于飛機、汽車、壓力容器等的設(shè)計中。34?5.2.4疲勞壽命設(shè)計3.隨機載荷下的疲勞壽命實測載荷—時間歷程統(tǒng)計載荷譜疲勞壽命計算Miner線性累積準(zhǔn)則35?5.3損傷容限設(shè)計8.3.1損傷容限設(shè)計的基本思想8.3.2線彈性斷裂力學(xué)8.3.3疲勞裂紋擴展速率8.3.4剩余壽命的估算8.3.5斷裂控制36?5.3.1損傷容限設(shè)計的基本思想設(shè)計思想：允許零件有初始缺陷，或在服役過程中出現(xiàn)裂紋，產(chǎn)生破損，但在下次檢修之前應(yīng)保持一定的剩余強度，能夠正常使用，直到下次檢修予以發(fā)現(xiàn)、修復(fù)或更換。關(guān)鍵問題：如何估算裂紋擴展壽命線彈性斷裂力學(xué)37?5.3.2線彈性斷裂力學(xué)1.裂紋的基本類型張開型(I)滑開型(Ⅱ)撕開型(Ⅲ)裂紋表面裂紋前緣IIIIII38?5.3.2線彈性斷裂力學(xué)2.應(yīng)力強度因子與斷裂韌度概念的由來：裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場分析裂紋尖端應(yīng)力場的一般表達(dá)式：中心貫穿裂紋無限大板39?5.3.2線彈性斷裂力學(xué)2.應(yīng)力強度因子與斷裂韌度應(yīng)力強度因子KI：反映裂紋尖端附近區(qū)域的應(yīng)力、應(yīng)變場強弱程度的物理量。斷裂韌度Kc：應(yīng)力強度因子的臨界值，即發(fā)生脆性斷裂時的應(yīng)力強度因子。平面應(yīng)變斷裂韌度KIc：斷裂韌度的最低值。斷裂判據(jù)：KI≤KIc40?5.3.3疲勞裂紋擴展速率1.裂紋擴展速率：研究裂紋擴展速率的目的：設(shè)計選材時的參考；計算裂紋體的剩余壽命；41?5.3.3疲勞裂紋擴展速率疲勞裂紋穩(wěn)定擴展的Paris公式臨界應(yīng)力強度因子幅度疲勞斷裂韌性42?5.3.3疲勞裂紋擴展速率2.影響疲勞裂紋擴展速率的因素平均應(yīng)力：平均應(yīng)力使裂紋擴展速率增加超載：過載峰延緩隨后的低載恒幅下的裂紋擴展加載頻率：加載頻率減小，裂紋擴展速率增大溫度：溫度提高，裂紋擴展速率增大43?5.3.4剩余壽命的估算零件的剩余壽命：在已經(jīng)存在裂紋的條件下，零構(gòu)件能夠運行的周期數(shù)或時間。即疲勞裂紋的擴展壽命。估算零件剩余壽命的方法：裂紋擴展的Paris公式44?5.3.4剩余壽命的估算（1）初始裂紋尺寸a0的確定儀器靈敏度的尺寸初始裂紋發(fā)生于關(guān)鍵零件的關(guān)鍵部位

（2）臨界裂紋尺寸ac的確定應(yīng)力強度因子達(dá)到斷裂韌性值（3）應(yīng)力強度因子的確定查表、計算、試驗45?5.3.5斷裂控制1.材料選擇：KIc/σs2.結(jié)構(gòu)設(shè)計3.定期檢驗制度4.控制安全工作應(yīng)力46?復(fù)習(xí)思考題1.常規(guī)疲勞設(shè)計與現(xiàn)代疲勞設(shè)計方法的異同點。2.疲勞破壞與靜強度破壞有哪些不同？3.損傷容限設(shè)計的基本思想是什么？4.長度為2a=1000mm的懸臂梁AB，其橫截面為矩形，寬、高分別為b=20mm和h=30mm。載荷如圖所示，P=2000N已知，材料彈性模量E=206000MPa，許用應(yīng)力[σ]=360MPa，試計算懸臂梁是否滿足強度要求。47?小測驗問題：假如現(xiàn)在交給你一項機械設(shè)計的任務(wù)，根據(jù)你現(xiàn)在所學(xué)到的知識，你將如何著手工作？請詳細(xì)闡述你的思路及采取的手段、方法。思路：明確任務(wù)方案設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計三邊設(shè)計法設(shè)計評價48?設(shè)計方案結(jié)構(gòu)設(shè)計強度設(shè)計三邊設(shè)計法49?千里之堤潰于蟻穴，小洞不補大洞難堵。7月-237月-23Wednesday,July26,2023清潔：維持前3S的成果，制度化，規(guī)范化。00:19:3900:19:3900:197/26/202312:19:39AM創(chuàng)造有魅力的質(zhì)量，造就忠實顧客群體。7月-2300:19:3900:19Jul-2326-Jul-23多看一眼，安全保險；多防一步，少出事故。00:19:3900:19:3900:19Wednesday,July26,2023預(yù)防保養(yǎng)及時做，生產(chǎn)順暢不會錯。7月-237月-2300:19:3900:19:39July26,2023安全生產(chǎn)常抓不懈，抓而不緊，等于不抓。2023年7月26日12:19上午7月-237月-23傳播安全知識，踐行社會使命。26七月202312:19:39上午00:19:397月-23安全掛在心上，規(guī)程握在手上。七月2312:19上午7月-2300:19July26,2023參加滅火工作是每一個成年公民的應(yīng)盡義務(wù)。2023/7/260:19:3900:19:3926July