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項目管理及十二疲勞強度.ppt

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項目十二 構件的疲勞強度概述1交變應力的概念交變應力——隨時間作交替變化的應力?;疖囕嗇S的受力圖和彎矩分別如圖a、b所示。(a)FFwdaaFFFaMxO(b)課題12.1 交變應力2可見sk隨時間t是按正弦規律變化的(圖c)。 力F和彎矩不隨時間變化,但因軸以速度w 旋轉,使其橫截面上任一點k到z軸的距離 為t 的函數,k點的正應力為1234zydk3 s-t曲線稱為應力譜。應力重復變化一次的過程,稱為一個應力循環。應力重復變化的次數 ,稱為應力循環次數。1234zydk4 圖a中,P 為電動機的重量,電動機以等角速度w 旋轉,F0 為因電動機的偏心而產生的慣性力。作用在梁上的鉛垂荷載為 ,F 稱為交變荷載。 最小位移(wt=p/2)最大位移(wt=3p/2) 靜位移(wt = 0)zyk(a)5最小位移(wt=p/2)最大位移(wt=3p/2) 靜位移(wt = 0)zyk(a) C 截面的彎矩為 。C 截面上 k點的正 應力為即6sk隨時間t 的變化規律如圖b所示。72. 應力幅(有時稱 為應力幅, 為應力范圍)注意:最大應力和最小應力均帶正負號。(1) 為了表示交變應力中應力變化的情況,引入幾個基本參量。(拉,壓,彎曲)或(扭轉)1. 循環特征(應力比)8smax =smin (b) s t O r =0 脈動循環(smin= 0) (圖 a)特例:r =1 靜應力 (smax = smin) (圖 b)(a)對稱循環: r = ?1 (例1)(smax =-smin)非對稱循環:9課題12.2 交變應力的描述及幾個物理量一、交變應力的基本參量1011二、幾種常見的交變應力12課題12.3 S-N曲線及材料的疲勞極限13 疲勞破壞——金屬構件在長期交變應力作用下所發生的斷裂破壞。(1) 交變應力中的最大應力達到一定值,但最大應力小于靜荷載下材料的強度極限甚至屈服極限,經過一定的循環次數后突然斷裂;(2) 塑性材料在斷裂前也無明顯的塑性變形;(3) 斷口分為光滑區和粗糙區。疲勞破壞的主要特征: 14(1) 疲勞裂紋的形成(2) 疲勞裂紋的擴展疲勞破壞的過程: 構件中的最大工作應力達到一定值時,經過一定的循環次數后,在高應力區形成微觀裂紋——裂紋源。 由于裂紋的尖端有高度的應力集中,在交變應力作用下,微觀裂紋逐漸發展成宏觀裂紋,并不斷擴展。裂紋兩側的材料時而張開,時而壓緊,形成光滑區。裂紋源光滑區粗糙區15 疲勞裂紋不斷擴展,有效面積逐漸減小,當裂紋長度達到臨界尺寸時,由于裂紋尖端處于三向拉伸應力狀態,裂紋以極快的速度擴展從而發生突然的脆性斷裂,形成粗糙區。(3) 脆性斷裂16 試驗表明:在同一循環特征下,交變應力中的smax越大,發生疲勞破壞所經歷的循環次數N 越小,即疲勞壽命越短。反之smax越小,N 越大,疲勞壽命越長。經過無限次循環不發生疲勞破壞時的最大應力稱為材料的疲勞極限。用sr表示,r代表循環特征。 sr與材料變形形式,循環特征有關,用疲勞試驗測定。(1) 材料的疲勞極限17 彎曲疲勞試驗機一臺,標準(規定的尺寸和加工質量)試樣一組。記錄每根試樣發生疲勞破壞的最大應力smax和循環次數N。繪出smax-N曲線(疲勞壽(2) 彎曲對稱循環時,s-1的測定命曲線),又稱為 S - N曲線(S 代表正應力s 或切應 力t)。40cr 鋼的smax- N曲線如圖所示??梢妔max降至某值后, smax-N 曲線趨于水平。該應力即為s-1 。圖中s-1=590 MPa。18低碳鋼:sb=400-500 MPa(3) 條件疲勞極限N0=5×10 6 ~10 7 s NO 彎曲(s-1)b = 170 - 220 MPa 拉壓(s-1)t = 120 - 160 MPa 鋁合金等有色金屬,其s - N曲線如圖所示,它沒有明顯的水平部分,規定疲勞壽命N0=5×106~107 時的最大應力值為條件疲勞極限,用 表示。19(4) 構件的疲勞強度校核 材料的疲勞極限是由標準試樣測定的。構件的外形,尺寸,表面質量均可能與標準試樣不同。一般采用有效應力集中系數Ks,尺寸系數es和表面加工系數b(均由圖表可查), 對材料的疲勞極限進行修正得到構件的疲勞極限。即再把構件的疲勞極限除以安全因數得到疲勞許用應力。交變應力的強度條件為最大工作應力≤ 疲勞許用應力20疲勞曲線,簡稱為曲線 21課題12.4 影響構件疲勞極限的主要因素 及構件的疲勞強度計算一、影響構件疲勞極限的主要因素 應力集中的影響222. 構件尺寸的影響3.表面加工質量的影響稱循環下構件的疲勞極限 對稱循環扭轉交變應力作用時 23 構件疲勞強度計算方法簡介 構件在對稱循環下的作用應力 構件的疲勞強度條件為對稱循環扭轉交變應力作用時 : 24在對稱循環下,構件疲勞強度計算的基本步驟 1.查表確定構件的有效應力集中系數和表面質量β 、尺寸系數2.計算構件的最大工作應力 3.計算構件的工作安全系數,然后用構件的疲勞強度條件進行強度計算。251) 合理設計構件形狀,降低構件的應力集中: 課題12.5 提高構件疲勞強度的途徑26在角焊縫處,如采用圖12-5-5應力集中程度要比無坡口焊接(圖12-5-5(b))改善很多27二、提高構件表面的加工質量構件表面越光滑,應力集中就越小,因此適當提高構件表面的光潔度,特別對高強度鋼,更為重要,因為它對應力集中較敏感;但若材料對應力集中不敏感,如鑄鐵構件,就沒有必要提高它的表面光潔度。此外,還應避免構件表面的機械損傷和化學腐蝕等。三、提高構件表層的強度對于構件中最大應力所在的表面采用某些工藝措施,例如表面熱處理或化學處理,或對表面層用滾壓、噴丸等冷加工方法均可提高構件的疲勞極限,而且效果更為明顯。這些方法的共同特點是使構件表層產生殘余壓應力,減少出現表面細微裂紋的機會,以達到提高疲勞極限的目的。2829
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