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1、北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅 13522046022,第二章,靜應力狀態(tài)下的強度計算 變應力狀態(tài)下的強度計算 表面強度計算 剛度和振動計算,機械零件設計計算基礎,北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅 13522046022,步驟1：繪制運動簡圖 步驟2：繪制結構簡圖 步驟3：分析載荷應力 步驟4：選擇零件材料 步驟5：分析失效形式 步驟6：確定工作準則 步驟7：進行設計計算 步驟8：進行結構設計 步驟9：進行校核驗算,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 劉繼紅 13522046022,步驟1：繪制運動簡圖 步驟2：繪制結構簡圖 步驟3：分析載荷

2、應力 步驟4：選擇零件材料 步驟5：分析失效形式 步驟6：確定工作準則 步驟7：進行設計計算 步驟8：進行結構設計 步驟9：進行校核驗算,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 劉繼紅 13522046022,計算載荷=K 名義載荷,載荷系數(shù)（工作情況系數(shù)）,載荷（1）,載荷 作用于零件上的力或力矩 名義載荷（理論載荷）F 理想工作條件下的載荷，根據額定功率計算 計算載荷（實際載荷）Fc 作用于零件的實際載荷，考慮各種附加載荷,K 1,主因是動力機與工作機的工作性質，如平穩(wěn)、沖擊,北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅 13522046022,內燃機閥門 彈簧受力,

3、載荷（2）,靜載荷 不隨時間變化或變化緩慢的載荷 鍋爐受力 變載荷 隨時間周期性或非周期性變化的載荷,汽車軸、齒輪受力,北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅 13522046022,應力,（） 單位面積上的內力 拉伸應力、壓縮應力、剪切應力,北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅 13522046022,零件的應力,作用在零件剖面上的應力,穩(wěn)定變應力,靜應力 不隨時間變化或變化緩慢的應力 變應力 隨時間周期性或非周期性變化的應力,非穩(wěn)定變應力,北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅 13522046022,問題：靜變載荷與靜變應力的關系？,靜應力的產生一般源于靜載荷 變應力

4、的產生則源于變載荷或靜載荷,北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅 13522046022,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的周期性變應力，亦稱循環(huán)變應力,對稱循環(huán)變應力,脈動循環(huán)變應力,非對稱循環(huán)變應力,應力參數(shù),最大應力max m + a 最小應力min m a 平均應力m (max+min)2 應力幅 a (maxmin)2,應力循環(huán)特性 r = minmax,問題：三種穩(wěn)定變應力的參數(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 劉繼紅 13522046022,步驟1：繪制運動簡圖 步驟2：繪制結構簡圖 步驟3：分析載荷應力 步驟4：選擇零件材料 步驟5

5、：分析失效形式 步驟6：確定工作準則 步驟7：進行設計計算 步驟8：進行結構設計 步驟9：進行校核驗算,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 劉繼紅 13522046022,常用零件材料的力學性能等級和牌號 （1）鑄鐵：含2.06易成型、價廉、吸振、可靠性差。如灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵 （2）鋼：含量1.4常用。 碳素鋼：普通碳素鋼、優(yōu)質碳素鋼 合金鋼：綜合機械性能好，但較貴 鑄鋼：含（0.150.6）易成型 （3）有色金屬合金：有特殊性能，價昂少用。如鋁合金、銅合金（黃銅、青銅）、軸承合金 （4） 非金屬材料：如工程塑料、橡膠、玻璃等燒結材料、復合材料,常用材料,北

6、京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅 13522046022,材料選用原則,使用要求 使用環(huán)境、載荷性質、結構、重要程度. 工藝要求 零件及其毛坯的形狀、批量、加工方法. 經濟要求 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 劉繼紅 13522046022,步驟1：繪制運動簡圖 步驟2：繪制結構簡圖 步驟3：分析載荷應力 步驟4：選擇零件材料 步驟5：分析失效形式 步驟6：確定工作準則 步驟7：進行設計計算 步驟8：進行結構設計 步驟9：進行校核驗算,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 劉繼紅 13522046022,軸可能的失效形

7、式： 斷裂、塑性變形、過大彈性變形、共振,零件失效形式,失效 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,主要失效形式 斷裂：如軸、齒輪輪齒發(fā)生斷裂 表面點蝕：工作表面片狀剝落 塑性變形：零件發(fā)生永久性變形 過大彈性變形 表面破壞 過大振動和噪聲、過熱等,北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅 13522046022,步驟1：繪制運動簡圖 步驟2：繪制結構簡圖 步驟3：分析載荷應力 步驟4：選擇零件材料 步驟5：分析失效形式 步驟6：確定工作準則 步驟7：進行設計計算 步驟8：進行結構設計 步驟9：進行校核驗算,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 劉繼

8、紅 13522046022,零件工作能力準則,工作能力 不失效條件下零件的安全工作限度。該限度通常以零件承受載荷的大小來表示，又常稱為“承載能力”。如：吊鉤最大起重量50 kN，其工作能力或承載能力為50 kN,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、耐熱性準則,北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅 13522046022,強度準則,剛度準則,耐磨性準則,選擇工作準則,主要失效形式與工作準則的對應 斷裂：如軸、齒輪輪齒發(fā)生斷裂 表面點蝕：工作表面片狀剝落 塑性變形：零件

9、發(fā)生永久性變形 過大彈性變形 表面破壞 過大振動和噪聲、過熱等,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 劉繼紅 13522046022,步驟1：繪制運動簡圖 步驟2：繪制結構簡圖 步驟3：分析載荷應力 步驟4：選擇零件材料 步驟5：分析失效形式 步驟6：確定工作準則 步驟7：進行設計計算 步驟8：進行結構設計 步驟9：進行校核驗算,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 劉繼紅 13522046022,強度計算,強度：材料抵抗斷裂或殘余變形的能力 強度準則：工作應力許用應力 或 ,失效形式：斷裂、疲勞破壞、殘余變形 典型零件：軸、齒輪、 帶輪等,正應力：,剪

10、應力：,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 劉繼紅 13522046022,許用應力：設計零件時所依據的條件應力 許用安全系數(shù)：考慮計算精度、材料均勻度和 零件重要度等因素，查表而得。,許用安全系數(shù)許用應力結構笨重 許用安全系數(shù)許用應力不夠安全,許用應力與許用安全系數(shù),北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅 13522046022,靜應力狀態(tài)下的強度計算（1）,塑性材料零件,脆性或低塑性材料零件,防止塑性變形,防止斷裂,北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅 13522046022,靜應力狀態(tài)下的強度計算（2）,靜應力下的極限應力與材料性能有關 脆性

11、材料取強度極限應力B 塑性材料取屈服極限應力S,北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅 13522046022,變應力狀態(tài)下的強度計算（1）,疲勞破壞機理：零件產生微觀裂紋；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,影響零件疲勞強度因素 材料極限應力 應力集中 尺寸效應 表面狀態(tài),疲勞失效：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 劉繼紅 13522046022,變應力狀態(tài)下的強度計算（2）,循環(huán)特性r一定時，應

12、力循環(huán)N次后，材料不發(fā)生疲勞破壞時的最大應力，稱為疲勞極限。,KN：壽命系數(shù) N0: 循環(huán)基數(shù) m：材料與應力指數(shù),疲勞曲線（N曲線）,rNmN = rmN0 = C,北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅 13522046022,變應力狀態(tài)下的強度計算（3）,lgN,lgrN,O,103(104),N0,r,A,B,低周循環(huán),高周循環(huán),有限壽命區(qū),無限壽命區(qū),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,北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅 13522046022,變應力狀態(tài)下的強度計算（4）,相同循環(huán)次數(shù)（通常取N0）和不同循環(huán)特性r下，材料有不同的疲勞

13、極限，可從材料疲勞極限應力圖求得。,a,m,F(B,0),S(s,0),A(0, -1),B(0/2, 0/2),E,45o,135o,北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅 13522046022,變應力狀態(tài)下的強度計算（5）,疲勞強度準則：,北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅 13522046022,表面強度計算,表面接觸強度 表面擠壓強度 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,北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅 13522046022,表面接觸強度,北京航空航天大學機械工程及自動化學

14、院 劉繼紅 13522046022,赫茲公式,接觸應力的計算公式,影響接觸應力的因素：,曲率半徑,材料,接觸線長度,Fac：法向載荷；L：接觸長度；,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 劉繼紅 13522046022,耐磨性準則,耐磨性：零件抗磨損的能力。磨損是相當復雜的物理化學過程。影響磨損的因素包括載荷的大小和性質、滑動速度、潤滑劑的化學性質和物理性質等。磨粒磨損、粘著磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損、沖蝕磨損、微動磨損 耐磨性準則： P ,失效形式：零件表面破壞 典型零部件：齒輪、軸承、鏈等,P為表面壓強,北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅 13522046022,剛度準則,剛度：材料抵抗彈性變形的能力 剛度準則：實際變形量許用變形量 彎曲剛度：撓度條件： y y 傾角條件： 扭曲剛度：扭角條件：j j,失效形式：過大的彈性變形 典型零件：軸、蝸桿等,北京航空航天大學機械工程及自動化學院 劉繼紅 13522046022,振動穩(wěn)定性準則,共振：當機器的自振頻率與周期性干擾力變化頻率相同或整數(shù)倍時，就會發(fā)生共振，此時振幅急劇增大，導致零件破壞或機器工作條件失常等 振動穩(wěn)定性：機器工作時振幅不能超過許可值 振動穩(wěn)定性準則：0.85f fp 或 1.15ffp,失效形式：共振產生的工作失常 典型零部件：軸等,