工程力学 教学课件 作者 顾成军姜益军廖东斌 主编 第21章 动载荷与疲劳强度.ppt

尚辅网 尚辅网 * 工程力学 尚辅网 旋转构件的动应力 2 匀加速直线运动构件的动应力 1 第21章　动载荷与疲劳强度 冲击变形与应力 疲劳强度概述 3 4 尚辅网 静应力和静变形的特点：一是与加速度无关；二是不随时间变化。静载荷是指缓慢加载至最终数值且不再变化的载荷。若载荷明显地随时间变化，或者构件速度发生显著变化而产生的载荷，则称为动载荷。构件上由于动载荷引起的应力，称为动应力。 第21章　动载荷与疲劳强度 尚辅网 21.1 匀加速直线运动构件的动应力 1 2 匀加速度直线运动时构件上的惯性力 匀加速度直线运动时构件上的动应力 尚辅网 对于以匀加速度作直线运动构件，只要确定其上各点的加速度，就可以应用达朗贝尔原理施加惯性力。如果一质点的质量为m，其加速度为a，则质点上惯性力FI为 其大小为 其方向与加速度方向相反。 如果是连续分布质量构件，则可在质量微元上施加惯性力，从而在构件上施加惯性力系。 21.1.1 匀加速度直线运动时构件 上的惯性力 尚辅网 21.1.2 匀加速度直线运动时构件 上的动应力 如图21-2，设等截面直杆以匀加速度a向上运动杆长为l，横截面面积为A，密度为ρ。当a=0时有 Kd称为动荷因数。式（21-2）表明：动应力等于静应力乘以动荷因数。 动强度条件为 尚辅网 如图21-4，高速旋转圆环径向截面上的应力为 匀速旋转圆环的动强度条件为 式（21-5）表明，环内动应力仅与密度ρ和速度v有关，而与径向截面面积A无关。 21.2 旋转构件的动应力 尚辅网 21.3 冲击变形与应力 1 2 计算冲击载荷所用的基本假定 冲击载荷计算 尚辅网 具有一定速度的运动物体，向着静止的构件冲击时，冲击物的速度在很短的时间内发生了很大变化，即冲击物得到了很大的负值加速度。冲击物也将很大的力施加于被冲击的构件上，这种力在工程实际中称为冲击载荷。 21.3.1 计算冲击载荷所用的基本假定 尚辅网 21.3.1 计算冲击载荷所用的基本假定 在工程中大都采用简化计算方法--能量法，这种简化计算基于以下假设。 假设冲击物的变形可以忽略不计，从开始冲击到冲击产生最大位移时，冲击物与被冲击构件一起运动，而不发生回弹。 忽略被冲击构件的质量，认为冲击载荷引起的应力和变形，在冲击瞬时遍及被冲击构件，并假设被冲击构件仍处在弹性范围内。 假设冲击过程中没有其他形式的能量转换，机械能守恒定律仍成立。 尚辅网 21.3.2 冲击载荷计算 如图21-7所示，冲击动荷因数为 由以上各式可得 在式（21-6）中h=0时，得到 ，这相当于将重物突然放置在梁上，这时梁上的实际载荷是重物重量的两倍。这时的载荷称为突加载荷。 尚辅网 21.4 疲劳强度概述 1 2 交变应力特征参数 疲劳失效特点与疲劳极限 3 4 影响构件疲劳强度的因素 提高构件疲劳强度的措施 尚辅网 工程结构中有一些构件或零部件中的应力的大小或方向随着时间而变化，这种应力称为交变应力。在交变应力作用下发生的失效，称为疲劳失效，简称为疲劳。 21.4 疲劳强度概述 尚辅网 一点的应力随着时间的改变而变化，这种应力称为交变应力。随时间做周期性变化的交变应力称为循环应力。这种应力随时间变化的曲线，称为应力谱（如图21-9所示）。应力每重复变化一次，称为一个应力循环。最小应力与最大应力之比称为应力比，用r表示，即 或 21.4.1 交变应力特征参数 最小应力与最大应力的平均值称为应力循环中的平均应力。用 表示，即 尚辅网 称为应力循环中的应力幅，即 称为应力范围，即 若 ，则由上各式得交变应力的特征参数： 满足上式的应力循环称为对称循环。其他则统称为非对称循环。其中r=0时，称为脉动循环。R=+1时，为静应力情形。 21.4.1 交变应力特征参数 尚辅网 材料在交变应力作用下破坏的主要特征有以下几点： 因交变应力产生破坏时，最大应力值一般低于静载荷作用下材料的抗拉（压）强度极限，有时甚至低于屈服极限； 材料的破坏为脆性断裂，一般没有显著的塑性变形，即使是塑性材料也是如此。在构件破坏的断口上，明显地存在着两个区域：光滑区和颗粒粗糙区。 对于金属疲劳失效通常可分为疲劳裂纹萌生、疲劳裂纹扩展和瞬时断裂三个阶段。 21.4.2 疲劳失效特点与疲劳极限 尚辅网 21.4.2 疲劳失效特点与疲劳极限 材料在循环应力下的疲劳强度可用疲劳试验来测定。光滑小试样疲劳破坏时所经历的应力循环次数N称为材料的疲劳寿命。 如图21-11所示，σ-N曲线拟合方程为 。 式中C和m为材料常数，Ni为应力循环次数。在对数坐标中，近似为两直线。两线交点的纵坐标就是对称循环下材料的疲劳极限。即材料可经历无限次对称应力循环而