動(dòng)載荷交變應(yīng)力熱動(dòng).ppt

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第十一章 動(dòng)載荷 一 動(dòng)載荷 載荷不隨時(shí)間變化 或變化極其平穩(wěn)緩慢 且使構(gòu)件各部件加速度保持為零 或可忽略不計(jì) 此類(lèi)載荷為靜載荷 載荷隨時(shí)間急劇變化且使構(gòu)件的速度有顯著變化 系統(tǒng)產(chǎn)生慣性力 此類(lèi)載荷為動(dòng)載荷 即F F t r v 二 動(dòng)響應(yīng) 構(gòu)件在動(dòng)載荷作用下產(chǎn)生的各種響應(yīng) 如應(yīng)力 應(yīng)變 位移等 稱(chēng)為動(dòng)響應(yīng) 實(shí)驗(yàn)表明 在靜載荷下服從虎克定律的材料 只要應(yīng)力不超過(guò)比例極限 在動(dòng)載荷下虎克定律仍成立且E靜 E動(dòng) 動(dòng)載荷 概述 動(dòng)載荷 概述 三 動(dòng)荷系數(shù) 四 動(dòng)載荷分類(lèi) 1 簡(jiǎn)單動(dòng)載荷 加速度的可以確定 采用 動(dòng)靜法 求解 2 沖擊載荷 速度在極短暫的時(shí)間內(nèi)有急劇改變 此時(shí) 加速度不能確定 要采用 能量法 求解 3 交變載荷 應(yīng)力隨時(shí)間作周期性變化 屬疲勞問(wèn)題 4 振動(dòng)載荷 求解方法很多 有專(zhuān)門(mén)論述 動(dòng)載荷 概述 動(dòng)載荷 第一節(jié) 慣性載荷作用下的動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)變形 方法原理 達(dá)朗伯原理 動(dòng)靜法 達(dá)朗伯原理認(rèn)為 處于不平衡狀態(tài)的物體 只要在物體上虛加慣性力 就可以把動(dòng)力學(xué)問(wèn)題在形式上作為靜力學(xué)問(wèn)題來(lái)處理 其中慣性力的方向與加速度方向相反 慣性力的大小等于加速度與質(zhì)量的乘積 動(dòng)靜法 動(dòng)載荷 慣性載荷作用下的動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)變形 例1一等直桿 橫截面面積為A 長(zhǎng)為L(zhǎng) 重度 以加速度a上升 試校核該桿的強(qiáng)度 解 受力分析 求動(dòng)應(yīng)力 一 直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的動(dòng)應(yīng)力 L 動(dòng)載荷 慣性載荷作用下的動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)變形 動(dòng)荷系數(shù) 強(qiáng)度條件 動(dòng)載荷 慣性載荷作用下的動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)變形 動(dòng)載荷 第二節(jié) 構(gòu)件受沖擊時(shí)的應(yīng)力和變形 方法原理 能量法 機(jī)械能守恒 在沖擊物與受沖擊構(gòu)件的接觸區(qū)域內(nèi) 應(yīng)力狀態(tài)異常復(fù)雜 且沖擊持續(xù)時(shí)間非常短促 接觸力隨時(shí)間的變化難以準(zhǔn)確分析 工程中通常采用能量法來(lái)解決沖擊問(wèn)題 即在若干假設(shè)的基礎(chǔ)上 根據(jù)能量守恒定律對(duì)受沖擊構(gòu)件的應(yīng)力與變形進(jìn)行偏于安全的簡(jiǎn)化計(jì)算 動(dòng)載荷 構(gòu)件受沖擊時(shí)的應(yīng)力和變形 沖擊物為剛體 被沖擊物質(zhì)量忽略 不計(jì)沖擊過(guò)程中的能量損耗 能量守恒 沖擊過(guò)程為線(xiàn)彈性變形過(guò)程 保守計(jì)算 2 能量法基本方程 1 假設(shè) 動(dòng)載荷 構(gòu)件受沖擊時(shí)的應(yīng)力和變形 3 動(dòng)響應(yīng)與靜響應(yīng)的關(guān)系 動(dòng)載荷 構(gòu)件受沖擊時(shí)的應(yīng)力和變形 由能量法基本方程 且 一 自由落體沖擊問(wèn)題 沖擊前 沖擊后 動(dòng)載荷 構(gòu)件受沖擊時(shí)的應(yīng)力和變形 說(shuō)明 1 Dj 以沖擊物的重量作為靜載荷 沿沖擊方向作用在沖擊點(diǎn)時(shí) 被沖擊構(gòu)件在沖擊點(diǎn)處沿沖擊方向所產(chǎn)生的靜位移 可見(jiàn) 當(dāng)載荷突然作用時(shí) 彈性體的變形與應(yīng)力均比同值靜載荷所引起的變形與應(yīng)力增加一倍 動(dòng)載荷 構(gòu)件受沖擊時(shí)的應(yīng)力和變形 三 沖擊響應(yīng)計(jì)算 動(dòng)荷系數(shù) 求動(dòng)應(yīng)力 解 求靜位移 沖擊響應(yīng)等于靜響應(yīng)與動(dòng)荷系數(shù)之積 例4直徑0 3m的圓木樁受自由落錘沖擊 落錘重5kN 求 樁的最大動(dòng)應(yīng)力 E 10GPa 靜應(yīng)力 動(dòng)應(yīng)力 動(dòng)載荷 構(gòu)件受沖擊時(shí)的應(yīng)力和變形 第十二章 交變應(yīng)力 如何設(shè)計(jì)車(chē)輪軸的橫截面 如何計(jì)算火車(chē)車(chē)輪軸內(nèi)的應(yīng)力 如何簡(jiǎn)化出火車(chē)車(chē)輪軸的計(jì)算模型 一 問(wèn)題的提出 交變應(yīng)力 概述 交變應(yīng)力 概述 一 問(wèn)題的提出 如果沒(méi)有工具 如何徒手把一根較粗鐵絲折斷 一 問(wèn)題的提出 說(shuō)明構(gòu)件在靜載荷和隨時(shí)間周期變化載荷的作用下 失效方式不完全相同 交變應(yīng)力 概述 交變應(yīng)力 第一節(jié) 交變應(yīng)力與疲勞失效 一 概念 構(gòu)件內(nèi)一點(diǎn)處隨時(shí)間作周期性變化的應(yīng)力稱(chēng)為交變應(yīng)力 交變應(yīng)力 交變應(yīng)力與疲勞失效 材料在交變應(yīng)力下的失效 破壞 習(xí)慣上稱(chēng)為疲勞破壞 在交變應(yīng)力下構(gòu)件抵抗疲勞失效的能力 稱(chēng)為疲勞強(qiáng)度 二 疲勞破壞的特點(diǎn) 2 斷裂發(fā)生要經(jīng)過(guò)一定的循環(huán)次數(shù) 3 失效時(shí)均呈脆斷 無(wú)明顯塑性變形 交變應(yīng)力 交變應(yīng)力與疲勞失效 1 失效時(shí)應(yīng)力低于材料強(qiáng)度極限sb 甚至低于屈服點(diǎn)ss 4 斷口 分區(qū)明顯 疲勞源 光滑區(qū)和粗糙區(qū) 三 疲勞破壞的發(fā)展過(guò)程 1 顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化 從而永久損傷形核 產(chǎn)生微觀裂紋 2 微觀裂紋長(zhǎng)大并合并 形成 主導(dǎo) 裂紋 3 宏觀主導(dǎo)裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展 4 裂紋擴(kuò)展到一定尺度時(shí) 構(gòu)件有效截面不足以承載 就會(huì)發(fā)生脆斷 交變應(yīng)力 交變應(yīng)力與疲勞失效 交變應(yīng)力 第二節(jié) 交變應(yīng)力的循環(huán)特性和應(yīng)力幅值 一 循環(huán)特性 三 應(yīng)力幅值 二 平均應(yīng)力 t s 交變應(yīng)力 交變應(yīng)力的循環(huán)特性和應(yīng)力幅值 四 幾種特殊的交變應(yīng)力 1 對(duì)稱(chēng)循環(huán) s 交變應(yīng)力 交變應(yīng)力的循環(huán)特性和應(yīng)力幅值 2 脈動(dòng)循環(huán) 3 靜循環(huán) 靜應(yīng)力 五 穩(wěn)定交變應(yīng)力 循環(huán)特征及周期不變 t s 交變應(yīng)力 交變應(yīng)力的循環(huán)特性和應(yīng)力幅值 例1發(fā)動(dòng)機(jī)連桿大頭螺栓工作時(shí)最大拉力Pmax 58 3kN 最小拉力Pmin 55 8kN 螺紋內(nèi)徑為d 11 5mm 試求 a m和r 解 交變應(yīng)力 交變應(yīng)力的循環(huán)特性和應(yīng)力幅值 第三節(jié) 材料的持久極限 交變應(yīng)力 一 材料持久極限 疲勞極限 材料經(jīng)歷無(wú)數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞的交變應(yīng)力的最大值 稱(chēng)為材料的持久極限或疲勞極限 用 r表示 二 N曲線(xiàn) 應(yīng)力 壽命曲線(xiàn) 交變應(yīng)力 材料的持久極限 光滑小試樣 疲勞試驗(yàn)機(jī) 一 材料持久極限 疲勞極限 材料經(jīng)歷無(wú)數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞的交變應(yīng)力的最大值 稱(chēng)為材料的持久極限或疲勞極限 用 r表示 二 N曲線(xiàn) 應(yīng)力 壽命曲線(xiàn) N0 循環(huán)基數(shù) r 材料的持久極限 A 條件持久極限 交變應(yīng)力 材料的持久極限 NA 有限疲勞壽命 光滑小試樣 疲勞試驗(yàn)機(jī) 一 材料持久極限 疲勞極限 材料經(jīng)歷無(wú)數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞的交變應(yīng)力的最大值 稱(chēng)為材料的持久極限或疲勞極限 用 r表示 二 N曲線(xiàn) 應(yīng)力 壽命曲線(xiàn) 交變應(yīng)力 材料的持久極限 交變應(yīng)力 材料的持久極限 鋼材的持久極限與其強(qiáng)度極限之間的關(guān)系 第四節(jié) 影響構(gòu)件持久極限的主要因素 交變應(yīng)力 一 構(gòu)件外形的影響 K 有效應(yīng)力集中系數(shù) 交變應(yīng)力 影響構(gòu)件持久極限的主要因素 構(gòu)件截面尺寸突變處存在應(yīng)力集中 而應(yīng)力集中會(huì)促使裂紋形成與擴(kuò)展 從而使持久極限明顯降低 二 構(gòu)件尺寸的影響 尺寸系數(shù) 交變應(yīng)力 影響構(gòu)件持久極限的主要因素 持久極限隨試樣橫截面尺寸增大而減小 原因是在最大應(yīng)力相同的條件下 大試樣處于高應(yīng)力區(qū)的材料多于小試樣 表面質(zhì)量系數(shù) 交變應(yīng)力 影響構(gòu)件持久極限的主要因素 三 構(gòu)件表面質(zhì)量的影響 持久極限隨試樣表面質(zhì)量的提高而增大 原因是提高表面質(zhì)量可減少構(gòu)件表面的應(yīng)力集中 從而使持久極限得以提高 交變應(yīng)力 影響構(gòu)件持久極限的主要因素 四 構(gòu)件工作環(huán)境的影響 構(gòu)件所處的周?chē)h(huán)境 如溫度 腐蝕性 放射介質(zhì)等等因素 都會(huì)對(duì)持久極限有影響 也可用相應(yīng)的影響系數(shù)表示 若循環(huán)應(yīng)力為切應(yīng)力 將上述公式中的正應(yīng)力換為切應(yīng)力即可 對(duì)稱(chēng)循環(huán)下 r 1 上述各系數(shù)均可查表而得 交變應(yīng)力 影響構(gòu)件持久極限的主要因素 五 構(gòu)件的持久極限 r0 r0與 r的關(guān)系 第七節(jié) 提高構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的措施 交變應(yīng)力 交變應(yīng)力 提高構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的措施 2 提高表面加工質(zhì)量 3 增加表面強(qiáng)度 1 減緩應(yīng)力集中 復(fù)習(xí) 12 作業(yè)P269 思12 1至6 8P269 習(xí)12 1 2 交變應(yīng)力