机械零件工作能力计算的理论基础.ppt

1、机械零件工作能力计算的理论基础,1 机械零件的失效及其工作能力准则2 工程力学基础3 轴的拉伸与压缩4 剪切和挤压5 扭转6 弯曲7 强度理论概述8 疲劳强度概述9 接触强度概述,1 机械零件的失效及其工作能力准则,一、机械零件的失效及其失效形式,失效：零件丧失工作能力或达不到设计要求的性能。常见的失效形式：破裂或塑性变形；弹性变形过大；表面磨损、胶合；打滑；联接松动性；振动不稳定性等。,零件工作,承受载荷,反抗失效 失效,解决办法：合理设计,二、机械零件的工作能力,工作能力：零件不发生失效的安全工作限度（预定使用期限）。承载能力：对于载荷而言的工作能力。,设计准则（工作能力准则）：,1、强度

2、准则,强度：零件抵抗断裂、塑性变形、疲劳破坏的能力。,方法：,2）,2、刚度准则,刚度：抵抗弹性变形的能力。,3、寿命准则,实际使用寿命大于或等于预期寿命，L L。,4、温升准则,t t,5、振动稳定性准则,一、力的基本知识 力：物体间相互的机械作用,使物体改变运动状态或产生变形,大小方向作用点,力的单位：牛顿（N）,常用带箭头的有向线段表示，如图示,大小：线段的长度方向：线段的位置及箭头的指向作用点：线段的起点或终点,力常用字母F 表达,2 工程力学基础,外效应 内效应,内力：系统内各物体间的相互作用力,等效力系：两个力系对同一刚体的作用效果相同,合力：一个力与一个力系等效,平衡力系：物体受

3、到的力系合力为零，则物体的运动 状态保持不变,静力学四大公理：公理：人类经过长期实践和经验而得到的结论，它被反复的实践所验证，是无须证明而为人们所公认的结论。,外力：系统外的物体对系统的作用力,力系：作用于同一物体的一群力,公理 1：力的合成与分解的平行四边形法则 作用在物体上同一点的两个力的合力，其作用线仍通过该点，合力的大小和方向可以该两个力为邻边构成的平行四边形的主对角线来表示。,也可将一个力按已知方向分解为两个共点分力：力的合成：由力系求合力 力的分解：由合力求分力,公理 2：刚体二力平衡条件 作用于刚体上的两个力，使刚体处于平衡状态的必要与充分条件是：这两个力大小相等，方向相反，且作

4、用在同一条直线上。如刚体处于二力平衡状态，则必有：等值、反向、共线,二力体（杆）：只受两个力的作用而保持平衡 的刚体（杆）,公理 3：力对刚体的可传递性 作用在刚体上的力可沿其作用线移动作用点而不改变该力对刚体作用的效果。（图a等效于图b）,公理 4：作用与反作用定律 一物体以一力作用于另一物体时，被作用的物体必同时以一大小相等、方向相反、沿同一作用线的力反作用于施力物体上。作用力与反作用力分别作用在不同的物体上，同时产生，同时消失。,例：,吊灯,二、力矩及合力矩定理 力矩：力（F）与力臂（l）之乘积 力矩是衡量力使物体转动效果的尺度。,常用符号Mo(F)表示力F 对O 点之矩，简称力矩。点O

5、 称为矩心，矩心到作用线的垂直距离 l 称为力臂。力矩为代数量，即 Mo(F)=F l（N m 或 N mm）,合力矩定理：合力对于一点O 之矩，等于各分力对点O 之矩的代数和。Mo(F)=Mo(Fi)式中：Fi（i=1,2,n）为合力F 的n个分力,三、力偶和力偶矩 力偶：大小相等、方向相反、作用线相互平行的一种特殊的力系,力偶矩：力（F）与力偶臂（d）之乘积 M=F d（Nm 或 Nmm）,注意：a.力矩和力偶都能使物体转动；b.力矩使物体的转动效应与矩心的位置有关；c.力偶对其作用面内任一点的矩均为常数（与矩心位置无关）。,四、力的作用线平移定理 若将作用于刚体上的力，平行于自身移到刚体

6、上任意一新点，而要不改变原力对该刚体的作用效果，则必须附加一力偶，其力偶矩等于原力对该新点的矩。,五、约束与约束力 自由体：位移不受限制的物体；非自由体：位移受限制的物体；约束：对非自由体的某些位移预先施加的限制条件；约束力：约束对被约束物体的力。约束力特点：1、大小常常是未知的；2、方向总是与约束限制的物体的运动方向相反；3、作用点在物体与约束相接触的那一点。,G,常见的约束类型：1、柔索约束：由柔性的绳、带、链条等构成的约束。绳索类只能受拉，所以它们的约束力是作用在接触点，方向沿绳索中心线而背离物体。,2、光滑面约束：由完全光滑的刚体接触面构成的约束。约束力作用在接触点处，方向沿公法线，指

7、向受力物体。,3、圆柱形光滑铰链约束：约束物与被约束物以光滑圆柱面铰接构成的约束,特例：a、固定铰链约束：,b、活动铰链约束：活动铰链约束造成的约束力的作用线通过铰链中心并垂直于支撑表面。活动铰链约束造成的约束力只有一个。,4、固定端约束：固定端相对其约束物不能向任何方向移动或转动的约束。,六、研究对象的受力分析及受力图 1、受力分析 研究、解决力学问题时，首先要选定需要进行研究的物体，即选择研究对象；然后根据已知条件、约束类型并结合基本概念和公理分析它的受力情况，这个过程称为物体的受力分析。作用在物体上的力有两类：一：主动力，如重力、风力、气体压力等；二：被动力，即约束力。2、受力图 为了清

8、楚地表示出物体的受力情况，需要把所研究的物体从周围的物体中分离出来，并画出作用在其上的全部作用力，这种表示物体受力的简图称为受力简图（受力图）。画物体受力图是分析解决力学问题的重要前提，必须正确无误！,画物体受力图主要步骤为：1、确定研究对象，取分离体；2、画上主动力；3、画出约束力。,例：,画受力图应注意的问题：1、不要漏画力 除重力、电磁力外，物体之间只有通过接触才有相互机械作用力，要分清研究对象（受力体）都与周围哪些物体（施力体）相接触，接触处必有力，力的方向由约束类型而定。2、不要多画力 要注意力是物体之间的相互机械作用。因此对于受力体所受的每一个力，都应能明确地指出它是哪一个施力体施

9、加的。3、不要画错力的方向 在分析两物体之间的作用力与反作用力时，要注意：作用力的方向一旦确定，反作用力的方向一定要与之相反，不要把箭头方向画错。约束力的方向必须严格地按照约束的类型来画，不能单凭直观或根据主动力的方向来简单推想。,4、受力图上不能再带约束 画约束力时，应取消约束，而用约束力来替代它的作用。受力图一定要画在分离体上。5、受力图上只画外力，不画内力 一个力，属于外力还是内力，因研究对象的不同，有可能不同。当物体系统拆开来分析时，原系统的部分内力，就成为新研究对象的外力。6、同一系统各研究对象的受力图必须整体与局部一致，相互协调，不能相互矛盾 对于某一处的约束力的方向一旦设定，在整

10、体、局部或单个物体的受力图上要与之保持一致。,七、机械零件变形的基本形式 刚体：受力后形状和体积不发生改变的理想化物体。可变形固体的若干概念：固体的变形在分析机件损伤和失效时将成为不可忽视的主要问题，此时不能将研究对象再视为刚体，而应如实将其作为可变形固体。弹性变形：可变形固体的变形若在撤除外力以后能完全消失的变形。塑性变形：可变形固体的变形若在撤除外力以后不能消失的变形。,变形的基本类型：,拉伸或压缩：,剪切：,扭转：,弯曲：,3 轴的拉伸与压缩,一、横截面上的内力和应力 内力：在外力作用下，杆件内部材料的颗粒间因相对位置改变而产生的相互作用力。应力：单位面积上的内力。正应力：垂直于横截面的

11、应力。=F/A=N/A 式中：N 为拉（压）杆横截面上的内力，N；F 为轴向受拉（压）外力，N；A 为拉（压）杆横截面面积，mm2；为拉（压）杆应力，N/mm2（Pa帕：N/mm2）。应变：单位长度的伸长量。,二、材料的力学（机械）性能 力学性能：在外力作用下，在变形和破坏方面表现出来的种种性能。材料的机械性质 力学性质（特性）：弹性模量、屈服极限、抗拉强度、伸长率、断面收缩率、硬度、冲击韧性等 材料的机械性质是机械设计中选择材料和强度、刚度计算的重要依据。,通过各种实验测定,1、材料的静拉伸实验,图 a)：标准试件 图 b)：拉伸图 图 c)：应力应变曲线,1）正比阶段（图上 oa 直线段）

12、此阶段材料的应力 与应变十分接近线性关系。最高应力（a点）比例极限P 2）屈服阶段（图上 bc 段）应力几乎不变，而应变却急剧增长，材料似乎暂时失去对变形的抵抗能力。屈服阶段的最低应力 屈服极限s 塑性材料的极限应力lim 3）强化阶段（图上 cd 段）经过屈服阶段后，需要继续增大拉力才能使材料继续变形。强化阶段的最高应力（d点）强度极限b（材料承受最大应力）4）局部收缩阶段（图上 de 段）试件某一部分截面发生显著收缩，在e点发生断裂。,2、材料的压缩实验 见 p26-28。3、硬度及冲击韧性 硬度：材料抵抗较硬物质压入的能力。工程上常采用布氏硬度和洛氏硬度。冲击韧性：衡量材料抵抗冲击能力的

13、指标。,三、轴向拉压的强度条件 工作应力：工作时横截面上的正应力。极限应力：达到失效时应力的极限值，以lim 表示。许用应力：在强度计算中，考虑了适当的强度储备。,S 安全系数（大于1的数值）。,强度条件：,剪力：F剪（切）应力：,4 剪切和挤压,剪切强度：挤压强度：,5 扭转,扭转：圆轴两端作用一对大小相等、方向相反、作用面垂直于轴心的外力偶。外力偶矩：,式中：P 轴传递的功率，kW；n 轴的转速，r/min。,6 弯曲,弯曲：当直杆受到垂直于杆件轴线横向外力或在杆轴平面内的外力偶作用时，杆的轴线将由直线变为曲线，这种变形称为弯曲。梁：以弯曲变形为主的杆件。梁的分类：,简支梁,外伸梁,悬臂梁,7 应力状态理论及强度理论概述,8 疲劳强度概述,9 接触强度概述,自学,