疲劳强度设计

疲劳强度设计

对承受循环应力的零件和构件，根据疲劳强度理论和疲劳试验数据，决定其合理的结构和尺寸的机械设计方法。机械零件和构件对疲劳破坏的抗力，称为零件和构件的疲劳强度。疲劳强度由零件的局部应力状态和该处的材料性能确定，所以疲劳强度设计是以零件最弱区为依据的。通过改进零件的形状以降低峰值应力，或在最弱区的表面层采用强化工艺，就能显著地提高其疲劳强度。在材料的疲劳现象未被认识之前，机械设计只考虑静强度，而不考虑应力变化对零件寿命的影响。这样设计出来的机械产品经常在运行一段时期后，经过一定次数的应力变化循环而产生疲劳，致使突然发生脆性断裂，造成灾难性事故。应用疲劳强度设计能保证机械在给定的寿命内安全运行。疲劳强度设计方法有常规疲劳强度设计、损伤容限设计和疲劳强度可靠性设计。

简史19世纪40年代，随着铁路的发展，机车车轴的疲劳破坏成为非常严重的问题。1867年，德国A.沃勒在巴黎博览会上展出了他用旋转弯曲试验获得车轴疲劳试验结果，把疲劳与应力联系起来，提出了疲劳极限的概念，为常规疲劳设计奠定了基础。

20世纪40年代以前的常规疲劳强度设计只考虑无限寿命设计。第二次世界大战中及战后，通过对当时发生的许多疲劳破坏事故的调查分析，逐渐形成了现代的常规疲劳强度设计，它非但提高了无限寿命设计的计算精确度,而且可以按给定的有限寿命来设计零件,有限寿命设计的理论基础是线性损伤积累理论。早在1924年，德国 A.帕姆格伦在估算滚动轴承寿命时，曾假定轴承材料受到的疲劳损伤的积累与轴承转动次数（等于载荷的循环次数）成线性关系，即两者之间的关系可以用一次方程式来表示。1945年，美国M.A.迈因纳根据更多的资料和数据,明确提出了线性损伤积累理论，也称帕姆格伦-迈因纳定理。

随着断裂力学的发展，美国A.K.黑德于1953年提出了疲劳裂纹扩展的理论。1957年，美国P.C.帕里斯提出了疲劳裂纹扩展速率的半经验公式。1967年，美国R.G.福尔曼等又对此提出考虑平均应力影响的修正公式。这些工作使人们有可能计算带裂纹零件的剩余寿命，并加以具体应用，形成了损伤容限设计。

用概率统计方法处理疲劳试验数据，是20世纪20年代开始的。60年代后期，可靠性设计从电子产品发展到机械产品，于是在航天、航空工业的先导下，开始了可靠性理论在疲劳强度设计中的应用。

1961年联邦德国H.诺伊贝尔提出的关于缺口件中名义应力-应变与局部应力-应变之间的关系，称为诺伊贝尔公式。1968年加拿大R.M.韦策尔在诺伊贝尔公式的基础上，提出了估算零件裂纹形成寿命的方法，即局部应力-应变法，在疲劳强度设计中得到了应用和发展。

常规疲劳强度设计假设材料没有初始裂纹，经过一定的应力循环后，由于疲劳损伤的积累，才形成裂纹，裂纹在应力循环下继续扩展，直至发生全截面脆性断裂。裂纹形成前的应力循环数，称为无裂纹寿命；裂纹形成后直到疲劳断裂的应力循环数，称为裂纹扩展寿命。零件总寿命为两者之和。

根据零件所用材料的试样的疲劳试验结果，以最大应力为纵坐标、以达到疲劳破坏的循环数N为横坐标，画出一组试样在某一循环特征下的应力-

寿命曲线(-N曲线)。应力－寿命曲线和应变-寿命曲线统称为S-N 曲线（图1）。曲线的斜线部分的一般表达式为：σmN=C，式中m和C为材料常数。在应力和循环数的双对数坐标中，该方程式的图形是一条直线。大多数结构钢，当值降低到一定限度时，不再发生疲劳破坏，即疲劳寿命是无限的，这时在图中出现了水平线段。这个值，即转折点Μ的应力值，称为材料的疲劳极限，它比静强度低很多。Μ点的循环数,称为循环基数,用符号N 0表示。N 0将S-N 曲线分成两部分。其右边的区域,N≥N 0为无限寿命区；左边的区域,N ＜N 0,为有限寿命区。在S-N 曲线的倾斜部分，与给定的循环数相对应的应力为有限寿命疲劳极限,又称条件疲劳极限。在有限寿命区内,当N 低于104～105时为低周疲劳区。

循环应力的特性用循环特征,即以最小应力与最大应力的比值r＝/表示。不同方向的应力，用正负值区别，如拉应力为正值，压应力为负值。当r=-1，即=-时,称为对称循环应力；当r=0，即=0时，称为脉动循环应力；当r＝+1，即＝时，应力静止不变，称为静应力；当+1>r>-1时，统称为不对称循环应力。考虑到应力进入压应力区时,r变化范围扩大为+∝＞r＞- ∝。对应于不同循环特征,有不同的S-N 曲线、疲劳极限和有限寿命的条件疲劳极限。

以m表示平均应力，a表示应力幅，则

式中m 为循环应力的静力成分,而a为循环应力的动力成分。对于静应力，a=0，m=；对称循环应力的m=0,a=；不对称循环应力的a和m都不等于零，即既有静力成分,又有动力成分。以m为横坐标、a为纵坐标,可以画出在不同循环特征下的疲劳极限曲线。因为曲线上各点的疲劳寿命相等，这些曲线也称等寿命曲线。(图2)是某种材料的疲劳极限曲线。A点为对称循环的疲劳极限(-1);B点为a接近于零时的疲劳极限，它等于材料的强度极限(+1＝b)；C 点为脉动循环的疲劳极限(0 )。曲线上的其他点（如D点）表示其他循环特征的疲劳极限(r。

在工程上，常将这曲线简化为ACB折线；在试验数据缺乏时，甚至简化为AB直线。这样简化，降低了设计计算的精确度，但偏于安全。常规疲劳强度设计是以名义应力为基础的，可分为无限寿命设计和有限寿命设计。

无限寿命设计将工作应力限制在疲劳极限以下，即应用S-N 曲线的水平段进行设计，零件的疲劳寿命假设是无限的。

在疲劳试验中，除少数试样与实际零件相同外，一般使用小直径（5～10毫米）、规定表面粗糙度的光滑试样。实际零件常存在由圆角、键槽等引起的应力集中，其尺寸和表面状态与试样有差异，所以，设计时必须引入应力集中系数K、尺寸系数θ和表面系数β。有应力集中时K＞1.0;零件尺寸大于试样尺寸时θ＜1.0;表面粗糙度高于规定值时β＜1.0。用表面强化方法,如表面热处理和表面冷加工硬化等，可使β 增大到1.0以上。

一般认为，K、θ、β只作用于循环应力中的动力成分a,而对静力成分m 没有影响。因此，设计时满足疲劳强度的条件为

式中为材料对平均应力m 的折算系数。常用钢材的值和常用的K、θ、β 等系数值可从工程手册中查到；n为所采用的安全系数，在疲劳强度设计中，当材料质量均匀优良、设计计算精确时一般取n=1.3～1.5,在材质和计算精确度较差和差时则分别取n=1.5～1.8和1.8～2.5。

有限寿命设计某些机械产品，例如飞机、汽车等，因为技术发展快、更新周期短，不需要很长的使用寿命；另一些产品，如鱼雷、导弹等，则是

一次消耗性的。对于这些产品，减轻重量是提高其性能水平的关键。因此，即使整台产品需要较长寿命，也宁愿以定期更换的办法让其某些零件设计得寿命较短而重量较轻。有限寿命设计为保证使用寿命的条件下，采用超过疲劳极限的工作应力，以减小零件截面，减轻重量。

设零件承受循环应力，当其最大和最小应力的数值固定不变时，有限寿命设计的方法与无限寿命设计相同，只是在强度判据中，以有限寿命的条件疲劳极限替代疲劳极限。K、θ、β 等影响系数，也需使用相应寿命下的数值。

但是，大多数机械零件的循环应力，其最大和最小应力值是变化的，需要根据载荷谱（见载荷）用线性损伤积累理论进行寿命估算。

设在载荷谱中,有应力幅为1 、2、…i、…等各级应力，其循环数分别为n1、n2、…ni、…，从材料的S-N曲线,可以查到对应于各级应力的达到疲劳破坏的循环数N1、N2、…Ni、…。根据疲劳损伤积累为线性关系的理论，比值ni/Ni为材料受到应力i的损伤率。发生疲劳破坏，即损伤率达到100％的条件为

这就是线性损伤积累理论（帕姆格伦-迈因纳定理）的表达式。令N 为以循环数表示的疲劳寿命，则上式可改写为

式中ni/N 为应力i的循环数在载荷谱的总循环数中所占的比例，是已知数。线性损伤积累理论与实际情况并不完全符合，疲劳破坏时,并不恰等于1。但由于该理论简单、比较接近实际，得到了广泛应用。

有限寿命设计需要先知道应力值。设计时，一般按初算结果初步确定零件尺寸，然后分析承受载荷的情况，求得危险截面上的应力变化规律，并对这截面进行疲劳寿命计算，如危险截面不能完全肯定，则可计算几个截面，加以比较。若计算结果不能满足寿命判据，或认为寿命的安全裕度不够，则可以采取改变危险截面的尺寸，或者采取降低应力集中系数、提高表面系数或改用疲劳强度高的材料等措施予以解决。

以上所述的疲劳强度设计，是以名义应力为基础的，称为名义应力法。后来在有限寿命设计中，又发展了局部应力-应变法。其基本出发点是,认为疲劳是一种局部现象，总是在应力集中的局部区域开始发生。虽然这时有缺口的零件或构件的名义应力还在弹性范围内，但缺口处局部区域的应力往往已超过屈服极限，该局部区域内的材料已处于弹塑性状态，可以用光滑小试样模拟有缺口的零件或构件缺口处材料的疲劳性能。根据局部区域的应力－应变循环特性估算裂纹形成阶段的零件寿命的方法,称为局部应力-应变法。这种方法已成功地用来估算随机载荷下零部件的疲劳寿命，如汽车的传动轴和车架等。

损伤容限设计常规疲劳设计假定材料没有初始缺陷。而实际零件中几乎都存在各种不同性质、形状和尺寸的裂纹、夹杂等缺陷。损伤容限设计，以断裂力学为理论基础，以断裂韧性试验和无损检测技术为手段，对有初始裂纹的零件，估算其剩余寿命。只要掌握裂纹扩展的规律，并采取裂纹监视和正确的断裂控制措施，剩余寿命是可以安全地加以利用的。断裂控制包括精心选材、合理安排结构布局、控制工作应力、制订适当的检验和检修程序等。在制造和运行中，都必须严格贯彻规定的检验和检修程序。

为了确保安全，还必须在结构上采取安全措施，以提高损伤容限设计的可靠程度。并规定剩余寿命应大于两个检修周期，以保证在发生疲劳破坏之前，至少有两次机会可以发现裂纹已扩展到危险程度（图3）。

疲劳强度可靠性设计在规定的寿命内和规定的使用条件下，保证疲劳破坏不发生的概率在给定值（可靠度）以上的设计。机械产品的可靠性设计是考虑机械及其零件的载荷和材料强度的随机性以及设计数据的分散性，用概率统计的方法进行，其中疲劳试验数据的分散性是它所考虑的一个重要方面。

新领域疲劳强度设计的新领域包括：由反复的塑性应变产生的低周疲劳；由反复加热和冷却引起热应力循环的热疲劳；应考虑蠕变影响的在高温下受循环应力的零件的高温疲劳；由腐蚀和疲劳联合作用所引起的腐蚀疲劳。在这些领域中，已提出某些裂纹形成和扩展的模型，但要将这些模型实际应用于疲劳强度设计，还需做更多的工作。

参考书目

徐灏:《疲劳强度设计》,机械工业出版社,北京,1981。

H.O.Fuchs，R.I.Stephens，Metal Fatigue in Engineering，John Wiley & Sons,New York，1980.。

船体强度与结构设计复习材料

船体强度与结构设计复习材料 绪论 1.船体强度：是研究船体结构安全性的科学。 2.结构设计的基本任务：选择合适的结构材料和结构型式，决定全部构建的尺寸和连接方式，在保证具有充足的强度和安全性等要求下，使结构具有最佳的技术经济性能。 3.全船设计过程：分为初步设计、详细设计、生产设计三个阶段。 4.结构设计应考虑的方面：①安全性；②营运适合性；③船舶的整体配合性；④耐久性；⑤工艺性；⑥经济性。 5.极限状态：是指在一个或几个载荷的作用下，一个结构或一个构件已失去了它应起的各种作用中任何一种作用的状态。 引起船体梁总纵弯曲的外力计算 船体梁：在船体总纵强度计算中，通常将船体理想化为一变断面的空心薄壁梁。 总纵弯曲：船体梁在外力作用下沿其纵向铅垂面内所发生的弯曲。 总纵强度：船体梁抵抗总纵弯曲的能力。 引起船体梁总纵弯曲的主要外力：重力与浮力。 船体梁所受到的剪力和弯矩的计算步骤： ①计算重量分布曲线平p(x)； ②计算静水浮力曲线bs(x)； ③计算静水载荷曲线qs(x)=p(x)-bs(x)； ④计算静水剪力及弯矩：对③积分、二重积分； ⑤计算静波浪剪力及弯矩： ⑥计算总纵剪力及弯矩：④+⑤。 重量的分类： ①按变动情况来分：不变重量（空船重量）、变动重量（装载重量）； ②按分布情况来分：总体性重量（沿船体梁全场分布）、局部性重量（沿船长某一区段分布）。静力等效原则： ①保持重量的大小不变；②保持重心的纵向坐标不变； ③近似分布曲线的范围与该项重量的实际分布范围相同或大体相同。 浮力曲线：船舶在某一装载情况下，描述浮力沿船长分布状况的曲线。 载荷曲线：在某一计算状态下，描述引起船体梁总纵弯曲的载荷沿船长分布状况的曲线。载荷、剪力和弯矩之间的关系： ①零载荷点与剪力的极值相对应、零剪力点与弯矩的极值相对应； ②载荷在船中前后大致相等，故剪力曲线大致是反对成的，零点靠近船中，在首尾端约船长的1/4处具有最大正、负值； ③两端的剪力为零，弯矩曲线在两端的斜率为零（与坐标轴相切）。 计算状态：指在总纵强度计算中为确定最大弯矩所选取的船舶典型装载状态，一般包括满载、压载、空载等和按装载方案可能出现的最为不利以及其它正常营运时可能出现的更为不利的装载状态。 挠度及货物分布对静水弯矩的影响： ①挠度：船体挠度对静水弯矩的影响是有利的；

《结构的强度和稳定性》教学设计

《技术与设计2》第一章第三节《结构的强度和稳定性》教学设计 《结构的强度和稳定性》教学设计 一、教材分析： 本节是“地质”出版的教材《技术与设计2》中第一章第三节《结构的强度和稳定性》。共需2课时完成。本课为第1课时的学习。该章的总体设计思路是：认识结构——探析结构——设计结构——欣赏结构。“结构”与“设计”是该章的两个核心概念，结构的强度和稳定性则是结构设计中需要考虑的重要因素之一，是对结构及受力认识的基础上作进一步深入的学习。 二、教学目标： 知识与技能： 1、理解力、强度、应力的概念，能进行简单的应力计算，掌握应力和强度的关系。 2、通过实验，明确强度与材料、强度与物体的形状及连接方式的关系。培养学生合作交流能力，对身边事物的观察能力。 3、理解稳定性的概念，及影响稳定性的因素。 过程与方法：通过观察生活和技术实验等方法使学生懂得应用相关的理论知识。 情感态度价值观：让学生亲身体验注重交流，通过分析讨论得到结论，培养学生的观察分析能力，合作交流能力。 三、教学重点与难点： 重点：影响结构强度和稳定性的主要因素。 难点：应力的计算，强度与应力的关系，结构设计需要在容许应力围之。 四、学情分析： 总体来说学生对通用技术这门课程比较感兴趣。他们的思维、生活经验已有一定基础，并在前面章节的学习中已经初步掌握了结构的一些相关知识，在此基础上帮助学生从其生活世界中选择通俗感兴趣的主题和容，对结构问题进行进一步探讨，上升到理论的高度。 五、教学策略：

本课采用在教学中充分利用实验、讨论、小组合作的教学方法。多举生活中的案例，进行师生互动探讨，帮助学生加深对知识的理解。 六、教学安排 1课时 七、教学过程： （一）复习回顾，导入新课 教师引导学生回顾结构的概念，指出事物的性质：强度和稳定性 （二）知识构建 1、强度 对于结构变形，只给以“结实”“不结实”来评说是不够准确的，而对于结构的受力与变形应该有更科学的描述。通常，物体结构抵抗变形的能力，都以强度来表示，我们用应力来衡量强度。 （1）力：外力使构件发生变形的同时，构件的部分子之间随之产生一种抵抗变形的抵抗力，称为力。 （2）应力：作用在单位面积上的力。 【学生活动一】 （3）拓展：探讨强度和应力的关系 示例：粗绳和细绳，两种相比粗绳更结实，牢固，换句话说是抗拉强度更大。绳子所受拉力一定，即构件受到的外力一定，而粗的横截面积大，所以应力小，此时变形小，而抗变形的能力大，即强度大。 结论：应力小，强度大应力大，强度小 【学生活动二】 （4）结合课本分小组探究影响结构强度的因素，同时完成26页问题，答在学案上。 结构的强度，一般取决于它对力和压力两方面的反应能力，具体取决于以下因素： 形状、材料（不同的材料有承受不同应力极限的能力） 材料的连接方式（不同的连接方式，受力传递方式和效果不一样） 师生探讨：如何改进物体结构的强度？

疲劳强度考试整理

1.疲劳的定义：材料在循环应力或循环应变作用下，由于某点或某些点产生了局部的永久 结构变化，从而在一定的循环次数以后形成裂纹或发生断裂的过程称为疲劳。 2.疲劳的分类： (1)按研究对象可以分为材料疲劳和结构疲劳 材料疲劳——研究材料的失效机理，化学成分和微观组织对疲劳强度的影响，使用标准试件。结构疲劳——则以零部件、接头以至整机为研究对象，研究它们的疲劳性能、抗疲劳设计方法、寿命估算方法和疲劳试验方法。 (2)按失效周次可以分为高周疲劳和低周疲劳 高周疲劳——材料在低于其屈服强度的循环应力作用下，经104-105以上循环产生的失效。低周疲劳——材料在接近或超过其屈服强度的应力作用下，低于104-105次塑性应变循环产生的失效。 (3)按应力状态可以分为单轴疲劳和多轴疲劳 单轴疲劳——单向循环应力作用下的疲劳，零件只承受单向正应力或单向切应力。 多轴疲劳——多向应力作用下的疲劳，也称复合疲劳。 (4)按载荷变化情况分为恒幅疲劳、变幅疲劳、随机疲劳 恒幅疲劳——所有峰值载荷均相等和所有谷值载荷均相等。 变幅载荷——所有峰值载荷不等，或所有谷值载荷不等，或两者均不等。 随机疲劳——幅值和频率都是随机变化的，而且是不确定的。 (5)按载荷工况和工作环境可以分为常规疲劳、高低温疲劳、热疲劳、热—机械疲劳、腐 蚀疲劳、接触疲劳、微动磨损疲劳和冲击疲劳 常规疲劳——在室温和空气介质中的疲劳。 高低温疲劳——低于室温的疲劳和高于室温的疲劳。 热疲劳——温度循环变化产生的热应力所导致的疲劳。 热-机械疲劳——温度循环与应变循环叠加。 腐蚀疲劳——腐蚀环境与循环应力的复合作用。 接触疲劳——滚动接触零件在循环应力作用下产生损伤。 微动磨损疲劳——接触面的微幅相对振动造成磨损疲劳。 冲击疲劳——重复冲击载荷所导致的疲劳。 3.金属疲劳破坏机理

《结构的强度和稳定性》教学设计电子教案

《结构的强度和稳定性》教学设计

《技术与设计2》第一章第三节《结构的强度和稳定性》教学设计 《结构的强度和稳定性》教学设计 一、教材分析： 本节是“地质出版社”出版的教材《技术与设计2》中第一章第三节《结构的强度和稳定性》。共需2课时完成。本课为第1课时的学习。该章的总体设计思路是：认识结构——探析结构——设计结构——欣赏结构。“结构”与“设计”是该章的两个核心概念，结构的强度和稳定性则是结构设计中需要考虑的重要因素之一，是对结构及受力认识的基础上作进一步深入的学习。 二、教学目标： 知识与技能： 1、理解内力、强度、应力的概念，能进行简单的应力计算，掌握应力和强度的关系。 2、通过实验，明确强度与材料、强度与物体的形状及连接方式的关系。培养学生合作交流能力，对身边事物的观察能力。 3、理解稳定性的概念，及影响稳定性的因素。 过程与方法：通过观察生活和技术实验等方法使学生懂得应用相关的理论知识。 情感态度价值观：让学生亲身体验注重交流，通过分析讨论得到结论，培养学生的观察分析能力，合作交流能力。 三、教学重点与难点： 重点：影响结构强度和稳定性的主要因素。

难点：应力的计算，强度与应力的关系，结构设计需要在容许应力范围之内。 四、学情分析： 总体来说学生对通用技术这门课程比较感兴趣。他们的思维、生活经验已有一定基础，并在前面章节的学习中已经初步掌握了结构的一些相关知识，在此基础上帮助学生从其生活世界中选择通俗感兴趣的主题和内容，对结构问题进行进一步探讨，上升到理论的高度。 五、教学策略： 本课采用在教学中充分利用实验、讨论、小组合作的教学方法。多举生活中的案例，进行师生互动探讨，帮助学生加深对知识的理解。 六、教学安排 1课时 七、教学过程： （一）复习回顾，导入新课 教师引导学生回顾结构的概念，指出事物的性质：强度和稳定性 （二）知识构建 1、强度 对于结构变形，只给以“结实”“不结实”来评说是不够准确的，而对于结构的受力与变形应该有更科学的描述。通常，物体结构抵抗变形的能力，都以强度来表示，我们用应力来衡量强度。 （1）内力：外力使构件发生变形的同时，构件的内部分子之间随之产生一种抵抗变形的抵抗力，称为内力。

第三章疲劳强度计算练习题dayin

第三章机械零件的疲劳强度设计 三、设计计算题 3－47 如图所示某旋转轴受径向载荷F=12kN作用，已知跨距L=1.6m，直径d=55mm，轴的角速度为ω，求中间截面上A点的应力随时间变化的表达式，并求A点的σmax、σmin、σa和σm。 3－48 一内燃机中的活塞连杆，当气缸发火时，此连杆受压应力σmax=－150MPa，当气缸进气开始时，连杆承受拉应力σmin=50MPa，试求：（1）该连杆的平均应力σm、应力幅σa 和应力比r；（2）绘出连杆的应力随时间而变化的简图。 3－49 一转动轴如图所示，轴上受有轴向力F a=1800N，径向力F r=5400N，支点间的距离L=320mm，轴是等截面的，直径d=45mm。试求该轴危险截面上的循环变应力的σmax、σmin、σm、σa和r。 题3－49图题3－50图 3－50 某一转轴的局部结构如图所示，轴的材料为Q235普通碳钢，精车制成。若已知直径D=120mm，d=110mm，圆角半径r=5mm，材料的力学性能为：σb=450MPa，σs=220MPa，试求截面变化处的疲劳强度综合影响系数KσD和KτD。 3－51 由脆性材料制成的受弯平板的平面尺寸如图所示，板厚30mm。A、B两处各有一个直径5mm的穿透小孔，弯矩M=20kN·m。试分别计算Ⅰ、Ⅱ两截面上的最大应力值。疲劳缺口系数查题3－53附图。 3－52 一转轴的各段尺寸及其受载情况如图所示。所有圆角半径均为r=3mm。试分别计算Ⅰ—Ⅰ至Ⅶ—Ⅶ各截面上的最大弯曲应力的名义值和实际值。疲劳缺口系数查题3－53附图。

题3－51图题3－52图 3－53 用高强度碳钢制成的构件 的平面尺寸如图所示，厚8mm，受拉力 F=50kN。该构件的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ截面上分别 有φ15mm的圆孔、R7.5mm的半圆缺口 和R7.5mm的圆角。试分别计算这三个截 面上的最大应力。 题3－53附图 附注：这三种结构的疲劳缺口系数值可从上图曲线中查得。 3－54 题3－53中如载荷F在25～85kN之间做周期性的变化，材料改为20CrMnTi，其力学性能为σs=835MPa，σ-1=345MPa，σ0=615MPa。危险截面上的疲劳缺口系数Kσ=1.45，尺寸系数εσ＝0.75，表面状态系数βσ＝0.9，按无限寿命考虑。试画出σm－σa极限应力图，并用图解法和解析法确定安全系数Sσ。 3－55 用题3－54的条件画出σm－σmax和σmin极限应力图，并用图解法和解析法确定安全系数。可参阅[5]。 3－56 按题3－54的条件，除载荷F变为在－32～64kN之间作周期性变化外，其余条件不变。试画出σmin－σmax极限应力简图，并用图解法和解析法确定安全系数。可参阅[5]。 3－57 一阶梯轴轴肩处的尺寸为D=60mm，d=50mm，r=4mm，如材料的力学性能为：σb=650MPa，σs=360MPa，σ-1=200MPa，σ0=320MPa。试绘制此零件的简化极限应力线图。 3－58 如上题中危险截面处的平均应力σm=30MPa，应力幅σa=45MPa，试分别按（1）r=c；（2）σm=c求出该截面上的计算安全系数Sσ。 3－59 一转轴的危险截面上作用有周期性波动的载荷：弯矩M=100~200N·m，转矩T=0~100N·m。轴的材料为45钢，力学性能：σs=400MPa，σ-1=270MPa，σ0=480MPa，τs=216MPa，τ-1=156MPa，τ0=300MPa。若截面直径d=25mm，疲劳缺口系数Kσ=1.78，Kτ=1.45，尺寸系数εσ=0.9，ετ=0.93，表面状态系数βσ=0.91，βτ=0.95。试确定安全系数S。计算时可

结构设计及强度校核

专业综合训练任务书： 49.9米150吨冷藏船结构设计及总纵强度计算 一、综合训练目的 1、通过综合训练，进一步巩固所学基础知识，培养学生分析解决实际工程问题的能力，掌握静水力曲线的计算与绘制方法。 2、通过综合训练，培养学生耐心细致的工作作风和重视实践的思想。 3、为后续课程的学习和走上工作岗位打下良好的基础。 二、综合训练任务 1.150吨冷藏船结构设计，提供主要构件的计算书。 2.参考该船图纸和相关静水力资料、邦戎曲线图，按照《钢质内河船舶建造规范》的要求进行总纵 强度计算，提供总纵强度计算书。 3.参考资料： 1)中国船级社. 钢质海船入级与建造规范 2009 2)王杰德等. 船体强度与结构设计北京：国防工业出版社，1995 3)聂武等. 船舶计算结构力学哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2000 三、要求： 1、专业综合训练学分重，应予以足够重视； 2、计算书格式要符合要求； 如船体结构设计计算书应包括：（a）对设计船特征（船型、主尺度、结构形式等）的概述，设计所根据的规范版本的说明等；（b）应按船底、船侧、甲板的次序，分别写出确定每一构件尺寸的具体过程，并明确标出所选用的尺寸。（c）计算书应简明、清晰、便于检查。 3、强度计算： a)按第一、二章的要求和相关表格做，如静水平衡计算，静水弯矩计算等； b)波浪弯矩等可按规范估算； c)相关表格用计算器计算，表格绘制于“课程设计”本上 注意：请班长到教材室领取课程设计的本子和资料袋（档案袋），各位同学认真填写资料袋封面。 4、专业综合训练总结：300~500字。 四、组织方式和辅导计划： 1、参考资料： a)船体强度与结构设计教材 b)某船的构件设计书 c)某船的总纵强度计算书 d)《钢质内河船舶建造规范》，最好2009版 2、辅导答疑地点：等学校安排。 五、考核方式和成绩评定： 1、平时考核成绩：参考个人进度。 2、须经老师验收合格，故应提前一周交资料，不合格的则需回去修改。 3、第18周星期三下午4：00前必须交资料，资料目录见第2页。 4、一旦发现打印、复印、数据格式完全相同等抄袭现象，均按规定以不及格计。 5、成绩由指导教师根据学生完成质量以及学生的工作态度与表现综合评定，分为优、良、中、及格、 不及格五个等级。 六、设计进度安排： 1、有详细辅导计划，但具体进度可根据个人情况可以自己定。 附录：档案袋内资料前2页如下

螺栓疲劳强度计算分析

螺栓疲劳强度计算分析 摘要：在应力理论、疲劳强度、螺栓设计计算的理论基础之上，以疲劳强度计算所采取的三种方法为依据，以汽缸盖紧螺栓连接为研究对象，进行本课题的研究。假设汽缸的工作压力为0~1N/mm2=之间变化，气缸直径D2=400mm，螺栓材料为5.6级的35钢，螺栓个数为14，在F〞=1.5F，工作温度低于15℃这一具体实例进行计算分析。利用ProE建立螺栓连接的三维模型及螺杆、螺帽、汽缸上端盖、下端盖的模型。先以理论知识进行计算、分析，然后在分析过程中借助于ANSYS有限元分析软件对此螺栓连接进行受力分析，以此验证设计的合理性、可靠性。经过近几十年的发展，有限元方法的理论更加完善，应用也更广泛，已经成为设计，分析必不可少的有力工具。然后在其分析计算基础上，对于螺栓连接这一类型的连接的疲劳强度设计所采取的一般公式进行分类，进一步在此之上总结。 关键词：螺栓疲劳强度，计算分析，强度理论，ANSYS 有限元分析。

Bolt fatigue strength analysis Abstract:In stress fatigue strength theory， bolt， design calculation theory foundation to fatigue strength calculation for the three methods adopted according to the cylinder lid， fasten bolt connection as the object of research， this topic research. Assuming the cylinder pressure of work is 0 ~ 1N/mm2 changes， cylinder diameters between = = 400mm， bolting materials D2 for ms5.6 35 steel， bolt number for 14， in F "= 1.5 F below 15 ℃， the temperature calculation and analysis of concrete examples. Using ProE establish bolt connection three-dimensional models and screw， nut， cylinder under cover， cover model. Starts with theoretical knowledge calculate，analysis， and then during analysis， ANSYS finite element analysis software by this paper analyzes forces bolt connection， to verify the rationality of the design of and reliability. After nearly decades of development， the theory of finite element method is more perfect， more extensive application， has become an indispensable design， analysis the emollient tool. Then in its analysis and calculation for bolt connection， based on the type of connection to the fatigue strength design of the general formula classification， further on top of this summary. Keywords: bolt fatigue strength， calculation and analysis， strength theory，ANSYS finite elements analysis.

第二章 钢桥设计计算理论 苏庆田2013

第二章钢桥设计计算理论

一般规定 ①钢桥按照极限状态方法进行设计； ?承载能力极限状态设计：包括构件和连接的强度破坏，结构、构件丧失稳定及结构倾覆 ?正常使用极限状态：包括影响结构、构件正常使用的变形、振动及影响结构耐久性的局部损坏 ?疲劳极限状态：疲劳破坏 ②公路钢结构桥梁应考虑以下三种设计状况及其相应的极限状态设计； 1 持久状况：桥梁建成后承受结构自重、车辆荷载等持续时间很长的状况。该状况 应进行承载能力极限状态、疲劳极限状态和正常使用极限状态设计。 2 短暂状况：桥梁在制作、运送和架设过程中承受临时荷载的状况。该状况应进行 承载能力极限状态设计，必要时进行正常使用极限状态设计。 3 偶然状况：桥梁在使用过程中偶然出现的状况。该状况只需进行承载能力极限状 态设计。

一般规定 1桥梁杆件的强度和稳定应按有效截面计算（？？？）。 2 受拉翼缘的强度计算有效截面应考虑剪力滞和孔洞的影响。 3 受压翼缘和腹板的强度计算有效截面应考虑剪力滞、孔洞和板件局部稳定的 影响。 4 杆件稳定计算应考虑板件局部稳定的影响。

有效截面 有效截面规定 1) 考虑受压加劲板局部稳定影响的有效截面按下式计算： 图5.1.7 考虑受压加劲板局部稳定影响的受压板件宽度示意图（刚性加劲肋）

有效截面 有效截面规定 1) 考虑受压加劲板局部稳定影响的有效截面按下式计算： 图5.1.7 考虑受压加劲板局部稳定影响的受压板件宽度示意图（柔性加劲肋）

有效截面规定 有效截面 2) 考虑剪力滞影响的有效截面面积按下式计算： (5.1.6-1) 式中: 图5.1.8 考虑剪力滞影响的第i块板件的翼缘有效宽度示意图

船舶强度与结构设计的复习题

复习题 第一章（重点复习局部载荷分配、静水剪力弯矩的计算绘制） 1、局部载荷是如何分配的？ （2理论站法、3理论站法以及首尾理论站外的局部重力分布计算） P P P =+21 a P L P P ?=?+)(2 121 由此可得： ?? ? ?? ?? ?-=?+=)5.0()5.0(21L a P P L a P P 分布在两个理论站距内的重力 2、浮力曲线是如何绘制的？ 浮力曲线通常按邦戎曲线求得，下图表示某计算状态下水线为W-L 时，通常 根据邦戎曲线来绘制浮力曲线。为此，首先应进行静水平衡浮态计算，以确定船舶在静水中的艏、艉吃水。

帮戎曲线确定浮力曲线 3、M、N曲线有何特点？ (1) M曲线：由于船体两端是完全自由的，因此艏、艉端点处的弯矩应为零，亦即弯矩曲线在端点处是封闭的。此外，由于两端的剪力为零，即弯矩曲线在两端的斜率为零，所以弯矩曲线在两端与纵坐标轴相切。 (2) N曲线：由于船体两端是完全自由的，因此艏、艉端点处的剪力应为零，亦即剪力曲线在端点处是封闭的。在大多数情况下，载荷在船舯前和舯后大致上是差不多的，所以剪力曲线大致是反对称的，零点在靠近船舯的某处，而在离艏、艉端约船长的1/4处具有最大正值或负值。 5、计算波的参数是如何确定的？ 计算波为坦谷波，计算波长等于船长，波峰在船舯和波谷在船舯。 采用的军标GJB64.1A中波高h按下列公式确定： 当λ≥120m时， 当60m≤λ≤120m时，当λ≤60m时， 20 λ = h（m） 2 30 + = λ h（m） 1 20 + = λ h（m） 6、船由静水到波浪中，其状态是如何调整的？ 船舶由静水进入波浪，其浮态会发生变化。若以静水线作为坦谷波的轴线，当船舯位于波谷时，由于坦谷波在波轴线以上的剖面积比在轴线以下的剖面积小，同时船体中部又较两端丰满，所以船在此位臵时的浮力要比在静水中小， 因而不能处于平衡，船舶将下沉ξ值；而当船舯在波峰时，一般船舶要上浮一些。 另外，由于船体艏、艉线型不对称，船舶还将发生纵倾变化。 7、麦卡尔假设的含义。 麦卡尔方法是利用邦戎曲线来调整船舶在波浪上的平衡位臵。因此，在计算 时，要求船舶在水线附近为直壁式，同时船舶无横倾发生。根据实践经验，麦 卡尔法适用于大型运输船舶。 第二章 （重点复习计算剖面的惯性矩、最小剖面模数是如何的计算、折减系数、极限弯矩的计算）1、危险剖面的确定。 危险剖面： 可能出现最大弯曲应力的剖面，由总纵弯曲力矩曲线可知，最大弯矩一般在 船中0.4倍船长范围的，所以计算剖面一般应是此范围内的最弱剖面—既有最大

疲劳寿命设计方法

寿命设计方法 -王光建

目录 …什么是疲劳失效 …无限寿命设计方法 ?S-N曲线(wohler curve)及疲劳极限?基于疲劳极限的评判 ?考虑平均应力的损伤修正…有限寿命设计方法 ?Miner法则(疲劳损伤线性累积) ?雨流计数法?寿命计算…疲劳寿命仿真计算 …疲劳寿命计算的不足

疲劳失效 …疲劳是一种机械损伤过程 …特点: 在这一过程中即使名义应力低于材料屈服强度；破坏前无明显塑性变形，突然发生断裂…本质： ?交变载荷+金属缺陷?金属的循环塑性变形（微观） ?疲劳一般包含裂纹萌生和随后的裂纹扩展两个过程 ?疲劳是损伤的累积 金属内部缺陷微裂纹产生裂纹扩展断裂 （晶体位错） 疲劳发生过程 …疲劳的判断： 金属材料的疲劳断裂口上，有明显的光滑区域与颗粒区域，光滑区域是疲劳断裂区，颗粒区域是脆性断裂区 粗糙的脆性断裂区 光滑的疲劳区 裂纹源

-S-N曲线(Wohler curve)及疲劳极限…S-N曲线是根据材料的疲劳强度实验数据得出的应力和疲劳寿命N的关系曲线 …S-N曲线用于描述材料的疲劳特性 σ S-N curve 1871年，Wohler首先对铁路车轴进行了系统的疲劳研究，发展了S-N曲线及疲劳极限概念

-S-N曲线(Wohler curve)及疲劳极限…疲劳极限：一般规定，循环次数107所对应的最大应力为疲劳极限 σ σ limit S-N curve

-基于疲劳极限的评判 …Alternating stress 作为判断应力 Alternating stress=(σ - σmin)/2 max …判断标准 σAlternating stress<σ limit σσ limit σ √ 2 S-N curve σ × 1

疲劳强度设计

疲劳强度设计 对承受循环应力的零件和构件，根据疲劳强度理论和疲劳试验数据，决定其合理的结构和尺寸的机械设计方法。机械零件和构件对疲劳破坏的抗力，称为零件和构件的疲劳强度。疲劳强度由零件的局部应力状态和该处的材料性能确定，所以疲劳强度设计是以零件最弱区为依据的。通过改进零件的形状以降低峰值应力，或在最弱区的表面层采用强化工艺，就能显著地提高其疲劳强度。在材料的疲劳现象未被认识之前，机械设计只考虑静强度，而不考虑应力变化对零件寿命的影响。这样设计出来的机械产品经常在运行一段时期后，经过一定次数的应力变化循环而产生疲劳，致使突然发生脆性断裂，造成灾难性事故。应用疲劳强度设计能保证机械在给定的寿命内安全运行。疲劳强度设计方法有常规疲劳强度设计、损伤容限设计和疲劳强度可靠性设计。 简史19世纪40年代，随着铁路的发展，机车车轴的疲劳破坏成为非常严重的问题。1867年，德国A.沃勒在巴黎博览会上展出了他用旋转弯曲试验获得车轴疲劳试验结果，把疲劳与应力联系起来，提出了疲劳极限的概念，为常规疲劳设计奠定了基础。 20世纪40年代以前的常规疲劳强度设计只考虑无限寿命设计。第二次世界大战中及战后，通过对当时发生的许多疲劳破坏事故的调查分析，逐渐形成了现代的常规疲劳强度设计，它非但提高了无限寿命设计的计算精确度,而且可以按给定的有限寿命来设计零件,有限寿命设计的理论基础是线性损伤积累理论。早在1924年，德国 A.帕姆格伦在估算滚动轴承寿命时，曾假定轴承材料受到的疲劳损伤的积累与轴承转动次数（等于载荷的循环次数）成线性关系，即两者之间的关系可以用一次方程式来表示。1945年，美国M.A.迈因纳根据更多的资料和数据,明确提出了线性损伤积累理论，也称帕姆格伦-迈因纳定理。 随着断裂力学的发展，美国A.K.黑德于1953年提出了疲劳裂纹扩展的理论。1957年，美国P.C.帕里斯提出了疲劳裂纹扩展速率的半经验公式。1967年，美国R.G.福尔曼等又对此提出考虑平均应力影响的修正公式。这些工作使人们有可能计算带裂纹零件的剩余寿命，并加以具体应用，形成了损伤容限设计。 用概率统计方法处理疲劳试验数据，是20世纪20年代开始的。60年代后期，可靠性设计从电子产品发展到机械产品，于是在航天、航空工业的先导下，开始了可靠性理论在疲劳强度设计中的应用。 1961年联邦德国H.诺伊贝尔提出的关于缺口件中名义应力-应变与局部应力-应变之间的关系，称为诺伊贝尔公式。1968年加拿大R.M.韦策尔在诺伊贝尔公式的基础上，提出了估算零件裂纹形成寿命的方法，即局部应力-应变法，在疲劳强度设计中得到了应用和发展。 常规疲劳强度设计假设材料没有初始裂纹，经过一定的应力循环后，由于疲劳损伤的积累，才形成裂纹，裂纹在应力循环下继续扩展，直至发生全截面脆性断裂。裂纹形成前的应力循环数，称为无裂纹寿命；裂纹形成后直到疲劳断裂的应力循环数，称为裂纹扩展寿命。零件总寿命为两者之和。 根据零件所用材料的试样的疲劳试验结果，以最大应力为纵坐标、以达到疲劳破坏的循环数N为横坐标，画出一组试样在某一循环特征下的应力-

《疲劳强度设计》教学大纲

《疲劳强度设计》教学大纲 课程编码：08241026 课程名称：疲劳强度设计 英文名称：Design of Fatiligue Strength 开课学期：第7学期 学时/学分：总学时/学分(30 /1.5) 讲课学时30（其中实验学时：） 课程类型：专业选修课 开课专业：机械科学与工程学院工程力学专业 选用教材：疲劳强度徐灏编高等教育出版社 1990 主要参考书： 1.结构疲劳强度吴富民编西北工业大学出版社 1985 2.疲劳理论与设计张理苏编吉林工业大学 1985 3.疲劳强度设计徐灏编高等教育出版社 2000 4.结构疲劳强度设计与失效分析王学颜宋广惠编兵器工业出版社 1992 5.疲劳设计准则 [英]T.V达根等著国防工业出版社1982 6.结构中的断裂与疲劳控制 [美]罗尔夫等著机械工业出版社1985 执笔人：聂毓琴 一、课程性质、目的与任务 疲劳强度设计是一门新兴的边缘学科。它涉及材料，力学和设计三个学科领域。 飞机，船舶，汽车，矿山机械，冶金机械，动力机械，起重运输机械，石油钻进设备，以及铁路桥梁等，其主要零件和结构件，大多在循环变化的载荷作用下工作，疲劳是其主要的是失效形式。因此，疲劳强度对于设计各类承受循环载荷的机械和结构，成为重要的研究内容。 进行疲劳强度设计，需要有材料的疲劳性能数据。但有时虽然认为选择了合适的材料，制成零件后，使用中仍有可能发生意外的疲劳断裂事故。这可能是由于设计者在某方面的疏忽，或偶然的过载，或零件制成后使用条件有了改变所致。这些现象都说明，材料的疲劳强度不等于零件的疲劳强度，所以设计理论是重要的。 通过本课程的学习，能够对构件的强度疲劳问题具有明确的基本概念，必要的基础知识，比较熟练的计算能力，一定的分析能力和初步的实践能力。 二、教学基本要求： 通过本课程的学习，能够对构件的强度疲劳问题具有明确的基本概念，必要的基础知识，比较熟练的计算能力，一定的分析能力和初步的实践能力。熟练掌握各章节的主要内容： 1. 材料的疲劳性能，材料的循环特性曲线构件的无限寿命设计； 2. 构件的无限寿命设计，累积损伤的寿命设计，累积损伤理论； 3. 构件的有限寿命设计，材料疲劳裂纹的扩展性能，件的破损-----安全设计； 4. 低周疲劳设计，局部应变集中方法，构件的疲劳强度可靠性设； 5. 随机疲劳强度，腐蚀疲劳。 三、各章节内容及学时分配 第一章绪论（2学时）

混凝土设计原理第2章答案

思 考 题－答案 2.1 混凝土的立方体抗压强度标准值f cu,k 、轴心抗压强度标准值f ck 和轴心抗拉强度标准值f tk 是如何 确定的？ 答：混凝土的立方体抗压强度标准值f cu,k 的确定：以标准方法制作的边长150mm 的立方体试块，在 标准条件下（温度20±2℃，相对湿度不低于95％）养护28d ，按标准试验方法加载至破坏，测得的具有95％以上保证率的抗压强度作为混凝土立方体抗压强度的标准值，用f cu,k 表示，单位为N/mm 2。 轴心抗压强度标准值f ck 的确定：是根据150mm×150mm×300mm 的棱柱体标准试件，在与立方体标准试件相同的养护条件下，按照棱柱体试件试验测得的具有95％保证率的抗压强度确定的。具体按下式计算：k cu,c2c1ck 88.0f f αα= 式中 αc1－棱柱体强度与立方体强度之比值，当混凝土强度等级C50时取αc1＝0.76， C80取 αc1＝0.82，其间按线性内插法确定。 αc2－混凝土的脆性折减系数，当混凝土强度等级C40时取αc2＝1.0， C80取αc2＝0.87， 其间按线性内插法确定。 轴心抗拉强度标准值f tk 的确定：可采用轴心抗拉试验（试件尺寸100mm×100mm×500mm）直接测试或通过圆柱体（或立方体）的劈裂试验间接测试，测得的具有95％保证率的轴心抗拉强度确定的。具体按下式计算：()c245.00.55k cu,tk 645.11395.088.0αδ-?=f f 2.2 混凝土的强度等级是如何划分的？我国《规范》GB50010规定的混凝土强度等级有哪些？对于同 一强度等级的混凝土，试比较立方体抗压强度、轴心抗压强度和轴心抗拉强度的大小并说明理由。 答：混凝土的强度等级是依据立方体抗压强度标准值f cu,k 确定的。我国《规范》GB50010规定的混凝土强度等级有：C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75和C80，共14个等级。 对于同一强度等级的混凝土，立方体抗压强度>轴心抗压强度>轴心抗拉强度。这是因为由于棱柱体标准试件比立方体标准试件的高度大，试验机压板与试件之间的摩擦力对棱柱体试件高度中部的横向变形的约束影响比对立方体试件的小，所以测得的棱柱体试件的抗压强度（即轴心抗压强度）比立方体试件的抗压强度值小；同时混凝土的抗拉强度又远小于其抗压强度。因此，f cu >f c >f t 。 2.3 试述一次短期加载下混凝土受压时应力－应变曲线的特征。 答：一次短期加载下混凝土受压时的应力－应变曲线见下图：

船舶强度与结构设计系统答案

234 5 a p P 1P2 234 P1 P11P12 34 5 P2 P21P22 3、一海船垂线间长Lpp=160m，设计时将分为20个理论站，机舱内有一主机，机电设备重量P=1000KN，主机跨2-3,3-4,4-5三个理论站，距离3-4站跨中位置a=3m，现要将该船进行局部性重力调整，使其主机重量分布2-3,3-4,4-5三个理论站，根据局部重力分配原则，试问分布到2-3,3-4,4-5三个理论站的均布重力分布分别为多少。 解：将三个理论站等分为2个理论站。 将P1分布列2-3,3-4两个理论站 将P2分布列3-4,4-5两个理论站 分配到2-3,3-4,4-5的重力分别为 10、某箱型船，长l=120m，宽b=20m，在淡水中正浮时吃水为6米，假设船的质量沿船长均匀分布，将一个100t的载荷加在船中后50米处的一点上，试画出其载荷，剪力和弯矩曲线，并计算此时船中的弯矩值 4、一海船垂线间长Lpp=100m，设计时将其分为20个理论站，其尾部超出理论站L0站后的船体重量P=1000kn，超出0站的距离a=2m，现将其对该船进行局部重力调整，使其尾部重量分布到0-1，1-2理论站，根据局部重力分配原则，试0-1.1-2站的重力分布为多少? 5、某矩形剖面钢船，其剖面尺寸如图：船长L=72米，型宽B=12米，舱口边板b=3米，型深D=7.5米，吃水d=5.0米(淡水中)，假定船重量曲线为三角形(首尾端为零，船中最大)，分别画出重量曲线、浮力曲线、载荷曲线、静水力曲线、静水弯矩曲线图；同时求最大的静水弯矩。取甲板的许用应力为[σ]=1000kgf/cm2,试求刚好满足许用应力时的甲板厚度。(假设甲板是等厚的) 解：船在静水受力平衡： 重力方程：

提高零件疲劳强度的方法

提高零件疲劳强度的方法 【摘要】机械零件的抗疲劳破坏是造成机械运行故障的主要原因,因此，提高机械零件的疲劳强度是机械结构设计中不容忽视的问题。针对影响零件疲劳强度的因素并结合实际，对在设计过程中如何提高零件的疲劳强度的方法及措施做简要的叙述和相关分析，且对工程中常见的问题，提出相应的控制方法和解决措施。【关键词】疲劳强度；应力集中 1概述 在19世纪初，随着蒸汽机车的发明和铁路建设的迅速发展，机车车辆的疲劳破坏现象时有发生，使工程技术人员认识到交变应力对金属强度的不良影响。很多结构物都承受交变应力的作用，例如飞机，火车，船舶等交通运输工具由于大气紊流，波浪及道路不平引起的颠簸都承受交变应力，即使是房屋，桥梁等看来似乎完全不动的结构物也同样承受变应力作用，因为桥梁上驶过车辆时，房屋中的机器设备运转和振动时，甚至刮风等均会引起交变应力。所以交变应力对于结构物来说是经常遇到的。 绝大多数的机械零件是在循环变应力作用下工作的，如弹簧，齿轮，轴等都是在循环载荷下工作的，承受交变应力或重复应力，如在工作过程中工作应力低于屈服强度时就会发生疲劳破坏，造成重大的经济损失。为避免这些现象的发生，提高零件的疲劳强度，在设计阶段应考虑它的使用环境和受力状态，材料性能，加工工艺等因素。我将基于材料的疲劳特性，对提高零件疲劳强度的方法及措施进行简要的叙述。 2零件的疲劳特性 材料的疲劳特性可用最大应力，应力循环次数，应力比（循环特性）来表述。 10时，属静应力强度，当循环次数在在一定的应力比下，当循环次数低于3 4 310 10时属于低周疲劳，然而一般零件承受变应力时，其应力循环次数通常大~ 10，属高周疲劳，此阶段，如果作用的变应力小于持久疲劳极限，无论应力于4 变化多少次，材料都不会破坏。由于零件受加工质量及强化因素等影响，使得零件的疲劳极限小于材料的疲劳极限，通常等于材料疲劳极限与其疲劳极限的综合影响系数的比值。故可通过改善零件受力状况，将作用在零件上的变应力降低到持久疲劳极限以下，对延长材料的使用寿命具有重要的意义。 3提高零件疲劳强度的方法 影响零件的疲劳强度的因素很多，比如材料的最大应力，工作环境，应力状态，加工质量与加工工艺等。为提高零件的疲劳强度，经查阅资料得出以下方法。（1）材料的选择 材料的选择原则是：在满足静强度要求的同时，还应具备良好的抗疲劳性能。过去静强度选材的一个基本原则是要求强度高，但在疲劳设计中，需从疲劳强度的观点选材： a在达到使用期限的应力值时，材料的疲劳极限必须满足要求。 b材料的切口敏感性和擦伤疲劳敏感性小，在交变载荷作用处要特别注意。 c裂纹扩展速率慢，许用临界裂纹大些，及要求零件的断裂韧性值大，使零件或结构在使用中出现裂纹后，不会很快导致灾难性的破坏。

船体强度与结构设计复习

绪论 1.总纵强度:在船体总纵强度计算中,通常将船体理想化为一变断面的空心薄壁梁,简称船 体梁。船体梁在外力作用下沿其纵向铅垂面内所发生的弯曲,称为总纵弯曲。船体梁抵抗总纵弯曲的能力,称为总纵强度。 2.船体总纵强度计算的传统方法:将船舶静置在波浪上,求船体梁横剖面上的剪力与弯曲 力矩以及相应的应力,并将它与许用应力相比较以判断船体强度。 3.评价结构设计的质量标准:安全性,营运合适性,船舶的整体配合性,耐久性,工艺性,经 济性。 4.按照静置法所确定的载荷来校核船体的总纵强度,就是否反映船体的真实强度,为什 么？答:按照静置法所确定的载荷来校核船体总强度,不反映船体的真实强度,因为海浪就是随机的,载荷就是动态的,而且当L较大时载荷被夸大,但具有相互比较的意义。 第一章引起船体梁总纵弯曲的外力计算 5.总纵弯曲:船体梁在外力作用下沿其纵向铅垂面内所发生的弯曲。(中拱:船体梁中部向 上拱起,首、尾两端向下垂。中垂:船中部下垂,首、尾两端向上翘起。) 6.重量曲线:船舶在某一计算状态下,描述全船重量沿船长分布状况的曲线。绘制重量曲 线的方法:静力等效原则。 7.浮力曲线:船舶在某一装载情况下,描述浮力沿船长分布状况的曲线 8.载荷曲线:在某一计算状态下,描述引起船体梁总纵弯曲的载荷沿船长分布状况的曲 线。 9.静水剪力:船体梁在静水中所受到的剪力沿船长分布状况的曲线。 10.弯矩曲线:船体梁在静水中所受到的弯矩沿船长分布状况的曲线。 (重量的分类:按变动情况来分:①不变重量,即空船重量,包括:船体结构、舾装设备、机电设备等各项固定重量。②变动重量,即装载重量,包括货物、燃油、淡水、粮食、旅客、压载等各项可变重量。按分布情况来分:①总体性重量,即沿船体梁全长分布的重量,通常包括:主体结构、油漆、锁具等各项重量。②局部性重量,即沿船长某一区段分布的重量。) 11.局部重量的分配原则(P12):重量的分布原则:静力等效原则。①保持重量的大小不变, 这就就是说要使近似分布曲线所围成的面积等于该项实际重量。②保持重量重心的纵向坐标不变,即要使近似分布曲线所围的面积的形心纵坐标与该项重量的重心坐标相等。③近似分布曲线的范围(分配到理论站的范围)与该项重量的实际分布范围相同或大体相同。 12.如何获得实际船舶重量分布曲线:答:通常将船舶重量按20个理论站距分布(民船尾－ 首,军船首－尾编排),用每段理论站距间的重量作出阶梯形曲线,并以此来代替重量曲线。作梯形重量曲线时,应使每一项重量的重心在船长方向坐标不变,其重量分布范围与实际占据的范围应大致对应,而每一项理论站距内的重量则当做就是均匀的。最终,重量曲线下所包含的面积应等于船体重量,该面积的形心纵向坐标应与船体重心的纵向坐标相同。 13.静水力浮力曲线的绘制:浮力曲线的垂向坐标表示作用在船体梁上单位长度的浮力值, 其与纵向坐标轴所围的面积等于作用在船体上的浮力,该面积的形心的纵向坐标即为浮心的纵向位置。浮力曲线通常根据邦戎曲线来求得。 14.用于总纵强度计算的剪力曲线与弯矩曲线的特点:①首尾端点处的剪力与弯矩为零,亦 即剪力与弯矩曲线在端点处封闭②零载荷点与剪力的极值相对应,零剪力点与弯矩的极值相对应③剪力曲线大致就是反对称的,零点在靠近船中的某处,在离首尾约船长的 1/4处具有最大正值或负值④弯矩曲线在两端的斜率为零,最大弯矩一般在船中0、4倍船长范围内。 15.波浪剪力:完全由波浪产生的附加浮力引起的附加剪力。 16.波浪弯矩:船舶静置于波浪上,由于波面下的浮力分布相对于原静水面下的浮力分布的 变化而产生的弯矩。(船舶由静水进入波浪时,重量曲线p(x)并未改变,但水面线发生了变化,从而导致浮力的重新分布。波浪下浮力曲线相对静水状态的浮力增量就是引起静波浪剪力与弯矩的载荷。)

第三章 机械零件的疲劳强度设计.

第三章机械零件的疲劳强度设计 一、选择题 3－1 45钢的持久疲劳极限σ-1＝270MPa,，设疲劳曲线方程的幂指数m=9，应力循环基数N0=5×106次，当实际应力循环次数N=104次时，有限寿命疲劳极限为____________MPa。 （1）539 （2）135 （3）175 （4）417 3－2 有一根阶梯轴，用45钢制造，截面变化处过渡圆角的疲劳缺口系数Kσ=1.58，表面状态系数β＝0.28，尺寸系数εσ＝0.68，则其疲劳强度综合影响系数KσD=____________。 （1）0.35 （2）0.88 （3）1.14 （4）2.83 3－3 形状、尺寸、结构和工作条件相同的零件，采用下列不同材料制造：a）HT200；b）35钢；c）40CrNi钢。其中设计零件的疲劳缺口系数最大和最小的分别是____________。 （1）a）和b）（2）c）和a）（3）b）和c） （4）b）和a）（5）a）和c）（6）c）和b） 3－4 零件的截面形状一定，如绝对尺寸（横截面尺寸）增大，疲劳强度将随之____________。 （1）增高（2）不变（3）降低 3－5 零件的形状、尺寸、结果相同时，磨削加工的零件与精车加工相比，其疲劳强度____________。 （1）较高（2）较低（3）相同 3－6 零件表面经淬火、渗氮、喷丸、滚子碾压等处理后，其疲劳强度____________。 （1）增高（2）降低（3）不变（4）增高或降低视处理方法而定 3－7 影响零件疲劳强度的综合影响系数KσD或KτD与____________等因素有关。 （1）零件的应力集中、加工方法、过载 （2）零件的应力循环特性、应力集中、加载状态 （3）零件的表面状态、绝对尺寸、应力集中 （4）零件的材料、热处理方法、绝对尺寸。 3－8 已知设计零件的疲劳缺口系数Kσ=1.3、尺寸系数εσ＝0.9、表面状态系数βσ＝0.8。则疲劳强度综合影响系数KσD为____________。 （1）0.87 （2）0.68 （3）1.16 （4）1.8 3－9 已知零件的极限应力σr=200MPa，许用安全系数[S]=2，影响零件疲劳强度的系数为Kσ=1.2，εσ＝0.83，βσ＝0.90。则许用应力为[σr]___________MPa。 （1）160.6 （2）106.7 （3）62.25 （4）110.7 3－10 绘制设计零件的σm－σa极限应力简图时，所必须的已知数据是___________。 （1）σ－1，σ0，σs,Kσ（2）σ－1，σ0，σs, KσD （3）σ－1，σs, ψσ，Kσ（4）σ－1，σ0，ψσ, KσD 3－11 在图示设计零件的σm－σa极限应力简图中，如工作应力点M所在的ON线与横轴间夹角θ＝45o，则该零件受的是___________。