材料力学主教材－电子书第章动载荷与疲劳强度概述.pdfVIP

范 钦 珊 教 育 教 学 工 作 室 FAN Qin-Shan’s Education Teaching Studio eBook 材 料 力 学 (12) 主 编 范钦珊 编 著 章梓茂 殷雅俊 范钦珊 2004-12-18 1 第 12 章 动载荷与疲劳强度概述 §12 －1 等加速度直线运动时构件上的惯性力与动 应力 §12 －2 旋转构件的受力分析与动应力计算 §12 －3 构件上的冲击载荷与冲击应力计算 §12 －4 疲劳强度概述 §12 －5 疲劳极限与应力－寿命曲线 §12 －6 影响疲劳寿命的因素 §12 －7 基于无限寿命的疲劳强度设计方法 §12 －8 基于线性累积损伤概念的有限寿命估算 §12 －9 结论与讨论 习题 2 专题篇之二 第 12 章 动载荷与疲劳强度概述 本书前面几章所讨论的都是静载荷作用下所产生的变形和应力，这种应力 称为静载应力 （statical stresses ），简称静应力。静应力的特点，一是与加速度无 关；二是不随时间的改变而变化。 工程中一些高速旋转或者以很高的加速度运动的构件，以及承受冲击物作用 的构件，其上作用的载荷，称为动载荷(dynamical load)。构件上由于动载荷引起 的应力，称为动应力(dynamic stresses)。这种应力有时会达到很高的数值，从而 导致构件或零件失效。 工程结构中还有一些构件或零部件中的应力虽然与加速度无关，但是，这些 应力的大小或方向却随着时间而变化，这种应力称为交变应力 （alternative stress ）。在交变应力作用下发生的失效，称为疲劳失效，简称为疲劳 （fatigue ）。 对于矿山、冶金、动力、运输机械以及航空航天等工业部门，疲劳是零件或构件 的主要失效形式。统计结果表明，在各种机械的断裂事故中，大约有 80％以上 是由于疲劳失效引起的。疲劳失效过程往往不易被察觉，所以常常表现为突发性 事故，从而造成灾难性后果。因此，对于承受交变应力的构件，疲劳分析在设计 中占有重要的地位。 本章将首先应用达朗贝尔原理和机械能守恒定律，分析两类动载荷和动应 力。然后将简要介绍疲劳失效的主要特征与失效原因，以及其影响疲劳强度的主 要因素。 §12－1 等加速度直线运动时构件上的惯性力与动应力 对于以等加速度作直线运动构件，只要确定其上各点的加速度 a ，就可以应用达朗贝尔 原理施加惯性力：如果为集中质量 m ，则惯性力为集中力， d F =−dm a (12 －1) I 如果是连续分布质量，则作用在质量微元上的惯性力为 FI −m a (12 －2) 然后，按照静载荷作用下的应力分析方法对构件进行应力计 算以及强度与刚度设计。 以图 12－1 中的起重机起吊重物为例，在开始吊起重物 的瞬时，重物具有向上的加速度a ，重物上便有方向向下的 惯性力，如图 12－1 所示。这时吊起重物的钢丝绳，除了承 受重物的重量，还承受由此而产生的惯性力，这一惯性力就 是钢丝绳所受的动载荷 （dynamics load ）；而重物的重量则 是钢丝绳的静载荷 （statics load ）。作用在钢丝绳的总载荷是