13章-动载荷与疲劳强度概述(1)

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1、工程力学(2)-材料力学下一章返回总目录2021年6月25日第13章动载荷与疲劳强度概述庄茁蒙民伟科技大楼N501室62783014，zhuangz@第13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（staticalstresses），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(dynamicalload)。构件上由于动载荷引起的

2、应力，称为动应力(dynamicstress)。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（alternativestress）。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）。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，以及影响疲劳强度的主要因素。对于矿山、冶金、动力、运输机械以及航空航天

3、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。第13章动载荷与疲劳强度概述等加速度直线运动构件的动应力分析旋转构件的受力分析与动应力计算弹性杆件上的冲击载荷与冲击应力计算结论与讨论(1)第13章动载荷与疲劳强度概述等加速度直线运动构件的动应力分析返回返回总目录第13章动载荷与疲劳强度概述等加速

4、度直线运动构件的动应力分析对于以等加速度作直线运动的构件，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，即如果是连续分布质量，则作用在质量微元上的惯性力为然后，按照材料力学中的方法对构件进行应力分析和强度与刚度计算。第13章动载荷与疲劳强度概述起重机在开始吊起重物的瞬间，重物具有向上的加速度a，重物上便有方向向下的惯性力。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(dynamicsload)；而重物的重

5、量则是钢丝绳的静载荷(staticsload)。作用在钢丝绳上的总载荷是动载荷与静载荷之和：式中，FT为总载荷；FI与Fst分别为动载荷与静载荷。等加速度直线运动构件的动应力分析第13章动载荷与疲劳强度概述单向拉伸时杆件横截面上的总正应力为其中分别称为静应力(staticsstress)和动应力(dynamicsstress)。等加速度直线运动构件的动应力分析第13章动载荷与疲劳强度概述物体的运动方程或动量方程为分别称为内力(internalforce)、外力(externalforce)和惯性力(iner

6、tialforce)。对应于前面的应力项：等加速度直线运动构件的动应力分析第13章动载荷与疲劳强度概述这是解决牛顿力学问题的通用公式。如果惯性力项为零，为静力平衡方程。旋转构件的受力分析与动应力计算返回返回总目录第13章动载荷与疲劳强度概述旋转构件由于动应力而引起的失效问题在工程中也是很常见的。处理这类问题时，首先是分析构件的运动，确定其加速度，然后应用达朗贝尔原理，在构件上施加惯性力，最后按照静载荷时所采用的方法确定构件的内力和应力。旋转构件的受力分析与动应力计算第13章动载荷与疲劳强度概述1710m

7、m叶片核电站汽轮机叶片考察以等角速度旋转的飞轮。飞轮材料密度为，轮缘平均半径为R，轮缘部分的横截面积为A。设计轮缘部分的截面尺寸时，为简单起见，可以不考虑轮辐的影响，从而将飞轮简化为平均半径等于R的圆环。由于飞轮作等角速度转动，其上各点均只有向心加速度，故惯性力均沿着半径方向、背向旋转中心，且为沿圆周方向连续均匀分布的力。旋转构件的受力分析与动应力计算第13章动载荷与疲劳强度概述为了求惯性力，沿圆周方向截取ds微弧段，即微段圆环的质量为于是，微段圆环上的惯性力大小为为了计算圆环横截面上的应力，采用截面法，沿

8、直径将圆环截为两个半环。其中FT为环向拉力，其值等于应力与面积的乘积。ds旋转构件的受力分析与动应力计算第13章动载荷与疲劳强度概述以圆心为原点，建立Oxy坐标系，由平衡方程有其中dFIy为半圆环质量微元惯性力dFI在y轴上的投影，其值为飞轮轮缘横截面上的轴力为其中，v为飞轮轮缘上任意点的速度。旋转构件的受力分析与动应力计算第13章动载荷与疲劳强度概述当轮缘厚度远小于半径R时，圆环