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。
d注意轧材和锻材等的纤维方向和主要受力方向应一致，因为在垂直纤维方向的承载强度会下降百分之20左右。
e注意材料的抗腐蚀性能，同时尽量减小材料的内部缺陷，对重要零件应经探伤检验。
f合理选择材料的热处理状态，他对疲劳特性的影响不能小看。
（2）降荷，降温设计
在实践应用中，人们发现，在较低的交变应力作用下，零件不易发生疲劳裂纹，即使产生裂纹，其扩展速率也较慢。但究竟把应力水平控制在怎样的范围内比较合适，尤其对确定初步设计中的应力水平非常重要。使用实践证实：组装成型后的构件在低应力下运转一定周次后，再逐步提高到设计应力水平，也可提高抗疲劳强度；对于发热摩擦零件采用降温设计，这些方法都能提高构件疲劳强度及寿命。电子行业采取降荷降温设计后，会使某种电子产品的寿命由原来的平均不足300小时，提高到3000小时左右。
（3）避免和减缓应力集中
零件的疲劳破坏一般是从最大应力处开始的，而应力集中通常是产生疲劳裂纹的最主要原因，在设计时应尽量避免，可是在实际结构中要完全避免应力集中问题几乎是不可能的。因此，在设计中应尽量减缓应力集中现象。结构件的设计原则是：
a在零件中应避免横截面上出现急剧变化，当横截面形状或尺寸改变时，尽量用大圆角来过渡，同时在设计时应避免传力路线的中断。
b尽可能采用对称结构，避免带有偏心的结构，在不对称处应注意局部弯曲引起的应力。
c结构件应尽可能减少开口，特别在受拉表面尽量不开口，如需开口应考虑其形状，以减小应力集中，同时开口的位置应设计在低应力区。
d铆钉及螺纹孔，焊缝等是产生应力的集中源，在其连接处适当加厚以降低局部应力，对焊缝处磨平，采用去毛刺，边缘倒角等工艺是减小应力集中的有效方法。e在主要零件存在应力集中的地方不应再连接次要零件，避免增大局部应力。
图（1）降低应力集中的几个案例
（4）降低表面粗糙度和改善表面质量
疲劳破坏通常从表面开始，疲劳裂纹一般在表面质量差的地方产生。因此，在设计时需考虑：
a降低表面粗糙度，使表面状态系数增大，提高疲劳强度。
b采用表面强化工艺，是表层金属强度提高，使疲劳发生源从表面移至到表层以下区域，达到提高零件的疲劳强度。如表面淬火等热处理，渗碳渗氮等化学热处理以及滚压，喷丸等机械的硬化处理等方法，使材料表层的抗疲劳强度增加。
近年来，表面强化方法趋于完善，除了传统的零件硬化方法以外，液压机械处理，振动滚压，金刚石熨平等新方法也得到了广泛应用。其中振动滚压法可使中等硬度结构钢的冷作深度达30至50mm，而大大提高零件的疲劳极限。
还有各种复合强化方法，如表面塑性变形与表面淬火联合发，表面塑性变形与热处理联合法，表面塑性变形与电镀联合法，表面塑性变形与对焊缝进行预氩弧处理的复合强化等也得到了广泛应用。
c采用表面防腐措施，同时要注意防腐是否对疲劳性能产生不利影响，例如对电镀零件应注意避免应力腐蚀现象。
d相对静止的两表面间应减小滑动，避免腐蚀擦伤，无法避免时应采用涂层或填料来减小相互擦伤，如螺栓孔内加入紧配合的衬套。
e采用预变形工艺，即对零件在工作前使其产生部分塑性变形，造成有利的残余压应力以提高零件的疲劳寿命，但同时要注意，引入残余拉应力会使材料的疲劳强度下降。
f尽可能减小或消除零件表面可能发生的初始裂纹的尺寸，疲劳破坏通常是从初始裂纹开始扩展的。止裂措施有：①采用多重受力件。一个构件由几个元件组成，如果其中一个元件出现裂纹，不致扩展到其他元件上。②设置止裂孔和止裂缝，当裂纹扩展到小孔或裂缝时，尖端变钝，使扩展减缓。③设置止裂件，在裂纹的扩展途径上设置加强件。④采用断裂前自动报警的安全措施。例如压力容器断裂前的渗漏报警等。
（5）合理的振动设计
对于高速运行或做往复振动的零件，在设计阶段应注意考虑其布局的合理性以及运动状态的情况。
a设计时应通过与类似产品对比和计算，装配完成后经实测运动的自振频率，以避免各个频率在适用范围内发生共振，造成零部件疲劳破坏。
b对于类似拉杆等运动机构上的操作系统，管路系统在设计时应考虑共振对其的影响，设计时在振动大的地方加设支撑架或改变管路安装位置或将振动构件隔离开等方法都可降低系统的振动。
c对振动系统中的板件，如翼板，振动机械支撑板等在设计时应考虑设置加强肋以提高其整体刚度，避免因高频振动而使板件出现疲劳破坏。
e噪声源附近的结构板件应增加刚度与阻尼,例如喷气发动机的喷管后面就是一个噪声源。夹层是较为常用的有效结构措施。
（6）可靠性设计
a冗余设计法：对薄弱零部件在设计阶段应考虑备份有能完全相同功能的结构，如在飞机设计中采用平常不参与受力的辅助机构，当主要受力构件疲劳破坏后，辅助构件参与承载主要受力构件的任务，保证其安全工作。
b安全使用期限设计法：对于容易损坏的构件采用有限寿命设计，这就要用可靠性理论准确估计其疲劳寿命期限，当易损件达到使用寿命时及时更换，设计时采用可开启式结构，易于维修，检查和更换。
c减荷设计法：设计时尽量减小结构件的内应力和应力集中，采用物理方法消除或降低其内的应力。
d安全装置与安全检测设计法：采用信号监控装置，进行实时监控，如采用自行监控与自行矫正的闭式反馈控制系统，这是当前安全设计的发展方向。
e采用多路传力结构或多重受力结构件设计方法：当其中一个结构件损坏后，其它元件仍能继续受力，保证构件具有继续承载能力。如多梁飞机机翼就是一例，此外结构的连接处和连接接头疲劳设计也不容轻视，任何结构件均由构件组合而成，实践证明，疲劳破坏常常在连接部位出现，例如飞行器设计中的连接件设计就是抗疲劳设计的重要内容。
4结束语
总之，在抗疲劳设计中，凡是有利于提高疲劳强度的方法及相应措施在设计阶段应考虑及应用，凡可能会降低疲劳强度的因素应在设计中尽量避免。
影响金属材料疲劳强度的八大因素 Via 常州精密钢管博客 影响金属材料疲劳强度的八大因素 材料的疲劳强度对各种外在因素和内在因素都极为敏感。外在因素包括零件的形状和尺寸、表面光洁度及使用条件等，内在因素包括材料本身的成分，组织状态、纯净度和残余应力等。这些因素的细微变化，均会造成材料疲劳性能的波动甚至大幅度变化。 各种因素对疲劳强度的影响是疲劳研究的重要方面，这种研究将为零件合理的结构设计、以及正确选择材料和合理制订各种冷热加工工艺提供依据，以保证零件具有高的疲劳性能。 应力集中的影响 常规所讲的疲劳强度，都是用精心加工的光滑试样测得的，然而，实际机械零件都不可避免地存在着不同形式的缺口，如台阶、键槽、螺纹和油孔等。这些缺口的存在造成应力集中，使缺口根部的最大实际应力远大于零件所承受的名义应力，零件的疲劳破坏往往从这里开始。 理论应力集中系数Kt ：在理想的弹性条件下，由弹性理论求得的，缺口根部的最大实际应力与名义应力的比值。 有效应力集中系数（或疲劳应力集中系数）Kf：光滑试样的疲劳极限σ-1与缺口试样疲劳极限σ-1n的比值。 有效应力集中系数不仅受构件尺寸和形状的影响，而且受材料的物理性质、加工、热处理等多种因素的影响。 有效应力集中系数随着缺口尖锐程度的增加而增加，但通常小于理论应力集中系数。 疲劳缺口敏感度系数q：疲劳缺口敏感度系数表示材料对疲劳缺口的敏感程度，由下式计算。 q的数据范围是0-1，q值越小，表征材料对缺口越不敏感。试验表明，q并非纯粹是材料常数，它仍然和缺口尺寸有关，只有当缺口半径大于一定值后，q值才基本与缺口无关，而且对于不同材料或处理状态，此半径值也不同。 尺寸因素的影响
§7-5 提高弯曲强度的措施 如前所述，弯曲正应力是影响弯曲强度的主要因素。根据弯曲正应力的强度条件 ][max max σσ≤= z W M （a ） 上式可以改写成内力的形式 ][][max σz W M M =≤ （b ） （b ）式的左侧是构件受到的最大弯矩，（b ）式的右侧是构件所能承受的许用弯矩。 由（a ）和（b ）两式可以看出，提高弯曲强度的措施主要是从三方面考虑：减小最大弯矩、提高抗弯截面系数和提高材料的力学性能。 1．减小最大弯矩 1）改变加载的位置或加载方式 首先，可以通过改变加载位置或加载方式 达到减小最大弯矩的目的。如当集中力作用在 简支梁跨度中间时（6-13a ），其最大弯矩为 Pl 4 1；当载荷的作用点移到梁的一侧，如距左侧l 6 1处（图6-13b ），则最大弯矩变为Pl 36 5，是原最大弯矩的倍。当载荷的位置不能改变时，可以把集中力分散成较小的 力，或者改变成分布载荷，从而减小最大弯矩。 例如利用副梁把作用于跨中的集中力分散为 两个集中力（图6-13c ）,而使最大弯矩降低为 56.0Pl 8 1。利用副梁来达到分散载荷，减小最大弯矩是工程中经常采用的方法。 2）改变支座的位置 其次，可以通过改变支座的位置来减小最大弯矩。例如图6-14a 所示受均布载荷的简支梁，22max 125.081ql ql M == 。若将两端支座各向里移动 （图6-14b ），则最大弯矩减小为l 2.0240 1ql ,
22max 025.0401ql ql M == 只及前者的5 1。图6-15a 所示门式起重机的大梁，图6-15b 所示锅炉筒体等，其支承点略向2．提高抗弯截面系数 中间移动，都是通过合理布置支座位置，以减小 的工程实例。 1在截面积高。例如对截max M ）选用合理的截面形状 A 相同的条件下，抗弯截面系数 W 愈大，则梁的承载能力就愈
提高构件弯曲强度的措施 摘要：本文从弯曲正应力的强度条件出发，总结推导出要想提高材料弯曲强度应从两方面考虑：一方面是改善梁的受力情况，另一方面是采用合理的横截面形状。紧接着结合生活中的工程实例，具体讨论了在满足强度条件下如何设计和选择既经济又合理的构件。 关键词：构件；弯曲强度；正应力；弯矩；抗弯截面系数 工程结构或机械的各组成部分，如建筑物的梁和柱、机床的轴等，在规定载荷的作用下当然不应被破坏，例如桥梁不可断裂，储气罐不应爆破等。若构件横截面尺寸不足或形状不合理，或材料选用不当都不能保证工程结构或机械的安全工作。相反，也不应不恰当的加大横截面尺寸或选用优质材料，这虽然满足了上述要求却多使用了材料和增加了成本，造成浪费。弯曲强度是材料力学中一条非常的重要的性质，在工程问题中，常常采取一些措施来提高构件的弯曲强度以提高构件的利用率，节约生产成本。 弯曲正应力是控制梁强度的主要因素，（1）式为弯曲正应力的强度条件。 max σ=W M max ≤[]σ （1） 其中max σ为弯曲正应力，max M 为弯矩，W 为抗弯截面系数。强度条件是设计梁的主要依据。从这个条件看出，要提高梁的承载能力，应从两方面考虑：一方面是改善梁（构件）的受力情况，以降低max M 的值；另一方面则是采用合理的横截面形状，以提高W 的值，使材料得到充分利用。下面分几点讨论。 一、减小最大弯矩 ⑴改变支座的位置 首先，应把梁的支座设置在合适的位置，以尽量降低梁内的最大弯矩，相对地说，也就是提高了梁的强度。以图1.1（a ）所示均布载荷作用下的简支梁为例， 22max 125.08 ql ql M == （2）
公路桥梁结构桥梁抗疲劳设计方法应用 摘要：随着我国社会既经济的发展，公路桥梁工程建设越发的完善，但是由于我国人口众多，私家车拥有量也是与日俱增，这就导致我国公路桥梁工程的消耗使用比较严重，部分公路桥梁由于长期处于疲劳工作状态下使得其结构出现严重破损，影响交通工程的安全性。其中，桥梁工程出现疲劳的现象比较多，所以，在进行公路桥梁结构看疲劳设计时要将工作重点放在桥梁抗疲劳设计上，从而促进公路桥梁抗疲劳性能。 关键词：公路桥梁；结构桥梁；抗疲劳设计；方法应用 引言 随着我国社会经济的发展，结构桥梁工程的建设越来越多，但是在发展的同时也会越到需索刁钻的问题，其中，抗疲劳设计就是一项比较复杂而且艰难的工作。在施工与运行的过程中如果略了各类问题，就会导致工程在启动之后出现抗疲劳强度不足，出现桥梁使用年限缩小的情况。 一、影响桥梁结构抗疲劳强度因素 1．残余应力 在我国现阶段的桥梁建设中普遍采用钢结构作为桥梁的主要材料，而钢结构的抗疲劳性能基本上是受加工材料性能的影响，例如在加工阶段中冶炼、轧制、焊接等过程，都与可能会出现受热不均的现象，致使钢结构内部存在残余应力，对于钢结构桥梁来说，其一般只能承受翼缘内周期性压力应力，在高残余拉应力范围内便会出现开裂问题，而影响桥梁结构抗疲劳性能。针对钢结构中的残余应力，如果不能够完全掌握受力的峰值，还有受力的分布区域，这就很可能会造成残余应力影响钢结构质量的问题出现，尤其是对桥梁结构疲劳强度影响十分明显。 2．低温冷脆循环作用 在一般情况下，钢结构桥梁工程的施工过程对下弦和桥墩支座连接位置的集中应力以及流限状态的研究不够全面，这种钢结构桥梁受到低温冷脆循环很容易会发生脆断的现象。除此之外，当钢结构材料厚度为B≥2．5(KIC/σys)2时，钢结构平面应力逐渐趋于脆性状态，是钢结构桥梁施工设计的要点。 3．其余因素 3.1钢结构的材料特性
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
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
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。
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.
疲劳强度设计方法研究
摘要 疲劳强度是当前机械产品的主要失效形式，在机械强度设计中占有重要的位置。正确地应用疲劳理论于强度设计上，可以得到合理的设计，包括选材、结构尺寸及加工工艺等，或根据工况及给定的零部件估算其寿命。本文从疲劳断裂的过程出发，通过对疲劳强度三种思路的分析，介绍了相应疲劳强度设计及寿命估算的三种方法。 关键词：疲劳强度，寿命估算，疲劳设计，S-N曲线
1. 引言 所谓疲劳，是指材料或构件在长期的循环变应力作用下的失效现象，也称疲劳破坏。当循环变应力远小于强度极限时，经过一定的循环周次，也能使构件发生疲劳破坏。疲劳破坏是机械工程中常见的失效形式。近数十年来，疲劳破坏危及各个领域，飞机由于疲劳破坏而造成机毁人亡的灾难性事故；二次世界大战期间有上万艘焊接船舶、几十座焊接桥梁毁于疲劳破坏；对于车轴、车轨以及机架，曲轴，齿轮、螺栓联接等的疲劳破坏事故更是屡见不鲜。据统计，现代工业中零部件的失效80%是由于疲劳引起的。因此，疲劳问题引起了人们的极大关注。 对在循环变应力作用下的构件，以往的机械设计常常采用静强度设计，靠选取较大的安全系数来保证其使用的可靠性。而实际上是在变载荷作用下的构件由于强度储备大，在按静强度设计有时会将疲劳问题暂时掩盖起来。随着近代机械向高速、高温、大功率和轻重量的方向发展，对机械产品的零构件采用合理的疲劳设计，是提高设计水平、保证产品质量和提升经济效益的一个重要环节。 2. 疲劳断裂的形成 现行的疲劳设计思想与疲劳断裂的过程有关。从疲劳断裂的破坏过程来看一般分为三个阶段： （1）裂纹萌生阶段，或称裂纹成核或形成阶段 由于观察仪器的精密度和分辨率不同，所能观察到的裂纹长度也
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 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-
提高钢轨螺栓疲劳强度的有效方法 X X X 2011年5月20日 摘要：文章应用有限元方法分析了钢轨螺栓根部圆弧半径对其根部应力大小及分布的影响，并在此基础上进一步探讨了增大圆弧半径的方法与途径，为缓解螺纹根部的应力集中，改善应力分布，提高螺栓的疲劳强度提供了可靠的依据。 关键词：钢轨螺栓有限元法应力集中疲劳强度 螺栓是最常见的联接件之一，广泛应用于铁路、机械、汽车以及各种工程结构之中。很多研究成果表明，螺纹根部圆弧半径的尺寸影响螺纹根部应力的大小及分布[1,2]，由于螺纹根部存在较大的应力集中，当承受较大载荷时可能出现局部应力超过材料流动极限的现象。虽然这种局部高应力区域较小，且对螺栓的静强度影响不大，但因疲劳裂纹大多发生在高应力区，因此可以说螺纹根部圆弧半径的大小直接关系到螺栓的疲劳强度和使用寿命。 本文在分析钢轨螺栓根部圆弧半径对其根部应力集中系数影响的基础上，进一步探讨了增大圆弧半径的方法和途径，为缓解螺纹根部的应力集中，改善应力分布，提高钢轨螺栓的疲劳强度提供了可靠的依据。 一、钢轨螺栓联接有限元模型 钢轨螺栓联接由钢轨、螺栓、螺母、缓冲垫等组成，如图1所示。本文采用的钢轨螺栓材料为20 MnTiB，弹性模量为210GPa，泊松比为0.28，抗拉强度为1040 MPa，屈服强度为940MPa 。螺栓长度为72mm，公称直径为24mm，螺距为3mm，螺纹中径为22.051mm,螺母直径为40mm,旋合长度为27mm。分析螺纹根部圆弧半径对螺栓最大轴向拉应力及应力集中系数的影响时,在不影响精度的前提下,为了减少计算量，可将螺栓、螺母单独作为研究对象，用接触载荷代替钢轨与螺母间的相互作用。根据螺栓联接结构及受力特点(轴对称)，建立的有限元模型如图2所示。此外，由于螺栓和螺母相互接触，应进行非线性的接触分析，而不能将它们看作同一个物体进行有限元分析计算。 有限元模型的单元划分不但影响计算速度，而且影响计算精度。因此，单元
《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）
第16讲教学方案 ——提高弯曲强度的措施、薄壁截面的弯曲中心
§5-5 提高弯曲强度的措施 如前所述，弯曲正应力是影响弯曲强度的主要因素。根据弯曲正应力的强度条件 ][max max σσ≤= z W M （a ） 上式可以改写成内力的形式 ][][max σz W M M =≤ （b ） （b ）式的左侧是构件受到的最大弯矩，（b ）式的右侧是构件所能承受的许用弯矩。 由（a ）和（b ）两式可以看出，提高弯曲强度的措施主要是从三方面考虑：减小最大弯矩、提高抗弯截面系数和提高材料的力学性能。 1．减小最大弯矩 1）改变加载的位置或加载方式 首先，可以通过改变加载位置或加载方式 达到减小最大弯矩的目的。如当集中力作用在 简支梁跨度中间时（6-13a ），其最大弯矩为 Pl 4 1；当载荷的作用点移到梁的一侧，如距左侧l 6 1处（图6-13b ），则最大弯矩变为Pl 36 5，是原最大弯矩的56.0倍。当载荷的位置不能改变时，可以把集中力分散成较小的 力，或者改变成分布载荷，从而减小最大弯矩。 例如利用副梁把作用于跨中的集中力分散为 两个集中力（图6-13c ）,而使最大弯矩降低为 Pl 8 1。利用副梁来达到分散载荷，减小最大弯矩是工程中经常采用的方法。 2）改变支座的位置 其次，可以通过改变支座的位置来减小最大弯矩。例如图6-14a 所示受均布载荷的简支梁，22max 125.081ql ql M == 。若将两端支座各向里移动 l 2.0（图6-14b ），则最大弯矩减小为240 1ql ,
22max 025.0401ql ql M == 只及前者的51 。图6-15a 所示门式起重机的大梁，图6-15b 所示锅炉筒体等，其支承点略向 中间移动，都是通过合理布置支座位置，以减小 max M 的工程实例。 2．提高抗弯截面系数 1）选用合理的截面形状 在截面积A 相同的条件下，抗弯截面系数 W 愈大，则梁的承载能力就愈高。例如对截面高度h 大于宽度b 的矩形截面梁，梁竖放时2161bh W =；而梁平放时，2261hb W =。两者之比是121>=b h W W ，所以竖放比平放有较高的抗弯能力。当截面的形状不同时，可以用比值A W 来衡量截面形状的合理性和经济性。常见截面的 A W 值列于表6-1中。 表中的数据表明，材料远离中性轴的截面（如圆环形、工字形等）比较经济合理。这是因为弯曲正应力沿截面高度线性分布，中性轴附近的应力较小，该处的材料不能充分发挥作
抗疲劳设计 邢兴钟华锋
目录 ◆简介 ◆1.什么是金属疲劳？ ◆2.金属疲劳的分类 ◆3.金属疲劳破坏机理（为什么会产生金属疲劳？）◆4.怎样确定疲劳强度？（疲劳寿命计算方法） ◆5.轴的抗疲劳设计(典型设计） ◆6.有限元进行抗疲劳设计 ◆7.国内外形势与期望
连发生了两起坠毁事故，这使得“金属疲劳”一词出现在新闻头条中，引起公众持久的关注。这种飞机也是第一批使用增压舱的飞行器，采用的是方形窗口。 增压效应和循环飞行载荷的联合作用导致窗角出现裂纹，随着时间的推移，这些裂纹逐渐变宽，最后导致机舱解体。Comet空难夺去了68人的生命，这场悲剧 无时无刻不在提醒着工程师创建安全、坚固的设计。◆1998年6月3日，德国一列高速列车在行驶中突然出轨， 造成100多人遇难身亡的严重后果。事后经过调查， 人们发现，造成事故的原因竟然是因为一节车厢的车轮内部疲劳断裂而引起。从而导致了这场近50年来德 国最惨重铁路事故的发生。
◆人们所见到的金属，看起来熠光闪闪、铮 铮筋骨，被广泛用来制作机器、兵刃、舰船、飞机等等。其实，金属也有它的短处。在各种外力的反复作用下，可以产生疲劳状态，而且，一旦产生疲劳就会因不能得到恢复而造成十分严重的后果。实践证明，金属疲劳已经是十分普遍的现象。据150多年来的统计，金属部件中有80％以上的损坏是由于疲劳而引起的。在人们的日常生活中，也同样会发生金属疲劳带来危害的现象。一辆正在马路上行走的自行车突然前叉折断，造成车翻人伤的后果。炒菜时铝铲折断、挖地时铁锨断裂、刨地时铁镐从中一分为二等现象更是屡见不鲜。
◆为什么金属疲劳时会产生破坏作用呢？这是因为金属内部结构并不均匀，从而造成应力传递的不平衡，有的地方会成为应力集中区。与此同时，金属内部的缺陷处还存在许多微小的裂纹。在力的持续作用下，裂纹会越来越大，材料中能够传递应力部分越来越少，直至剩余部分不能继续传递负载时，金属构件就会全部毁坏。
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___________。
第十四章疲劳分析的数值计算方法 及实例 第一节引言 零件或构件由于交变载荷的反复作用，在它所承受的交变应力尚未达到静强度设计的许用应力情况下就会在零件或构件的局部位置产生疲劳裂纹并扩展、最后突然断裂。这种现象称为疲劳破坏。疲劳裂纹的形成和扩展具有很大的隐蔽性而在疲劳断裂时又具有瞬发性，因此疲劳破坏往往会造成极大的经济损失和灾难性后果。金属的疲劳破坏形式和机理不同与静载破坏，所以零件疲劳强度的设计计算不能为经典的静强度设计计算所替代，属于动强度设计。随着机车车辆向高速、大功率和轻量化方向的迅速发展，其疲劳强度及其可靠性的要求也越来越高。近几年随着我国铁路的不断提速，机车、车辆和道轨等铁路设施的疲劳断裂事故不断发生，越来越引起人们的重视。疲劳强度设计及其研究正在成为我国高速机车车辆设计制造中的一项不可缺少的和重要的工作。 金属疲劳的研究已有近150年的历史，有相当多的学者和工程技术人员进行了大量的研究，得到了许多关于金属疲劳损伤和断裂的理论及有关经验技术。但是由于疲劳破坏的影响因素多而复杂并且这些因素互相影响又与构件的实际情况密切相关，使得其应用性成果尚远远不能满足工程设计和生产应用的需要。据统计，至今有约90%的机械零部件的断裂破坏仍然是由直接于疲劳或者间接疲劳而引起的。因此，在21世纪的今天，尤其是在高速和大功率化的新产品的开发制造中，其疲劳强度或疲劳寿命的设计十分重要，并且往往需要同时进行相应的试验研究和试验验证。 疲劳断裂是因为在零件或构件表层上的高应力或强度比较低弱的部位区域产生疲劳裂纹，并进一步扩展而造成的。这些危险部位小到几个毫米甚至几十个微米的范围，零件或构件的几何缺口根部、表面缺陷、切削刀痕、碰磕伤痕及材料的内部缺陷等往往是这种危险部位。因此，提高构件疲劳强度的基本途径主要有两种。一种是机械设计的方法，主要有优化或改善缺口形状，改进加工工艺工程和质量等手段将危险点的峰值应力降下来；另一种是材料冶金的方法，即用热处理手段将危险点局部区域的疲劳强度提高，或者是提高冶金质量来减少金属基体中的非金属夹杂等材料缺陷等局部薄弱区域。在解决实际工程问题时，往往需要结合运用以上两种方法进行疲劳强度设计和研究。合理地利用各种提高疲劳强度的手段，可以有效地提高构件的疲劳强度或延长其疲劳寿命，并起到轻量化的作用。 关于疲劳问题的研究，基本上可分为疲劳裂纹的形成和扩展机理、规律方面的基础性研究和疲劳强度设计以及提高疲劳强度的有效途径等应用性研究。应用性研究虽然借鉴了基础性研究的成果，但因为它需要考虑更多的实际影响因素，所以它的研究更为复杂和困难。因此相比之下关于疲劳寿命的预测和疲劳强度设计等应用性研究要少得多，远远落后于实际工程的需求。过去，疲劳强度设计和寿命预测的研究主要是以试验为基础进行的。随着计算机应用技术和有限元数值计算理论及其应用的迅速发展，现在又兴起了基于大量试验数据的疲
材料力学课程设计 设计计算说明书 设计题目：曲柄轴的强度设计、疲劳强度校核及刚度计算
目录 一、材料力学课程设计的目的—————————2 二、材料力学课程设计的任务和要求——————3 三、设计计算说明书的要求——————————3 四、分析讨论及说明部分的要求————————4 五、程序计算部分的要求———————————4 六、设计题目————————————————5 七、设计容————————————————6 （一）画出曲柄轴的力图------------------ 7 （二）设计曲柄颈直径d，主轴颈直径D------- 9 （三）校核曲柄臂的强度--------------------10 （四）校核主轴颈的疲劳强度--------------- 14 （五）用能量法计算A截面的转角----------- 15 （六）计算机程序------------------------- 17 八、设计体会——————————————----21 九、参考文献——————————————----21
一、课程设计的目的 材料力学课程设计的目的是在于系统学习材料力学后，能结合工程中的实际问题，运用材料力学的基本理论和计算方法，独立地计算工程中的典型零部件，以达到综合运用材料力学的知识解决工程实际问题之目的。同时，可以使我们将材料力学的理论和现代计算方法及手段融为一体。既从整体上掌握了基本理论和现代的计算方法，又提高了分析问题，解决问题的能力；既能对以前所学的知识（高等数学、工程图学、理论力学、算法语言、计算机和材料力学等）的综合应用，又为后继课程（机械设计、专业课等）得学习打下基础，并初步掌握工程中的设计思想和设计方法，对实际工作能力有所提高。 1、使所学的材料力学知识系统化，完整化。 2、在系统全面复习的基础上，运用材料力学知识解决工程实际问 题。 3、由于选课力求综合专业实际，因而课程设计可以把材料力学知 识与专业需要结合起来。 4、综合运用以前所学的各门课程的知识（高等数学、工程图学、 理论力学、算法语言等），使相关学科的知识有机地联系起来。