第4章 无限寿命设计法

机械强度与可靠性西南交通大学电子讲义第4章无限寿命法机械强度与可靠性——第4章无限寿命设计法4.1概述 疲劳寿命设计方法包括：无限寿命设计法和有限寿命设计法（名义应力法和局部应力应变法）。 无限寿命设计法的出发点：零件在设计应力下能长期安全使用。（20世纪40年代由谢联先提出，目前仍广泛使用） 使用条件： 等幅加载时，工作应力smax<s-1(疲劳极限) 变幅、交变应力中，如果超过疲劳极限的过载应力数值不大、作用次数又很少时，可忽略，而按作用次数较多的最大交变应力smax<s-1(疲劳极限)进行设计。 适用范围 地面上固定不动的民用机械（对重量没有限制） 设计方法 先由静强度设计确定出零件尺寸，再进行疲劳强度校核。机械强度与可靠性——第4章无限寿命设计法4.2设计计算 对称循环（R=-1） 强度条件机械强度与可靠性——第4章无限寿命设计法现代机械设计手册——疲劳强度与可靠性设计 恒幅对称循环的 该公式认为有效应力集中系数Kσ、尺寸系数ε、表面系数β三者相互独立，其对疲劳强度的综合影响呈线性关系。因其公式简单，在工程上得到广泛应用。 实际上三者并非相互独立，例如当零件的应力集中较大或粗糙度较高时，尺寸效应会减弱。机械强度与可靠性——第4章无限寿命设计法 简单对称循环（R=常数） 强度条件机械强度与可靠性——第4章无限寿命设计法 平均应力sm保持不变检查两个安全系数机械强度与可靠性——第4章无限寿命设计法 最小应力smin保持不变检查两个安全系数机械强度与可靠性——第4章无限寿命设计法4.3材料疲劳极限和影响系数确定方法一.σ-1与τ-1的确定方法 σ-1：拉压载荷取对称拉压疲劳极限σ-1l，其余的均为材料的弯曲疲劳极限σ-1。 τ-1：均为材料的对称扭转疲劳极限τ-1。 可用以下三种方法来确定σ-1与τ-1 试验法（第2章的相关方法进行弯曲或扭转试验） 查表法 估算法机械强度与可靠性——第4章无限寿命设计法二.影响系数的选取 疲劳缺口系数Kσ，Kτ的选取 直接试验法 影响系数法 敏感系数法 正应力下的Kσ可用式（3-8）计算，切应力下的Kτ可近似借用正应力下的公式计算，敏感系数由图3-3查得。 在理论应力集中系数已知的情况下，疲劳缺口系数也可由史（3-3）计算，敏感系数由图3-3查得。 尺寸系数ε的确定。查图3-5、3-6选取，或用式（3-10）计算 表面加工系数β1的确定。 根据表面终加工方法和强度极限，查图3-7； 根据表面终加工方法和屈强比，查图3-8； 根据以上两种方法查出的结果取平均值。机械强度与可靠性——第4章无限寿命设计法三.平均应力折算系数的选取 正应力 拉伸平均应力折算系数（R>-1） 由式（3-27）得到： 压缩平均应力折算系数（R<-1） 可保守地取φσ=0，偏于安全。 切应力 建议：机械强度与可靠性——第4章无限寿命设计法四.许用安全系数的确定 经验法 对于有足够使用经验的产品，许用安全系数可根据经验确定。若无具体的许用安全系数数据，推荐使用如下数据： 轧钢件和锻钢件：[n]=1.5~2.5； 铸钢件：[n]=1.8~2.8； 试验与计算精度高、材质均匀时，[n]取1.3~1.5； 重要零部件加大1.3~1.5倍。 分解法 [n]=nsn1 ns为强度安全系数，当材料的性能比较均匀时，ns=1.1~1.2；当材料性能不均匀时，ns=1.5； n1为应力安全系数，当载荷及应力都很精确时，n1=1.1~1.2;当载荷及应力不精确且有冲击时，n1=1.5~2.0。 用可靠性理论计算（略）机械强度与可靠性——第4章无限寿命设计法4.4例题如图所示为梯形圆截面合金钢杆，D=42mm，d=30mm，r=3.5mm。已知杆表面精车加工，凹槽的理论应力集中系数为Kt=3.5；σb=1000Mpa；σ-1=400Mpa；Pmax=45000N,Pmin=450N的轴向交变载荷作用下工作。设安全系数[n]=2，校核其强度。解：（1）基本思路：非对称循环载荷。用公式（4-3）进行校核。 （2）用敏感系数法求Kσ。 其中，Kt值已知，需要确定的是q和β1。机械强度与可靠性——第4章无限寿命设计法 求q值。由式（3-7a）计算敏感系数的公式(也可用式（3-6）计算)其中r=3.5(已知条件)a由图3-4查得。对应σb=1000MPa，a=0.26 求表面加工系数β1。由图3-7得β1=0.92。(也可用式（3-4）计算)机械强度与可靠性——第4章无限寿命设计法（3）查尺寸系数由图（3-6）查得合金钢的弯曲尺寸系数。其中曲线6对应强度极限为1000MPa.D=42mm时，ε=0.63；d=30mm时，ε=0.70。对于拉压情况，当直径小于50mm时，无尺寸效应，所以ε=1.(P54,影响因素（1）)（4）计算KσD值。（5）计算缺口试样的平均应力折算系数φσ。用式（3-27）其中，真断裂强度（式3-23）机械强度与可靠性——第4章无限寿命设计法（6）计算σmax,σmin,σm,σa。（7）校核。满足强度要求,可以长期使用。机械强度与可靠性——第4章无限寿命设计法复习思考题 无限设计法的出发点和适用范围各是什么？ 理解公式（4-1，4-2，4-3）。 理解例题。