03-机械设计中零件的载荷、应力和变形讲解
机械设计中的材料力学分析
机械设计中的材料力学分析材料力学分析是机械设计中重要的一部分，它研究了材料在受力下的行为和性能，为工程师提供了指导和依据。
本文将探讨机械设计中的材料力学分析的基本概念和应用。
一、材料力学基础材料力学是从原子和分子层面上研究材料的力学性质和变形行为的学科。
了解材料的力学性质对机械设计至关重要。
1.材料的应力应变关系材料在受到外力作用时会发生弹性变形和塑性变形。
弹性变形是指材料在受到力后，恢复到原始形状的程度。
塑性变形则是指材料在受到力后无法完全恢复到原始形状的程度。
材料的应力应变关系描述了材料在受力时的变形情况。
其中，应力是单位面积上的力，常用符号σ表示；应变是单位长度上的变形量，常用符号ε表示。
2.材料的拉伸、压缩和剪切材料的拉伸、压缩和剪切是常见的受力方式。
拉伸是指材料在受到拉力时的变形，常用符号σ表示；压缩是指材料在受到压力时的变形，常用符号σ表示；剪切是指材料在受到剪力时的变形，常用符号τ表示。
3.弹性模量和屈服强度弹性模量是衡量材料刚度的指标，表示应力和应变之间的关系。
常见的有杨氏模量、剪切模量和泊松比。
屈服强度是材料在受力下开始塑性变形的应力水平。
二、材料力学分析方法在机械设计中，可以利用材料力学分析方法来评估和优化设计方案。
1.有限元分析有限元分析是一种常用的力学分析方法，它将结构划分为有限个小单元，通过建立适当的数学模型和边界条件，计算结构在受力下的应力和变形情况。
有限元分析能够提供结构的精确应力分布和变形情况，为优化设计提供了可靠的依据。
2.应力与变形的计算通过应力与变形的计算，可以分析材料在受力过程中的强度、刚度和稳定性。
常用的材料力学计算方法包括梁理论、轴承力学、挠曲理论等。
这些方法结合材料力学原理，通过计算应力和变形，解决了实际工程设计中的一系列问题。
3.疲劳分析疲劳分析是机械设计中必不可少的一项工作。
它研究了材料在受到交变载荷作用下的疲劳寿命。
通过进行疲劳分析，可以预测材料在实际使用中的寿命，为设计提供合理的使用要求。
机械系统的受力与变形分析
机械系统的受力与变形分析机械系统的受力与变形分析是机械工程中的重要内容之一。
在机械系统中，受力是指外力对机械系统施加的作用力，而变形则是机械系统在受力下发生的形状变化。
通过对机械系统进行受力与变形分析，可以帮助工程师设计出更加稳固可靠的机械结构，确保其正常运行。
在进行受力与变形分析时，需要先对机械系统进行力学建模。
力学建模是指将机械系统中的不同部件抽象成力的作用点，并确定各部件之间的连接方式。
通过力学建模，可以把复杂的机械系统简化成一个由力学模型构成的系统，从而更方便地进行受力与变形分析。
接下来，需要确定机械系统中的各个部件之间的受力关系。
受力关系是指在机械系统中，力的传递和平衡的关系。
在机械系统中，通常存在两种受力关系：一是内力平衡，即机械系统内部各个部件之间的力的平衡关系；二是外力平衡，即机械系统与外界作用力之间的平衡关系。
内力平衡是机械系统受力与变形分析中的重要内容。
在机械系统中，各个部件之间存在力的传递和平衡的关系，通过对内力平衡的分析，可以确定各个部件之间的受力状态，从而帮助工程师确定机械系统的结构强度和稳定性。
外力平衡是机械系统受力与变形分析中的另一个重要内容。
在机械系统中，外界作用力对机械系统施加的作用会导致机械系统出现变形，通过对外力平衡的分析，可以确定机械系统在外力的作用下发生的变形情况，并进一步判断机械系统是否能够满足设计要求。
另外，机械系统的受力与变形分析还需要考虑材料的力学性能。
不同的材料在受力下会表现出不同的力学性能，如弹性模量、屈服强度等。
通过对材料力学性能的考虑，可以对机械系统的受力与变形进行更加准确的分析。
在进行受力与变形分析时，还需要考虑机械系统中的约束条件。
约束条件是指机械系统中各个部件之间的相互制约关系。
通过对约束条件的分析，可以确定机械系统在受力和变形过程中的约束情况，从而进一步优化机械结构的设计。
总结起来，机械系统的受力与变形分析是机械工程中的重要内容之一。
机械设计机械零件的强度
机械设计机械零件的强度引言机械设计中，零件的强度是一个重要的考虑因素。
在设计机械零件时，必须确保其能够承受所需的负载，以保证机械系统的正常运行。
本文将介绍机械零件强度的相关概念和计算方法，以帮助机械设计工程师进行合理的零件设计。
1. 强度概念机械零件的强度是指零件在受力作用下的抵抗能力。
强度与机械零件的材料强度、几何形状以及受力情况等因素密切相关。
常见的强度指标包括抗拉强度、屈服强度、冲击强度等。
•抗拉强度：材料在受拉应力作用下的最大抵抗能力。
常用符号表示为σt。
•屈服强度：材料开始发生塑性变形的抗力。
常用符号表示为σy。
•冲击强度：材料在冲击载荷作用下的抵抗能力。
常用符号表示为σi。
2. 强度设计方法机械零件的强度设计方法主要包括强度计算和强度检验两种方式。
2.1 强度计算强度计算是通过数学方法计算零件在特定工况下的受力情况，进而得出零件的强度。
强度计算通常分为静态强度计算和动态强度计算。
•静态强度计算：基于零件在静态载荷作用下的应力分析，通常采用弹性力学理论计算零件的应力和变形情况，然后与材料的强度特性进行比较以确定零件是否满足强度要求。
•动态强度计算：基于零件在动态载荷作用下的应力分析，考虑了时间因素对零件强度的影响。
在动态强度计算中，除了材料的强度特性外，还需要考虑零件的惯性力、阻尼以及应力波传播等因素。
强度计算通常依赖于数值分析软件，如有限元分析软件，能够对复杂的载荷情况进行模拟和计算，提供准确的应力和变形分布。
2.2 强度检验强度检验是通过实验方法对零件进行强度测试，以验证零件的强度是否符合设计要求。
常见的强度检验方法包括拉伸试验、压缩试验、冲击试验等。
•拉伸试验：将零件置于拉伸试验机中，在规定的载荷下进行拉伸，记录延伸程度和载荷变化情况，通过力-变形曲线可以得到零件的抗拉强度和屈服强度。
•压缩试验：将零件置于压缩试验机中，在规定的载荷下进行压缩，记录压缩变形和载荷变化情况，通过力-变形曲线可以得到零件的抗压强度。
机械设计中的案例分析与实例讲解
机械设计中的案例分析与实例讲解在机械设计领域中，案例分析和实例讲解是非常重要的学习方法和实践工具。
通过案例分析和实例讲解，可以加深对机械设计原理和应用的理解，掌握解决实际问题的能力。
本文将通过几个案例来分析和讲解机械设计中的关键问题和解决方法。
案例一：轴承选择与设计在机械设计过程中，轴承是不可或缺的重要组件。
选择和设计合适的轴承对于确保机械设备的正常运行至关重要。
在某公司的一个机械设计项目中，设计师面临着选择和设计轴承的问题。
首先，设计师需要根据机械设备的工作条件和要求来确定所需承载能力、转速范围等参数。
然后，根据这些参数和轴承的性能指标表，筛选出合适的轴承型号。
在选择轴承型号后，设计师还需要对轴承进行设计，确定轴承的几何尺寸和安装方式，以确保其在特定工作条件下的可靠性和寿命。
通过这个案例，我们可以看到，在机械设计中，轴承的选择和设计是一个复杂而关键的环节。
合适的轴承选择和设计可以提高机械设备的性能和可靠性。
案例二：零件强度分析与优化在机械设计中，零件的强度是一个重要的设计指标。
在某公司的一个机械结构设计项目中，设计师需要对一个零件进行强度分析和优化。
首先，设计师需要根据零件的工作条件和受力情况，确定零件的受力分析模型，并据此计算零件的应力和变形。
然后，根据零件的材料特性和载荷条件，对零件的强度进行评估。
如果发现零件的强度不满足要求，设计师需要通过调整材料选择、几何尺寸等参数来优化零件的强度。
通过这个案例，我们可以看到，在机械设计中，零件的强度分析和优化是关键的设计环节。
通过对零件的强度进行分析和优化，可以确保零件在工作条件下的安全可靠性，提高机械设备的性能。
案例三：机构设计与运动模拟在机械设计中，机构的设计和运动模拟是一项重要任务。
在某公司的一个机械运动机构设计项目中，设计师面临着设计和优化运动机构的问题。
首先，设计师需要根据机械设备的功能和要求，确定机构的类型和布置方式。
然后，设计师需要进行机构的几何设计，确定机构的连杆比例、驱动方式等参数。
载荷和应力的分类.ppt
S
lim
S
S
lim
S
S
lim
S
2. 复合应力作用下塑性材料零件
（1）强度校核
2 b
4
2 T
第三强度理论（最大切应力理论）
2 b
3
2 T
第四强度理论（最大变形能理论）
（2）安全系数校核
S
S
S
2
2 b
S S
2 T
S S S S
S2 S2
式中[S]——许用复合安全系数
第二章 机械零件的工作能力和计算准则
§2.1 载荷和应力的分类 §2.2 机械零件的强度 §2.3 机械零件的表面强度 §2.4 机械零件的刚度 §2.5 机械零件的冲击强度 §2.6 温度对机械零件工作能力的影响 §2.7 机械零件的振动强度 §2.8 机械零件的可靠性
2.1 载荷和应力的分类
失效——机械零件丧失工作能力或达不到设计要求性能时 失效形式（主要）——强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、可
2.2.4 许用安全系数
选择原则：在保证安全可靠的前提下，尽可能选用较小的安 全系数。
2.2.5 提高机械零件的强度的措施
1. 合理布置零件，减少所受载荷 2.降低载荷集中，均匀载荷分布 3.采用等强度结构 4.选用合理截面 5.减小应力集中
2.3 机械零件的表面强度
分类：表面接触强度；表面挤压强度；表面磨损强度
2.4 机械零件的刚度
校核条件： y y.... ....
以上三个参数分别表示零件的挠度、变形角、扭转角。 2.5 机械零件的冲击强度 2.6 温度对机械零件工作能力的影响 2.7 机械零件的振动强度
2.8 机械零件的可靠性
第三章机械设计中零件的载荷应力
3、变应力作用下的强度问题
变应力下零件的损坏形式是疲劳断裂。疲劳断裂具有以下
特征：
（1） 疲劳断裂的最大应力远比静应力下材料的强度极
限低，甚至比屈服极限低；
初始裂纹
（2） 不管脆性材料或塑性 轴 材料，其最终的断口均表现为无 明显塑性变形的脆性断裂；
疲劳区 (光滑)
（3） 疲劳断裂是损伤的积累
粗糙区
3、变应力作用下的强度问题
σ
疲劳曲线
强度条件：σ≤ [σ] lim
σrN
s
σlim = ？
σr
N
疲劳破坏与零件的变应力循环次数有关
N
N0
N — 应力循环次数
有限寿命区
无限
σrN — 疲劳极限（对应于N）
N0 — 循环基数
σr — 持久极限
rN m N 常数 r m N0
则 [ ] r 或 rN
s
s
m为随应力状态而不同的幂指数
由此得： rN r m N0 / N
变应力时，取 σlim = σr（无限寿命） 或 σlim = σrN（有限寿命）
二、刚度准则
零件在载荷作用下产生的弹性变形量y，小于或等于机器 工作性能所允许的极限值[y]（许用变形量），就叫做满 足了刚度要求，或符合刚度计算准则。其表达式为 y≤[y]
y——可以是挠度、偏转角或扭转角
弹性变形量y可按各种变形量的理论或实验方法来确定， 而许用变形量[y]则应随不同的使用场合，根据理论或经 验来确定其合理的数值。
三、寿命准则
：通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关。
四、 振动稳定性准则 ：高速运转机械的设计应重视该准则。
五、 可靠性准则 ：确保零件在规定的使用寿命内正常工作的准则。
构件应力知识点总结大全
构件应力知识点总结大全一、应力的定义应力是单位面积的内部分子间或分子与外力之间的相互作用力，通常表示为F/A，其中F 是力的大小，A是力作用的面积。
应力是衡量材料承受外部载荷的能力，是材料内部原子和分子间的相互作用，是导致应变的根本原因。
二、应力的分类1. 拉伸应力：指材料在拉伸载荷作用下的应力，通常表示为σ=F/A，其中F是施加的拉伸力，A是截面积。
2. 压缩应力：指材料在压缩载荷作用下的应力，通常表示为σ=F/A，其中F是施加的压缩力，A是截面积。
3. 剪切应力：指材料在受到剪切力作用下的应力，通常表示为τ=F/A，其中F是施加的剪切力，A是受力面积。
4. 弯曲应力：指材料在受弯曲载荷作用下的应力，通常表示为σ=Mc/I，其中M是弯矩，c 是截面离轴心的距离，I是截面的惯性矩。
三、构件的设计应力1. 构件在使用过程中会受到各种外部载荷的作用，包括静载荷、动载荷和温度载荷等，设计时需要考虑这些载荷对构件的影响。
2. 构件设计应力需要满足安全性、可靠性和经济性的要求，通常需要考虑极限状态和使用状态下的应力情况。
3. 构件设计应力还需要考虑疲劳寿命、屈服强度、断裂韧性等材料性能的影响，以保证构件在使用寿命内不发生疲劳破坏。
四、构件的应力分析方法1. 理论计算：包括静力计算、动力计算和温度应力计算等，可以通过数学模型和力学原理进行应力分析。
2. 数值模拟：包括有限元分析、计算流体动力学等，可以通过计算机模拟构件受力情况，得到应力分布和变形情况。
3. 实验测试：包括拉伸试验、压缩试验、弯曲试验等，可以通过实验手段直接测量构件的应力和应变情况。
五、构件的应力优化设计1. 材料选型：选择合适的材料可以提高构件的强度和刚度，减小应力集中和减轻构件的重量。
2. 结构设计：合理的结构设计可以改善构件受力的状态，减小应力集中和提高构件的承载能力。
3. 衬垫和支承：采用合适的衬垫和支承结构可以改善构件的应力分布，减小应力集中和延长构件的使用寿命。
机械设计简答题填空题
机械设计简答题填空题1、什么是机械零件的失效？机械零件可能的失效形式主要有那些？机械零件在使用过程中，丧失其规定功能的现象，称为失效。
主要表现为磨损、变形、断裂、蚀损2、什么是零件的工作能力？什么是零件的承载能力？在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度，称为工作能力。
通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又称为承载能力。
3、什么是静载荷、变载荷、名义载荷、计算载荷？静应力和变应力？静载荷:大小，位置方向都不变或变化缓慢的载荷；动载荷:指，大小位置和方向随时间变化的载荷。
名义载荷:在理想的，平稳工作条件下作用在零件上的载荷，计算载荷:载荷系数k 与名义载荷的乘积。
4、稳定循环变应力σmax，σmin，σa，σm，r，五参数代表什么？列出据已知零件的σmax，σmin计算σa，σm，及r公式σmax最大应力，σmin最小应力，σa应力幅，σm平均应力，r循环特性。
σa= （σmax- σmin）/2，σm=（σmax+ σmin）/2，r= σmin/σmax5、提高零件强度的措施有那些？降低应力集中选用疲劳强度高的材料、热处理方法及强化工艺提高零件的表面质量减小或消除零件表面可能发生的初始裂纹的尺寸第三章．2、机械零件在变应力条件下工作发生疲劳断裂而失效的过程怎样？答：第一阶段是零件表面上应力较大处的材料发生剪切滑移，产生初始裂纹，形成疲劳源，可以有多个或数个；第二阶段是裂纹尖端在切应力下发生反复塑性变形，使裂纹扩展直至发生疲劳断裂。
5、影响机械零件疲劳强度的主要因素有哪些？提高机械零件疲劳强度的措施有哪些？答：1）应力集中，零件尺寸，表面状态，环境介质，加载顺序和频率。
2)降低应力集中的影响；选用疲劳强度高的材料或规定能够提高材料疲劳强度的热处理方法及强化工艺，提高零件的表面质量；尽可能的减小或消除零件表面可能发生的初始裂纹的尺寸。
9、ψσ和ψτ的几何意义和物理意义是什么？材料的强度俞高，ψσ和ψτ的值愈大还是愈小？答：平均应力折合为应力幅的等效系数，其大小表示材料对循环不对称性的敏感程度。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
根据设计过程载荷的作用和载荷的上述因素在 实际工作中随时间变化的情况，将载荷分类如下所 示。
第3章 机械设计中零件的 载荷、应力和变形
1静载荷： 不随时间改变或变化缓慢。通常认为在工 作寿命内，载荷引起应力变化的次数小于 1000
如：工件质量引起的重力；受固定载荷的连接螺栓
载荷性质
2变载荷：
随时间做周期性或非周期性变化。周期 性载荷根据每一个工作循环内载荷的变化与 否，可以进一步分为稳定循环载荷与不稳定 循环载荷
第3章 机械设计中零件的 载荷、应力和变形
机械零件材料的主要破坏形式是屈服和断裂， 对于大量使用的工程材料可以粗分为两类：塑性 材料和脆性材料。
从工程力学中已经知道，可以有对应的两类 四个强度理论和准则，列于表3-4中。
第3章 机械设计中零件的 载荷、应力和变形
表3-4 强度理论及适用范围
强度理论 第一强度理 论 第二强度理 论 第三强度理 论 第四强度理 论 适用材料属性与破 坏形式 脆性材料，断裂破 坏 脆性材料，断裂破 坏 塑性材料屈服变形 过大导致断裂 塑性材料屈服变形 表征参数 条 件 当最大拉应力达到单向拉伸的强度极限时， 构件就断裂 当最大伸长线应变达到单向拉伸试验下的极 限应变时，构件就断裂 当最大剪应力达到单向拉伸试验的极限剪应 力时，构件就被破坏 当形状改变比能达到单向拉伸试验屈服时的 形状改变比能时，构件就被破坏
图3-2 载荷简化
第3章 机械设计中零件的 载荷、应力和变形
图3-3所示的是铰制螺栓受横向力，根据实 际情况表明，螺栓所受的最大挤压应力近似等 于沿直径方向在面积（Lmin × d0）上受均匀挤 压应力。
图3-3 几何尺寸的简化
第3章 机械设计中零件的 载荷、应力和变形
总结机械设计中零件受载情况，通常需要考 虑进行如下所示的简化：
第3章 机械设计中零件的 载荷、应力和变形
按应力随时间变化规律分类 2稳定循环变应力 1静应力
不随时间而变的应力 随时间周期性变化的 应力，其应力幅度保持稳 定
第3章 机械设计中零件的 载荷、应力和变形
3规律性不稳定变应力 应力每循环一次都对 材料的破坏起相同的作用， 按损伤累积假说进行疲劳 强度计算 4随机变应力 各种不确定应力 状态，用统计方法进 行疲劳强度计算
第3章 机械设计中零件的 载荷、应力和变形
机械零件的载荷 机械零件的应力 机械设计中常用的强度计算
机械零件的变形
第3章 机械设计中零件的 载荷、应力和变形
工程背景
在机械设计中，强度准则是设计零件的最基本 准则，其理论基础是材料力学。
实际机械零件在工作中所受的载荷是复杂的， 既包括静应力也包括变应力，因此对载荷进行简 化、分类是进行强度计算的基础。
1.按照理论方向计算工作载荷
如下图所示，忽略各种误差，齿轮传动过程 的总法向载荷一定沿着基圆的切线方向。
第3章 机械设计中零件的 载荷、应力和变形
2.将实际分布载荷简化为集中载荷
如下图所示，轴承沿宽度方向分布的支撑载 荷集中于轴承宽度的中点
第3章 机械设计中零件的 载荷、应力和变形 3.突出主要因素，简化计算过程
第3章 机械设计中零件的 载荷、应力和变形
简单实例
实际齿轮的受力极为复杂，轮齿啮合传动 过程中，当轮齿受载时，齿根处的弯曲应力 最大，因此折断的部位多发生在齿根。
第3章 机械设计中零件的 载荷、应力和变形
为了达到简化分析的目的，见图3-1所示的单 齿受力分析。 可把轮齿简化成一个悬臂矩形截面梁。 轮齿的弯曲强度就可以采用材料力学的基本公 式： 来进行近似的计算。
如：往复式动力机械；曲柄滑块机构；回转齿轮轴等
第3章 机械设计中零件的 载荷、应力和变形
1名义载荷:
按原动机功率求得理想工作 条件下的载荷
如：某齿轮传动副，输入功率为P(kW)，转 速为n(r/min)，则所受扭矩为 T 件的实际载荷，常用符 2计算载荷: 号Fca、Tca、Pca、Mca等来表示。通常 引入载荷系数、工况系数等来修正 实际工作状态相对理论状态的偏离， 在设计计算时，采用零件实际工况 下可能受到的载荷
如下图所示，轴的直径尺寸相对于长度较小， 将轴简化为一根线
第3章 机械设计中零件的 载荷、应力和变形
4.根据经验将分布区间理想化
如下图所示，将沿半圆周方向的分布压力简化为 沿直径方向的均匀分布
5.其他简化方式
根据实际情况进行合理的载荷简化
第3章 机械设计中零件的 载荷、应力和变形
引起零件失效的主要原因是工作载荷。 而载荷性质、大小、方向、分布和施加于 零件上的具体方式都是导致零件失效的影响 因素。
拉应力
线应变
剪应力 形状改变比 能
第3章 机械设计中零件的 载荷、应力和变形
机械设计中的结构零件常采用塑性材料。当 最小主应力大于等于零时，使用第一强度理论； 当在其他应力状态时，使用第三强度理论或第四 强度理论。强度准则的统一形式可以表示为
图3-1 齿轮传动弯曲疲劳强度计算的力学模型
第3章 机械设计中零件的 载荷、应力和变形
3.1机械零件的载荷
机械零件载荷—是零件在工作过程中进行运动 或动力传递时，引起零件表面和内部应力的主要根 源。要防止零件失效，当应用强度、刚度等设计准 则时，首先要进行载荷的简化，将工程问题抽象为 可以进行计算的简化模型。如图3-2所示。
第3章 机械设计中零件的 载荷、应力和变形
设计者思维 作为设计者，在对零件进行强度或刚度计算时 需要知道： 如何将机械零件所受的载荷进行简化分析？ 如何对载荷进行分解和分类？ 静载荷与动载荷的计算公式有何区别？ 如何正确运用材料力学中的4个强度理论公式？ 如何区别静应力和变应力？ 材料的疲劳极限与循环寿命之间的关系是什么？ 如何正确选择和确定材料的许用应力？
如：某零件上所受名义扭矩载荷为T，则计 算载荷为Tca KT，其中K是载荷系数
第3章 机械设计中零件的 载荷、应力和变形
3.2机械零件的应力
在载荷作用下，机械零件的表面或内 部就会产生应力。这一外力引起的内力集 度即应力。
根据随时间变化的特性与作用方式的 不同，应力可以分为静应力和各种不同形 式的变应力。值得注意的是，静载荷也可 以产生变应力。