机械制造技术基础简答题5

1机械设计学济南大学机械工程学院授课教师：赵东机械产品设计中的几个主要技术问题机械产品设计中的几个主要技术问题2本章主要内容及学习要求本章主要内容及学习要求Š机械疲劳设计Š摩擦学设计Š可靠性设计Š人机学设计3第一节第一节机械疲劳设计机械疲劳设计一、疲劳破坏的机制和特点11、疲劳破坏的机制、疲劳破坏的机制疲劳破坏一般分三个阶段：1）第一阶段疲劳裂纹萌生2）第二阶段疲劳裂纹的扩展3）第三阶段失稳断裂4第一节第一节机械疲劳设计机械疲劳设计一、疲劳破坏的机制和特点22、疲劳破坏的特点、疲劳破坏的特点4）疲劳破坏的断口上明显分为两个区域。1）疲劳破坏是在循环应力或循环应变作用下的破坏，疲劳条件下的破断应力低于材料的抗拉强度，而且可能低于屈服强度。2）疲劳破坏必需经历一定的载荷循环次数。3）零件在整个疲劳过程中不发生宏观塑性变形，其断裂方式类似于脆性断裂。5第一节第一节机械疲劳设计机械疲劳设计二、载荷类型掌握载荷的变化情况，是研究疲劳强度的先决条件掌握载荷的变化情况，是研究疲劳强度的先决条件，根据载荷幅值，根据载荷幅值随时间的变化呈现有规则和无规则，可将载荷分为周期载荷和随机随时间的变化呈现有规则和无规则，可将载荷分为周期载荷和随机载荷。载荷。周期载荷按照交变应力的特征，可分为三种情况：1）对称循环（r=-1）2）脉动循环（r=0）3）不对称循环（-1r1，r≠0）随机载荷不仅载荷幅变化，频率也变化。但这种载荷的变化是符合统计规律的。6第一节第一节机械疲劳设计机械疲劳设计三、疲劳应力与疲劳强度、疲劳曲线、疲劳极限11、疲劳应力与疲劳强度、疲劳应力与疲劳强度由于构件受到载荷值随时间变化的交变载荷作用，使零件的材料内部产生随时间变化的内力分布或变形分布，称之为交变应力或交变应变。在交变应力与交变的作用下，构件因发生疲劳破坏而使其丧失正常工作性能的现象称之为疲劳失效；结构抵抗疲劳失效的能力称为结构疲劳强度。衡量材料或结构疲劳强度大小的指标之一是“疲劳强度极限”，简称“疲劳极限”。7第一节第一节机械疲劳设计机械疲劳设计三、疲劳应力与疲劳强度、疲劳曲线、疲劳极限22、疲劳曲线、疲劳曲线在一组标准试件上施加不同载荷F，使试件承受应力比r为某值，最大应力为σn的交变应力作用，将试样旋转直到疲劳破坏为止，并记录循环次数N，在该循环次数下试件发生破坏时的应力σmax称为疲劳强度，用Sf表示。将所加的σmax和对应的断裂循环周次Ni取对数，绘成图便得到疲劳曲线。即S-N曲线。8第一节第一节机械疲劳设计机械疲劳设计三、疲劳应力与疲劳强度、疲劳曲线、疲劳极限33、疲劳极限的经验公式、疲劳极限的经验公式当材料的疲劳极限没有给出时，只能根据材料的静强度当材料的疲劳极限没有给出时，只能根据材料的静强度力学性能来力学性能来近似计算。近似计算。44、疲劳极限图、疲劳极限图在各种循环应力下进行试在各种循环应力下进行试验，可以测得一系列疲劳极验，可以测得一系列疲劳极限限σσtt，选取一定坐标绘制出，选取一定坐标绘制出的曲线称为疲劳曲线图。的曲线称为疲劳曲线图。9第一节第一节机械疲劳设计机械疲劳设计四、影响疲劳强度的因素11、应力集中的影响、应力集中的影响常用有效应力集中系数k表示疲劳强度的降低程度2、尺寸效应k11/−−=σσσk常用尺寸系数ε表示1d1/−−=σσεσ3、表面状态的影响常用表面状态系数β表示11/−−=σσββ10第一节第一节机械疲劳设计机械疲劳设计五、影响疲劳强度的因素11、名义应力疲劳设计法、名义应力疲劳设计法以名义应力为基本设计参数，以S-N曲线为主要设计依据的疲劳设计方法称为名义应力疲劳设计法。1）无限寿命设计法要求零件在无限长的使用期限内不破坏，主要的设计依据是疲劳极限，也就是S-N曲线的水平部分。2）有限寿命设计法要求零件在一定的使用期限内不破坏，主要的设计依据是S-N曲线的斜线部分。这种设计方法常称为安全寿命设计法。11第一节第一节机械疲劳设计机械疲劳设计五、影响疲劳强度的因素22、局部应力应变分析法、局部应力应变分析法该分析法是在低周疲劳的基础上发展起来的一种疲劳寿命估算方法，其基本设计参数为应变集中处的局部应变和局部应力。3、损伤容限设计常规疲劳设计法和局部应力应变法都是以材料内没有缺陷和裂纹为前提的。损伤容限设计就是以断裂力学为理论基础，以无损检验技术和断裂韧度的测定技术为手段，以有初始缺陷或裂纹零件的剩余寿命估算为中心，以断裂控制为保证，确保零件在使用期内能够安全使用的一种抗疲劳设计方法。其特点为：其特点为：允许零件有缺陷，有裂纹。关键问题是正确估算裂纹扩展寿命。使零件在下次检修前要保持一定的剩余强度，能正常使用。在结构上必须采取安全措施，并要有一定的检修制度，确保使用安全，亦即必须对结构进行断裂控制。12第一节第一节机械疲劳设计机械疲劳设计五、影响疲劳强度的因素44、疲劳可靠设计、疲劳可靠设计疲劳可靠设计又称概率设计，是可靠性设计的主要组成部分，是应用概率统计理论进行零构件设计的方法。其特点为：其特点为：前述的抗疲劳设计方法，是根据应力和疲劳强度的平均值进行设计。而实际上，应力和疲劳强度数据都有一定的离散性，因而，仅仅按照平均值进行设计是不安全的。这时，必须根据以往的使用经验，引用较大的安全系数。只有当工作安全系数大于许用安全系数时，零件才能安全使用。由于安全系数的选取纯粹是经验性的，没有反映问题的实质，因而这些方法不能作出合理的设计。概率疲劳设计由于考虑了工作应力和疲劳强度的分布，能够给出可靠度指标，因而可以克服上述缺点，作出既安全可靠又重量轻的合理设计。13第一节第一节机械疲劳设计机械疲劳设计六、低周疲劳的概念在循环加载过程中，当应力水平很高，应为蜂值σmax接近或高于屈服强度而进入塑性区时，每一循环都有少量塑性变形，呈现σ-ε滞后回线，以至循环次数很低时就产生疲劳破坏。此时断裂寿命的变化对循环应力的高低已不敏感。应力和应变的线性关系丧失，用应力很难描述实际寿命的变化，因而改用应变来描述。14第二节第二节摩擦学设计摩擦学设计一、摩擦抵抗两物体接触表面切向相对运动的现象。1、滑动摩擦（1）滑动摩擦机理1)机械理论；2)分子理论；3)机械—分子理论；4)粘着理论。（2）滑动摩擦系数aappτrfffμμμμ++=μr：与表面粗糙度有关的摩擦因数μp：与犁沟效应有关的摩擦因数μa：与粘着效应有关的摩擦因数15第二节第二节摩擦学设计摩擦学设计一、摩擦抵抗两物体接触表面切向相对运动的现象。2、滚动摩擦（1）滚动摩擦机理1)微观滑移；2)弹性滞后；3)塑性变形；4)粘着效应。（2）滚动摩擦系数的计算滚动摩擦力与接触面摩擦因数和正压力有关。一般由实验获得，计算时可查相关手册。16第二节第二节摩擦学设计摩擦学设计二、摩擦磨损是摩擦副的接触表面发生相对运动，在接触应力作用下表面发生损伤导致材料流失的过程。1、磨损机理（1）粘着磨损机制（2）磨粒磨损机制（3）表面疲劳磨损机制（4）腐蚀磨损（5）微动磨损17第二节第二节摩擦学设计摩擦学设计二、摩擦磨损是摩擦副的接触表面发生相对运动，在接触应力作用下表面发生损伤导致材料流失的过程。2、磨损的基本规律18第二节第二节摩擦学设计摩擦学设计二、摩擦磨损是摩擦副的接触表面发生相对运动，在接触应力作用下表面发生损伤导致材料流失的过程。2、磨损的基本规律19第三节第三节可靠性设计可靠性设计一、可靠性设计概述可靠性设计是引入概率论和数理统计理论而对常规设计方法进行发展和深化而形成的一种新的现代设计方法。1、可靠性设计的基本概念（1）可靠性设计法认为作用在零、部件上的应力和零、部件的强度都不是定值而是随机变量，具有明显的离散性质，在数学上必须用分布函数来描述；（2）由于应力和强度都是随机变量，所以必须应用概率统计的方法求解；（3）可靠性设计法承认所设计的零、部件存在一定的失效可能性，即失效概率，但不能超过技术文件所规定的允许值。因此它可以定量地回答产品在工作中的失效概率或可靠度，从而弥补了常规设计法的不足之处。20第三节第三节可靠性设计可靠性设计一、可靠性设计概述2、可靠性学科的研究内容（1）可靠性数学（2）可靠性物理（3）可靠性工程3、可靠性设计的意义（1）可靠性指标是产品的重要质量指标（2）可靠性设计可对产品质量进行动态研究（3）可靠性设计是保证复杂技术任务得以完成的重要手段21第三节第三节可靠性设计可靠性设计二、可靠性定义、指标及设计中常用分布密度函数产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。1、可靠性定义（1）可靠度产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的概率称为可靠度，并以R(t)表示。2、可靠性指标∫∞=td)()(ttftR1)()(=+tFtR)()(tTPtR=22第三节第三节可靠性设计可靠性设计二、可靠性定义、指标及设计中常用分布密度函数产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。1、可靠性定义（2）失效率工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率称为失效率，以λ(t)表示。2、可靠性指标)(/)()(tRtft=λ)(/)]()([)(tnNttnttnt−Δ−Δ+=λttnNtnttnΔ−−Δ+=)]([)()(ttnNtnΔ−Δ=)]([)(23第三节第三节可靠性设计可靠性设计二、可靠性定义、指标及设计中常用分布密度函数产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。1、可靠性定义（3）平均寿命产品寿命（无故障工作时间）的平均值，以MTTF表示。2、可靠性指标∑=itN1MTTF对不可修复的产品，寿命是指全部样品失效前的平均工作时间。∑∑∑====NiiNiKjijnt111/MTBF对可以修复的产品，平均无故障时间是指一个或多个产品在它使用寿命内或某个观察期间累积工作时间与故障次数之比。∫∞=0d)(ttR24第三节第三节可靠性设计可靠性设计二、可靠性定义、指标及设计中常用分布密度函数产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。1、可靠性定义（4）维修度维修性是“在规定条件下使用的产品，在规定时间内按规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复到能完成规定功能的能力”。2、可靠性指标当以概率来表示和度量这种能力时，即为维修度。1）维修度M(t)2）修复率μ(t)3）平均修复时间(MTTR)4）有效度A(t)5）最大维修时间tmax6）设备修理时间ERT25第三节第三节可靠性设计可靠性设计二、可靠性定义、指标及设计中常用分布密度函数产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。1、可靠性定义（5）有效度产品具有或维持其规定功能的概率。2、可靠性指标DUUtA+=)(有效度有瞬时有效度、稳态有效度和平均有效度三种表示方式。26第三节第三节可靠性设计可靠性设计二、可靠性定义、指标及设计中常用分布密度函数（1）正态分布3、常用分布密度函数+∞∞−−−=xxxf])(21exp[π21)(2σμσ正态分布概率密度函数为：∫∞−−−==xxxxXPxFd])(21exp[π21)()(2σμσ累积分布函数为：∫∞−−==xxxxXPxRd])(21exp[π21)()(2σμσ可靠度函数为：27第三节第三节可靠性设计可靠性设计二、可靠性定义、指标及设计中常用分布密度函数（2）指数分布3、常用分布密度函数+∞≤+∞=txf00e)(t-λλλ指数分布概率密度函数为：∫−=ttttF0de)(λλ累积分布函数（失效分布函数）为：ttRλ−=e)(可靠度函数为：tλ−−=e128第三节第三节可靠性设计可靠性设计三、机械零部件可靠性设计1、应力—强度干涉理论)(sSPPF=零件失效的概率SF和Ss的概率等价，即：ssfssssPd)()2/d2/d(=+≤−应力s落在小区间ds内的概率为∫∞−sSSPd)(强度S小于应力s的概率为∫∞−⋅sSSPssfd)(d)(两事件同时发生的概率为应力在ds小区内发生的失效概率！∫∫+∞∞−∞−=sSSPsfFPsd]d)()[()(对整个应力分布，失效概率为∫∫+∞