机械零件疲劳强度若干问题的研究

疲劳强度问题的研究,对航天、航空、造船和原子能等各领域都有着十分重要的意义。在疲劳设计中,将材料的名义强度转化为具体零件在工作环境下的疲劳强度,是机械设计中不可回避的问题。因此对零件疲劳强度影响因素的研究及如何修正这些影响因素,以得到零件的疲劳强度,是十分重要的。同时,由于疲劳失效过程可以认为是材料在循环载荷作用下,性能不断退化,强度不断降低,最终导致静强度破坏的过程,因此对剩余强度退化规律的研究是十分有意义的工作。 本文通过理论分析与试验研究相结合的方法,就机械零件疲劳强度问题进行了较为系统地研究。重点分析应力集中、表面加工和尺寸效应三方面因素之间的相互作用对零件疲劳强度的影响。并试验分析35CrMo钢强度的退化模型,为建立随机载荷作用下的零件动态可靠性模型奠定基础。具体研究内容如下: (1)研究表面加工、尺寸因素和应力集中效应之间的相互作用。针对目前疲劳设计中很少考虑疲劳强度影响因素之间的相互作用这一现象,提出一个能够全面、合理地考虑疲劳强度各影响因素的综合修正系数表达式。 (2)分析文中提出的综合修正系数表达式对理论应力集中系数、表面加工系数及尺寸系数的敏感度,并与其它的表达式进行对比分析。 (3)应用综合修正系数表达式,确定零件的疲劳极限、S-N曲线及零件极限应力曲线。并由材料疲劳极限的分布和综合修正系数的分布确定零件的疲劳极限分布。 (4)由Weibull最弱环节模型推导的疲劳绝对尺寸效应模型认为,在绝对尺寸效应问题中,零件或试件疲劳寿命分布函数的形状参数相同,最小寿命参量相等,尺度参数符合一定的表达式。试验证明疲劳绝对尺寸效应模型的正确性。在试验研究的过程中,提出按“等失效概率”准则对试验结果进行修正的方法。 (5)在传统名义应力法的基础上,运用本文提出的综合修正系数表达式,进行零件疲劳寿命的估算。并在局部应力应变法中引入考虑应力梯度、表面加工和尺寸影响的综合修正系数,修正应变-寿命曲线中的弹性线。在Manson-Coffin公式的基础上,推导出修正后的疲劳强度指数值,建立可以估算高周疲劳寿命的应变-寿命表达式。 (6)试验研究表明指数模型可以很好地描述35CrMo钢强度退化的规律。同时基于损伤等效的原则,推导出变幅载荷作用下的剩余强度模型。由剩余强度的试验数据,分析剩余强度的分布在强度退化过程中的特征,包括分布参数中的形状参数、位置参数和尺度参数随着循环次数的增加的变化规律。