强度

  grxlj ·  2008-11-30 22:10  ·  18767 次点击
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材料、机械零件和构件抵抗外力而不失效的能力。强度包括材料强度和结构强度两方面。强度问题有狭义和广义两种涵义。狭义的强度问题指各种断裂和塑性变形过大的问题。广义的强度问题包括强度、刚度和稳定性问题,有时还包括机械振动问题。强度要求是机械设计的一个基本要求。
材料强度指材料在不同影响因素下的各种力学性能指标。影响因素包括材料的化学成分、加工工艺、热处理制度、应力状态,载荷性质、加载速率、温度和介质等。
按照材料的性质,材料强度分为脆性材料强度、塑性材料强度和带裂纹材料的强度。①脆性材料强度:铸铁等脆性材料受载后断裂比较突然,几乎没有塑性变形。脆性材料以其强度极限为计算强度的标准。强度极限有两种:拉伸试件断裂前承受过的最大名义应力称为材料的抗拉强度极限,压缩试件的最大名义应力称为抗压强度极限。②塑性材料强度:钦钢等塑性材料断裂前有较大的塑性变形,它在卸载后不能消失,也称残余变形。塑性材料以其屈服极限为计算强度的标准。材料的屈服极限是拉伸试件发生屈服现象(应力不变的情况下应变不断增大的现象)时的应力。对于没有屈服现象的塑性材料,取与0.2%的塑性变形相对应的应力为名义屈服极限,用data/attachment/portal/201111/06/094114gqytk6yheuz1yijt.gif0.2表示。③带裂纹材料的强度:常低于材料的强度极限,计算强度时要考虑材料的断裂韧性(见断裂力学分析)。对于同一种材料,采用不同的热处理制度,则强度越高的断裂韧性越低。
按照载荷的性质,材料强度有静强度、冲击强度和疲劳强度。材料在静载荷下的强度,根据材料的性质,分别用屈服极限或强度极限作为计算强度的标准。材料受冲击载荷时,屈服极限和强度极限都有所提高(见冲击强度)。材料受循环应力作用时的强度,通常以材料的疲劳极限为计算强度的标准(见疲劳强度设计)。此外还有接触强度(见接触应力)。
按照环境条件,材料强度有高温强度和腐蚀强度等。高温强度包括蠕变强度和持久强度。当金属承受外载荷时的温度高于再结晶温度(已滑移晶体能够回复到未变形晶体所需要的最低温度)时,塑性变形后的应变硬化由于高温退火而迅速消除,因此在载荷不变的情况下,变形不断增长,称为蠕变现象,以材料的蠕变极限为其计算强度的标准。高温持续载荷下的断裂强度可能低于同一温度下的材料拉伸强度,以材料的持久极限为其计算强度的标准(见持久强度)。此外,还有受环境介质影响的应力腐蚀断裂和腐蚀疲劳等材料强度问题。
结构强度指机械零件和构件的强度。它涉及力学模型简化、应力分析方法、材料强度、强度准则和安全系数。
按照结构的形状,机械零件和构件的强度问题可简化为杆、杆系、板、壳、块和无限大体等力学模型来研究。不同力学模型的强度问题有不同的力学计算方法。材料力学一般研究杆的强度计算。结构力学分析杆系(桁架、刚架等)的内力和变形。其他形状物体属于弹塑性力学的研究对象。杆是指截面的两个方向尺寸远小于长度尺寸的物体,包括受拉的杆、受压的柱、受弯曲的梁和受扭转的轴。板和壳的特点是厚度远小于另外两个方向的尺寸,平的称为板,曲的称为壳。
要解决结构强度问题,除应力分析之外,还要考虑材料强度和强度准则,并研究它们之间的关系。如循环应力作用下的零件和构件的疲劳强度,既与材料的疲劳强度有关,又与零件和构件的尺寸大小、应力集中系数和表面状态等因素有关。当循环载荷不规则变化时,还要考虑载荷谱包括载荷顺序的影响。复合应力情形要用强度理论。有宏观裂纹情形要用断裂力学分析。某些零件往往需要同时考虑几种强度准则,加以比较,才能确定最可能出现的失效方式。
大部分的结构强度问题,通常是先确定结构形式,然后根据外载荷进行应力分析和强度校核。应用电子计算机方法以后,优化设计成为现实的问题,可以先提出一些具体的设计目标(例如要求结构重量最小),然后寻求最佳的结构形式。
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