材料力學(xué)課件-動(dòng)載荷課程概述材料力學(xué)主要研究材料在各種外力作用下的力學(xué)性能，以及構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。動(dòng)載荷是指隨時(shí)間變化的外力，對構(gòu)件產(chǎn)生的影響比靜載荷更為復(fù)雜。學(xué)習(xí)目標(biāo)1了解動(dòng)載荷的概念、特點(diǎn)和分類。2掌握動(dòng)載荷作用下構(gòu)件的失效模式，特別是疲勞失效。3學(xué)習(xí)疲勞強(qiáng)度曲線、S-N曲線，以及疲勞設(shè)計(jì)原則。4熟悉疲勞壽命估算、疲勞試驗(yàn)方法，以及高周疲勞和低周疲勞分析。動(dòng)載荷定義動(dòng)載荷是指隨時(shí)間變化的外力，通常指反復(fù)作用或沖擊作用的載荷，例如汽車行駛過程中的顛簸，飛機(jī)起飛和降落時(shí)的沖擊力。動(dòng)載荷特點(diǎn)變化性動(dòng)載荷的大小、方向、作用點(diǎn)都會隨時(shí)間變化。重復(fù)性動(dòng)載荷往往會反復(fù)作用，例如機(jī)器的運(yùn)行、車輛的振動(dòng)。沖擊性動(dòng)載荷可能包含突然的沖擊力，例如爆炸、碰撞等。動(dòng)載荷種類動(dòng)載荷種類很多，常見的包括周期性動(dòng)載荷、隨機(jī)動(dòng)載荷、沖擊動(dòng)載荷等。動(dòng)載荷一般分類周期性動(dòng)載荷大小和方向隨時(shí)間周期性變化，例如旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的交變載荷。隨機(jī)動(dòng)載荷大小和方向隨機(jī)變化，例如車輛行駛過程中的顛簸。沖擊動(dòng)載荷突然施加的載荷，例如錘擊、爆炸等。周期性動(dòng)載荷周期性動(dòng)載荷是指大小和方向隨時(shí)間周期性變化的載荷，常見的周期性動(dòng)載荷有正弦波載荷、方波載荷和三角波載荷等。周期性動(dòng)載荷特點(diǎn)頻率載荷變化的周期性，通常用頻率表示。振幅載荷變化的最大值和最小值之差，反映了載荷的強(qiáng)度。波形載荷隨時(shí)間變化的曲線形狀，例如正弦波、方波等。動(dòng)載荷作用下構(gòu)件失效模式動(dòng)載荷作用下構(gòu)件失效模式主要包括疲勞失效、斷裂失效、塑性失效等。其中疲勞失效是動(dòng)載荷作用下最常見的一種失效模式。疲勞失效疲勞失效是指構(gòu)件在反復(fù)交變載荷作用下，即使載荷小于材料的屈服極限，也會在應(yīng)力集中部位產(chǎn)生裂紋，并逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致構(gòu)件斷裂失效。疲勞失效過程1裂紋萌生在應(yīng)力集中部位，微觀缺陷逐漸擴(kuò)展成微裂紋。2裂紋擴(kuò)展微裂紋在交變載荷的作用下逐漸擴(kuò)展，形成宏觀裂紋。3斷裂裂紋擴(kuò)展到一定程度，最終導(dǎo)致構(gòu)件斷裂。疲勞強(qiáng)度曲線疲勞強(qiáng)度曲線（S-N曲線）是反映材料在交變載荷作用下的疲勞強(qiáng)度與循環(huán)次數(shù)關(guān)系的曲線。S-N曲線的影響因素材料材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、加工工藝都會影響疲勞強(qiáng)度。載荷條件載荷的大小、頻率、波形都會影響疲勞強(qiáng)度。環(huán)境條件溫度、濕度、腐蝕等環(huán)境因素也會影響疲勞強(qiáng)度。應(yīng)力集中系數(shù)應(yīng)力集中系數(shù)是指在應(yīng)力集中部位的應(yīng)力與名義應(yīng)力的比值，它是反映應(yīng)力集中程度的一個(gè)重要指標(biāo)。Miner累積傷害假設(shè)Miner累積傷害假設(shè)是指在交變載荷作用下，構(gòu)件的疲勞壽命與各個(gè)載荷水平下的循環(huán)次數(shù)成反比。疲勞設(shè)計(jì)原則避免應(yīng)力集中通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免應(yīng)力集中部位的出現(xiàn)。提高材料強(qiáng)度選擇高疲勞強(qiáng)度的材料，或通過熱處理等方法提高材料的疲勞強(qiáng)度。控制載荷水平降低載荷的大小，減少循環(huán)次數(shù)，延長構(gòu)件的疲勞壽命。疲勞壽命估算疲勞壽命估算方法有很多，常用的方法包括S-N曲線法、Miner累積傷害法等。疲勞試驗(yàn)疲勞試驗(yàn)是研究材料在交變載荷作用下的疲勞性能，以及驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的重要方法。疲勞試驗(yàn)類型彎曲疲勞試驗(yàn)在彎曲載荷下進(jìn)行的疲勞試驗(yàn)，適用于研究材料的彎曲疲勞強(qiáng)度。扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)在扭轉(zhuǎn)載荷下進(jìn)行的疲勞試驗(yàn)，適用于研究材料的扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度。拉伸疲勞試驗(yàn)在拉伸載荷下進(jìn)行的疲勞試驗(yàn)，適用于研究材料的拉伸疲勞強(qiáng)度。疲勞試驗(yàn)方法常用的疲勞試驗(yàn)方法包括旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)、旋轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)、拉伸疲勞試驗(yàn)等。疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析主要包括S-N曲線繪制、疲勞壽命估算、疲勞失效分析等。高周疲勞與低周疲勞高周疲勞是指循環(huán)次數(shù)較多的疲勞，低周疲勞是指循環(huán)次數(shù)較少的疲勞。高周疲勞分析高周疲勞分析主要基于S-N曲線，采用Miner累積傷害假設(shè)，進(jìn)行疲勞壽命的預(yù)測和設(shè)計(jì)。低周疲勞分析低周疲勞分析主要采用裂紋擴(kuò)展理論，進(jìn)行疲勞壽命的預(yù)測和設(shè)計(jì)。低周疲勞設(shè)計(jì)低周疲勞設(shè)計(jì)需要考慮材料的斷裂韌性、裂紋擴(kuò)展速率等因素，以確保構(gòu)件在低周疲勞載荷下的安全可靠。工程應(yīng)用案例分析實(shí)際工程中，動(dòng)載荷作用下構(gòu)件的疲勞失效問題十分常見，例如橋梁、飛機(jī)、汽車等，需要進(jìn)行合理的疲勞設(shè)計(jì)，以確保其安全可靠。小結(jié)本節(jié)課學(xué)習(xí)了動(dòng)載荷的概念