应力集中、尺寸和表面对金属疲劳强度影响的研究

摘要

随着世界范围内能源危机的出现和材料价格上涨,产品和市场竞争日趋激烈,迫使大部分机械工程和建筑工程领域都要应用疲劳理论和方法,以设计出既安全又经济的产品和工程。现今,人们对疲劳防治对策和疲劳失效分析已有较为深刻的理解,但就其强度影响因素方面而言,目前的研究成果在很多情况下与工程实际还有一定的差距,还不能为实际应用提供精确、有效的指导。因此,疲劳强度影响因素的问题至今仍然是一个有待于进一步研究的课题。
　　 材料的S-N曲线和疲劳极限,只能代表标准光滑试样的疲劳极限,而实际零件的尺寸、形状和表面情况是各式各样的,与标准试样有很大差别。因此,在进行零件的疲劳强度设计时必须考虑这些因素对疲劳强度的影响。影响机械零件疲劳强度的因素有很多,有应力集中、零件尺寸、表面状态、环境介质、加载顺序和频率等,其中以前三种最为重要。
　　 本文从应力集中、尺寸效应、表面状态影响疲劳强度的作用机制着手,在总结和评论前人提出的Kf与Kt关系式后,发现现有的二者关系式均为线性关系。在对大量疲劳实验数据的分析后,本文提出疲劳缺口系数Kf与理论应力集中系数Kt之间满足二次多项式关系,而且与材料的热处理方式有关,并选取相应的试验数据对其关系做以验证。对采用不同试验方法过程中,尺寸对疲劳强度的影响机制作详细分析。分析表面微观形貌与微应力集中的关系,在考虑表面加工对疲劳缺口的影响后,对敏感度法求疲劳缺口系数的公式进行修正,从而得出更合理的抗疲劳设计中综合影响系数的计算方法。应用改进的BP神经网络分析应力集中、尺寸和表面对疲劳强度的影响关系,利用文献中的试验数据,建立一个双隐含层的BP神经网络模型,在MATLAB程序中实现该神经网络的训练和验证过程。通过该模型可以计算任意零件的疲劳强度综合影响系数,进而得到零件的疲劳强度。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 研究背景和选题意义

1.2 金属疲劳的基本理论

1.2.1 疲劳的基本概念和分类

1.2.2 金属疲劳破坏机理

1.2.3 抗疲劳设计方法

1.3 疲劳强度影响因素的研究现状

1.2.1 应力集中的影响

1.2.2 尺寸的影响

1.2.3 表面状态的影响

1.4 发展动态

1.5 课题研究的主要内容

第2章 应力集中

2.1 缺口周围的弹性应力分布

2.1.1 弹性力学理论分析

2.1.2 ANSYS有限元分析

2.2 应力集中表征量

2.2.1 理论应力集中系数

2.2.2 疲劳缺口系数

2.3 缺口试样在零平均载荷下的试验数据

2.4 Kf与Kt的关系

2.4.1 Kf与Kt相等关系

2.4.2 Kf与Kt线性关系

2.4.3 Kf与Kt二次关系

2.5 本章小结

第3章 尺寸效应

3.1 尺寸效应的机制和影响因素

3.2 尺寸系数的确定

3.3 不同试验方法与尺寸的影响

3.3.1 试验数据

3.3.2 影响机制

3.4 本章小结

第4章 表面状态

4.1 影响机制

4.1.1 切削加工的影响

4.1.2 电抛光的影响

4.1.3 消除应力的影响

4.1.4 锻造表面的影响

4.2 表面加工系数确定

4.3 表面微观形貌与微应力集中的关系

4.4 本章小结

第5章 基于BP神经网络疲劳影响因素分析

5.1 BP 网络理论

5.1.1 BP网络建模特点

5.1.2 BP网络结构

5.1.3 BP网络学习规则与计算方法

5.2 BP网络的应用

5.2.1 数据的预处理

5.2.2 神经元层数和节点数的确定

5.2.3 初始权值和学习率的确定

5.2.4 激活函数的选择

5.2.5 BP网络学习算法的改进

5.3 BP神经网络分析疲劳强度影响因素

5.3.1 确定神经网络结构

5.3.2 神经网络的公式化

5.3.3 网络模型的验证

5.4 本章小结

第6章 结论

参考文献

致谢