机械设计:衝击强度

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衝击强度
金属材料﹑机械零件和构件抗衝击破坏的能力。在很短时间内以较高速度作用於零件上的载荷﹐称衝击载荷。由衝击载荷作用而產生的应力称衝击应力。由於衝击时间极短﹐加上物体接触变形等因素影响﹐衝击强度计算不易準确。
         常规衝击计算 衝击载荷在零件中產生的衝击应力除与零件的形状﹑体积和局部弹塑性变形等有关外﹐还同与其相连接的物体有关。如与零件相连接的物体是绝对刚体﹐则衝击能全部为该零件所承受﹔如与零件相连接的物体刚度为某一值﹐则衝击能为整个体系所承担﹐该零件只承受衝击能的一部分。此外﹐衝击应力的大小﹐还取决於衝击能量的大小。因此﹐衝击载荷作用下的强度计算﹐比静载荷作用下的强度计算复杂得多。在设计承受衝击载荷的零件时﹐须引入一个动载係数(见载荷係数)后按静强度设计。动载係数也可用振动理论中求响应的方法确定。
         研究零件衝击强度时﹐要考虑材料在衝击载荷下机械性能的改变和对零件衝击效应的大小。对於结构钢来说﹐当应变速率在10-6～10-21/秒时﹐钢的机械性能无明显变化。但在更高的应变速率下﹐结构钢的强度极限和屈服极限随衝击速度的增大而提高。且屈服极限比强度极限提高得更快。因此把衝击载荷当作静载荷来处理对於一般结构钢来说是偏於安全的。另一方面﹐衝击载荷对材料缺口的敏感性比静载荷对材料缺口的敏感性大。这时把衝击载荷当作静载荷来处理﹐就必须提高安全係数。
         衝击波 零件受衝击时﹐其衝击应力和应变不可能立即传至整个零件﹐而是以应力波或应变波的形式传播。根据零件和加载条件的不同﹐应力波表现为平面形﹑圆筒形﹑球形等﹐并有纵波(正应力波)和横波(切应力波)的成分。应力波(入射波)在零件中传播时﹐遇到自由表面会引起反射﹐產生反射波。纵波若为垂直於表面的压缩波﹐反射波则为拉伸波。两个以上的应力波相遇﹐将產生复杂的干涉现象。根据入射波和反射波的迭加原理﹐计算出某一瞬间某一截面的峰值应力。当峰值应力超过材料的强度极限﹐零件就產生衝击破坏。根据应力波传播原理计算衝击强度﹐仅限於形状简单的零件。对於形状复杂的零件或受衝击载荷的整机﹐可用实验方法来确定衝击强度。
         小能量多次衝击 实际工作中的机械零件和构件﹐多数是承受衝击能量较小﹐衝击次数较多的小能量多次衝击载荷。它们的破坏是多次衝击损伤积累导致裂纹的形成和扩展的结果。材料一次衝击的破坏抗力﹐主要由衝击韧性来决定﹔但衝击次数较多的抗力﹐主要由材料的疲劳强度来确定。在这两者之间﹐当达到破坏的衝击次数增加时﹐衝击韧性的影响减小而疲劳强度的影响增加。根据对钢试样进行多次衝击的试验结果可得出结论﹕冲冲韧性影响范围在100～1000次以下。