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1、第三章 动态载荷分析,学习目的与要求：1了解疲劳实验及影响因素2掌握疲劳寿命及疲劳强度计算3掌握塑料件的热平衡计算4了解冲击实验和冲击强度及影响冲击性能的因素重点：1、疲劳寿命及疲劳强度计算2、塑料件的热平衡计算课时 1h,第三章 动态载荷分析,3.1 疲劳强度 塑料件在周期性变化的载荷作用下，通常比金属材料所呈现的力学特性更为复杂。这是由于它们有明显的粘弹性、导热性差所引起的。在动态载荷下，塑料件设计必须首先考虑的是疲劳强度。3.1.1 交变应力和持久极限 塑料件的疲劳破坏是由于交变应力引起的。如：齿轮、皮带传动。交变应力与时间关系见P44图3-1 平均应力 m=（max+min）/2 应力
2、幅度 a=（max-min）/2 交变应力特征=min/max max=m+a min=m-a,3.1 疲劳强度,3.1.1 在实际工作中交变应力有几种情况 1 转动轴在弯曲交变应力工作 max=-min 对称情况=-1 m=0 max=a 2 对于脉动循环=0 a=m=max/2=1 a=0 max=min=m,3.1 疲劳强度,3.1.2 疲劳实验及影响因素 常用的疲劳实验机有拉压和弯曲两种。试样有：无缺口、有缺口两种。影响因素：1 频率 较高的频率会产生热软化效应，应在较低载荷的频率0.1-10Hz 2 平均应力和应力幅度 3 负荷的波形 4 大多数高分子材料在惰性环境中的疲劳寿命，比在
3、化学浸蚀性介质中的疲劳寿命长。,3.1 疲劳强度,5 实验环境温度提高会使疲劳寿命降低。6 高分子质量的疲劳强度高；结晶度提高和交联度降低会增加疲劳寿命。7 加工后的塑件形态变化对疲劳寿命也有影响。茹取向提高疲劳寿命。8 在恒定应力下，在交变应变作用下的高聚物的疲劳寿命，随着应变幅的提高而降低。3.1.3 疲劳寿命计算 见P46-48,3.1 疲劳强度,3.1.4 疲劳强度的计算 可利用材料的疲劳曲线和数据，确定塑件的疲劳寿命和疲劳极限条件。对一些重要场合，直接对塑件进行疲劳强度实验。塑料件的缺陷特征：表面的凹凸尖角、缺口、沟槽、圆孔和壁厚突变外，还包栝切削痕、凹坑、流痕和擦伤等，都是形成应力
4、集中的因素。不考虑材料品种的几何应力集中系数K=实际状态有缺陷制品的最大应力/理论状态试样的应力 见P4 图3-6和图3-7 应用见P49例题,3.2 力学致热,在振动外力作用下，由于固态高聚物材料响应的粘滞效应和不良的导热性能，最终塑料件产生“热软化”或“热疲劳”，对高分子材料的动态热力学分析揭示了力学致热的实质和机理。防止塑料制品热软化的重要方法是进行热平衡计算。3.2.1 粘滞热效应 若实验速度较快，塑料材料加载后和立即卸载的应力和应变曲线不重合，这是由于分子链的粘性阻力转变为磨檫热所致。P50图3-11 在同等应力下，实验频率越高，塑料温度上升也愈多。,3.2 力学致热,3.2.2 塑
5、料件的热平衡计算 热平衡计算的依据，是塑料件在交变应力作用下所产生的滞后热量p 应等于通过热传导和热对流所散失的热量0 若1是塑料件或连接件通过热传导散失的热量，2为塑料件表面对流散失的热量，则p=1+2 由于塑料热传导很低，一般1=0，所以p=2,3.2 力学致热,计算步骤：1 根椐力学系统实际工作条件和可能，先设计该塑料件的主要技术参数。由此计算该塑料件有关几何特性参数：截面积、体积和抗弯截面模量。再次循环运行时，逐次改变主要几何参数的大小。2 根据该塑料件所受载荷，求出塑料件上产生滞后热的峰值应力。,3.2 力学致热,3 根据峰值应力，读入每周期的能量数值。4 由运动特性参数与几何参数，
6、算出塑料件产生的滞后能量p5 根据塑料件的散热面积等几何特性，由传热性能参数计算出塑料件的散热量06 计算机将本次计算的进行比较p、0，若两次数值相差很大，则返回1重新设计几何参数在进行计算。当p、0与相等或接近时，则计算终止。此次几何参数乃是达到热平衡的最佳设计。,3.2 力学致热,3.2.3 防止热软化的方法1 使用刚性大的材料；2 降低工作应力。减慢载荷循环速度；3 改变散热条件：采用金属嵌件导热 增加构件的表面积 设计散热孔 设计导流板,4将构件置于冷却介质中，并用热交换装置来调节冷却介质温度。,3.3 冲击载荷,塑料制品在使用和运输过程中，经常或偶然的撞击会使其变形或断裂。冲击失效是
7、高速负荷作用下发生的力学现象。3.3.1 冲击实验和冲击强度 冲击实验是在高速冲击载荷作用下，用于测定材料抗冲击性能的方法。冲击强度是评价材料抵抗冲击能力或判断材料脆性于韧性程度的量度。高分子材料冲击试验的方法有摆锤式、落锤式、拉伸冲击式。常用塑料的冲击强度见P57表3-1,3.3 冲击载荷,3.3.2 影响冲击性能的因素 1 缺口和应力集中 缺口尖角的曲率半径愈小，应力愈小，冲击强度愈低。Kt=1+2(h/r)1/2 h 为表面缺口的深度 r缺口尖角的曲率半径若hr 时 Kt=2(h/r)1/2 若作用于缺口或椭圆孔的载荷应力为，则他们的尖端的应力是：tip=Kt=2(h/r)1/2 显然此tip值应小于塑件允许的安全应力。,3.3 冲击载荷,2 温度影响 塑料制品在低温下呈现冲击脆性。在湿度较高的环境下，吸水率较高的聚酰胺比干燥状态下的冲击强度高几倍。3 冲击速度 韧性塑料随着应变速度的提高。将由塑性断裂转变为脆性断裂。即使在同样的能量下，高的冲击速度易于使脆性材料断裂。4 取向的影响 如果冲击力平行于材料取向方向，通常会使冲击强度增加，反之，如果冲击力垂直于材料取向方向，则抗冲击性能变差。,3.3 冲击载荷,3.3.3 冲击疲劳 冲击疲劳是指单向的脉冲式循环载荷，使塑料产生疲劳裂纹而断裂。冲击疲劳的失效预测，对齿轮、杠杆、壳体等塑料件可靠性设计有指导意义。,
