接触应力

一、概述

两个物体相互压紧时，在接触区附近产生的应力和变形，称为接触应力和接触变形。接触应力和接触变形具有明显的局部性，随着离开接触处的距离增加而迅速减小。材料在接触处的变形受到各方向的限制，接触区附近处在三向应力状态。在齿轮、滚动轴承、凸轮和机车车轮等机械零件的强度计算中，接触应力具有重要意义。

接触问题最先是由赫兹（H、Hertz）解决的，他得出了两个接触体之间由于法向力引起接触表面的应力和变形，其他研究者先后研究了接触面下的应力和切向力引起的接触问题等。

通常的接触问题计算，是建立在以下假设基础上的，即

1.接触区处于弹性应力状态。

2.接触面尺寸比物体接触点处的曲率半径小得多。

计算结果表明，接触面上的主应力大于接触面下的主应力，但最大切应力通常发生在接触面下某处

由于接触应力具有高度局部性和三轴性，在固定接触状态下，实际应力强度可能很高而没有引起明显的损伤。但接触应力往往具有周期性，可能引疲劳破坏、点蚀或表面剥落，因此，在确定接触许用应力时要考虑接触和线接触。当用接触面上最大应力建立强度条件时，许用应力与接触类型有关，点接触的许用应力是线接触的许用应力的1.3～1.4倍。

二、弹性接触应力与变形

1.符号说明

E1，E2——两接触体的弹性模量

v1,，v2——两接触体的泊松比

a——接触椭圆的长半轴

b——接触椭圆的短半轴

k=b/a=cosθ

R1，R1’——物体1表面在接触点处的主曲率半径。R1和R1所在的平面相互垂直。若曲率中心位于物体内，则半径为正，若曲率中心位于物体外，则半径为负。

R2， R2’——同上，但属物体2的

ψ——两接触体相应主曲率平面间的夹角

k(z/b)=cotυ——接触表面下到Z轴上要计算应力的一点相对深度

Z1——任一物体中从表面到Z轴产生最大切应力点的深度

A、B——任意两表面上接触点附近相应点之间距离的椭圆方程系数

２.接触表面上的应力与位移

两个任意形状的物体接触于一点，如图2-5-1所示，在法向力P作用下两物体压紧后形成的接触表面为椭圆形，其长、短半轴分别为

在接触面上的压应力大小按半椭形分布，最大压应力发生在接触面中心处，其值为

两物体接触后相对位移

以上式中系数α、β和λ见表2-5-1 α、β和λ系数。

图2-5-1 两个任意形状物体接触

利用上述结果，R1、R1和R2 R2的不同取值，可以求得球与球、球与平面、球与球面、球与圆柱、正交圆柱、球与圆柱形凹面，以及滚动轴承等点接触问题的变形、接触应力和相对位移，结果见表2-5-3 弹性体接触参数的计算公式。表中还列出了圆柱与平面、圆柱与圆柱、圆柱与圆柱面等线接触的结果。(表中与A、B有关的系数n1 n2 n3和n4，见表2-5-2 系数n1、n2、n3和n4的数值。)

3.接触表面下的应力

a主应力在Z轴上某点的主应力为

式中,

例如，选择比值B/A＝1.24，由式（4.13-8）可知k＝0.866和k’=0.5，从面确定接触面积下深度Z处的应力，如图2-5-2所示。当Z＝0时σx、σy、σz达到最大，它们均随深度的增加面减小。最大主应力为σz，σmax=0.67b/Δ。

图2-5-2 接触面下应力随距离变化曲线,v=0.25

B最大切应力τ1在强度计算中，接触表面下的最大切应力将起重要作用。任意点的最大切应力为

1/2(σmax-σmin)，图4.13-2中的曲表明，在稍低于接触表面之处，σx和σy比σz减小得快，因此，稍低于接触点处的最大切应力增大，而在Z1处达到最大值1/2（σz-σy），如图4.13-2中标有τ1的曲线所示。在B/A ＝1.24时，τ1max=0.22b/Δ，而深度kz1/b=0.44，即z1=0.44b/0.866=0.51b，与接触表面夹角45度。最大切应

力主要决定接触区域是否发生塑性变形。最大切应力的数值和位置随b/a变化情况如图2-5-3所示。

图2-5-3 最大切应力数值和位置

C平行于接触表面的最大切应力τo当接触体沿接触面滚动时，在接触表面下深度Z o处平行于接触表面的最大切应力，从+τo至-τo间变化，其范围为2τo，平行于接触表面的最大切应力范围的数值和深度，随b/a 的变化情况如图4.13-4所示。比较图2-5-3和图2-5-4可以看出，2τo大于τ1，因此，切应力范围2τo是决定滚动接触疲劳破损的重要因素。

图2-5-4 平行于接触表面的最大切应力数值和位置

4.切向力作用下的接触应力

接触面上的法向力往往伴在切向（磨擦）力，例如当齿轮滑动接触或轴在轴承中旋转时，就会出现这种情况。磨擦力的存在，导致两弹性体中的接触应力显著地大于法向力单独作用时所产生的应力。此外，磨擦力与法向力的同时存在，导致应力的性质发生某些变化。例如，当法向力单独作用时，物体中接触附近各点的三个主应力均匀压应力，而当磨擦力介入时，在紧接磨擦力后的区域内，三个主应力中的两个变拉应力，这些拉应力有助于说明为什么裂纹会在接触表面形成，并逐渐扩展的原因。接触表面上的法向力加上磨擦力后，也会导致接触表面区域内的切应力发生变化。最大切应力所在点的位置，从接触表面下移向接触区，当磨擦系数为1/10或较大时，此点位于接触表面上。

1.主应力当弹性圆柱滚子压向弹性平面时，考虑磨擦力的影响，接触表面上各点和表面下距离Z＝b/4

处的主应力σ1、σ2和σ3已根据磨擦系数1/3 算出，如图2-5-5所示。各个离应力的最大值，均在物体表面上沿着磨擦力的方向离开接触面积中心约为0.3b处。这些最大值，出现在同一点，其大小为σ1=-1.4b/Δ，σ2=--0.72b/Δ和σ3=--.053b/Δ。对应于磨擦系数1/3的磨擦力，使最大主应力增大40%。此外，图中曲线表明，主应力σ2和σ3在与磨擦力方向相反的接触面积边缘附近成为拉应力。

2.最大切应力根据接触表面上一点的最大和最小主应力值，可求得表面上该点的最大切应力为

表面上各点和表面下距离Z＝b/4处的切应力已利用图2-5-5中的主应力算出，如图2-5-6所示。R1=0.43 b/Δ值为最大切应力，它出现在接触面积中离中心约为0.3b处。

3.磨擦系数的影响磨擦系数的大小决定了最大主应力、最大切应力之值。最大接触应力随磨擦系数的变化，见表2-5-4 两个相对滑动而作线接触的长圆体之间的接触应力值（法向力和摩擦力）。

图2-5-5 切向力对接触主应力的影响

图2-5-6 切向力对接触切应力的影响

5.刚性压头与均布载荷的接触问题

在刚性刀口、刚性压头以及均布载荷作用下，半无限板（体）的接触应力和变形计算公式，见表2-5-5 弹性压头和均布载荷的接触问题计算公式

三、接触问题的强度计算

接触强度条件||应用举例||弹性接触参数的计算公式

接触强度条件

由于接触面附近材料处于三向应力状态，而且三个主应力都是压应力，在接触面中心三个主应力大小是相等的，所以，该处的材料能够承受很大的压力而不发生屈服，因此，接触面上的许用压应力很高。接触问题的强度条件，通常写成

式是，σmax为接触面上最大压应力，[σH]为接触许用应力。

接触问题的许用应力，与接触体形状、材质、受载状态以及判断准则等因素有关。

对于滚柱轴承或滚珠轴承

[σH]=3500～5000MPa

对于铁轨钢

[σH]=800～1000MPa

一些常用材料及零部件的许用接触应力，见下述五表：

?常用钢及铸钢的许用接触应力

?重型机械用钢的许用接触应力

?润滑良好的接触零件的许用接触应力（如凸轮）

?润滑一般的接触零件的许用接触应力（如走轮）

?许用接触应力实力

应用举例

如图2-5-7所示的单列向心推力球轴承4620B，其球中心圈直径Dm=60mm,球径

d=12.7mm,内圈沟槽直径Di=48.6mm，沟槽曲率半径ri=6.54mm，接触角α=26°，球与

内圈接触载荷P＝1765N，求最大接触应力和接触面尺寸。

图2-5-7 单项向心推力球轴承

本问题可按表2-5-2 系数n1、n2、n3 和n4的数值中序9球与圆柱形蒌凹面接触公式计算，此时式中

根据表2-5-3 弹性体接触参数的计算公式，经过插值计算求得系数

接触面积为长、短半轴为a和b的椭圆

根据接触应力公式

本题也可按两个任意形状物体接触公式（2-5-1）、（2-5-2）和式（2-5-3）计算。

此时式中

计算结果相同

(2)两个相互滚动的相同钢质圆柱，E＝200GPa,v=0.29,二者的曲率半径为32mm，宽度l＝15mm，作无磨擦的滚动时，载荷P＝14.4kN,年产生的应力为：σmax=1445MPa ,

τmax=433MPa，使圆柱承受载荷P＝14.4kN，而以稍微不同的转速旋转，因而滚子表面相互滑动，若滑动磨擦系数为1/9，试求σmax（拉）、σmax（压）、τmax。从

表2-5-4 两个相对滑动而作线接触的长圆体之间的接触应力值（法向力和摩擦力）可查得应力值为

Δ的大小可按式（2-5-5）求得

b可按式（2-5-9）或表2-5-2 系数n1、n2、n3 和n4的数值中序5的公式求得，在k＝0的极垠情况下，式（2-5-9）中的b值为

所以结果为

磨擦力（滑动滑动磨擦系数1/9）使最大压应力增大12.9%，使最大切应力增大3.5%

机械设计手册-销轴-接触应力计算全面讨论

传递动力的高副机构，如摩擦轮、凸轮齿轮、链轮传动、滚动轴承、滚动螺旋等，都有接触强度问题，自然也涉及到接触应力。在此对接触应力计算作较为全面的讨论。 两曲面的弹性体在压力作用下，相互接触时，都会产生接触应力，传递动力的高副机构在工作中往往出现的是交变应力，受交变接触应力的机器零件在一定的条件下会出现疲劳点蚀的现象，点蚀扩散到一定程度，零件就不能再用了，也就是说失效了，这样失效的形式称之为疲劳点蚀破坏，在ISO 标准中是以赫兹应力公式为基础的。本文较为集中地讨论了几种常见曲面的赫兹应力公式及常用机械零件的接触应力计算方法，便于此类零件的设计及强度验算。 1 任意两曲面体的接触应力 1.1 坐标系 图1所示为一曲面体的一部分，它在E点与另外一曲面体相接触，E点称为初始接触点。取 曲面在E点的法线为z轴，包括z轴可以有无限多个剖切平面，每个剖切平面与曲面相交，其交线为一条平面曲线，每条平面曲线在E点有一个曲率半径。不同的剖切平面上的平面曲线在E 点的曲率半径一般是不相等的。这些曲率半径中，有一个最大和最小的曲率半径，称之为主曲率半径，分别用R 和R表示，这两个曲率半径所在的方向，数学上可以证明是相互垂直的。平面曲线AEB所在的平面为y平面，由此得岀坐标轴x和y的位置。任何相接触的曲面都可以用这种方法来确定坐标系。由于z轴是法线方向，所以两曲面在E点接触时，z轴是相互重合的，而x i和X2之间、y和y之间的夹角用①表示（图2所示）

(1) 1.2 接触应力 两曲面接触并压紧，压力 P 沿z 轴作用，在初始接触点的附近，材料发生局部的变形， 靠接 触点形成一个小的椭圆形平面， 椭圆的长半轴 a 在x 轴上，短半轴b 在y 轴上。椭圆形接触面上 各点的单位压力大小与材料的变形量有关， z 轴上的变形量大，沿 z 轴将产生最大单位压力 P o o 其余各点的单位压力 P 是按椭圆球规律分布的。 / dF 从几何意义上讲等于半椭球的体积，故 二 2血珂 总一 3 接触面上的最大单位压力 P o 称为接触应力（T H a 、 b 的大小与二接触面的材料和几何形状有关。 2两球体的接触应力 图1曲面体的坐标 图2坐标关系及接触椭圆 其方程为 单位压力 总压力

各种许用应力与抗拉强度、屈服强度的关系

各种许用应力与抗拉强度、屈服强度的关系 我们在设计的时候常取许用剪切应力，在不同的情况下安全系数不同，许用剪切应力就不一样。校核各种许用应力常常与许用拉应力有联系，而许用材料的屈服强度（刚度）与各种应力关系如下： <一> 许用（拉伸）应力 钢材的许用拉应力[δ]与抗拉强度极限、屈服强度极限的关系： 1.对于塑性材料[δ]= δs /n 2.对于脆性材料[δ]= δb /n δb ---抗拉强度极限 δs ---屈服强度极限 n---安全系数 轧、锻件n=1.2-2.2 起重机械n=1.7 人力钢丝绳n=4.5 土建工程n=1.5 载人用的钢丝n=9 螺纹连接n=1.2-1.7 铸件n=1.6-2.5 一般钢材n=1.6-2.5 注：脆性材料：如淬硬的工具钢、陶瓷等。 塑性材料：如低碳钢、非淬硬中炭钢、退火球墨铸铁、铜和铝等。 <二> 剪切 许用剪应力与许用拉应力的关系： 1.对于塑性材料[τ]=0.6-0.8[δ] 2.对于脆性材料[τ]=0.8-1.0[δ] <三> 挤压 许用挤压应力与许用拉应力的关系 1.对于塑性材料[δj]=1.5- 2.5[δ]

2.对于脆性材料[δj]=0.9-1.5[δ] 注：[δj]=1.7-2[δ]（部分教科书常用） <四> 扭转 许用扭转应力与许用拉应力的关系： 1.对于塑性材料[δn]=0.5-0.6[δ] 2.对于脆性材料[δn]=0.8-1.0[δ] 轴的扭转变形用每米长的扭转角来衡量。对于一般传动可取[φ]=0.5°--1°/m；对于精密件，可取[φ]=0.25°-0.5°/m；对于要求不严格的轴，可取[φ]大于1°/m计算。 <五> 弯曲 许用弯曲应力与许用拉应力的关系： 1.对于薄壁型钢一般采取用轴向拉伸应力的许用值 2.对于实心型钢可以略高一点，具体数值可参见有关规范。

计算斜齿圆柱齿轮传动的接触应力

计算斜齿圆柱齿轮传动的接触应力时，推导计算公式的出发点和直齿圆柱齿轮相似，但要考虑其以下特点：啮合的接触线是倾斜的，有利于提高接触强度 ；重合度大，传动平稳。 齿轮的计算载荷 为了便于分析计算，通常取沿齿面接触线单位长度上所受的载荷进行计算。沿齿面接触线单位长度上的平均载荷P （单位为N/mm ）为 P= L F n Fn ——作用在齿面接触线上的法向载荷 L ——沿齿面的接触线长，单位mm 法向载荷Fn 为公称载荷，在实际传动中，由于齿轮的制造误差，特别是基节误差和齿形误差的影响，会使法面载荷增大。此外，在同时啮合的齿对间，载荷的分配不是均匀的，即使在一对齿上， 载荷也不可能沿接触线均匀分布。因此在计算载荷的强度时，应按接触线单位长度上的最大载荷，即计算P ca 位N/mm ）进行计算。即 Pca = KP =K L F n K ——载荷系数 载荷系数K 包括 ：使用系数AK ，动载系数VK ，齿间载荷分配系数αK 及齿向载荷分布数βK ，即 K =K A K V K αK β 使用系数K A 是考虑齿轮啮合时外部领接装置引起的附加动载荷影响的系数。 查表的K A =1.35 动载系数K V 齿轮传动制造和装配误差是不可避免的，齿轮受载后还要发生弹性变形，因此引入了动载系数 取K V =1.05 齿间载荷系数K α 齿轮的制造精度8精度 K α= 1.1 齿向荷分配系数K β 载荷系数 1.7152A V K K K K K αβ==齿轮： 齿轮： d 1=m n z/cos β=15.2 齿轮齿顶高：h a1= (h *a1+X n )*m n =2.5

齿轮材料许用应力选用参考规范

齿轮材料许用应力选用参考规范 不言而喻，如何选用材料许用应力，是齿轮强度设计的关键，安全系数取的太低往往带来使用安全风险，安全系数取的太高则必然造成材料和能源浪费。上世纪尤其80年代之前一些钢种如45#、40Cr、Q235(A3)、Q345(16Mn) 的许用应力数据比较全，很多设计手册中都有，但齿轮材料（如20CrMnTi、20CrNi3、20CrNiMo、20CrNiMo 等）的许用应力数据，往往在设计手册中是找不到的。本文根据机械设计的基本原则和材料标准中强度数据，演算出齿轮材料弯曲许用应力、疲劳许用应力和接触许用应力数据，供齿轮设计人员参考使用。 一、许用应力选择依据 1、许用弯曲应力—用于齿根强度计算 根据设计手册，静载荷拉应力安全系数:低强度钢n s=1.4‐1.8；高强钢n s=1.7‐2.2；以屈服强度为基数。 齿轮材料屈服强度数据可从GB/T699‐1999、GB/T1591‐2008、GB/T3077‐1999标准中选取。 受弯曲应力比拉应力状况会好一些，许用应力可以提高15‐20%。 2、许用弯曲疲劳应力—用于齿根疲劳强度计算 疲劳载荷安全系数:低强度钢n‐1=1.5‐1.8；高强钢n s=1.8‐2.5。 弯曲疲劳强度极限σ‐1=0.27（σs+σb），σs和σb数据可从GB/T699‐1999、 GB/T1591‐2008、GB/T3077‐1999标准中选取。 3、许用接触应力—用于齿面接触强度计算 许用接触应力不但与齿轮本身材料硬度有关，与其配对的齿轮硬度也有关联，下列数据是将齿轮副当同一材料看待。 齿轮硬度根据齿轮材料及其热处理方法来确定，多数数据可以从GB/T5216‐2004标准选取。 许用应力数值是材料布式硬度的0.59‐0.69，随着硬度提高，比例也增高。

机械零件的接触应力计算

机械零件的接触应力计算 摘要：传递动力的高副机构，如摩擦轮、凸轮齿轮、链轮传动、滚动轴承、滚动螺旋等，都有接触强度问题，自然也涉及到接触应力。在此对接触应力计算作较为全面的讨论。 关键词：接触应力 赫兹应力公式 高副 两曲面的弹性体在压力作用下，相互接触时，都会产生接触应力，传递动力的高副机构在工作中往往出现的是交变应力，受交变接触应力的机器零件在一定的条件下会出现疲劳点蚀的现象，点蚀扩散到一定程度，零件就不能再用了，也就是说失效了，这样失效的形式称之为疲劳点蚀破坏，在ISO 标准中是以赫兹应力公式为基础的。本文较为集中地讨论了几种常见曲面的赫兹应力公式及常用机械零件的接触应力计算方法，便于此类零件的设计及强度验算。 1 任意两曲面体的接触应力 1.1 坐标系 图1所示为一曲面体的一部分，它在E 点与另外一曲面体相接触，E 点称为初始接触点。取曲面在E 点的法线为z 轴，包括z 轴可以有无限多个剖切平面，每个剖切平面与曲面相交，其交线为一条平面曲线，每条平面曲线在E 点有一个曲率半径。不同的剖切平面上的平面曲线在E 点的曲率半径一般是不相等的。这些曲率半径中，有一个最大和最小的曲率半径，称之为主曲率半径，分别用R′和R 表示，这两个曲率半径所在的方向，数学上可以证明是相互垂直的。平面曲线AEB 所在的平面为yz 平面，由此得出坐标轴x 和y 的位置。任何相接触的曲面都可以用这种方法来确定坐标系。由于z 轴是法线方向，所以两曲面在E 点接触时，z 轴是相互重合的，而x 1和x 2之间、y 1和y 2之间的夹角用Φ表示(图2所示)。 图1 曲面体的坐标 图2 坐标关系及接触椭圆 1.2 接触应力 两曲面接触并压紧，压力P 沿z 轴作用，在初始接触点的附近，材料发生局部的变形，靠接触点形成一个小的椭圆形平面，椭圆的长半轴a 在x 轴上，短半轴b 在y 轴上。椭圆形接触面上各点的单位压力大小与材料的变形量有关，z 轴上的变形量大，沿z 轴将产生最大单位压力P 0。其余各点的单位压力P 是按椭圆球规律分布的。

接触应力计算全面讨论

接触应力计算全面讨论

图1 曲面体的坐标 图2 坐标关系及接触椭圆 1.2 接触应力 两曲面接触并压紧，压力P 沿z 轴作用，在初始接触点的附近，材料发生局部的变形，靠接触点形成一个小的椭圆形平面，椭圆的长半轴a 在x 轴上，短半轴b 在y 轴上。椭圆形接触面上各点的单位压力大小与材料的变形量有关，z 轴上的变形量大，沿z 轴将产生最大单位压力P 0。其余各点的单位压力P 是按椭圆球规律分布的。 其方程为 单位压力 总压力 P 总＝∫PdF ∫dF 从几何意义上讲等于半椭球的体积，故 接触面上的最大单位压力P 0称为接触应力σH （1） a 、 b 的大小与二接触面的材料和几何形状有关。 2 两球体的接触应力

半径为R1、R2的两球体相互接触时，在压力P的作用下，形成一个半径为a的圆形接触面积即a＝b(图4)，由赫兹公式得 式中：E1、E2为两球体材料的弹性模量；μ1、μ2为两球体材料的泊松。 图4 两球体外接触 取综合曲率半径为R，则 若两球体的材料均为钢时，E1＝E2＝E，μ1＝μ2＝μ＝0．3，则 （2） 如果是两球体内接触(图5)，综合曲率半径为，代入式(2)计算即可求出接触应力σH。如果是球体与平面接触，即R2＝∞，则R＝R1代入式(2)计算即可。

图5 两球体内接触 3 轴线平行的两圆柱体相接触时的接触应力 轴线平行的两圆柱体接触时，变形前二者沿一条直线接触，压受力P 后，接触处发生了弹性变形，接触线变成宽度为2b 的矩形面(图6)，接触面上的单位压力按椭圆柱规律分布。变形最大的x 轴上压力最大，以P 0表示，接触面上其余各点的压力按半椭圆规律分布，如图7 ， 半椭圆柱的体积等于总压力P ，故 图6 两圆柱体接触 图7 轴线平行的两圆柱体相接触的压力分布 最大单位压力 （3）

弹簧常用材料及其许用应力

表1 弹簧常用材料及其许用应力 表2 弹簧钢丝的拉伸强度极限σB（MPa） 表3 常用旋绕比C值 表4 普通圆柱螺旋弹簧尺寸系列 表5 导杆（导套）与弹簧间的间隙 表6 通圆柱螺旋压缩及拉伸弹簧的结构尺寸 注：①弹簧按载荷性质分为三类： I类一受变载荷作用次数在106以上的弹簧； II类一受变载荷作用次数在103~105及冲击载荷的弹簧； III类一受变载荷作用次数在103下的弹簧。 ②碳素弹簧钢丝的组别见表2。 ③弹簧材料的拉伸强度极限，查表2。

注：表中σB均为下限值。

1.1～ 2.2 7～144～9

表6 通圆柱螺旋压缩及拉伸弹簧的结构尺寸 参数名称及代号 计算公式 备注压缩弹簧拉伸弹簧 中径D2D2=Cd按表4取标准值内径D1D1=D2-d 外径D D=D2+d 旋绕比C C=D2/d 压缩弹簧长细比b b=H0/D2b在1～5.3的范围内选取 自由高度或长度H0 H0≈pn+(1.5～2)d （两端并紧，磨平） H0≈pn+(3～3.5)d （两端并紧，不磨平） H0=nd+钩环轴向长度 工作高度或长度 H1,H2,…,H n Hn=H0-λn H n=H0+λnλn--工作变形量有效圈数n根据所要求的变形量计算n≥2 总圈数n1 n1=n+(2～2.5)（冷卷） n1=n+(1.5～2) （YII型热 卷） n1=n 拉伸弹簧n1尾数为 1/4,1/2,3/4整圈。推荐用1/2 圈 节距p p=(0.28～0.5)D2p=d 轴向间距δδ=p-d 展开长度L L=πD2n1/cosαL≈πD2n+钩环展开长度 螺旋角αα=arctg(p/πD2) 对压缩螺旋弹簧，推荐 α=5°～9° 质量ms ms=γ为材料的密度，对各种钢，γ=7700kg/；对铍青铜，γ=8100kg/

ansys接触应力

一般的接触分类 (2) ANSYS接触能力 (2) 点─点接触单元 (2) 点─面接触单元 (2) 面─面的接触单元 (3) 执行接触分析 (4) 面─面的接触分析 (4) 接触分析的步骤： (4) 步骤1：建立模型，并划分网格 (4) 步骤二：识别接触对 (4) 步骤三：定义刚性目标面 (5) 步骤4：定义柔性体的接触面 (8) 步骤5：设置实常数和单元关键字 (10) 步骤六： (21) 步骤7：给变形体单元加必要的边界条件 (21) 步骤8：定义求解和载步选项 (22) 第十步：检查结果 (23) 点─面接触分析 (25) 点─面接触分析的步骤 (26) 点－点的接触 (35) 接触分析实例（GUI方法） (38) 非线性静态实例分析（命令流方式） (42) 接触分析 接触问题是一种高度非线性行为，需要较大的计算资源，为了进行实为有效的计算，理解问题的特性和建立合理的模型是很重要的。 接触问题存在两个较大的难点：其一，在你求解问题之前，你不知道接触区域，表面之间是接触或分开是未知的，突然变化的，这随载荷、材料、边界条件和其它因素而定；其二，大多的接触问题需要计算摩擦，有几种摩擦和模型供你挑选，它们都是非线性的，摩擦使问题的收敛性变得困难。

一般的接触分类 接触问题分为两种基本类型：刚体─柔体的接触，半柔体─柔体的接触，在刚体─柔体的接触问题中，接触面的一个或多个被当作刚体，（与它接触的变形体相比，有大得多的刚度），一般情况下，一种软材料和一种硬材料接触时，问题可以被假定为刚体─柔体的接触，许多金属成形问题归为此类接触，另一类，柔体─柔体的接触，是一种更普遍的类型，在这种情况下，两个接触体都是变形体（有近似的刚度）。 ANSYS接触能力 ANSYS支持三种接触方式：点─点，点─面，平面─面，每种接触方式使用的接触单元适用于某类问题。 为了给接触问题建模，首先必须认识到模型中的哪些部分可能会相互接触，如果相互作用的其中之一是一点，模型的对立应组元是一个结点。如果相互作用的其中之一是一个面，模型的对应组元是单元，例如梁单元，壳单元或实体单元，有限元模型通过指定的接触单元来识别可能的接触匹对，接触单元是覆盖在分析模型接触面之上的一层单元，至于ANSTS使用的接触单元和使用它们的过程，下面分类详述。 点─点接触单元 点─点接触单元主要用于模拟点─点的接触行为，为了使用点─点的接触单元，你需要预先知道接触位置，这类接触问题只能适用于接触面之间有较小相对滑动的情况（即使在几何非线性情况下） 如果两个面上的结点一一对应，相对滑动又以忽略不计，两个面挠度（转动）保持小量，那么可以用点─点的接触单元来求解面─面的接触问题，过盈装配问题是一个用点─点的接触单元来模拟面─与的接触问题的典型例子。 点─面接触单元 点─面接触单元主要用于给点─面的接触行为建模，例如两根梁的相互接触。 如果通过一组结点来定义接触面，生成多个单元，那么可以通过点─面的接触单元来模拟面─面的接触问题，面即可以是刚性体也可以是柔性体，这类接触问题的一个典型例子是插头到插座里。

接触应力

一、概述 两个物体相互压紧时，在接触区附近产生的应力和变形，称为接触应力和接触变形。接触应力和接触变形具有明显的局部性，随着离开接触处的距离增加而迅速减小。材料在接触处的变形受到各方向的限制，接触区附近处在三向应力状态。在齿轮、滚动轴承、凸轮和机车车轮等机械零件的强度计算中，接触应力具有重要意义。 接触问题最先是由赫兹（H、Hertz）解决的，他得出了两个接触体之间由于法向力引起接触表面的应力和变形，其他研究者先后研究了接触面下的应力和切向力引起的接触问题等。 通常的接触问题计算，是建立在以下假设基础上的，即 1.接触区处于弹性应力状态。 2.接触面尺寸比物体接触点处的曲率半径小得多。 计算结果表明，接触面上的主应力大于接触面下的主应力，但最大切应力通常发生在接触面下某处 由于接触应力具有高度局部性和三轴性，在固定接触状态下，实际应力强度可能很高而没有引起明显的损伤。但接触应力往往具有周期性，可能引疲劳破坏、点蚀或表面剥落，因此，在确定接触许用应力时要考虑接触和线接触。当用接触面上最大应力建立强度条件时，许用应力与接触类型有关，点接触的许用应力是线接触的许用应力的1.3～1.4倍。 二、弹性接触应力与变形 1.符号说明 E1，E2——两接触体的弹性模量 v1,，v2——两接触体的泊松比 a——接触椭圆的长半轴 b——接触椭圆的短半轴 k=b/a=cosθ R1，R1’——物体1表面在接触点处的主曲率半径。R1和R1所在的平面相互垂直。若曲率中心位于物体内，则半径为正，若曲率中心位于物体外，则半径为负。 R2， R2’——同上，但属物体2的 ψ——两接触体相应主曲率平面间的夹角 k(z/b)=cotυ——接触表面下到Z轴上要计算应力的一点相对深度 Z1——任一物体中从表面到Z轴产生最大切应力点的深度

第三章 土中应力计算习题与答案复习过程

第三章土中应力计算 一、填空题 1.由土筑成的梯形断面路堤，因自重引起的基底压力分布图形是梯形，桥梁墩台等刚性基础在中心荷载作用下，基底的沉降是相同的。 2.地基中附加应力分布随深度增加呈曲线减小，同一深度处，在基底中心点下，附加应力最大。 3.单向偏心荷载作用下的矩形基础，当偏心距e > l/6时，基底与地基局部脱开，产生应力重分部。 4.在地基中，矩形荷载所引起的附加应力，其影响深度比相同宽度的条形基础浅，比相同宽度的方形基础深。 5.上层坚硬、下层软弱的双层地基，在荷载作用下，将发生应力扩散现象，反之，将发生应力集中现象。 6.土中应力按成因可分为自重应力和附加应力。 7.计算土的自重应力时，地下水位以下的重度应取有效重度（浮重度）。 8.长期抽取地下水位，导致地下水位大幅度下降，从而使原水位以下土的有效自重应力增加，而造成地基沉降的严重后果。 9.饱和土体所受到的总应力为有效应力与孔隙水压力之和。 二、名词解释 1.基底附加应力：基底压应力与基底标高处原土层自重应力之差。 2.自重应力：由土层自身重力引起的土中应力。 3.基底压力：建筑物荷载通过基础传给地基，在基础底面与地基之间的接触应力。 三、选择题 1.成层土中竖向自重应力沿深度的增大而发生的变化为：（B ） （A）折线减小（B）折线增大（C）斜线减小（D）斜线增大2.宽度均为b，基底附加应力均为P0的基础，同一深度处，附加应力数值最大的是：（C ）（A）方形基础（B）矩形基础（C）条形基础（D）圆形基础（b为直径）3.可按平面问题求解地基中附加应力的基础是：（B ） （A）柱下独立基础（B）墙下条形基础（C）片筏基础（D）箱形基础4.基底附加应力P0作用下，地基中附加应力随深度Z增大而减小，Z的起算点为：（A ）（A）基础底面（B）天然地面（C）室内设计地面（D）室外设计地面5.土中自重应力起算点位置为：（B ） （A）基础底面（B）天然地面（C）室内设计地面（D）室外设计地面6.地下水位下降，土中有效自重应力发生的变化是：（A ） （A）原水位以上不变，原水位以下增大（B）原水位以上不变，原水位以下减小（C）变动后水位以上不变，变动后水位以下减小 （D）变动后水位以上不变，变动后水位以下增大 7.深度相同时，随着离基础中心点距离的增大，地基中竖向附加应力：（D ） （A）斜线增大（B）斜线减小（C）曲线增大（D）曲线减小 8.单向偏心的矩形基础，当偏心距e < l/6（l为偏心一侧基底边长）时，基底压应力分布图简化为：（B ） （A）矩形（B）梯形（C）三角形（D）抛物线形 9.宽度为3m的条形基础，作用在基础底面的竖向荷载N＝1000kN/m ，偏心距e＝0.7m，基

弹簧常用材料及其许用应力

表1 弹簧常用材料及其许用应力 ③弹簧材料的拉伸强度极限，查表 2。 弹簧钢丝的拉伸强度极限 bB ( MPa ) 常用旋绕比C 值 普通圆柱螺旋弹簧尺寸系列 导杆(导套)与弹簧间的间隙 通圆柱螺旋压缩及拉伸弹簧的结构尺寸 表1弹簧常用材料及其许用应力(摘自 GBI239-1976 ) 特性及用途 强度高，韧性好, 适用于做小弹簧 弹性好，回火稳定 性好，易脱碳，用 于制造大载荷弹簧 注：① 弹簧按载荷性质分为三类: I 类一受变载荷作用次数在 106 以上的弹簧; II 类一受变载荷作用次数在 103~10 5及冲击载荷的弹簧; III 类一受变载荷作用次数 在 103 下的弹簧。 ②碳素弹簧钢丝的组别见表

表2弹簧钢丝的拉伸强度极限 o ( MPa ) 注：表中OB 均为下限值。 碳素弹簧钢丝 特殊用途碳素弹簧钢丝 重要用途弹簧钢丝 钢丝直径 d(mm) I 组 II 组Ila 组 III 组 钢丝直径 d(mm) 甲组 乙组 丙组 钢丝直径 d(mm) ■1 65Mn 0.32 ? 0.6 2599 2157 1667 0.2? 0.55 2844 1 2697 1 2550 0.63 ? 0.8 2550 2108 1667 0.6 ? -0.8 2795 2648 2501 0.85 ? 0.9 2501 2059 1618 0.9 ?1 2746 2599 2452 1765 1 2452 2010 1618 1. 1 2599 2452 1? 1.2 1716 1.1? 1.2 2354 1912 1520 1.2 ? -1.3 2501 2354 1.4 ? -1.6 1.3? 1.4 2256 1863 1471 1.4 ? -1.5 2403 2256 1667 1.5? 1.6 2157 1814 1422 1.8 ?2 1618 1.7? 1.8 2059 1765 1373 2.2 ? -2.5 2 1961 1765 1373 1569 2.2 1863 1667 1373 2.8 ? -3.4 1471 2.5 1765 1618 1275 3.5 1422 2.8 1716 1618 1275 3.8 ? -4.2 1373 3 1667 1618 1275 4.5 1324 3.2 1 1 1667 1520 1177 4.8 ? -5.3 1275 3.4? 3.6 1618 1520 1177 5.5 ?6 4 1 1 1569 1471 1128 4.5? 5 1471 1373 1079 5.6? 6 1422 1324 1030 6.3? 8 , 1 1226 981 1 1

接触应力计算全面讨论

传递动力的商副机构，如摩擦轮、凸轮齿轮、链轮传动、滚动轴承、滚动螺旋等，都有接触强度问题，自然也涉及到接触应力C在此对接触应力计算作较为全而的讨论。 两曲面的弹性体在压力作用下，相互接触时，都会产生接触应力，传递动力的高副机构在工作中往往出现的是交变应力，受交变接触应力的机器零件在一定的条件下会出现疲劳点蚀的现象，点蚀扩散到一定程度, 零件就不能再用了，也就是说失效了，这样失效的形式称之为疲劳点蚀破环，在ISO标准中是以赫兹应力公式为基础的。木文较为集中地讨论r几种常见曲面的赫兹应力公式及常用机械零件的接触应力计算方法, 便于此类零件的设计及强度验算。 1任意两曲面体的接触应力 L 1坐标系 图1所示为?曲而体的?部分，它在占点与另外?曲而体相接触，万点称为初始接触点。取曲而在￡点的法线为Z轴，包括z轴可以有无限多个剖切平而，每个剖切平面与曲面相交，其交线为?条平面曲线，每条平面曲线在E点有?个曲率半径。不同的剖切平而上的平面曲线在E 点的曲率半径?般是不相等的。这些曲率半径中，有?个最大和最小的曲率半径，称之为主曲率半径，分别用R'和R表示，这两个曲率半径所在的方向，数学上可以证明是相互垂直的。平而曲线AEB所在的平而为yz平面，由此得出坐标轴x和y的位置。任何相接触的曲面都可以用这种方法来确定坐标系。由于z轴是法线方向，所以两曲面在E点接触时，z轴是相互重合的，而 &和x,之间、y,和y,之间的夹角用中表示（图2所示）。

1.2接触应力 两曲而接触并压紧，压力P 沿z 轴作用，在初始接触点的附近，材料发生局部的变形，靠接 触点形成?个小的椭圆形平而，椭圆的长半轴a 在x 轴上，短半轴b 在y 轴上。椭圆形接触而上 各点的单位压力大小与材料的变形星有关，z 轴上的变形星大，沿z 轴将产生最大单位压力已。 其余各点的单位压力P 是按椭圆球规律分布的。 总压力 P^= JPdF J dF 从几何意义上讲等于半椭球的体积，故 P 莒=—^― 接触而上的最大单位压力P 。称为接触应力0H 3P# (1) a 、 b 的大小与二接触面的材料和几何形状有关。 2两球体的接触应力 图1曲面体的坐标 图2坐标关系及接触椭圆 其方程为 单位压力

机械设计手册销轴接触应力计算全面讨论

传递动力的高副机构,如摩擦轮、凸轮齿轮、链轮传动、滚动轴承、滚动螺旋等,都有接触强度问题,自然也涉及到接触应力。在此对接触应力计算作较为全面的讨论。 两曲面的弹性体在压力作用下,相互接触时,都会产生接触应力,传递动力的高副机构在工作中往往出现的就是交变应力,受交变接触应力的机器零件在一定的条件下会出现疲劳点蚀的现象,点蚀扩散到一定程度,零件就不能再用了,也就就是说失效了,这样失效的形式称之为疲劳点蚀破坏,在ISO 标准中就是以赫兹应力公式为基础的。本文较为集中地讨论了几种常见曲面的赫兹应力公式及常用机械零件的接触应力计算方法,便于此类零件的设计及强度验算。 1 任意两曲面体的接触应力 1、1 坐标系 图1所示为一曲面体的一部分,它在E 点与另外一曲面体相接触,E 点称为初始接触点。取曲面在E 点的法线为z 轴,包括z 轴可以有无限多个剖切平面,每个剖切平面与曲面相交,其交线为一条平面曲线,每条平面曲线在E 点有一个曲率半径。不同的剖切平面上的平面曲线在E 点的曲率半径一般就是不相等的。这些曲率半径中,有一个最大与最小的曲率半径,称之为主曲率半径,分别用R′与R 表示,这两个曲率半径所在的方向,数学上可以证明就是相互垂直的。平面曲线AEB 所在的平面为yz 平面,由此得出坐标轴x 与y 的位置。任何相接触的曲面都可以用这种方法来确定坐标系。由于z 轴就是法线方向,所以两曲面在E 点接触时,z 轴就是相互重合的,而x 1与x 2之间、y 1与y 2之间的夹角用Φ表示(图2所示)。 图1 曲面体的坐标 图2 坐标关系及接触椭圆

1、2 接触应力 两曲面接触并压紧,压力P沿z轴作用,在初始接触点的附近,材料发生局部的变形,靠接触点形成一个小的椭圆形平面,椭圆的长半轴a在x轴上,短半轴b在y轴上。椭圆形接触面上各点的单位压力大小与材料的变形量有关,z轴上的变形量大,沿z轴将产生最大单位压力P0。其余各点的单位压力P就是按椭圆球规律分布的。 其方程为 单位压力 总压力P总＝∫PdF ∫dF从几何意义上讲等于半椭球的体积,故 接触面上的最大单位压力P0称为接触应力σH (1) a、b的大小与二接触面的材料与几何形状有关。 2 两球体的接触应力 半径为R1、R2的两球体相互接触时,在压力P的作用下,形成一个半径为a的圆形接触面积即a＝b(图4),由赫兹公式得

螺栓的材料和许用应力

螺栓的材料和许用应力 六、螺栓的材料和许用应力 (1)螺栓材料 常用材料：Q215、Q235、25和45号钢，对于重要的或特殊用途的螺纹联接件，可选用15Cr ，20Cr，40Cr，15MnVB，30CrMrSi等机械性能较高的合金钢。 (2)许用应力 螺纹联接件的许用应力与载荷性质(静、变载荷) 、联接是否拧紧，预紧力是否需要控制以及螺纹联接件的材料、结构尺寸等因素有关。精确选定许用应力必须考虑上述各因素，设计时可参照表11-4选择。 表11-4 螺栓、螺钉、螺柱、螺母的性能等级 注：9.8级仅适用于螺纹公称直径≤16mm 的螺栓、螺钉和螺柱。 表11-5紧螺栓联接的许用应力及安全系数 注：松螺栓联接时，取：[σ]=σs/S，S=1.2～1.7。

表11-6 许用剪切和挤压应力及安全系数 例11-1 如例图11-1所示，一铸铁吊架用两个螺栓固紧在混凝土梁上。吊架所承受的静载荷为P=6000 N，吊架底面尺寸及其它有关尺寸如图所示。试求受力最大的螺栓所受的拉力。 解：该螺栓联接属受轴向载荷的普通螺栓联接(受拉螺栓联接)，螺栓受拉力 和螺纹间的摩擦力矩的作用。若将增加30%以考虑的影响，则可认为螺栓所受的当量拉力为 ＝1.3 1、计算受力最大的螺栓所受的轴向工作载荷： F＝P/2+PL/500 ＝6000/2+6000×350/500=7200N 2、预紧力F'的大小应能满足下面两个条件： 受弯矩M=PL作用后，联接的右端不出现间隙； 受弯矩M=PL作用后，联接的左端不被压溃。 为了满足第一个条件，应使：在接合面上，由预紧力F'产生的压应力应比与由拉力P产生的拉应力与由弯矩M产生的弯曲应力之和要大。即 由此可求得F'≥13500 N。 并校核是否满足联接的左端不被压溃的条件(一般可以满足，这里略去这一校核) 3、确定螺栓的相对刚度由表11-2，查得相对刚度为