應(yīng)力狀態(tài)分析以及強(qiáng)度理論

1、關(guān)于應(yīng)力狀態(tài)分析及強(qiáng)度理論第一張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月14-1 應(yīng)力狀態(tài)的概念構(gòu)件在拉伸扭轉(zhuǎn)彎曲基本變形情況下，并不都是沿橫截面破壞的。如低碳鋼屈服時(shí)，在與試件軸線成45的方向上出現(xiàn)滑移線如鑄鐵壓縮時(shí)，試件沿軸線45的斜截面破壞再如鑄鐵軸扭轉(zhuǎn)時(shí)，沿45的螺旋面破壞第二張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月為了分析各種破壞現(xiàn)象，建立組合變形的強(qiáng)度條件，還必須研究各個(gè)不同斜截面上的應(yīng)力。哪一個(gè)面上？哪一點(diǎn)？ 過(guò)一點(diǎn)不同方向面上應(yīng)力的集合，稱之為這一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)（State of the Stresses of a Given Point）。計(jì)算應(yīng)力一定要指明：第三張，PPT共

2、六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月圍繞一點(diǎn)取單元體微元單元體單元體邊長(zhǎng)無(wú)窮??；應(yīng)力沿邊長(zhǎng)無(wú)變化；單元體各個(gè)面上的應(yīng)力是均勻分布的；兩個(gè)平行面上的應(yīng)力大小相等。第四張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月回顧梁橫力彎曲時(shí)橫截面上點(diǎn)的應(yīng)力:考慮中性層上的A點(diǎn)正應(yīng)力等于0，切應(yīng)力最大考慮梁邊緣上的B點(diǎn)正應(yīng)力最大，切應(yīng)力為0 同一面上不同點(diǎn)的應(yīng)力各不相同。此即應(yīng)力的點(diǎn)的概念第五張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月單向拉伸斜截面上的應(yīng)力 經(jīng)過(guò)計(jì)算可得到單向拉伸斜截面上的應(yīng)力為:第六張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 即使同一點(diǎn)在不同方位截面上，它的應(yīng)力也是各不相同的，此即應(yīng)力的面的概念。第七

3、張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月主單元體、主應(yīng)力與主平面主單元體(Principle body)： 各側(cè)面上切應(yīng)力均為零的單元體。主平面(Principle Plane)： 切應(yīng)力為零的截面。主應(yīng)力(Principle Stress ）： 主面上的正應(yīng)力。主應(yīng)力排列規(guī)定：按代數(shù)值大小，第八張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月單向、二向、三向應(yīng)力狀態(tài)三個(gè)主應(yīng)力中只有一個(gè)不等于0 單向應(yīng)力狀態(tài)第九張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月三個(gè)主應(yīng)力中有兩個(gè)不等于0 二向（平面）應(yīng)力狀態(tài)第十張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月三個(gè)主應(yīng)力都不等于0 三向（空間）應(yīng)力狀態(tài)第十一張，

4、PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月14-2 平面應(yīng)力狀態(tài)分析1 斜截面上的應(yīng)力 二向應(yīng)力狀態(tài)是工程中最為常見(jiàn)的一種應(yīng)力情況，一般的單元體如圖：正應(yīng)力 拉伸為正 壓縮為負(fù)切應(yīng)力 繞單元體順時(shí)針轉(zhuǎn)為正，反之為負(fù)第十二張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月斜截面上的應(yīng)力 通過(guò)截面外法線的方位定義截面的位置X軸正向到斜截面外法線逆時(shí)針轉(zhuǎn)角為正第十三張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月數(shù)學(xué)整理后，可得任意斜截面上的正應(yīng)力和切應(yīng)力:第十四張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月10MPa20MPa30MPa例14-1 單元體如圖 ，求 的斜截面上的應(yīng)力x解：建立坐標(biāo)系第十五張，PPT共六十

5、一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月可見(jiàn)sa和ta隨著a的變化而變化，是a的函數(shù)，所以對(duì)a求導(dǎo)數(shù)可得到其極值。 10MPa20MPa30MPasata第十六張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2 應(yīng)力極值 若a = a0時(shí)，導(dǎo)數(shù)為0通過(guò)上式可以求出相差p/2的兩個(gè)角度a0，它們確定兩個(gè)相互垂直的面，其中一個(gè)是最大正應(yīng)力所在的平面，另一個(gè)是最小正應(yīng)力所在平面。第十七張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月若將a0的值代入切應(yīng)力公式:可得:ta0=0得到以下結(jié)論:1) 切應(yīng)力為0的平面上，正應(yīng)力為最大或最小值；2) 切應(yīng)力為0的平面是主平面，主平面上的正應(yīng)力是主應(yīng)力，所以主應(yīng)力就是最大或者最小的正應(yīng)

6、力。第十八張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月將a0代入sa的計(jì)算公式，計(jì)算得到最大和最小正應(yīng)力采用同樣的方法對(duì)ta式求導(dǎo)第十九張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月則a1確定的斜截面上的切應(yīng)力是最大值或最小值。代入公式:若a =a1時(shí)，第二十張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月最大正應(yīng)力所在的平面:最大和最小切應(yīng)力所在的平面與主平面的夾角為45最大切應(yīng)力所在的平面:第二十一張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月50MPa30MPa30MPa求斜截面上的應(yīng)力及三個(gè)主應(yīng)力30第二十二張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月例14-2 討論圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)，并分析鑄鐵試件

7、受扭時(shí)的破壞現(xiàn)象。第二十三張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)，在橫截面的邊緣處切應(yīng)力最大，其數(shù)值為:在圓軸表層，取出單元體。第二十四張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月n1和n2是截面的法線。因此主單元體應(yīng)如圖所示3個(gè)主應(yīng)力按照代數(shù)排序第二十五張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 圓截面鑄鐵試件扭轉(zhuǎn)時(shí)，表面各點(diǎn)smax所在平面聯(lián)成傾角為45的螺旋面。由于鑄鐵抗壓不抗拉，試件將沿這一螺旋面因拉伸而發(fā)生斷裂破壞。第二十六張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月例14-3 如圖所示橫力彎曲的梁，求出I-I截面上的彎矩和剪力后，計(jì)算得到單元體A上的正應(yīng)力 s = -70

8、MPa, 切應(yīng)力t =50MPa，確定該點(diǎn)的主應(yīng)力大小及主平面的方位。第二十七張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月取x軸向上：代入第二十八張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第二十九張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 在求出梁橫截面上一點(diǎn)的主應(yīng)力后，把其中一個(gè)主應(yīng)力方向與橫截面相交，求此交點(diǎn)的主應(yīng)力方向，再將其與下個(gè)相鄰截面相交，可得到全梁上的一條折線，對(duì)其取極限，得到一條曲線 主應(yīng)力跡線。主拉應(yīng)力跡線主壓應(yīng)力跡線 在鋼筋砼梁中，鋼筋的作用是抵抗拉伸（參見(jiàn)第六章），所以應(yīng)使鋼筋盡可能沿著主拉應(yīng)力跡線的方向放置。第三十張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月三向應(yīng)力狀態(tài)：三

9、個(gè)主應(yīng)力都不為零的應(yīng)力狀態(tài)14-3 空間應(yīng)力狀態(tài)特例：平面應(yīng)力狀態(tài)，一個(gè)主應(yīng)力為零應(yīng)力狀態(tài)第三十一張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月三個(gè)主應(yīng)力的關(guān)系：空間應(yīng)力狀態(tài)中：3 廣義胡克定律第三十二張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月=+胡克定律: 橫向應(yīng)變:第三十三張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月利用同樣的方法可以求得 y 和 z 方向上的線應(yīng)變。最后可得:切應(yīng)變和切應(yīng)力之間，與正應(yīng)力無(wú)關(guān)，因此:以上被稱為廣義胡克定律。第三十四張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月當(dāng)單元體的周?chē)鶄€(gè)面皆為主平面時(shí):e1、e2、e3為主應(yīng)變。主應(yīng)變和主應(yīng)力的方向是重合的。第三十五張，PPT

10、共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月14.4 材料的破壞形式1、材料破壞的基本形式. 在沒(méi)有明顯塑性變形情況下的脆性斷裂；. 產(chǎn)生顯著塑性變形而喪失工作能力的塑性屈服。2.應(yīng)力狀態(tài)對(duì)材料破壞形式的影響試驗(yàn)證明：同一種材料在不同的應(yīng)力狀態(tài)下，會(huì)發(fā)生不同形式的破壞。壓應(yīng)力本身不能造成材料的破壞，而是由它所引起的切應(yīng)力等因素在對(duì)材料的破壞起作用；構(gòu)件內(nèi)的切應(yīng)力將使材料產(chǎn)生塑性變形。在三向壓縮應(yīng)力狀態(tài)下，脆性材料也會(huì)發(fā)生塑性變形；拉應(yīng)力則易于使材料產(chǎn)生脆性斷裂；而三向拉伸的應(yīng)力狀態(tài)則使材料發(fā)生脆性斷裂的傾向最大。變形速度和溫度對(duì)材料的破壞形式也有較大影響。第三十六張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月

11、1 強(qiáng)度理論的概念145 強(qiáng)度理論(The failure criteria)軸向拉、壓彎曲剪切扭轉(zhuǎn)彎曲 切應(yīng)力強(qiáng)度條件(Strength condition for shear stress) 正應(yīng)力強(qiáng)度條件 (Strength condition for normal stress)第三十七張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 (2)材料的許用應(yīng)力 ，是通過(guò)拉(壓)試驗(yàn)或純剪試驗(yàn)測(cè)定試件在破壞時(shí)其橫截面上的極限應(yīng)力,以此極限應(yīng)力作為強(qiáng)度指標(biāo),除以適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)而得，即根據(jù)相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果建立的強(qiáng)度條件.上述強(qiáng)度條件具有如下特點(diǎn)(1)危險(xiǎn)點(diǎn)處于單向應(yīng)力狀態(tài)或純剪切應(yīng)力狀態(tài)；2、 強(qiáng)度理論

12、的概念(Concepts for failure criteria) 是關(guān)于“構(gòu)件發(fā)生強(qiáng)度失效 起因”的假說(shuō).第三十八張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月基本觀點(diǎn) 構(gòu)件受外力作用而發(fā)生破壞時(shí)，不論破壞的表面現(xiàn)象如何復(fù)雜，其破壞形式總不外乎幾種類型，而同一類型的破壞則可能是某一個(gè)共同因素所引起的. 根據(jù)材料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下破壞時(shí)的一些現(xiàn)象與形式 ,進(jìn)行分析,提出破壞原因的假說(shuō).在這些假說(shuō)的基礎(chǔ)上,可利用材料在單向應(yīng)力狀態(tài)時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果 , 來(lái)建立材料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度條件.第三十九張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月（1）脆性斷裂 : 無(wú)明顯的變形下突然斷裂.2 材料破壞的兩種類型

13、（常溫、靜載荷）(Two failure types for materials in normal temperature and static loads) 屈服失效(Yielding failure) 材料出現(xiàn)顯著的塑性變形而喪失其正常的工作能力.2. 斷裂失效(Fracture failure)（2）韌性斷裂 : 產(chǎn)生大量塑性變形后斷裂.第四十張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月引起破壞的某一共同因素形狀改變比能最大切應(yīng)力最大線應(yīng)變最大正應(yīng)力第四十一張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月馬里奧特關(guān)于變形過(guò)大引起破壞的論述，是第二強(qiáng)度 理論的萌芽；杜奎特(C.Duguet)提出

14、了最大切應(yīng)力理論；麥克斯威爾最早提出了最大畸變能理論，這是后來(lái)人 們?cè)谒臅?shū)信出版后才知道的.3 四個(gè)強(qiáng)度理論 (Four failure criteria) 伽利略播下了第一強(qiáng)度理論的種子；第一類強(qiáng)度理論 以脆斷作為破壞的標(biāo)志包括：最大拉應(yīng)力理論和最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變理論第 二類強(qiáng)度理論以出現(xiàn)屈服現(xiàn)象作為破壞的標(biāo)志包括：最大切應(yīng)力理論和形狀改變比能理論第四十二張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月根據(jù)：當(dāng)作用在構(gòu)件上的外力過(guò)大時(shí)，其危險(xiǎn)點(diǎn)處的材料 就會(huì)沿最大拉應(yīng)力所在截面發(fā)生脆斷破壞. 最大拉應(yīng)力理論（第一強(qiáng)度理論） (Maximum-normal-stress criterion ) 基本假

15、說(shuō)：最大拉應(yīng)力 1 是引起材料脆斷破壞的因素.脆斷破壞的條件： 1 = u4 第一類強(qiáng)度理論(The first types of failure criteria)強(qiáng)度條件:1 第四十三張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變理論（第二強(qiáng)度理論) ( Maximum-normal-strain criterion)根據(jù)：當(dāng)作用在構(gòu)件上的外力過(guò)大時(shí)，其危險(xiǎn)點(diǎn)處的材料 就會(huì)沿垂直于最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變方向的平面發(fā)生破壞. 基本假說(shuō)：最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變 1 是引起材料脆斷破壞的因素.脆斷破壞的條件最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變強(qiáng)度條件第四十四張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 最大切應(yīng)力理論 (第三

16、強(qiáng)度理論) ( Maximum-shear-stress criterion) 基本假說(shuō): 最大切應(yīng)力 max 是引起材料屈服的因素.根據(jù)：當(dāng)作用在構(gòu)件上的外力過(guò)大時(shí)，其危險(xiǎn)點(diǎn)處的材料就會(huì) 沿最大切應(yīng)力所在截面滑移而發(fā)生屈服失效.屈服條件5 第二類強(qiáng)度理論(The second types of failure criterion） 在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下一點(diǎn)處的最大切應(yīng)力為強(qiáng)度條件第四十五張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月畸變能密度理論（第四強(qiáng)度理論）( Maximum-distortion-energy criterion)基本假說(shuō)：畸變能密度 vd是引起材料屈服的因素.單向拉伸下，1=

17、 s， 2= 3=0，材料的極限值 強(qiáng)度條件屈服準(zhǔn)則第四十六張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月相當(dāng)應(yīng)力（Equivalent stress)把各種強(qiáng)度理論的強(qiáng)度條件寫(xiě)成統(tǒng)一形式r 稱為復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的相當(dāng)應(yīng)力.第四十七張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月適用范圍(The appliance range )(2) 塑性材料選用第三或第四強(qiáng)度理論；(3) 在二向和三向等拉應(yīng)力時(shí)，無(wú)論是塑性還是脆性都發(fā)生 脆性破壞，故選用第一或第二強(qiáng)度理論；各種強(qiáng)度理論的適用范圍及其應(yīng)用（The appliance range and application for all failure criter

18、ia)(1) 一般脆性材料選用第一或第二強(qiáng)度理論；(4) 在二向和三向等壓應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，無(wú)論是塑性還是脆性材 料都發(fā)生塑性破壞，故選用第三或第四強(qiáng)度理論.第四十八張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月強(qiáng)度計(jì)算的步驟 (Steps of strength calculation) (1)外力分析：確定所需的外力值；(2)內(nèi)力分析：畫(huà)內(nèi)力圖，確定可能的危險(xiǎn)面；(3)應(yīng)力分析：畫(huà)危面應(yīng)力分布圖，確定危險(xiǎn)點(diǎn)并畫(huà)出單元體， 求主應(yīng)力；(4)強(qiáng)度分析：選擇適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度理論，計(jì)算相當(dāng)應(yīng)力，然后進(jìn)行 強(qiáng)度計(jì)算.第四十九張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月例題14-5 根據(jù)強(qiáng)度理論 , 可以從材料在單軸拉

19、伸時(shí)的 可推知低碳鋼類塑性材料在純剪切應(yīng)力狀態(tài)下的 .純剪切應(yīng)力狀態(tài)下: 1 = , 2 = 0 , 3 = 按第三強(qiáng)度理論得強(qiáng)度條件為：另一方面，剪切的強(qiáng)度條件是：所以 = 0.5 第五十張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月為材料在單向拉伸時(shí)的許用拉應(yīng)力.材料在純剪切應(yīng)力狀態(tài)下的許用切應(yīng)力為 . 按第四強(qiáng)度理論得強(qiáng)度條件為：按第三強(qiáng)度理論得到：按第四強(qiáng)度理論得到： = 0.5 0.6 第五十一張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 例題14-6 對(duì)于圖示各單元體，試分別按第三強(qiáng)度理論及第四強(qiáng)度 理論求相當(dāng)應(yīng)力. 120 MPa(d)50MPa70MPa40MPa30MPa120 M

20、Pa(a)(b) 140 MPa 110 MPa (C)140 MPa80 MPa70 MPa第五十二張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 (c)140 MPa80 MPa70 MPa(d)50MPa70MPa40MPa30MPa（3）單元體（c）（4）單元體（d）第五十三張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月F解：危險(xiǎn)點(diǎn)A的應(yīng)力狀態(tài)如圖例題14-7 直徑為 d=0.1m 的圓桿受力如圖, T=7kNm, F=50kN, 材料為鑄鐵，=40MPa, 試用第一強(qiáng)度理論校核桿的強(qiáng)度.故安全.FTTAA 第五十四張，PPT共六十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月例題148 兩端簡(jiǎn)支的工字鋼梁承受載荷如圖所示已知其材料 Q235 鋼的許用為 = 170MPa， = 100MPa. 試按強(qiáng)度條件選擇工字鋼的型號(hào).0.4220