《應(yīng)力應(yīng)變分析》課件

應(yīng)力應(yīng)變分析應(yīng)力應(yīng)變分析是材料力學(xué)的基礎(chǔ)理論之一，它研究材料在外力作用下產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變，以及它們之間的關(guān)系。應(yīng)力是指材料內(nèi)部單位面積上所受的力，應(yīng)變是指材料在應(yīng)力作用下發(fā)生的形變。課程目標(biāo)理解應(yīng)力應(yīng)變概念掌握應(yīng)力應(yīng)變的基本定義、類型和計算方法，為后續(xù)的應(yīng)力分析和應(yīng)變測量奠定基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)胡克定律及彈性本構(gòu)關(guān)系了解材料的彈性特性，以及應(yīng)力應(yīng)變之間的關(guān)系，為實際工程應(yīng)用提供理論支撐。掌握常見的應(yīng)力應(yīng)變分析方法學(xué)習(xí)軸向拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲等典型工況下的應(yīng)力應(yīng)變分析方法，并能運用相關(guān)公式進行計算。了解應(yīng)力應(yīng)變的實驗測量方法掌握常見的應(yīng)力應(yīng)變測量方法，包括實驗原理、儀器使用、數(shù)據(jù)分析等。應(yīng)力的定義應(yīng)力施加在物體上的外力導(dǎo)致物體內(nèi)部產(chǎn)生的抵抗力。應(yīng)力單位應(yīng)力的單位通常是帕斯卡（Pa），表示每平方米牛頓（N/m2）。應(yīng)力的類型1正應(yīng)力拉伸或壓縮力作用在物體表面上，垂直于表面，導(dǎo)致物體變形。2剪應(yīng)力平行于物體表面作用的力，導(dǎo)致物體變形。3彎曲應(yīng)力由彎曲力引起的應(yīng)力，通常為復(fù)合應(yīng)力，包括正應(yīng)力和剪應(yīng)力。4扭轉(zhuǎn)應(yīng)力由扭轉(zhuǎn)力引起的應(yīng)力，通常為剪應(yīng)力。應(yīng)變的定義應(yīng)變是材料在載荷作用下，發(fā)生的尺寸或形狀變化。應(yīng)變是衡量材料形變程度的指標(biāo)，通常用變形量與原尺寸之比表示。應(yīng)變可以是正值或負值，正值表示伸長，負值表示縮短。應(yīng)變的類型正應(yīng)變正應(yīng)變是材料在拉伸載荷作用下的伸長變形。切應(yīng)變切應(yīng)變是材料在剪切載荷作用下的形狀變化。胡克定律定義胡克定律指出在彈性限度內(nèi)，材料的應(yīng)力與其相應(yīng)的應(yīng)變成正比。這意味著在應(yīng)力增加的情況下，應(yīng)變也以線性方式增加。公式胡克定律可以用公式表示為：σ=Eε，其中σ是應(yīng)力，ε是應(yīng)變，E是材料的彈性模量。應(yīng)用胡克定律是工程學(xué)和物理學(xué)中的一個重要定律，它用于計算材料在載荷下的變形，并預(yù)測材料的彈性行為。彈性本構(gòu)關(guān)系線性彈性應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系，符合胡克定律。非線性彈性應(yīng)力與應(yīng)變之間是非線性關(guān)系，如橡膠等材料。彈性極限材料在卸載后能夠完全恢復(fù)原狀的應(yīng)力值。強度極限材料承受的最大應(yīng)力值，超過該值材料將發(fā)生斷裂。軸向應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系1胡克定律在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，比例系數(shù)為材料的彈性模量。2應(yīng)力應(yīng)變曲線通過實驗獲得的應(yīng)力應(yīng)變曲線，可以直觀地反映材料的彈性性質(zhì)、屈服強度和抗拉強度等重要力學(xué)指標(biāo)。3應(yīng)用軸向應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料力學(xué)的基礎(chǔ)理論，廣泛應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)的設(shè)計和分析中。剪應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系1定義剪應(yīng)力是指作用在物體表面上的平行于表面的力2關(guān)系剪應(yīng)力和剪應(yīng)變之間存在線性關(guān)系3公式剪應(yīng)力等于剪切模量乘以剪應(yīng)變剪應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系描述了材料在剪切力作用下的行為。它表明，剪應(yīng)力與剪應(yīng)變成正比，比例系數(shù)為剪切模量。剪切模量是材料抵抗剪切變形的能力的度量。容許應(yīng)力的確定材料強度材料強度是指材料在發(fā)生斷裂或屈服前的承受能力，決定著容許應(yīng)力的上限。安全系數(shù)安全系數(shù)是設(shè)計中考慮的實際應(yīng)力與材料強度之比，確保結(jié)構(gòu)在承受載荷時不會發(fā)生失效。載荷類型載荷類型，如靜載荷、沖擊載荷，會影響結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，進而影響容許應(yīng)力的取值。工作環(huán)境工作環(huán)境，如溫度、濕度、腐蝕性等，會影響材料的強度，需要考慮環(huán)境因素對容許應(yīng)力的影響。安全系數(shù)的確定11.應(yīng)力集中材料在某些局部區(qū)域會發(fā)生應(yīng)力集中，需要考慮該因素。22.材料性質(zhì)實際材料并非完全均勻一致，存在微觀缺陷，會影響安全系數(shù)。33.加載條件荷載類型、大小和分布方式都會影響結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。44.環(huán)境因素溫度、濕度、腐蝕等環(huán)境因素會影響材料強度，需要考慮。應(yīng)力集中幾何形狀改變應(yīng)力集中通常發(fā)生在孔洞、凹槽、尖角等幾何形狀變化處，這些位置會使應(yīng)力集中。應(yīng)力不均勻分布由于幾何形狀的變化，應(yīng)力在這些位置的分布變得不均勻，導(dǎo)致應(yīng)力集中。裂紋擴展應(yīng)力集中會導(dǎo)致裂紋更容易在這些位置產(chǎn)生和擴展，最終導(dǎo)致材料失效。應(yīng)力集中系數(shù)應(yīng)力集中系數(shù)的定義應(yīng)力集中系數(shù)是指應(yīng)力集中區(qū)的最大應(yīng)力與名義應(yīng)力的比值，反映了應(yīng)力集中的程度。它是一個無量綱的數(shù)值，大于1，值越大，表示應(yīng)力集中越嚴重。影響應(yīng)力集中系數(shù)的因素幾何形狀：孔洞、缺口、銳角等形狀會引起應(yīng)力集中。材料的性質(zhì)：材料的硬度、韌性等性質(zhì)也會影響應(yīng)力集中系數(shù)。應(yīng)力集中系數(shù)的應(yīng)用在設(shè)計時，要考慮應(yīng)力集中，避免應(yīng)力集中過大，導(dǎo)致零件失效?？梢酝ㄟ^改變零件形狀、采用合理的材料、進行表面處理等方法來降低應(yīng)力集中。軸向應(yīng)力應(yīng)變分析1計算應(yīng)力根據(jù)外力計算材料內(nèi)部應(yīng)力2計算應(yīng)變根據(jù)應(yīng)力計算材料的變形量3驗證結(jié)果與實際情況和理論模型進行比對軸向應(yīng)力應(yīng)變分析是工程設(shè)計中的重要步驟，可以幫助工程師預(yù)測材料在受力狀態(tài)下的行為。在設(shè)計過程中，工程師需要確保材料的應(yīng)力始終低于其屈服強度，以防止材料發(fā)生永久變形或斷裂。扭轉(zhuǎn)應(yīng)力應(yīng)變分析1扭矩外力矩2扭轉(zhuǎn)角桿件扭轉(zhuǎn)角度3剪應(yīng)力截面上的剪應(yīng)力4扭轉(zhuǎn)應(yīng)力最大剪應(yīng)力扭轉(zhuǎn)應(yīng)力應(yīng)變分析是材料力學(xué)的重要組成部分。通過分析桿件在扭轉(zhuǎn)力作用下的應(yīng)力應(yīng)變情況，可以確定桿件的強度和剛度，為工程設(shè)計提供依據(jù)。彎曲應(yīng)力應(yīng)變分析1彎曲應(yīng)力的計算基于材料的物理性質(zhì)和外部載荷，計算彎曲應(yīng)力大小。2彎曲應(yīng)變的確定根據(jù)材料的彈性模量和彎曲應(yīng)力，確定彎曲應(yīng)變。3分析應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系分析彎曲應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系，了解材料的力學(xué)性能。應(yīng)力修正因子形狀影響應(yīng)力修正因子會因形狀而異。例如，圓孔周圍的應(yīng)力修正因子高于矩形孔周圍的應(yīng)力修正因子。焊接影響焊接會導(dǎo)致應(yīng)力集中，需要考慮應(yīng)力修正因子來評估焊接結(jié)構(gòu)的可靠性。加工工藝影響不同的加工工藝會產(chǎn)生不同的應(yīng)力集中，需要根據(jù)實際情況選擇合適的應(yīng)力修正因子。應(yīng)力集中因子幾何形狀孔洞、缺口、尖角等幾何形狀會造成應(yīng)力集中。載荷類型集中載荷、沖擊載荷等會導(dǎo)致應(yīng)力集中。材料性質(zhì)材料的脆性、塑性等性質(zhì)也會影響應(yīng)力集中程度。分析問題的一般步驟1明確問題識別材料、結(jié)構(gòu)和載荷。2建立模型選擇適當(dāng)?shù)姆治龇椒ā?求解模型使用數(shù)值或解析方法。4結(jié)果分析解釋結(jié)果并進行驗證。首先，您需要明確問題，包括材料、結(jié)構(gòu)和載荷等信息。其次，您需要建立模型，包括選擇適當(dāng)?shù)姆治龇椒āＨ缓螅梢允褂脭?shù)值或解析方法求解模型。最后，您需要分析結(jié)果并進行驗證，確保結(jié)果的準確性和可靠性。應(yīng)力分析的有限元法基礎(chǔ)將復(fù)雜結(jié)構(gòu)離散成有限個單元，每個單元用節(jié)點和單元類型表示。每個節(jié)點對應(yīng)結(jié)構(gòu)的特定位置，單元代表兩個或多個節(jié)點之間的區(qū)域。計算通過建立單元剛度矩陣，將結(jié)構(gòu)的整體受力狀態(tài)分解到各個單元上。每個單元的受力狀態(tài)通過解聯(lián)立方程組來計算，得到每個單元的應(yīng)力和應(yīng)變值。應(yīng)變分析的實驗方法電阻應(yīng)變計法電阻應(yīng)變計通過測量電阻變化來反映應(yīng)變變化，該方法精度高，廣泛應(yīng)用于各種應(yīng)變測量中。光學(xué)應(yīng)變計法利用光的干涉原理來測量應(yīng)變，適用于高精度測量，但操作復(fù)雜，成本較高。聲發(fā)射法通過聲波的傳播特性來分析應(yīng)變，適用于監(jiān)測材料內(nèi)部缺陷，以及研究材料的疲勞行為。數(shù)字圖像相關(guān)法利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，通過比較圖像變形來計算應(yīng)變，該方法非接觸式，應(yīng)用范圍廣。應(yīng)變測量儀器應(yīng)變片應(yīng)變片是應(yīng)變測量儀器中最常用的傳感器，通過將電阻應(yīng)變片粘貼到測試件表面來測量應(yīng)變。應(yīng)變計應(yīng)變計通過讀取應(yīng)變片的電阻變化，將應(yīng)變值轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號，用于測量應(yīng)變的大小和方向。數(shù)據(jù)采集器數(shù)據(jù)采集器用于收集應(yīng)變計輸出的信號，并將信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進行分析和處理。應(yīng)變分析軟件應(yīng)變分析軟件用于對采集到的數(shù)據(jù)進行分析，計算應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，并生成應(yīng)力應(yīng)變分布圖。應(yīng)變測量技術(shù)1應(yīng)變計應(yīng)變計是一種電阻應(yīng)變傳感器，用于測量材料的應(yīng)變。2應(yīng)變花應(yīng)變花是將多個應(yīng)變計組合在一起，用于測量多方向應(yīng)變的裝置。3應(yīng)變測試應(yīng)變測試是一種用于測量結(jié)構(gòu)或組件的應(yīng)變分布的實驗方法。4數(shù)據(jù)分析應(yīng)變測試結(jié)果需要進行數(shù)據(jù)分析，才能得到結(jié)構(gòu)的實際應(yīng)力狀態(tài)。應(yīng)力測量的實驗方法應(yīng)變片法應(yīng)變片法是最常用的應(yīng)力測量方法，通過測量材料表面應(yīng)變來計算應(yīng)力。光彈性法利用光彈性材料在應(yīng)力作用下折射率變化的原理，通過觀察光線偏振變化來確定應(yīng)力分布。應(yīng)力波法通過測量應(yīng)力波在材料中的傳播速度來確定材料內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)。X射線衍射法利用X射線衍射技術(shù)，通過測量材料晶格的變化來計算應(yīng)力。應(yīng)力測量儀器應(yīng)變片應(yīng)變片是應(yīng)力測量中常用的傳感器，通過測量材料的應(yīng)變來間接計算應(yīng)力。應(yīng)變儀應(yīng)變儀是用來放大和測量應(yīng)變片輸出信號的儀器，可以顯示應(yīng)變值或應(yīng)力值。數(shù)字應(yīng)力分析儀數(shù)字應(yīng)力分析儀集成了應(yīng)變片、應(yīng)變儀和數(shù)據(jù)處理功能，可直接顯示應(yīng)力值，方便操作。應(yīng)力測量技術(shù)應(yīng)變片法應(yīng)變片法是常用的應(yīng)力測量技術(shù)之一，它可以精確測量物體表面的應(yīng)變。光彈性法光彈性法利用光在透明材料中的傳播特性來測量應(yīng)力。全息干涉法全息干涉法是一種非接觸式應(yīng)力測量技術(shù)，它可以測量物體表面的微小位移變化。X射線衍射法X射線衍射法可以測量材料內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)。測量誤差分析系統(tǒng)誤差由儀器本身的缺陷或使用不當(dāng)導(dǎo)致。例如，應(yīng)變儀的零點漂移或溫度補償不