应力状态分析与强度理论.ppt

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1、第八章第八章 应力状力状态分析与分析与强度理度理论关于应力状态分析与关于应力状态分析与强度理论强度理论1现在学习的是第1页，共77页2拉拉 （压）（压）扭扭 转转平平面面弯弯曲曲内内力力应应力力变变形形NN 0AT 0ATAMQM 0Q 0 xs sLOt tr rs st txyABqnfxq=fn=f现在学习的是第2页，共77页3拉拉 （压）（压）扭扭 转转平平面面弯弯曲曲强强度度条条件件刚刚度度条条件件现在学习的是第3页，共77页481 应力状态的概念应力状态的概念现在学习的是第4页，共77页5横横截截面面上上正正应应力力分分析析和和切切应应力力分分析析的的结结果果表表明明：同同 一一

2、面面 上上 不不 同同 点点 的的 应应 力力 各各 不不 相相 同同现在学习的是第5页，共77页6低碳钢低碳钢 塑性材料拉伸时为什么会出现滑移线？塑性材料拉伸时为什么会出现滑移线？铸铸 铁铁现在学习的是第6页，共77页7脆性材料扭转时为什么沿脆性材料扭转时为什么沿4545螺旋面断开？螺旋面断开？低碳钢低碳钢铸铸 铁铁现在学习的是第7页，共77页8结论 不不仅仅横横截截面面上上存存在在应应力力，斜斜截截面面上上也也存存在在应应力力；不不仅仅要要研研究究横横截截面面上上的的应应力力，而而且且也也要要研研究究斜斜截截面上的应力。面上的应力。现在学习的是第8页，共77页9单单元元体体平平衡衡分分析析

3、结结果果表表明明：即即使使同同一一点点不不同方向面上的应力同方向面上的应力也也是各不相同的是各不相同的现在学习的是第9页，共77页10应应 力力指明指明哪一个面上哪一个面上哪一点哪一点？哪一点哪一点哪个方向面？哪个方向面？现在学习的是第10页，共77页11 过一点不同方向过一点不同方向面上应力的集合，面上应力的集合，称之为这一点的称之为这一点的应应力状态力状态。应力状态分析就是研究一点处沿各个不应力状态分析就是研究一点处沿各个不同方位的截面上的应力及其变化规律。同方位的截面上的应力及其变化规律。现在学习的是第11页，共77页12应力状态的研究方法现在学习的是第12页，共77页13现在学习的是第

4、13页，共77页14yxz 单元体上没有切应力的面称为单元体上没有切应力的面称为主平面主平面；主平面上的正应力；主平面上的正应力称为称为主应力，主应力，分别用分别用 表示，并且表示，并且该单元体称为该单元体称为主应力单元。主应力单元。8-1 应力状态的概念应力状态的概念现在学习的是第14页，共77页15空间（三向）应力状态：三个主应力均不为零空间（三向）应力状态：三个主应力均不为零平面（二向）应力状态：一个主应力为零平面（二向）应力状态：一个主应力为零单向应力状态：两个主应力为零单向应力状态：两个主应力为零现在学习的是第15页，共77页16x xy y1.1.斜截面上的应力斜截面上的应力d d

5、A An nt t 8-2 8-2 解析法分析二向应力状态解析法分析二向应力状态现在学习的是第16页，共77页17角角 由由x x正向逆时针转到正向逆时针转到n n正向者正向者为正；反之为负。为正；反之为负。正正 应应 力力拉应力为正拉应力为正压应力为负压应力为负切 应 力 使单元体或其局部顺时使单元体或其局部顺时针方向转动为正；反之为负。针方向转动为正；反之为负。现在学习的是第17页，共77页18列平衡方程列平衡方程d dA An nt t 8-2 8-2 解析法分析二向应力状态解析法分析二向应力状态现在学习的是第18页，共77页19利用三角函数公式利用三角函数公式并注意到并注意到 化简得化

6、简得 8-2 8-2 解析法分析二向应力状态解析法分析二向应力状态现在学习的是第19页，共77页20确定正应力极值确定正应力极值设设0 0 时，上式值为零，即时，上式值为零，即3.正正应力极值和方向应力极值和方向即即0 0 时，切应力为零时，切应力为零 8-2 8-2 解析法分析二向应力状态解析法分析二向应力状态现在学习的是第20页，共77页21 由上式可以确定出两个相互垂直的平面，分别为由上式可以确定出两个相互垂直的平面，分别为最大正应力和最小正应力所在平面。最大正应力和最小正应力所在平面。所以，最大和最小正应力分别为：所以，最大和最小正应力分别为：主应力主应力按代数值按代数值排序：排序：1

7、 1 2 2 3 3 8-2 8-2 解析法分析二向应力状态解析法分析二向应力状态现在学习的是第21页，共77页22确定切应力极值确定切应力极值4.切切应力极值和方向应力极值和方向 8-2 8-2 解析法分析二向应力状态解析法分析二向应力状态现在学习的是第22页，共77页23试求试求（1 1）斜面上的应力；斜面上的应力；（2 2）主应力、主平面；）主应力、主平面；（3 3）绘出主应力单元体。）绘出主应力单元体。例题例题1 1：一点处的平面应力状态如图所示。一点处的平面应力状态如图所示。已知已知 8-2 8-2 解析法分析二向应力状态解析法分析二向应力状态现在学习的是第23页，共77页24解：解

8、：（1 1）斜面上的应力斜面上的应力 8-2 8-2 解析法分析二向应力状态解析法分析二向应力状态现在学习的是第24页，共77页25（2 2）主应力、主平面）主应力、主平面 8-2 8-2 解析法分析二向应力状态解析法分析二向应力状态现在学习的是第25页，共77页26主平面的方位：主平面的方位：代入代入 表达式可知表达式可知主应力主应力 方向：方向：主应力主应力 方向：方向：8-2 8-2 解析法分析二向应力状态解析法分析二向应力状态现在学习的是第26页，共77页27（3 3）主应力单元体：）主应力单元体：8-2 8-2 解析法分析二向应力状态解析法分析二向应力状态现在学习的是第27页，共77

9、页28这个方程恰好表示一个圆，这个圆称为应力圆这个方程恰好表示一个圆，这个圆称为应力圆 8-3 8-3 图解法分析二向应力状态图解法分析二向应力状态现在学习的是第28页，共77页29RC1.1.应力圆：应力圆：8-3 8-3 图解法分析二向应力状态图解法分析二向应力状态现在学习的是第29页，共77页302.2.应力圆的画法应力圆的画法D(s sx,t txy)D/(s sy,t tyx)cRADxy 8-3 8-3 图解法分析二向应力状态图解法分析二向应力状态现在学习的是第30页，共77页31点面对应点面对应应力圆上某一点的坐标值对应着微应力圆上某一点的坐标值对应着微元某一截面上的正应力和切应

10、力元某一截面上的正应力和切应力3 3、几种对应关系、几种对应关系D(s sx,t txy)D/(s sy,t tyx)cxyHnH 8-3 8-3 图解法分析二向应力状态图解法分析二向应力状态现在学习的是第31页，共77页32转向对应转向对应半径旋转方向与斜截面法线旋转方向一致；半径旋转方向与斜截面法线旋转方向一致；二倍角对应二倍角对应半径转过的角度是斜截面旋转角度的两倍。半径转过的角度是斜截面旋转角度的两倍。现在学习的是第32页，共77页33试用应力圆法计算图示单元体试用应力圆法计算图示单元体e-fe-f截面上的应力。图中截面上的应力。图中应力的单位为应力的单位为MPaMPa。现在学习的是第

11、33页，共77页34微元体应力状态如图示，其所对应的应力圆有如图示四种，正确的是_。现在学习的是第34页，共77页35主应力和主平面切应力等于零的截面为主平面主平面上的正应力称为主应力a(s sx,t tx)d(s sy,t ty)c现在学习的是第35页，共77页36现在学习的是第36页，共77页37分析圆轴扭转时最大切应力的作用面，说明铸铁圆试样分析圆轴扭转时最大切应力的作用面，说明铸铁圆试样扭转破坏的主要原因。扭转破坏的主要原因。铸铁圆试样扭转试验时，正是沿着最大拉应力作用面（即450螺旋面）断开的。因此，可以认为这种脆性破坏是由最大拉应力引起的。现在学习的是第37页，共77页38分析轴向

12、拉伸杆件的最大切应力的作用面，说明低碳分析轴向拉伸杆件的最大切应力的作用面，说明低碳钢拉伸时发生屈服的主要原因。钢拉伸时发生屈服的主要原因。低碳钢拉伸时，其上任意一点都是单向应力状态。低碳钢试样拉伸至屈服时表面沿450出现滑移线，是由最大切应力引起的。现在学习的是第38页，共77页39平面应力状态的几种特殊情况轴向拉伸压缩现在学习的是第39页，共77页40平面应力状态的几种特殊情况扭 转现在学习的是第40页，共77页41弯 曲平面应力状态的几种特殊情况现在学习的是第41页，共77页42xmqm43215x现在学习的是第42页，共77页43mm43215xxxxx现在学习的是第43页，共77页4

13、4在梁的xy平面内可以绘制两组正交的曲线，在一组曲线上每一点处切线的方向是该点处主应力 （拉应力）的方向，而在另一组曲线上每一点处切线的方向则为主应力 (压应力)的方向。这样的曲线就称为梁的主应力迹线。梁的主应力迹线现在学习的是第44页，共77页451.1.定义定义三个主应力都不为零的应力状态三个主应力都不为零的应力状态 8-5 8-5 三向应力状态三向应力状态现在学习的是第45页，共77页46由三向应力圆可以看出：由三向应力圆可以看出：结论：结论：代表单元体任意斜代表单元体任意斜截面上应力的点，截面上应力的点，必定在三个应力圆必定在三个应力圆圆周上或圆内。圆周上或圆内。2130 0 8-5

14、8-5 三向应力状态三向应力状态现在学习的是第46页，共77页471.1.基本变形时的胡克定律基本变形时的胡克定律yx1 1）轴向拉压胡克定律）轴向拉压胡克定律横向变形横向变形2 2）纯剪切胡克定律）纯剪切胡克定律 8-6 8-6 广义胡克定律广义胡克定律现在学习的是第47页，共77页48-泊松比泊松比对于各向同性材料=+现在学习的是第48页，共77页49现在学习的是第49页，共77页50主应变与主应力方向重合主应变与主应力方向重合现在学习的是第50页，共77页513 3、广义胡克定律的一般形式、广义胡克定律的一般形式 8-6 8-6 广义胡克定律广义胡克定律现在学习的是第51页，共77页52

15、 某点的应力状态如图所示,当x,y,z不变,x增大时,关于x值的说法正确的是_.A.不变B.增大C.减小D.无法判定x仅与正应力有关，而与切应力无关。所以当切应力增大时，线应变不变。现在学习的是第52页，共77页53 一受扭圆轴,直径d=20mm,圆轴的材料为 钢,E=200GPa,=0.3.现测得圆轴表面上与轴线成450方向的应变为=5.210-4,试求圆轴所承受的扭矩.现在学习的是第53页，共77页54各向同性材料的体应变体应变：单位体积的体积变化。s s1s s2s s3平面纯剪状态 小变形条件下，切应力不引起小变形条件下，切应力不引起各向同性材料的体积改变各向同性材料的体积改变s sx

16、s sys sz现在学习的是第54页，共77页55应变能密度应变能密度:单位体积内的应变能现在学习的是第55页，共77页568.9 空间应力状态下的应变能密度单元体单元体现在学习的是第56页，共77页57应变能:体积改变而形成。形状改变而形成。s s1s s2s s3s ss ss s体积改变能密度体积改变能密度形状改变能密度形状改变能密度体积改变而形成。体积改变而形成。现在学习的是第57页，共77页58（拉压）（拉压）（弯曲）（弯曲）（正应力强度条件）（正应力强度条件）（弯曲）（弯曲）（扭转）（扭转）（切应力强度条件）（切应力强度条件）1.1.杆件基本变形下的强度条件杆件基本变形下的强度条件

17、8-10 8-10 强度理论概述强度理论概述现在学习的是第58页，共77页59满足满足是否强度就没有问题了？是否强度就没有问题了？现在学习的是第59页，共77页60强度理论：强度理论：人们根据大量的破坏现象，通过判断推理、人们根据大量的破坏现象，通过判断推理、概括，提出了种种关于破坏原因的假说，找出引起破概括，提出了种种关于破坏原因的假说，找出引起破坏的主要因素，经过实践检验，不断完善，在一定范坏的主要因素，经过实践检验，不断完善，在一定范围与实际相符合，上升为理论。围与实际相符合，上升为理论。为了建立复杂应力状态下的强度条件，而提出为了建立复杂应力状态下的强度条件，而提出的关于材料破坏原因的

18、假设及计算方法。的关于材料破坏原因的假设及计算方法。现在学习的是第60页，共77页61构件由于强度不足将引发两种失效形式构件由于强度不足将引发两种失效形式(1)(1)脆性断裂：材料无明显的塑性变形即发生断裂，断面较脆性断裂：材料无明显的塑性变形即发生断裂，断面较粗糙，且多发生在垂直于最大正应力的截面上，如铸铁受拉、粗糙，且多发生在垂直于最大正应力的截面上，如铸铁受拉、扭，低温脆断等。扭，低温脆断等。关于关于屈服的强度理论：屈服的强度理论：最大切应力理论和畸变能密度理论最大切应力理论和畸变能密度理论(2)(2)塑性屈服（流动）：材料破坏前发生显著的塑性变塑性屈服（流动）：材料破坏前发生显著的塑性

19、变形，破坏断面粒子较光滑，且多发生在最大剪应力面上，形，破坏断面粒子较光滑，且多发生在最大剪应力面上，例如低碳钢拉、扭，铸铁压。例如低碳钢拉、扭，铸铁压。关于关于断裂的强度理论：断裂的强度理论：最大拉应力理论和最大伸长线应变理论最大拉应力理论和最大伸长线应变理论现在学习的是第61页，共77页621.1.最大拉应力理论最大拉应力理论（第一强度理论）（第一强度理论）材料发生断裂的主要因素是最大拉应力达到极限值材料发生断裂的主要因素是最大拉应力达到极限值 构件危险点的最大拉应力构件危险点的最大拉应力 极限拉应力，由单拉实验测得极限拉应力，由单拉实验测得现在学习的是第62页，共77页63断裂条件断裂条

20、件强度条件强度条件1.1.最大拉应力理论（第一强度理论）最大拉应力理论（第一强度理论）铸铁拉伸铸铁拉伸铸铁扭转铸铁扭转现在学习的是第63页，共77页642.2.最大伸长拉应变理论最大伸长拉应变理论（第二强度理论）（第二强度理论）无论材料处于什么应力状态无论材料处于什么应力状态,只要发生脆性断裂只要发生脆性断裂,都都是由于微元内的最大拉应变（线变形）达到简单拉伸时的是由于微元内的最大拉应变（线变形）达到简单拉伸时的破坏伸长应变数值。破坏伸长应变数值。构件危险点的最大伸长线应变构件危险点的最大伸长线应变 极限伸长线应变，由单向拉伸实验测得极限伸长线应变，由单向拉伸实验测得现在学习的是第64页，共7

21、7页65实验表明：实验表明：此理论对于一拉一压的二向应力状态的脆此理论对于一拉一压的二向应力状态的脆性材料的断裂较符合，如铸铁受拉压比第一强度理论性材料的断裂较符合，如铸铁受拉压比第一强度理论更接近实际情况。更接近实际情况。强度条件强度条件2.2.最大伸长拉应变理论最大伸长拉应变理论（第二强度理论）（第二强度理论）断裂条件断裂条件即即现在学习的是第65页，共77页66 无论材料处于什么应力状态无论材料处于什么应力状态,只要发生屈服只要发生屈服,都是由都是由于微元内的最大切应力达到了某一极限值。于微元内的最大切应力达到了某一极限值。3.3.最大切应力理论最大切应力理论（第三强度理论）（第三强度理

22、论）构件危险点的最大切应力构件危险点的最大切应力 极限切应力，由单向拉伸实验测得极限切应力，由单向拉伸实验测得现在学习的是第66页，共77页67屈服条件屈服条件强度条件强度条件3.3.最大切应力理论最大切应力理论（第三强度理论）（第三强度理论）低碳钢拉伸低碳钢拉伸低碳钢扭转低碳钢扭转现在学习的是第67页，共77页68实验表明：实验表明：此理论对于塑性材料的屈服破坏能够得到此理论对于塑性材料的屈服破坏能够得到较为满意的解释。并能解释材料在三向均压下不发生较为满意的解释。并能解释材料在三向均压下不发生塑性变形或断裂的事实。塑性变形或断裂的事实。局限性：局限性：2 2、不能解释三向均拉下可能发生断裂

23、的现象，、不能解释三向均拉下可能发生断裂的现象，1 1、未考虑、未考虑 的影响，试验证实最大影响达的影响，试验证实最大影响达15%15%。3.3.最大切应力理论最大切应力理论（第三强度理论）（第三强度理论）现在学习的是第68页，共77页69 无论材料处于什么应力状态无论材料处于什么应力状态,只要发生屈服只要发生屈服,都是由于微都是由于微元的最大畸变能密度达到一个极限值。元的最大畸变能密度达到一个极限值。4.4.畸变畸变能密度理论能密度理论（第四强度理论）（第四强度理论）构件危险点的畸变能密度构件危险点的畸变能密度 形状改变比能的极限值，由单拉实验测得形状改变比能的极限值，由单拉实验测得现在学习

24、的是第69页，共77页70屈服条件屈服条件强度条件强度条件4.4.畸变畸变能密度理论能密度理论（第四强度理论）（第四强度理论）实验表明：实验表明：对塑性材料，此理论比第三强度理对塑性材料，此理论比第三强度理论更符合试验结果，在工程中得到了广泛应用。论更符合试验结果，在工程中得到了广泛应用。第三强度理论偏于安全第三强度理论偏于安全,第四强度理论偏于经济第四强度理论偏于经济现在学习的是第70页，共77页71强度理论的统一表达式：强度理论的统一表达式：现在学习的是第71页，共77页72 不同的材料固然可能产生不同形式的破坏；但就是同一种材料，当应力状态、温度及变形速度不同时，破坏形式也可能不同。一、

25、在三轴拉伸应力状态下，不论是塑性材料还是脆性材 料都会发生脆性断裂，宜采用最大拉应力理论。二、对于铸铁类脆性材料，在双向均拉时，宜采用最大 拉应力理论。四个强度理论适用范围及应用三、对于低碳钢类塑材，除三向拉伸外，均属屈服失效破 坏。宜用畸变能密度理论（运用较多）和最大剪应力 理论。其中最大剪应力理论计算结果偏于安全。四、在三轴压缩应力状态下，不论是塑性材料还是脆性材 料，通常都会发生屈服失效，故一般采用畸变能密度理论。总之，采用何种强度理论要根据材料，应力，工程经验而定。现在学习的是第72页，共77页73 已知铸铁构件上危险点处的应力状态，如图所示。若铸铁拉伸许用应力为30MPa，试校核该点

26、处的强度是否安全。231110(单位 MPa)第一强度理论第一强度理论现在学习的是第73页，共77页74 某结构上危险点处的应力状态如图所示，其中116.7MPa，46.3MPa。材料为钢，许用应力160MPa。试校核此结构是否安全。第三强度理论第三强度理论第四强度理论第四强度理论现在学习的是第74页，共77页75 现有两种说法：（现有两种说法：（1 1）塑性材料中若某点的最大拉应力）塑性材料中若某点的最大拉应力maxmax=s s，则该点一，则该点一定会产生屈服；（定会产生屈服；（2 2）脆性材料中若某点的最大拉应力）脆性材料中若某点的最大拉应力maxmax=b b，则，则该点一定会产生断裂，根据第一、第四强度理论可知，说法该点一定会产生断裂，根据第一、第四强度理论可知，说法().().A.A.（1 1）正确、（）正确、（2 2）不正确；）不正确；B.（1）不正确、（2）正确；C.（1）、（2）都正确；D.（1）、（2）都不正确。BB现在学习的是第75页，共77页76 铸铁水管冬天结冰时会因冰膨胀而被胀裂，而管内的冰却不会破坏。这是因为（）。A.冰的强度较铸铁高；B.冰处于三向受压应力状态；C.冰的温度较铸铁高；D.冰的应力等于零。BB现在学习的是第76页，共77页2022/9/27感谢大家观看现在学习的是第77页，共77页