应力和应变分析强度理论之应力状态分析bdwh.pptx
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1、第七章第七章 应力和应变分析应力和应变分析强度理论强度理论目录1第七章第七章 应力状态分析应力状态分析 应力状态的概念应力状态的概念 用解析法分析二向应力状态用解析法分析二向应力状态 用图解法分析二向应力状态用图解法分析二向应力状态 三向应力状态三向应力状态 广义胡克定律广义胡克定律 三向应力状态下的应变能密度三向应力状态下的应变能密度 强度理论概述强度理论概述 四种常见的强度理论四种常见的强度理论目录目录2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1 1、问题的提出、问题的提出71 应力状态的概念应力状态的概念目录3脆性材料扭转时为什么沿脆性
2、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71 应力状态的概念应力状态的概念目录4一、一、应力状态的概念及其描述应力状态的概念及其描述(一)、应力状态的概念(一)、应力状态的概念目录5轴向拉压轴向拉压同一横截面上各点应力相等:同一横截面上各点应力相等:FF同一点在斜截面上时:同一点在斜截面上时:目录6 此例表明:即使同一点在不同方位截此例表明:即使同一点在不同方位截面上,它的应力也是各不相同的,此面上,它的应力也是各不相同的,此即即应力的面的概念应力的面的概念。目录7 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:同同一一面面上
3、上不不同同点点的的应应力力各各不不相相同同,此此即即应应力力的的点点的的概概念念。目录8 过一点不同方向面上应力的集合,过一点不同方向面上应力的集合,称之为这一点的称之为这一点的应力状态应力状态(State of the Stresses of a Given Point)。)。应应 力力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?指明指明目录9 应力状态的概念应力状态的概念2、受力构件内应力特征:、受力构件内应力特征:(1)构件不同截面上的应力状况一般是不同的;)构件不同截面上的应力状况一般是不同的;(2)构件同一截面上不同点处的应力状况一般是不同的;)构件同一截
4、面上不同点处的应力状况一般是不同的;(3)构件同一点处,在不同方位截面上应力状况一般是不同的。)构件同一点处,在不同方位截面上应力状况一般是不同的。1、一点处的应力状态、一点处的应力状态:受力构件内一点处不同方位的截面受力构件内一点处不同方位的截面 上应力的集合上应力的集合,称为一点处的应力状态。称为一点处的应力状态。10P PA A(a)(a)a ab bc cd dA A(b)(b)3、单元体法、单元体法 (c)(c)(1)单元体截取方法)单元体截取方法:围绕该点围绕该点取出一个单元体。取出一个单元体。例如例如 图图 9-1a 所示矩形截面所示矩形截面悬臂梁内悬臂梁内A点的应力状态点的应力
5、状态11(2)单元体特征)单元体特征单元体的尺寸无限小,每个面上应力均匀分布;单元体的尺寸无限小,每个面上应力均匀分布;任意一对平行平面上的应力相等任意一对平行平面上的应力相等12FF示例一示例一S S平面平面111目录131FFS S平面平面1n同一点的应力状态可以有各种各样的描述方式同一点的应力状态可以有各种各样的描述方式.目录14F laS13S S S S平面平面平面平面zMzT4321yx71 应力状态的概念应力状态的概念目录15yxz 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
6、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。71 应力状态的概念应力状态的概念目录16空间(空间(三向)应力状态:三个主应力均不为零三向)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:两个主应力为零71 应力状态的概念应力状态的概念目录17 7-3 7-3 二向应力状态分析二向应力状态分析-解析法解析法18x xy ya a1.1.正负号规则正负号规则正应力:拉为正;反之为负正应力:拉为正;反之为负正应力:拉为正;反之为负正应力:拉为正;反之为负切应力:切应力:切应力:切应力:使微元顺
7、时针方向使微元顺时针方向转动为正;反之为负。转动为正;反之为负。角:角:由由x x 轴正向逆时针转轴正向逆时针转到斜截面外法线时为正;反到斜截面外法线时为正;反之为负。之为负。ntx 7-2 7-2 二向应力状态分析二向应力状态分析-解析法解析法目录19x xy ya a2.2.斜截面上的应力斜截面上的应力d dA An nt t 7-2 7-2 二向应力状态分析二向应力状态分析-解析法解析法目录20列平衡方程列平衡方程d dA An nt t 7-2 7-2 二向应力状态分析二向应力状态分析-解析法解析法目录21利用三角函数公式利用三角函数公式并注意到并注意到 化简得化简得 7-2 7-2
8、二向应力状态分析二向应力状态分析-解析法解析法目录22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 7-2 7-2 二向应力状态分析二向应力状态分析-解析法解析法目录23(2 2)主平面的位置)主平面的位置以以 1 1代表代表 maxmax作用面的方位角,作用面的方位角,2 2代表代表 minmin作用面的方位角。作用面的方位角。24 若若 若若 25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。
9、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 7-2 7-2 二向应力状态分析二向应力状态分析-解析法解析法目录26解:解:(1 1)斜面上的应力斜面上的应力 7-2 7-2 二向应力状态分析二向应力状态分析-解析法解析法目录27(2 2)主应力、主平面)主应力、主平面 7-2 7-2 二向应力状态分析二向应力状态分析-解析法解析法目录28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:7-2 7-2 二向应力状态分析二向应力状态分析-解析法解析法目录29(3 3)主应力单元体:)主应力单元体
10、:7-2 7-2 二向应力状态分析二向应力状态分析-解析法解析法目录30例例7-3-1 分析受扭构件的破坏规律。分析受扭构件的破坏规律。解:解:确定危险点并画其原确定危险点并画其原 始单元体始单元体求极值应力求极值应力 xyC yxMCxyO xy yx31破坏分析破坏分析低碳钢铸铁32 7-3 7-3 二向应力状态分析二向应力状态分析-图解法图解法33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 7-3 7-3 二向应力状态分析二向应力状态分析-图解法图解法目录34RC1.1.应力圆:应力圆:7-3 7-3 二向应力状态分析二向应力状态分析-图解法图解法目
11、录35建立应力坐标系,如下图建立应力坐标系,如下图所示,(注意选好比例尺)所示,(注意选好比例尺)二、应力圆的画法二、应力圆的画法在在坐标系内画出点坐标系内画出点A(x,xy)和和B(y,yx)AB与与 a 轴的交点轴的交点C便是便是圆心。圆心。以以C为圆心,以为圆心,以AC为为半径画圆半径画圆应力圆;应力圆;x xy yxyOn a O a aCA(x,xy)B(y,yx)x2anD(a,a)36三、三、单元体与应力圆的对应关系单元体与应力圆的对应关系面上的应力(,)应力圆上一点(,)面的法线 应力圆的半径两面夹角 两半径夹角 2;且转向一致。x xy yxyOn a O a aCA(x,x
12、y)B(y,yx)x2anD(a,a)37四、在应力圆上标出极值应力四、在应力圆上标出极值应力OC a aA(x,xy)B(y,yx)x2a12a0 1 2 3381.1.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 7-5 7-5 三向应力状态三向应力状态目录39首先研究与其中一个首先研究与其中一个主平面主平面(例如主应力例如主应力 3 所在的平面所在的平面)垂直的垂直的斜截面上的应力。斜截面上的应力。40用截面法,沿求应力的截用截面法,沿求应力的截面将单元体截为两部分,面将单元体截为两部分,取左下部分为研究对象。取左下部分为研究对象。41与与 3所在的面所在的面垂直的垂
13、直的斜截面上的应力可由斜截面上的应力可由 1,2作出的应力圆上的点来表示。作出的应力圆上的点来表示。主应力主应力 3 所在的两平面上是一对所在的两平面上是一对自相平衡的力,自相平衡的力,因而该斜面上的因而该斜面上的应力应力,与与 3无关无关,只由主应力只由主应力 1,2 决定。决定。42与主应力与主应力 2所在主平所在主平面垂直的斜截面上面垂直的斜截面上的应力的应力,可用由可用由 1,3作出的应力圆上作出的应力圆上的点来表示。的点来表示。43与主应力与主应力 所在主所在主平面垂直的斜截面平面垂直的斜截面上的应力上的应力,可用可用由由 2,3作出的应力作出的应力圆上的点来表示。圆上的点来表示。4
14、4该截面上应力该截面上应力 和和 对应的对应的D点必位于上点必位于上述三个应力圆所围述三个应力圆所围成成 的阴影内。的阴影内。abc 截面表示与三截面表示与三个主平面斜交的任个主平面斜交的任意斜截面意斜截面abc45结论结论结论结论三个应力圆周上的三个应力圆周上的点及由它们围成的点及由它们围成的阴影部分上的点的阴影部分上的点的坐标代表了空间应坐标代表了空间应力状态下所有截面力状态下所有截面上的应力。上的应力。D D46D D47该点处的最大正应力该点处的最大正应力(指代数值指代数值)应等于最大应等于最大应力圆上应力圆上A点的横坐标点的横坐标 1A A(9-8)48最大剪应力则等于最最大剪应力则
15、等于最大的应力圆上大的应力圆上B点的点的纵坐标纵坐标(图图9-11c)A AB B(9-9)49A AB B最大剪应力所在的最大剪应力所在的截面与截面与 2 所在平面所在平面垂直垂直,并与并与 1与与 3所在的主平面各成所在的主平面各成45角。角。50上述两上述两 公式同样适用于平面应力状态或单轴应力状态公式同样适用于平面应力状态或单轴应力状态,只需将具体问题的主应力求出只需将具体问题的主应力求出,并按代数值并按代数值 1 2 3 的顺序排列。的顺序排列。空间应力圆画法空间应力圆画法51例题例题 9-3 单元体的应力如图单元体的应力如图 a 所示所示,作应力圆作应力圆,并求出主应力并求出主应力
16、和最大剪应力值及其作用面方位。和最大剪应力值及其作用面方位。52因此与该主平面正交的各因此与该主平面正交的各截面上的应力与主应力截面上的应力与主应力 z无关无关,依据依据 x 截面和截面和 y 截面上的应力画出应力圆截面上的应力画出应力圆.解解:该单元体有一个已知主应力该单元体有一个已知主应力53 o A1A246MP-26MP量得另外两个主应力为量得另外两个主应力为c54该单元体的三个主应该单元体的三个主应力按其代数值的大小力按其代数值的大小顺序排列为顺序排列为 o A1A2c55 ocA1A2B根据上述主应力,作根据上述主应力,作出三个应力圆。出三个应力圆。56 ocA1B从应力圆上量得从
17、应力圆上量得A2据此可确定据此可确定 1所在的所在的主平面方位和主单元主平面方位和主单元体各面间的相互位置体各面间的相互位置.57 ocA1A2B其中最大剪应力所在其中最大剪应力所在截面与截面与 2垂直垂直,与与 1和和 3所在的主平面各所在的主平面各成成45 夹角。夹角。58 maxmax5976 平面内的应变分析平面内的应变分析一、应变分析解一、应变分析解析析法法602、已知一点A的应变(),画应变圆二、应变分析图解法二、应变分析图解法应变圆应变圆(Strain Circle)1、应变圆与应力圆的类比关系建立应变坐标系如图在坐标系内画出点 A(x,xy/2)B(y,-yx/2)AB与 轴的
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