第08章应力状态与强度理论课件.ppt
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1、1第第8章章 应力状态与强度理论应力状态与强度理论(Analysis of Stress&Strain and Failure Criteria)工程力学2第第8章章 应力状态与强度理论应力状态与强度理论(Analysis of Stress&Strain and Failure Criteria)(Analysis of Stress&Strain and Failure Criteria)8.1 引引 言言 (Introduction)8.2 平面应力状态平面应力状态 (Planar stress-state)lanar stress-state)8.3 空间应力状态分析简介空间应力状态分
2、析简介 (Three-dimensional stress-state)8.4 强度理论的基本概念强度理论的基本概念 (Basic concept of failure criteria)8.5 强强 度度 理理 论论 (Failure criteria)38.1.1应力状态的概念应力状态的概念 (Concepts of stress-state)基本变形强度条件的建立基本变形强度条件的建立试验测得极限应力试验测得极限应力许用应力许用应力实际情况实际情况 max max 两类强度条件:两类强度条件:用于单向应力的情况。如拉压,弯曲。用于单向应力的情况。如拉压,弯曲。用于纯剪切的情况。如扭转。用
3、于纯剪切的情况。如扭转。但在实际应用时,这些强度条件的局限性很大。但在实际应用时,这些强度条件的局限性很大。8.1 引引 言言(Introduction)4 面积为面积为10mm2的的Q235钢柱受压,压力达到钢柱受压,压力达到2400N时,就时,就出现明显的塑性变形。出现明显的塑性变形。(1)不能不能讨论组合变形(最常见的变形)的强度问题。讨论组合变形(最常见的变形)的强度问题。脆性材料脆性材料脆性材料脆性材料的扭转问题:的扭转问题:横截面上有横截面上有 max,但在,但在斜截面破坏斜截面破坏。(2)对某些基本变形的破坏现象不能解释。)对某些基本变形的破坏现象不能解释。但放到凹槽受同样压力变
4、形很小。但放到凹槽受同样压力变形很小。8.1 引引 言言(Introduction)8.1.1应力状态的概念应力状态的概念 (Concepts of stress-state)5(1)过受力构件一点任意斜截面上一般都存在应力。)过受力构件一点任意斜截面上一般都存在应力。(2)受力构件的破坏都与极值应力有关,而极值应力不)受力构件的破坏都与极值应力有关,而极值应力不 一定作用在横截面上。一定作用在横截面上。材料的破坏面与该面上的应力密切相关,由内力的概念材料的破坏面与该面上的应力密切相关,由内力的概念和拉压杆斜截面上的应力,可知:和拉压杆斜截面上的应力,可知:塑性材料的杆拉伸屈服塑性材料的杆拉伸
5、屈服横截面上有横截面上有横截面上有横截面上有 maxmax,但屈服时在,但屈服时在,但屈服时在,但屈服时在4545 方向方向方向方向出现滑移线。出现滑移线。出现滑移线。出现滑移线。脆性材料的杆受压脆性材料的杆受压在在在在4545 斜截面上破坏。斜截面上破坏。斜截面上破坏。斜截面上破坏。8.1.1应力状态的概念应力状态的概念 (Concepts of stress-state)8.1 引引 言言(Introduction)6 实际构件大部分都承受组合变形,要讨论组合变形的强度实际构件大部分都承受组合变形,要讨论组合变形的强度问题,必须研究过一点不同截面上的应力情况。问题,必须研究过一点不同截面上
6、的应力情况。通过一点所有截面上的应力情况称为一点的应力状态。通过一点所有截面上的应力情况称为一点的应力状态。一般构件内各点的应力情况并不相同,讨论构件的强度时,一般构件内各点的应力情况并不相同,讨论构件的强度时,选取横截面上各种应力都大的点选取横截面上各种应力都大的点危险点危险点危险点危险点,分析该点的应力状,分析该点的应力状态。态。8.1.1应力状态的概念应力状态的概念 (Concepts of stress-state)8.1 引引 言言(Introduction)(Dangerous point)78.1.2应力状态的研究方法应力状态的研究方法(method to study the s
7、tate of stress)若以整个构件为研究对象,讨论任意斜截面上的应力过若以整个构件为研究对象,讨论任意斜截面上的应力过程相当繁琐,且没有必要。讨论应力状态时,程相当繁琐,且没有必要。讨论应力状态时,在构件的危险在构件的危险点,点,截取一个边长无限小的直角六面体。截取一个边长无限小的直角六面体。截截 取取 单单 元元 体体(Element body)(直直 角角 六六 面面 体体)由于在不同的基本变形情况下,横截面上的应力可以求出。由于在不同的基本变形情况下,横截面上的应力可以求出。用相距很近的横截面和与之正交用相距很近的横截面和与之正交用相距很近的横截面和与之正交用相距很近的横截面和与
8、之正交的纵向截面截取单元体。的纵向截面截取单元体。的纵向截面截取单元体。的纵向截面截取单元体。8.1 引引 言言(Introduction)8PPFNFN从拉压杆内截取单元体明确横截面明确横截面单元体的受力用应力表示单元体的受力用应力表示8.1.2应力状态的研究方法应力状态的研究方法(method to study the state of stress)8.1 引引 言言(Introduction)9M=PxAB ByPxmzB BA AA AB BB BA A在x横截面的A、B点截取单元体xyz明确横截面明确横截面明确自由表面明确自由表面MT=mM=Px8.1.2应力状态的研究方法应力状态
9、的研究方法(method to study the state of stress)8.1 引引 言言(Introduction)10单元体的特点单元体的特点单元体的特点单元体的特点 (Element characteristic)(1)边长无限小,各个侧面上应力可认为均布。)边长无限小,各个侧面上应力可认为均布。(2)相互平行的面上应力等值反向,等于过一点相应的截面)相互平行的面上应力等值反向,等于过一点相应的截面 上的应力。上的应力。(3)单元体上的斜截面表示过该点的斜截面。)单元体上的斜截面表示过该点的斜截面。构件平衡,单元体也平衡。若已知单元体上各个侧面的应力,构件平衡,单元体也平衡。
10、若已知单元体上各个侧面的应力,可以利用平衡原理求任意斜截面上的应力。可以利用平衡原理求任意斜截面上的应力。(4)单元体的三个相互垂直的截面上的应力可以表示一点的)单元体的三个相互垂直的截面上的应力可以表示一点的 应力状态。应力状态。研究应力状态,就是研究一点处单元体上各截面的应力情况。研究应力状态,就是研究一点处单元体上各截面的应力情况。8.1.2应力状态的研究方法应力状态的研究方法(method to study the state of stress)8.1 引引 言言(Introduction)11 一般情况下,围绕构件内一点,可以一般情况下,围绕构件内一点,可以从不同方位从不同方位截取
11、截取无数个单元体,其侧面的应力各不相同。无数个单元体,其侧面的应力各不相同。主平面主平面主平面主平面 (Principal plane)(Principal plane):切应力为零的面。切应力为零的面。主应力主应力主应力主应力 (Principal stress)(Principal stress):主主平平面面上上的的正正应应力力,用用 1 1、2 2、3 3表表示示,且且按代数值排列按代数值排列 1 12 23 3。应力分析的主要目的:应力分析的主要目的:应力分析的主要目的:应力分析的主要目的:寻找主单元体和主应力。寻找主单元体和主应力。理论证明:理论证明:理论证明:理论证明:构件内任一
12、点构件内任一点总存在总存在一个特殊的单元体,一个特殊的单元体,相互垂直相互垂直的的各侧面上切应力为零,该单元体为各侧面上切应力为零,该单元体为主单元体主单元体主单元体主单元体 (Principal body)(Principal body)。8.1.2应力状态的研究方法应力状态的研究方法(method to study the state of stress)8.1 引引 言言(Introduction)12一点处的应力状态可用三个主应力来分类:一点处的应力状态可用三个主应力来分类:一点处的应力状态可用三个主应力来分类:一点处的应力状态可用三个主应力来分类:3)3)3)3)单向应力状态:单向应
13、力状态:单向应力状态:单向应力状态:(Uniaxial stress-state)只有一个主应力不为零的应力状态。只有一个主应力不为零的应力状态。(平面应力状态平面应力状态 )有二个主应力不为零的应力状态。有二个主应力不为零的应力状态。1)1)1)1)三向应力状态:三向应力状态:三向应力状态:三向应力状态:(Three-dimensional stress-state)三个主应力均不为零的应力状态。三个主应力均不为零的应力状态。2 2)二向应力状态:)二向应力状态:)二向应力状态:)二向应力状态:(Planar stress-state)(空间应力状态空间应力状态)特例特例特例特例复复杂杂应应
14、力力状状态态8.1.2应力状态的研究方法应力状态的研究方法(method to study the state of stress)8.1 引引 言言(Introduction)138.2平面应力状态平面应力状态(Planar stress-state)lanar stress-state)任务:任务:任务:任务:已知已知过一点互相垂直截面上的应力,过一点互相垂直截面上的应力,要求要求讨论任意斜截面上讨论任意斜截面上的应力,的应力,进一步确定进一步确定过该点的极值应力及其作用面。过该点的极值应力及其作用面。从受力构件内部一点截取从受力构件内部一点截取原始单元体原始单元体(各侧面上的应力已知各侧
15、面上的应力已知)。)。规定如下:规定如下:规定如下:规定如下:正应力正应力正应力正应力 :拉应力为正。:拉应力为正。切应力切应力切应力切应力 :绕所截取部分顺时针旋转的为正。:绕所截取部分顺时针旋转的为正。注意注意:单元体上所绘单元体上所绘、数值代表大小(绝数值代表大小(绝对值),应力的箭头方向代表正负。对值),应力的箭头方向代表正负。二二向向应应力力状状态态一一般般表表现现为为:单单元元体体上上有有一一对对侧侧面面应应力力为为零零(即即有有一一个个主应力为零),主应力为零),而其它四个侧面上应力都平行于应力为零的侧面。而其它四个侧面上应力都平行于应力为零的侧面。xyzyxyxxxyy建立坐标
16、系建立坐标系8.2.1任意斜截面的应力(Stresses on an arbitrary oblique section)14平行于平行于平行于平行于z z 轴的斜截面轴的斜截面轴的斜截面轴的斜截面(垂直已知主平面垂直已知主平面垂直已知主平面垂直已知主平面)yyxyxyxxxyACBxyzxyyxxxyyxxACBACB :以以以以x x 轴正向逆时针轴正向逆时针轴正向逆时针轴正向逆时针转至转至转至转至截面法线截面法线截面法线截面法线为正。为正。为正。为正。nnt yy8.2.1任意斜截面的应力(Stresses on an arbitrary oblique section)15同理同理 即
17、相互平行的面(夹角为即相互平行的面(夹角为0或或180)表示同一截面。)表示同一截面。由于由于易得易得应用斜截面应力公式时,注意按规定写出各项的符号。应用斜截面应力公式时,注意按规定写出各项的符号。斜截面应力公式斜截面应力公式斜截面应力公式斜截面应力公式 互相垂直的斜截面上正应力之和为常量。互相垂直的斜截面上正应力之和为常量。8.2.1任意斜截面的应力(Stresses on an arbitrary oblique section)168.2.2 主应力主应力(Principal stress)极值正应力的作用面即为主平面,极值正应力即为主应力。极值正应力的作用面即为主平面,极值正应力即为主
18、应力。4545 0 2 2 2 2 3 3 3 3。理论证明:过一点所有方向上线应变的最大值为理论证明:过一点所有方向上线应变的最大值为理论证明:过一点所有方向上线应变的最大值为理论证明:过一点所有方向上线应变的最大值为 1 1。1233128.3.2 广义胡克定律广义胡克定律(Generalized Hookes law)38xyxy xy +90+90 对于平面应力状态8.3.2 广义胡克定律广义胡克定律(Generalized Hookes law)39xy例例8-5钢制圆轴如图,直径钢制圆轴如图,直径d=60mm,材料的弹性模量,材料的弹性模量E=210GPa,泊松比泊松比=0.28,
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