第七章应力和应变分析强度理论

材料力学,第七章应力和应变分析强度理论,材料力学,应力和应变分析强度理论/应力状态概述,7.1应力状态概述,材料力学,1.应力的面的概念,一.应力的三个重要概念,2.应力的点的概念,3.应力状态的概念,应力和应变分析强度理论/应力状态概述,材料力学,应力和应变分析强度理论/应力状态概述,1.应力的面的概念,轴向拉压:,对比同一点在不同截面上的应力是否相同？,即使同一点在不同方位的截面上，它的应力也是各不相同的，此即应力的面的概念。,材料力学,同一面上不同点的应力各不相同，此即应力的点的概念。,2.应力的点的概念,横力弯曲时矩形截面上正应力和切应力分布图,应力和应变分析强度理论/应力状态概述,材料力学,过一点不同方向面上所有应力的集合，称之为这一点的应力状态。,应力,哪一个面上？哪一点？,哪一点？哪个方向面？,指明,3.应力状态的概念,应力和应变分析强度理论/应力状态概述,材料力学,围绕一点取出单元体,应力和应变分析强度理论/应力状态概述,二.一点应力状态的描述,用单元体的应力状态代替一点的应力状态。,材料力学,同一点的应力状态可以有各种各样的描述方式：,应力和应变分析强度理论/应力状态概述,对比最后应力状态与前两者有何不同。,材料力学,主应力：,主平面：,通过任意的受力构件中任意一点，总可以找到三个相互垂直的主平面，因此每一点都有三个主应力，以s1，s2和s3表示。,s1s2s3,单元体上切应力为零的平面。,主平面上的正应力。,应力和应变分析强度理论/应力状态概述,材料力学,应力和应变分析强度理论/应力状态概述,三.应力状态的分类,简单应力状态,复杂应力状态,单向应力状态,纯剪切应力状态,二向应力状态,三向应力状态,材料力学,应力和应变分析强度理论/二向应力状态实例,7.2二向应力状态实例,材料力学,应力和应变分析强度理论/二向应力状态实例,承受内压薄壁容器任意点的应力状态,二向应力状态实例之一,（壁厚为，内直径为D，D，内压强为p）,注：薄壁圆筒受力均匀，因此，任意点的应力状态均相同。,材料力学,1.求水平方向上的正应力x,材料力学,应力和应变分析强度理论/二向应力状态实例,材料力学,2.求竖直方向上的正应力y,材料力学,应力和应变分析强度理论/二向应力状态实例,材料力学,2.求垂直于纸面方向上的正应力z,薄壁圆筒与纸面垂直方向上的z为零.,材料力学,应力和应变分析强度理论/二向应力状态实例,总结：,薄壁圆筒为两向应力状态，任一点应力为,材料力学,课本215页例7.1如下,材料力学,由Q235钢制成的蒸汽锅炉，壁厚=10mm，内径D=1m，蒸汽压力p=3MPa，试计算锅炉壁内任意一点处的三个主应力。,材料力学,经分析，薄壁圆筒为两向应力状态,材料力学,应力和应变分析强度理论/二向应力状态实例,注意事项,2.纵向正应力y是横向正应力x的两倍；,3.按规定排列正应力。,1.注意单位配套使用；,材料力学,完成课本215页例7.2如下,材料力学,应力和应变分析强度理论/二向应力状态实例,圆球形容器的壁厚为，内径为D，内压为p，求容器壁内的应力。,注：薄壁圆球受力均匀，因此，任意点的应力状态均相同。,材料力学,1.求水平方向上的正应力x,材料力学,材料力学,2.求竖直方向上的正应力y,材料力学,由球体形态的特殊对称性，得,材料力学,3.求垂直于纸面方向上的正应力z,薄壁圆筒与纸面垂直方向上的z为零.,材料力学,球形薄壁容器为平面应力状态,材料力学,注意,1.仍采用截面法求x和y；,2.由于球体形态的特殊性，x=y。,材料力学,7.3二向应力状态分析解析法,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析解析法,材料力学,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析解析法,解析法解决的问题,二向应力状态下，已知通过一点的某些截面上的应力后，确定通过这一点的其他截面上的应力，从而确定主应力和主平面。（举例说明如下）,材料力学,二向应力状态下，单元体各面上应力分量皆为已知，如下图所示：,求垂直于xy平面的任意斜截面ef上的应力及主应力和主平面,e,f,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析解析法,材料力学,1.正应力正负号规定,一.符号规定,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析解析法,材料力学,使微元或其局部顺时针方向转动为正；反之为负。,2.切应力正负号规定,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析解析法,注意：切应力角标的含义及切应力互等定理,材料力学,由x逆时针转到n为正；反之为负。,y,x,3.角正负号规定,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析解析法,材料力学,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析解析法,二.已知如图，求任意斜截面ef上的应力,需利用：,1.截面法,2.微元局部的平衡方程,材料力学,截面法求ef斜截面上的应力,e,f,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析解析法,材料力学,参加平衡的量：应力乘以其作用的面积,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析解析法,微元局部列平衡,材料力学,解得：,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析解析法,材料力学,三.求正应力的极值,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析解析法,可见，正应力是角度的函数,思考：如何求正应力的极值？,材料力学,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析解析法,分析：,可求出相差90度的两个角度o,确定两个相互垂直的平面,分别为最大、最小正应力所在平面,材料力学,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析解析法,将两个角度o均带入公式,得：,可见：,1.o对应的两个平面为主平面；,2.最大和最小正应力即为主应力。,材料力学,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析解析法,将两个角度o均带入公式求得两个主应力,得：,注意：,如x代表两个正应力中代数值较大的一个，则绝对值较小的o确定max所在的平面。,材料力学,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析解析法,四.求切应力的极值（要求低）,思路：,最大和最小切应力所在平面与主平面夹角为45。,结论：,材料力学,一点处的平面应力状态如图所示。,试求（1）斜面上的应力；（2）主应力、主平面；（3）绘出主应力单元体。,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析解析法,材料力学,（1）斜面上的应力,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析解析法,材料力学,（2）主应力、主平面,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析解析法,材料力学,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析解析法,（3）绘制主应力单元体,o=15.48或o=105.48,根据主平面角度和主应力大小绘图,且,o=15.48或o=105.48,材料力学,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析解析法,思考：1（即max）应在哪个主平面上？,1应位于绝对值较小的o确定的主平面上？,材料力学,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析解析法,完成课本219页例7.3,思路：,根据应力状态图分析已知条件,求确定主平面的两个角度o,根据公式（两种选择）求主应力1和3,材料力学,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析解析法,注意事项：,1.正应力及切应力符号的规定;,2.主应力排序要求,s1s2s3,其中s1=smax，s2=0，s3=smin,材料力学,完成课本220页例7.4,讨论扭转时的应力状态，并分析铸铁试样受扭时的破坏现象。,材料力学,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析解析法,一.分析圆轴表面的应力状态,扭转时横截面上的应力为纯剪切,材料力学,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析解析法,材料力学,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析解析法,单元体的应力状态为：,材料力学,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析解析法,将x=0，y=0，xy=代入公式得,o=45或o=135,s1=smax=，s2=0，s3=smin=,结论：,2.纯剪切两个主应力的绝对值相等，都等于切应力，但一个为拉应力，另一个为压应力。,1.max所在的主平面与x轴夹角为45。,计算主平面及主应力：,材料力学,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析解析法,二.铸铁受扭时的破坏现象,铸铁抗拉强度较低，因此铸铁破坏主要是因为正应力而引起的。,破坏原因：,破坏现象：,铸铁断裂时的裂纹联成倾角为45的螺旋线。,材料力学,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析解析法,完成课本221页例7.5,一.确定A点的主应力和主平面,已知x、y、xy代入公式可求得,具体计算过程与前面例题相同，省略。,o、s1、s2、s3,材料力学,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析解析法,二.同一横截面其它点的应力状态,弯曲切应力,弯曲正应力,上下边缘处：,中性轴处：,横截面即为主平面。,纯剪切，主平面与x轴夹角为45。,材料力学,三.主应力迹线的特点,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析解析法,参照课本222页图7.9中的曲线,1.曲线上任一点的切线方向即代表该点主应力的方向；,2.经过每一点有两条相互垂直的主应力迹线；,3.实线为主拉应力迹线，虚线为主压应力迹线。,材料力学,7.4二向应力状态分析图解法,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析图解法,材料力学,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析图解法,一.应力圆方程,材料力学,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析图解法,二.应力圆简介,材料力学,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析图解法,三.应力圆的画法,D,D,在s-t坐标系中，找出与微元D、D面上的应力对应的点D和D,连DD交轴于C点，C即为圆心，CD为应力圆的半径,C,材料力学,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析图解法,四.应力圆与微元（单元体）的对应关系,1.点面对应:应力圆上某一点的坐标值对应着微元某一方向面上的正应力和切应力。,材料力学,2.转向对应:微元方向面的法线旋转方向与应力圆半径旋转方向一致。,C,3.二倍角对应:应力圆半径转过的角度是微元方向面旋转角度的两倍。,o,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析图解法,A,材料力学,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析图解法,五.应力圆的应用,1.确定主平面和主应力,20,A,D,应力圆与横轴的交点对应的截面,主平面：,主应力：,OA1，OB1,材料力学,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析图解法,2.确定最大切应力,对应应力圆上最高点的面上的切应力最大，称为“面内最大切应力”。,tmax,判断：,最大切应力所在平面与主平面夹角为45，且最大切应力是最大正应力的一半。,材料力学,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析图解法,回顾解析法,要求：用应力圆求解,材料力学,选定比例尺，画应力圆,材料力学,找出应力圆上斜面对应的点（量出其坐标即为应力）,一.求斜面上的应力,材料力学,二.求主平面和主应力,找出应力圆上主平面的位置（量出其坐标和对应角度）,材料力学,三.绘制主应力单元体,根据主平面角度o和主应力大小绘图,材料力学,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析图解法,注意事项：,1.画应力圆时必须首先选定比例尺；,2.根据对应关系找准斜面和主平面对应的位置；,3.特别要注意的符号和二倍角对应关系。,材料力学,应力和应变分析强度理论/二向应力状态分析图解法,已完成225页例7.6要求独立完成226页例7.7（同时采用解析法和图解法）,材料力学,应力和应变分析强度理论/广义胡克定律,7.8广义胡克定律,材料力学,-泊松比,一.狭义胡克定律（单向）及泊松比,即单向拉伸或压缩时的胡克定律及泊松比,应力和应变分析强度理论/广义胡克定律,材料力学,二.三向应力状态的广义胡克定律叠加法,+,+,应力和应变分析强度理论/广义胡克定律,1.将三向应力分解,材料力学,应力和应变分析强度理论/广义胡克定律,2.根据单向胡克定律和泊松比分别计算每个方向上的应力引起的三个方向上的线应变,注意：,当变形很小且在线弹性范围内时，线应变只与正应力有关。,材料力学,应力和应变分析强度理论/广义胡克定律,材料力学,3.分别将三个方向上的应变合成，即得广义胡克定律,应力和应变分析强度理论/广义胡克定律,材料力学,应力和应变分析强度理论/广义胡克定律,总结,广义胡克定律为：,材料力学,应力和应变分析强度理论/广义胡克定律,广义胡克定律公式分析：,1.,即,即最大与最小应变分别发生在最大与最小主应力方向。,材料力学,2.当任一主应力为零时，即为二向应力状态，例3=0，公式变为：,应力和应变分析强度理论/广义胡克定律,当只有一个主应力不为零时，即为单向应力状态，例2=03=0，公式变为：,单向应力只会产生一个方向上的线应变。,判断：,材料力学,变形前单元体体积：,变形后单元体体积：,0,三.体积胡克定律,应力和应变分析强度理论/广义胡克定律,材料力学,单位体积变形：,（体应变）,利用广义胡克定律：,式中：,（体积弹性模量）,（平均主应力）,（体积变形虎克定律）,应力和应变分析强度理论/广义胡克定律,材料力学,应力和应变分析强度理论/广义胡克定律,总结,体积胡克定律为：,体应变与平均主应力m成正比。,内容：,材料力学,体积胡克定律分析：,应力和应变分析强度理论/广义胡克定律,1.,单位体积变形只与三个主应力之和有关，与主应力的大小比例无关。,材料力学,应力和应变分析强度理论/广义胡克定律,2.纯剪切时的主应力为：1=，2=0，3=-,所以体应变为：,结论：,纯剪切应力状态，具有体积不变性，但形状有所改变。说明体积改变与切应力无关，而形状改变与切应力有关。,材料力学,完成课本239页例7.9如下,材料力学,在一体积比较大的钢块上有一直径为50.01mm的凹座，凹座内放置一直径为50mm的刚制圆柱，圆柱受到F=300KN的轴向压力，假设钢块不变形，试求圆柱的主应力。E、已知。,材料力学,应力和应变分析强度理论/广义胡克定律,分析已知条件：,1.圆柱受到F=300KN的轴向压力,横截面上只有轴向压力，而无剪力，说明此横截面为主平面，压力产生的压应力是主应力中的一个，而且是最小的一个，即3=-F/A。,材料力学,应力和应变分析强度理论/广义胡克定律,2.钢块内有一凹座，钢块不变形，将一圆柱放入凹座内，圆柱受压。,在轴向压缩下，圆柱将产生横向膨胀，在它塞满凹座后，凹座与柱体之间产生均匀的径向压力，仍无剪力。因此，得出结论：,1=2（未知）,由于钢块不变形，圆柱塞满凹座引起的主平面的径向应变为：,1=2=(凹座直径-圆柱直径)/圆柱直径,材料力学,计算过程：,应力和应变分析强度理论/广义胡克定律,将各已知条件代入广义胡克定律,1=2=?,材料力学,7.10强度理论概述,应力和应变分析强度理论/强度理论概述,材料力学,应力和应变分析强度理论/强度理论概述,脆性材料,塑性材料,一.回顾两种强度失效形式,材料力学,脆性材料,断裂,强度极限b,塑性材料,屈服,屈服极限s,材料类型,失效形式,承受最大应力,应力和应变分析强度理论/强度理论概述,材料力学,应力和应变分析强度理论/强度理论概述,b和s称为失效应力，可由试验测定,二.单向应力状态下强度条件的建立,将失效应力除以安全系数即得许用应力,因此，单向应力状态下的强度条件为：max,材料力学,应力和应变分析强度理论/强度理论概述,三.建立一般应力状态下强度条件的困难,1.应力状态的多样性；,2.试验的复杂性；,3.可能性与不可能性。,材料力学,应力和应变分析强度理论/强度理论概述,四.强度理论,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假设及计算方法。,定义：,具体内容介绍如下,材料力学,内容：,1.尽管失效现象比较复杂，但由于强度不足引起的失效主要还是屈服和断裂两种类型；,3.不论是处于什么应力状态，相同的破坏形式是由于相同原因造成的。,2.材料之所以按某种方式（屈服或断裂）失效，是应力、应变或应变能密度中某一因素引起的；,应力和应变分析强度理论/强度理论概述,材料力学,应力和应变分析强度理论/强度理论概述,缺陷：,强度理论既然是推测强度失效原因的一些假说，它是否正确，适用于什么情况，必须由生产实践来检验。经常是适用于某种材料的强度理论并不适用于另一种，或者在某种条件下适用的理论，又不适用于另一种条件。,本章只重点介绍四种比较成熟的常用强度理论。,因此，,材料力学,7.11四种常用强度理论,应力和应变分析强度理论/四种常用强度理论,材料力学,一.强度理论的分类,应力和应变分析强度理论/四种常用强度理论,强度失效的主要形式有两类，即断裂和屈服，相应的，强度理论也分为两大类（共四种）：,解释断裂失效的强度理论,解释屈服失效的强度理论,最大拉应力理论,最大伸长线应变理论,最大切应力理论,畸变能密度理论,材料力学,应力和应变分析强度理论/四种常用强度理论,二.四种常用强度理论介绍,1.最大拉应力理论（第一强度理论）,无论材料处于什么应力状态,只要最大拉应力1达到与材料性质有关的某一极限值，材料就发生断裂。,内容：,思考：,根据内容推导断裂条件和强度条件（答案见下页）,材料力学,应力和应变分析强度理论/四种常用强度理论,最大拉应力理论,断裂条件,强度条件,在设计理论中直接与许用应力比较的量,相当应力r：,材料力学,应力和应变分析强度理论/四种常用强度理论,局限性,1.未考虑另外二个主应力影响；,2.对没有拉应力的应力状态无法应用；,3.不适用于塑性材料的破坏。,适用于大部分脆性材料受拉应力作用。,适用范围,材料力学,应力和应变分析强度理论/四种常用强度理论,2.最大伸长线应变理论（第二强度理论）,内容：,无论材料处于什么应力状态,只要最大伸长线应变1达到与材料性质有关的某一极限值，材料就发生断裂。,思考：,根据内容推导断裂条件和强度条件（答案见下页）,材料力学,应力和应变分析强度理论/四种常用强度理论,断裂条件,根据广义胡克定律，得,由此得强度条件：,相当应力为：,综合上述两式得：,材料力学,应力和应变分析强度理论/四种常