偏拉与应力集中分析实验[详细]

1、偏拉与应力集中分析实验,2016.4,问题的提出,应力集中现象 偏心加载现象 偏心拉伸实验安排,工程实际中，由于构件的特殊要求、加载的需要，或不正常的加载，会出现所谓的”不理想”的情况或用我们学过的理论知识无法解释和分析的问题。而这些问题一般都是构件发生破坏的主要原因。在你生活中观察到这些情况吗？如何对它作出正确的判断和分析?,偏心在工程实际中存在状况,偏心加载是一种很普遍的状态，由于各种原因，很难将理想载荷加到物体上（构件条件和加载条件限制等）。比如教学实验中的轴向拉压加载实验，弹性常数测试实验等。 对于脆性材料的承压构件，由于这些材料抗拉性能差，在设计时应尽量不使横截面出现拉应力。如钢筋混

2、凝土受压构件在设计中将偏心加载影响作为重要问题考虑并有偏心加载防范措施（如配钢筋位置和拉压区域钢筋配比等）。 举例：北美一座高层建筑在施工过程发生坍塌的过程和机理后，从力学上分析坍塌的原因：在结构和施工设计中，错误地将承受偏心载荷的悬挂楼板的螺栓当作承受轴向载荷。,偏心造成的事故举例,2010年10月1日-这是一起无证设计、无证施工造成的重大事故。(.由于持力层土质为高压缩性土,在重力偏心的作用.采取了在倾斜一侧减载与在对应一侧加载,以及. 2010年10月30日-就不会造成塔机在顶升工况下的偏心力矩加大,事故.由于某些管理人员安全意识淡薄,管理上的松懈,造成一些. 竣工前夕发生特别重大坍塌事

3、故,造成64人死亡, 4人.互通A匝道桥模板支架在加载预压时整体垮塌,造成6人.加工制作粗糙、安 装存在偏心,影响侧向稳定接差,. 2007年12月21日-由于擅自变更施工方案而引发的生产安全责任事故。.不能满足承载力的需要,加载后 致使模板支撑系统.造成模板支撑架体偏心受压,整体不稳; 现场施工. 一家以建筑工程为主业的工程处,技术主管和测量人员第一次从事铁路曲线桥施工,不了解设置预偏心的意义,按设计线路中线定出墩位中线,导致此次测量事故,线下施工.,偏心事故举例,2012年哈尔滨阳明滩大桥疏解工程发生垮塌。该坍塌事故的表现形式是一段桥梁板整体向外发生侧移和倾覆，极有可能是由于该段桥梁板两端

4、的支撑失效，与建造质量或车辆偏心超载似有关联，或者与两者都有关系。发生坍塌的部位是引桥与主桥相连的一段，其中间采用了单柱支撑，这种桥梁结构在偏心大载荷条件下很容易发生侧移和倾覆事故。,偏心加载事故举例,2004年9月，南京某工地正在安装一台刚购买的塔式起重机机，在采用液压装置自行顶升安装塔身标准节的过程中，塔机顶升外套架上面的横梁节点焊接缝撕脱，外套架及转台以上的结构向平衡臂方向倾倒，起重臂在空中翻转180后坠落至平衡臂方向，塔机上安装操作工人坠落地面，造成多名工人受伤 塔机的使用说明书中规定了“顶升安装标准节过程中塔机应处于前后最佳平衡状态(即塔身所受不平衡弯矩为最小)”的操作要求，而且还规

5、定“在加高塔身时，必须在吊下一节标准节之前，塔身每根主肢杆和下转台之间至少应上好一个高强螺栓” 。从安装现场看，操作人员并没有严格按照有关规定和使用说明书的要求，使塔机处于最佳平衡状态，也没有在吊运标准节之前安装好塔身高强螺栓，致使在顶升工况下，塔身上部向平衡臂方向的偏心矩由6.17 tm增加到29.63tm，偏心荷载加大了4.8倍，并作用在顶升外套架的上、下导向滚轮之上。这是此类塔机在装拆过程中，只要违反上述安全操作规程，就会造成的最常见的事故隐患。,高层建筑混凝土结构技术规程,框架结构中梁柱偏心会对结构构件尤其是柱的受力带来不利影响，所以高层建筑混凝土结构技术规程规定框架梁、柱中心线宜重合

6、，当梁柱中心线不能重合时，计算中应考虑偏心对结构的影响。梁端加腋能减小梁柱偏心距，并已为众多试验所证明可改善梁柱节点的受力状况，但如果其设置的尺寸不合适，反而会给结构带来不利影响，所以，高层建筑混凝土结构技术规程规定可通过梁水平加腋对梁柱偏心进行处理，但同时对梁水平加腋的尺寸进行了限制。另外，由于梁柱偏心会增加结构的自振周期，所以在软弱地基上设计框架结构时，更应该避免梁柱偏心，以免对结构带来更为不利的影响。,组合受力举例,实验目的 1、认识偏心加载对杆件承载的影响及应力分布的特点； 2、测定偏拉试件被测截面的应力分布，分析其内力分量； 3、测定偏心距； 4、测定材料的弹性模量； 5、通过观察应

7、力集中的现象，了解应力集中的特点和分布规律，了解缺口形式及尺寸对应力集中系数影响。 实验设备和试件 1、WDW-100（WDW-100E）电子万能试验机 2、YE2539高速静态应变仪 3、偏拉试件(45号钢)（已贴应变片）,偏心加载对杆件的影响及内力测定,试件材料：45号钢 试件名义尺寸 厚度：6mm 测量截面：宽40mm 剩余截面：宽50mmm 许可应力=50MPa 应变片灵敏系数K2.08,偏心拉伸试件正面布片 示意图,实验安排,1、根据给出的被测材料的许可应力,计算实验允许的最大载荷Pmax。在初载荷、末载荷（小于Pmax）之间，采用分级加载（至少5个点）的方法加载并记录不同载荷下的各

8、点应变数据。要求实验至少重复两次，如果数据稳定、重复性好即可。 2、选取测点选用组桥方式直接测出与各内力有关的应变。,注意事项,实验前要确定加载范围和加载方案，并经带课老师认可后再加载实验； 只能在安装试件前将载荷显示清零； 不要超载（小于给定最大载荷）； 不要超速（加卸载速度均小于2mm/min，应变采集前降低速度不停机采应变)。 注意试件各电阻应变片连接到应变仪的顺序和通道号。,应力集中问题分析,应力集中是指受力构件由于几何形状、外形尺寸发生突变而引起局部范围内应力显著增大的现象。在应力集中的同时，还会形成平面或三向应力状态，增加了材料的脆化趋势。,开半圆槽薄板应力集中数据分析,试件材料：

9、45号钢 试件名义尺寸： 均匀区60mm7mm(面积420mm2，21.4MPa) 试件中间截面两边开半圆缺口，半径5mm， 缺口处最小截面50mm7mm(面积350mm2，25.7MPa),F=9KN,327 190 105 111 99 183 300,98(129),1 2 (0) 3 4(9) 5 6(8) 7,缺口处应力约60MPa（弹性模量按200GPa计算),应力集中问题举例-汽轮机转子,汽轮机转子的金属事故主要是叶轮、主轴（转子）的变形及开裂。 1.主轴（转子）的塑性变形 2.转子的断裂 转子断裂将造成严重事故，应引起十分重视。断裂的起因是出现裂纹。转子发现第一条宏观裂纹，在大

10、型汽轮机中往往作为汽轮机工作寿命结束的标志。转子产生裂纹的原因主要有以下几点： （1）、在热交变应力（低频热应力）和蠕变联合作用下出现裂纹； （2）、截面交界处过渡圆角偏小、存在刀痕等原因会导致机械应力或热应力集中，在交变应力作用下产生裂纹； （3）、材质不良，存在严重冶金缺陷而导致裂纹产生； （4）、运行不当而引起损坏。如启、停机，变负荷等情况下，温度变化率及温度变化量过大，引起热应力过大等。 3.叶轮的开裂 叶轮开裂主要出现在低压级。由于叶轮直径大，离心力大，长期运行中键槽处由于应力集中容易出现裂纹，裂纹发展到一定深度会引起整个叶轮飞裂。,应力集中问题举例-模具失效原因,模具断裂过程有两种

11、：一次性断裂和疲劳断裂。一次性断裂为模具有时在冲压时突然断裂，裂纹一旦萌生，后即失稳、扩展。 (1)结构设计不合理引起失效。 尖锐转角(此处应力集中高于平均应力十倍以上)和过大的截面变化造成应力集中，常常成为许多模具早期失效的根源。并且在热处理淬火过程中，尖锐转角引起残余拉应力，缩短模具寿命。 (2)模具材料质量差引起的失效。 a夹杂物过多引起失效。 钢中存在夹杂物足模具内部产生裂纹的根源，尤其是脆性氧化物和硅酸盐等，在热压力加工中不发生塑性变形，只会引起脆性的破裂而形成微裂纹。在以后的热处理和使用中访裂纹进一步扩展，而引起模具的开裂。此外，在磨削中，由于大颗粒夹杂物剥落造成表面孔洞。 b表面

12、脱碳引起失效。c碳化物分布不匀，引起失效。 (3)模具的机加工不当。 a 切削中的刀痕：模具的型腔部位或凸模的圆角部位在机加工中，常常因进刀太深而使局部留下刀痕，造成严重应力集中，当进行淬火处理时，应力集中部位极易产生微裂纹。b 电加工引起失效。c磨削加工造成失效(4)模具热处理工艺不合适。,应力集中问题举例- 焊接结构疲劳断裂,据统计，由于疲劳而失效的金属结构，约占失效结构的90%。疲劳断裂的过程由三个阶段所组成：1）在承受重复载荷的结构的应力集中部位产生疲劳裂纹（此时结构所受应力低于弹性极限）；2）疲劳裂纹稳定扩展；3）结构断裂。 焊接结构较其它结构（如铆接结构）更容易产生疲劳断裂，这是因

13、为： 1）铆接结构的疲劳裂纹发展遇到钉孔或板层间隔会受阻，焊接结构由于其整体性，一旦产生裂纹，裂纹扩展不受阻止，直至整个构件断裂。 2）焊接连接不可避免地存在着产生应力集中的夹渣、气孔、咬边等缺陷。3）焊缝区存在着很大的残余拉应力。几个典型的焊接结构疲劳断裂事例见图。,应力集中问题举例-焊接结构疲劳断裂,a为直升飞机起落架的疲劳断裂。裂纹从应力集中很高的角接板尖端开始，该机飞行着陆时发生破坏，属于低周疲劳。 b为载重汽车底架纵梁的疲劳断裂。该梁板厚5mm，承受反复的弯曲应力，在角钢和纵梁的焊接处，因应力集中很高而产生疲劳裂纹而破坏，此时该车已运行30000km。,应力集中问题举例,应力集中问题

14、举例-手机,应力集中问题举例,光弹法是一种光学应力测量方法。它是将具有双折射效应的透明材料制成的模型置于偏振光场中。当给模型加载后，模型上产生干涉条纹图。条纹与各点应力状态有关。等差线就是各点主应力差（12）相等的线。等倾线上各点主应力方向一致。原理见实验教材P61.,几个模型等差线（等色线）图,应力集中主要原因,构件中产生应力集中的原因主要有： （1）截面的急剧变化。如：构件中的油孔、键槽、缺口、台阶等； （2）受集中力作用。如：齿轮轮齿之间的接触点，火车车轮与钢轨的接触点等； （3）材料本身的不连续性。如材料中的夹杂、气孔等； （4）构件中由于装配、焊接、冷加工、磨削等而产生的裂纹； （5

15、）构件在制造或装配过程中，由于强拉伸、冷加工、热处理、焊接等而引起的残余应力。这些残余应力叠加上工作应力后，有可能出现较大的应力集中； （6）构件在加工或运输中的意外碰伤和刮痕。,应力集中特点之一 应力集中发生在局部区域,无限大板小圆孔情况,条件： 无限大板 中心小圆孔 弹性范围内 应力集中系数 Ktmax /N= 3,有限宽板应力集中系数,d,D,r,Kt,r/d,0.1 0.2 0.3 0.4 0.5,3.0 2.6 2.2 1.8 1.4,对于有限板宽的含孔板材，其应力集中系数随着圆孔直径与板宽的比值降低而下降，且Kt3。,r/d,0.2 0.4 0.6 0.8 1.0,3.0 2.8

16、2.6 2.4 2.2,r,d/2,D,d=D-2r,d=D-2r,应力集中的特点之二应力状态改变,（1）孔边应力（=r），= q(1-2cos2),最大应力 3q ，最小应力-q。,（2) y轴（ = 90）上应力（缺口截面）：,x,y,缺口的存在，除造成应力集中外，还会引起平面（薄板）或三向（厚板）拉应力状态。 (1)单向应力状态 =1/2 (2)多向应力状态 =（1-3）/2 当1达到材料屈服强度,材料也不会屈服，即多向拉伸状态抑制了缺口的塑性变形。,r,应力集中与缺口形状的关系讨论,切口根部出现两向或三向应力集中的原因是，为保持材料的宏观连续性，使得缺口根部材料的横向应变受到约束而引起

17、的。,缺口形状对构件承载的影响,圆孔与椭圆孔 max N(1+2a/b) 当a=b,圆孔， max3N 当ab,椭圆孔，max3N 如： a/b=2时, max=5 N； a/b=10时, max=21 N； a/b=100时, max=201 N； 当长轴a垂直于主应力方向时，a/b越大，应力集中系数就越大 。,缺口形状对构件承载的影响,缺口形状一般用缺口的曲率半径和缺口角来描述。应力集中程度与缺口尖锐程度有关。缺口愈尖锐，应力梯度愈大，应力集中系数也愈大。,图中两种缺口试件，光滑部分直径15mm，缺口部分直径8.6mm。 图a缺口曲率半径为4.3mm,是钝缺口 外加载荷65707N,孔边最

18、大应力1177MPa，缺口截面名义应力1132MPa。 图b缺口曲率半径为0.5mm,是尖缺口 当外加载荷17260N,孔边最大应力1177MPa，缺口截面名义应力 297MPa。,缺口形状对构件承载的影响,裂纹 （举例：飞机事故） 大量断裂事故表明：构件中存在的裂纹或缺陷，使材料脆性断裂的倾向增加，造成低应力脆断。对于高强度钢构件或中低强钢的大型构件，尽管工作应力远低于屈服强度，而且材料具有一定的塑性和韧性，但往往突然发生脆断。通过对断口分析发现，断裂总是从裂纹尖端引起的。显然这种含有裂纹的构件不能再用传统的强度条件进行强度计算，而要由断裂力学理论来解决。裂纹尖端应力场是奇异的，应力大小已不

19、能用一般弹性力学的公式来计算。应力场的强弱由KI表示。它被称为应力场强度因子。 平面应变断裂韧性KIC就是反映材料抵抗裂纹扩展的一种能力，是材料力学性能。 KIC=y(a)1/2 当KI超过临界值KIC，构件由于裂纹失稳扩展而发生断裂。,在应力集中处诱发裂纹，在循环载荷作用下裂纹从开裂到稳定扩展，最后失稳扩展而使构件突然断裂。,疲劳裂纹及扩展过程,1954年1月10日，一架英国航空公司的“彗星”型客机从意大利罗马起飞，起飞后26分钟，机身在空中解体，坠入地中海，机上所有乘客和机组人员全部遇难。这次事故震惊了全世界。在此一年的时间里，共有3架“彗星”型客机在空中先后解体坠毁。此惨剧促使科学家开始

20、研究低应力断裂的“裂纹力学”，即断裂力学逐渐形成。,对事故的调查发现，“彗星”客机采用的是方形舷窗。经多次起降后，在方形舷窗拐角（直角）处会出现金属疲劳导致的裂纹（裂隙）。正是这个小小的裂纹引起了灾难事故。后来，所有客机舷窗均采用圆形或设计有很大的圆角，以减小应力集中，提高金属疲劳强度；延缓疲劳裂纹的发生。,与应力集中有关问题(1),与材料有关 不同材料对应力集中的敏感度不同。 对于组织均匀的脆性材料，因材料不存在或发生很小的塑性变形，当孔边最大应力值达到材料强度极限时，立即破坏。因此应力集中将大大降低脆性材料构件的强度； 对于韧性材料，当孔边的最大应力达到屈服强度时，该处材料首先屈服，应力不

21、再增加。如外力继续增加，增加的应力就由截面尚未屈服的材料所承担，使截面其它点的应力相继增大到屈服极限，该截面应力逐渐趋于均匀（应力能重新分布）。 有缺口，对塑性材料来说提高了强度，但降低了塑性（即缺口不敏感）；对脆性材料，则提前破坏（缺口敏感）。,金属韧性材料应力集中特点 应力重新分布,(a) (b) (c),(a)缺口边最大应力未到屈服强度，整个截面发生的是弹性变形；(b)、(c)当缺口边最大应力达到屈服极限,缺口处首先开始发生塑性变形，其它部分仍为弹性变形；若再增加外力，此处应力不增加，远离缺口点的应力逐渐增加到屈服极限，塑性变形从孔边向两边扩展、范围扩大，弹性变形部分变小。最后截面上的应

22、力趋于平均。圆孔变成椭圆孔。,最大应力位于塑性变形区和弹性变形区交界上。如果缺口为非圆型或材料偏脆，则仅发生部分塑性变形，最大应力达到抗拉强度使材料断裂。对于脆性材料，不发生塑性变形，最大应力达到抗拉强度直接断裂。,应力再重新分布的程度与缺口应力集中程度和材料有关,静载作用时，韧性材料在构件平均应力低于许可应力时，可以不考虑应力集中问题。而低韧性或脆性材料，则要尽量避免有缺口。但应力集中对材料的疲劳寿命影响很大，无论是脆性材料还是韧性材料的疲劳问题，都必须考虑应力集中。,复合材料的应力集中问题,复合材料中的纤维是主要承载的组分，所以不同纤维分布对缺陷的敏感性差异很大。纤维增强复合材料不同铺层方

23、向对缺口的敏感程度大不相同。 对于纤维纵向分布如a，即顺纤维加载时，板边缺口附近应力集中引起纤维与基体界面沿纤维方向脱落，由此缺陷张开钝化，减轻了应力集中。这种情况对缺陷不敏感。 对于纤维横向分布如b，即垂直于纤维方向加载时,不存在缺口钝化，裂纹很容易顺原方向扩展，而使材料断裂破坏，即对缺陷很敏感。,(a)纵向加载 （b) 横向加载,对两侧开缺口的0度纤维增强复合材料，其缺口的存在不会很快导致材料破坏，而且不影响无缺口部分材料继续承载工作。所以说，复合材料是容伤性好的材料，即对缺口不敏感的材料。,与应力集中有关问题(2),多数结构的断裂大多与应力集中有关 在长期交变应力作用下，应力较高的点，逐步形成细微裂纹，裂纹尖端应力严重集中，使裂纹逐步扩大，构件截面不断削弱，在偶尔的超载冲击下，构件就会发生突然的脆性断裂。,与应力集中有关问题(3),应力集中应用 载荷传感器弹性元件