工程力学应力状态与强度理论教学PPT.ppt

第十一章 应力状态及强度理论 第十一章 应力状态和强度理论 1 第十一章 应力状态及强度理论 11-1 一点处应力状态的概述 在前面学习中曾讲述过杆受拉压时和圆截面杆受扭 时杆件内一点处不同方位截面上的应力，并指出：一点 处不同方位截面上应力的集合(总体)称之为一点处的应 力状态。由于一点处任何方位截面上的应力均可根据从 该点处取出的微小正六面体 单元体的三对相互垂直 面上的应力来确定，故受力物体内一点处的应力状态 (state of stress)可用一个单元体(element)及其上的应力来 表示。 2 第十一章 应力状态及强度理论 单向应力状态 3 第十一章 应力状态及强度理论 纯剪切应力状态 4 第十一章 应力状态及强度理论 图示为一矩形截面铸铁梁，受两个横向力作用。从梁表面 的a、b、c三点处取出的单元体上，用箭头表示出各个面上的应 力。 5 第十一章 应力状态及强度理论 研究杆件受力后各点处，特别是危险点处的应力状态可以： 1. 了解材料发生破坏的力学上的原因，例如低碳钢拉伸 时的屈服(yield)现象是由于在切应力最大的45 斜截面上材 料发生滑移所致；又如铸铁圆截面杆的扭转破坏是由于在45 方向拉应力最大从而使材料发生断裂(fracture)所致。 2. 在不可能总是通过实验测定材料 极限应力的复杂应力状态下，如图所示 ,应力状态分析是建立关于材料破坏规 律的假设(称为强度理论)(theory of strength, failure criterion)的基础。 6 第十一章 应力状态及强度理论 本章将研究 . 平面应力状态下不同方位截面上的应 力和关于三向应力状态(空间应力状态) 的概念；. 平面 应力状态和三向应力状态下的应力应变关系广义胡克 定律(generalized hookes law) ；. 强度理论。 7 第十一章 应力状态及强度理论 平面应力状态：如果受力物体内一点处在众多不同方 位的单元体中存在一个特定方位的单元体，它的一对平行 平面上没有应力，而另外两对平行平面上都有正应力和切 应力的这种应力状态，为平面应力状态的普遍形式。 平面应力状态包括单向应力状态和二向应力状态。 11-2 二向应力状态下的应力分析 8 第十一章 应力状态及强度理论 对于图a所示受横力弯曲的梁，从其中a点处以包含与梁的横 截面重合的面在内的三对相互垂直的面取出的单元体如图b(立 体图)和图c(平面图)，a点处于二向应力状态。 (a) (c) (b) 9 第十一章 应力状态及强度理论 平面应力状态最一般的表现形式如图a所示，现先 分析与已知应力所在平面xy垂直的任意斜截面(图b)上的 应力。 10 第十一章 应力状态及强度理论 1、斜截面上的应力 图b中所示垂直于xy平面 的任意斜截面ef 以它的外法线 n与x轴的夹角a 定义，且a角 以自x 轴逆时针转至外法线n为 正；斜截面上图中所示的正应 力sa 和切应力ta均为正值，即 sa 以拉应力为正，ta以使其所 作用的体元有顺时针转动趋势 者为正。 一. 解析法 11 第十一章 应力状态及强度理论 由图c知，如果斜截面 ef的面积为da，则体元左侧 面eb的面积为dacosa，而 底面bf 的面积为dasina。 图d示出了作用于体元ebf 诸 面上的力。 体元的平衡方程为 12 第十一章 应力状态及强度理论 由以上两个平衡方程并利用切应力互等定理可得到以 2a为参变量的求a 斜截面上应力sa，ta的公式： 13 第十一章 应力状态及强度理论 2、主应力和主平面 令 , 得: 将 代入 式,得 显然,在 面上 一点处切应力等于零的截面称为主平面(principal plane)，主 平面上的正应力称为主应力(principal stress)。 14 第十一章 应力状态及强度理论 在弹性力学中可以证明，受力物体内一点处无论是什 么应力状态必定存在三个相互垂直的主平面和相应的三个主 应力。对于一点处三个相互垂直的主应力，根据惯例按它们 的代数值由大到小的次序记作s1，s2，s3。当三个主应力中 只有一个主应力不等于零时为单向应力状态，当三个主应力 中有二个主应力不等于零时为平面应力状态，当三个主应力 都不等于零时为空间应力状态。 15 第十一章 应力状态及强度理论 3、极值切应力及其所在平面 令 即极值切应力所在平面与主平面成45度。 16 第十一章 应力状态及强度理论 某单元体应力如图所示，其铅垂方向和水平方向各平面上的 应力已知，互相垂直的二斜面ab和bc的外法线分别与x轴成300和 600角，试求此二斜面ab和bc上的应力。 17 第十一章 应力状态及强度理论 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。 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45 o 表面沿 出现滑移线，是由最大切应力引起的 。 18 第十一章 应力状态及强度理论 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。 铸铁圆试样扭转试验时，正是沿着 最大拉应力作用面（即45 o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。 19 第十一章 应力状态及强度理论 二. 图解法 为便于求得sa，ta ，也为了便于直观地了解平面应力 状态的一些特征，可使上述计算公式以图形即所称的应力 圆(莫尔圆)(mohrs circle for stresses)来表示。 先将上述两个计算公式11-1a、11-1b移项，再将两式 各自平方然后相加即得： 20 第十一章 应力状态及强度理论 而这就是如图a所示的一个圆应力圆（莫尔园）， 它表明代表a 斜截面上应力的点必落在应力圆的圆周上。 o c (a) 21 第十一章 应力状态及强度理论 o c (b) 图a中所示的应力圆实际上可如图b所示作出，亦即使单元 体x截面上的应力sx,tx按某一比例尺定出点d1，依单元体y截面 上的应力sy,ty(取ty = -tx)定出点d2，然后连以直线，以它与s 轴的交点c为圆心，并且以 或 为半径作圆得出。 22 第十一章 应力状态及强度理论 值得注意的是，在应力圆圆周上代表单元体两个相互垂直的 x截面和y截面上应力的点d1和d2所夹圆心角为180，它是单 元体上相应两个面之间夹角的两倍，这反映了前述sa，ta计 算公式中以2a 为参变量这个前提。 o c (b) 23 第十一章 应力状态及强度理论 利用应力圆求a 斜截面(图a)上的应力sa，ta时，只 需将应力圆圆周上表示x截面上的应力的点d1所对应的半 径 按方位角a的转向转动2a角，得到半径 ，那 么圆周上e点的座标便代表了单元体a斜截面上的应力。 现证明如下(参照图b)： 24 第十一章 应力状态及强度理论 e点横座标 25 第十一章 应力状态及强度理论 e点纵座标 26 第十一章 应力状态及强度理论 由根据图a所示单元体上的 应力所作应力圆(图b)可见，圆 周上a1和a2两点的横座标分别 代表该单元体的垂直于xy平面 的那组截面上正应力中的最大 值和最小值，它们的作用面相 互垂直(由a1和a2两点所夹圆心 角为180可知)，且这两个截面 上均无切应力。应力圆圆周上 点a1和a2所代表的就是主应力 。 27 第十一章 应力状态及强度理论 现利用前面的图b所示应 力圆导出求不等于零的主应力 数值和主平面位置方位角a0的 解析式，由于 其中， 为应力圆圆心的横座标， 为应力 圆的半径。故得 28 第十一章 应力状态及强度理论 或即 图c示出了主应力和主平面的方位。 29 第十一章 应力状态及强度理论 例题 简支的焊接钢板梁及其上的荷载如图a所示，梁的横截 面如图b和c。试求集中荷载位置c的左侧横截面上a，b两点(图c) 处的主应力。 焊接钢板梁的腹板上在焊缝顶端(图b中点f )处，弯曲应力和切 应力都比较大，是校核强度时应加以考虑之点；在实际计算中 为了方便，常近似地以腹板上与翼缘交界处的a点(图c)代替f点 。 30 第十一章 应力状态及强度理论 1. 此梁的剪力图和弯矩图如图d和e。危险截面为荷载 作用位置c的左侧横截面。 31 第十一章 应力状态及强度理论 2. 相关的截面几何性质为 32 第十一章 应力状态及强度理论 3. 危险截面上a点和b点处的应力： 33 第十一章 应力状态及强度理论 4. 从危险截面上a点和b点处以包含与梁的横截面在内的三 对相互垂直的截面取出单元体，其x和y面上的应力如图f和h 中所示。据此绘出的应力圆如图g和i。 y x (f) (h) 34 第十一章 应力状态及强度理论 (i) (h) 对于点b s1沿x方向(图h)。 35 第十一章 应力状态及强度理论 点a 处主应力s1和s3的值及其方向按应力圆上的几何关 系计算： 亦即 a0-23.2。 (g) s1 36 第十一章 应力状态及强度理论 11-3 三向应力状态分析简介 当一点处的三个主应力都不等于零时，称该点处的应 力状态为空间应力状态(三向应力状态)；钢轨在轮轨触点 处就处于空间应力状态(图a)。 37 第十一章 应力状态及强度理论 当空间应力状态的三个主应力s1， s2，s3已知时(图a)，与任何一个主平 面垂直的那些斜截面(即平行于该主平 面上主应力的斜截面)上的应力均可用 应力圆显示。 (a) 38 第十一章 应力状态及强度理论 (b) (c) 例如图a中所示垂直于主应力s3所在平面的斜截面，其上 的应力由图b所示分离体可知，它们与s3无关，因而显示这类 斜截面上应力的点必落在以s1和s2作出的应力圆上(参见图c)。 39 第十一章 应力状态及强度理论 进一步的研究证明*，表示与三个主平面均斜交的任意斜 截面(图a中的abc截面)上应力的点d必位于如图c所示以主应 力作出的三个应力圆所围成的阴影范围内。 (a) 同理，显示与s2(或s1)所在主平面垂直的那类斜截面上 应力的点必落在以s1和s3(或s2和s3)作出的应力圆上。 (c) 40 第十一章 应力状态及强度理论 据此可知，受力物体内一点处代数值最大的正应力smax就 是主应力s1，而最大切应力为 (c) 41 第十一章 应力状态及强度理论 例题 试根据图a所示单元体各面上的应力,求出主应力 和最大切应力。 (a) 42 第十一章 应力状态及强度理论 解: 1. 图a所示单元体上正应力sz=20 mpa的作用面(z截 面)上无切应力，因而该正应力为主应力。 2. 正如以前所述，在与主平面z截面垂直的各截面上的应力 与主应力sz无关，故可根据x截面和y截面上的应力画出显示与z 截面垂直各截面上应力随截面方位角变化的应力圆。 (a) 43 第十一章 应力状态及强度理论 从圆上得出两个主应力46 mpa和-26 mpa。这样就得到 了包括sz=20 mpa在内的三个主应力。他们按代数值大小排 序为s146 mpa，s220 mpa，s3-26 mpa。 (a) 44 第十一章 应力状态及强度理论 11-4 各向同性材料的应力-应变关系 最一般表现形式的空间应力状态有6个独立的应力分量 ： sx , sy , sz , txy , tyz , tzx；与之相应的有6个独立的应变分量 ：ex , ey , ez , gxy , gyz , gzx。 本节讨论在线弹 性范围内，且为小变 形的条件下，空间应 力状态的应力分量与 应变分量之间的关系 ，即广义胡克定律。 45 第十一章 应力状态及强度理论 现在来导出一般空间 应力状态(图a)下的广义胡 克定律。因为在线弹性,小 变形条件下可以应用叠加 原理，故知x方向的线应变 与正应力之间的关系为 同理有 46 第十一章 应力状态及强度理论 根据弹性力学研究结果， 切应变只与切应变平面内的 切应力相关，因而有： 47 第十一章 应力状态及强度理论 对于图b所示的平面应力状态(sz0，txz=zx=0，tyz=tzy=0) ，则胡克定律为 (b) 各向同性材料的三个弹性常数e，g，n 之间存在如下关系： 48 第十一章 应力状态及强度理论 当空间应力状态如下图所示以主应力表示时，广义胡克 定律为 式中，e1，e2，e3分别为沿主应力s1，s2，s3方向的线应变。 49 第十一章 应力状态及强度理论 在平面应力状态下，若s30，则以主应力表示的胡克 定律为 50 第十一章 应力状态及强度理论 例题 已知构件受力后其自由表面上一点处两主应变值 为e1240 10-6，e3=-160 10-6，且s2 =0 。已知材料的弹 性模量e=210 gpa，泊松比n0.3。试求该点处的主应力数 值，并求另一主应变e2。 51 第十一章 应力状态及强度理论 解：1. 构件的自由表面上无任何应力，故知该点处 于平面应力状态。 2. 根据平面应力状态的胡克定律有 联立求解此二式得 52 第十一章 应力状态及强度理论 再根据平面应力状态的胡克定律求得 53 第十一章 应力状态及强度理论 11-5 强度理论及其相当应力 材料在单向应力状态下的强度(塑性材料的屈服极限，脆性 材料的强度极限)总可通过拉伸试验和压缩试验加以测定；材料 在纯剪切这种特定平面应力状态下的强度(剪切强度)可以通过 例如圆筒的扭转试验来测定。 但是对于材料在一般平面应力状态下以及三向应力状态下 的强度，则由于不等于零的主应力可以有多种多样的组合，所 以不可能总是由试验加以测定。因而需要通过对材料破坏现象 的观察和分析寻求材料强度破坏的规律，提出关于材料发生强 度破坏的力学因素的假设强度理论，以便利用单向拉伸、 压缩以及圆筒扭转等试验测得的强度来推断复杂应力状态下材 料的强度。 54 第十一章 应力状态及强度理论 材料的强度破坏有两种类型； . 在没有明显塑性变形情况下的脆性断裂； . 产生显著塑性变形而丧失工作能力的塑性屈服。 工程中常用的强度理论按上述两种破坏类型分为 . 研究脆性断裂力学因素的第一类强度理论，其中 包括最大拉应力理论和最大伸长线应变理论； . 研究塑性屈服力学因素的第二类强度理论，其中 包括最大切应力理论和形状改变比能理论。 55 第十一章 应力状态及强度理论 (1) 最大拉应力理论(第一强度理论) 受铸铁等材料单 向拉伸时断口为最大拉应力作用面等现象的启迪，第一强 度理论认为，在任何应力状态下，当一点处三个主应力中 的拉伸主应力s1达到该材料在单轴拉伸试验或其它使材料 发生脆性断裂的试验中测定的极限应力su时就发生断裂。 可见，第一强度理论关于脆性断裂的判据为 而相应的强度条件则是 其中，s为对应于脆性断裂的许用拉应力，ssu/n， 而n为安全因数。 56 第十一章 应力状态及强度理论 (2)最大伸长线应变理论(第二强度理论) 从大理石等材 料单轴压缩时在伸长线应变最大的横向发生断裂(断裂面沿 施加压应力的方向，即所谓纵向)来判断，第二强度理论认 为，在任何应力状态下，当一点处的最大伸长线应变e1达到 该材料在单轴拉伸试验、单轴压缩试验或其它试验中发生脆 性断裂时与断裂面垂直的极限伸长应变eu时就会发生断裂。 可见，第二强度理论关于脆性断裂的判据为 57 第十一章 应力状态及强度理论 亦即 而相应的强度条件为 按照这一理论，似乎材料在二轴拉伸或三轴拉伸应力 状态下反而比单轴拉伸应力状态下不易断裂，而这与实际 情况往往不符，故工程上应用较少。 如果eu是在单轴拉伸而发生脆性断裂情况下测定的，则 第二强度理论关于脆性断裂的判据也可以便于运用的如下应 力形式表达： 58 第十一章 应力状态及强度理论 (3) 最大切应力理论(第三强度理论) 低碳钢在单轴拉 伸而屈服时出现滑移等现象，而滑移面又基本上是最大切 应力的作用面(45 斜截面)。据此，第三强度理论认为， 在任何应力状态下当一点处的最大切应力tmax达到该材料在 试验中屈服时最大切应力的极限值tu时就发生屈服。 第三强度理论的屈服判据为 对于由单轴拉伸试验可测定屈服极限ss，从而有tuss/2的 材料（例如低碳钢），上列屈服判据可写为 即 59 第十一章 应力状态及强度理论 而相应的强度条件则为 从上列屈服判据和强度条件可见，这一强度理论没有 考虑复杂应力状态下的中间主应力s2对材料发生屈服的影 响；因此它与试验结果会有一定误差(但偏于安全)。 (4) 形状改变比能理论(第四强度理论) 注意到三向等 值压缩时材料不发生或很难发生屈服，第四强度理论认为 ，在任何应力状态下材料发生屈服是由于一点处的形状改 变能密度vd达到极限值vdu所致。 60 第十一章 应力状态及强度理论 于是，第四强度理论的屈服判据为 这个理论比第三强度理论更符合已有的一些平面应力 状态下的试验结果，但在工程实践中多半采用计算较为简 便的第三强度理论。 61 第十一章 应力状态及强度理论 (5) 强度理论的相当应力 上述四个强度理论所建立的强度条件可统一写作如下形 式： 式中，sr是根据不同强度理论以危险点处主应力表达的一个 值，它相当于单轴拉伸应力状态下强度条件ss中的拉应 力s，通常称sr为相当应力。下表示出了前述四个强度理论 的相当应力表达式。 62 第十一章 应力状态及强度理论 相当应力表达式强度理论名称及类型 第一类强度 理论(脆性断裂 的理论) 第二类强度 理论(塑性屈 服的理论) 第一强度理论 最大拉应力理论 第二强度理论 最大伸长线应变理论 第三强度理论 最大切应力理论 第四强度理论 形状改变能密度理论 四个强度理论的相当应力表达式 63 第十一章 应力状态及强度理论 例题 试全面校核图a,b,c所示焊接工字梁的强度，梁 的自重不计。已知：梁的横截面对于中性轴的惯性矩为 iz = 88106 mm4；半个横截面对于中性轴的静矩为s*z,max = 338103 mm3；梁的材料q235钢的许用应力为s 170 mpa，t 100 mpa。 64 第十一章 应力状态及强度理论 解: 1. 按正应力强度条件校核 此梁的弯矩图如图d，最大弯矩为mmax80 knm。 梁的所有横截面上正应力的最大值在c 截面上,下边缘处： 它小于许用正应力s，满足正应力强度条件。 (d) 65 第十一章 应力状态及强度理论 2. 按切应力强度条件校核 此梁的剪力图如图e，最大剪力为fs,max=200 kn。 梁的所有横截面上切应力的最大值在ac段各横截面上的中 性轴处： 它小于许用切应力t,满足切应力强度条件。 (e) 66 第十一章 应力状态及强度理论 3. 按强度理论校核mmax和fs,max同时所在横截面上腹板 与翼缘交界处的强度 在mmax和fs,max同时存