偏拉与应力集中分析实验t,共44

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

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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

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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

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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6.17t•m增加到29.63t•m，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，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[б]=50MPa应变片灵敏系数K＝2.08偏心拉伸试件正面布片示意图实验安排1、根据给出出的被测材材料的许可可应力,计算实验允允许的最大大载荷Pmax。在初载荷荷、末载荷荷（小于Pmax）之间，采采用分级加加载（至少少5个点）的方方法加载并并记录不同同载荷下的的各点应变变数据。要要求实验至至少重复两两次，如果果数据稳定定、重复性性好即可。。2、选取测点点选用组桥桥方式直接接测出与各各内力有关关的应变。。注意事项实验前要确确定加载范范围和加载载方案，并并经带课老老师认可后后再加载实实验；只能在安装装试件前将将载荷显示示清零；不要超载（（小于给定定最大载荷荷）；不要超速（（加卸载速速度均小于于2mm/min，应变采集集前降低速速度不停机机采应变)。注意试件各各电阻应变变片连接到到应变仪的的顺序和通通道号。应力集中问问题分析应力集中是是指受力构构件由于几几何形状、、外形尺寸寸发生突变变而引起局局部范围内内应力显著著增大的现现象。在应应力集中的的同时，还还会形成平平面或三向向应力状态态，增加了了材料的脆脆化趋势。。开半圆槽薄薄板应力集集中数据分分析点号0左缺口边缘反面1左缺口处2左缺口边缘正面34缺口截面中点正面51号试件4号试件14215227732717619010710510711111599点号6右缺口边缘正面7右缺口处8右缺口边缘反面

9缺口截面中点反面10均匀区正面11均匀区反面1号试件4号试件187183345300165149911001299878108试件材料：：45号钢试件名义尺尺寸：均匀区60mm××7mm(面积420mm2，21.4MPa)试件中间截截面两边开开半圆缺口口，半径5mm，缺口处最小小截面50mm××7mm(面积350mm2，25.7MPa)应力集中试件布片示意图ΔF=9KN3271901051119918330098(129)12(0)34(9)56(8)7缺口处应力力约60MPa（弹性模量量按200GPa计算)应力集中问问题举例-汽轮机转子子汽轮机转子子的金属事事故主要是是叶轮、主主轴（转子子）的变形形及开裂。。1.主轴（转子子）的塑性性变形2.转子的断裂裂转转子断断裂将造成成严重事故故，应引起起十分重视视。断裂的的起因是出出现裂纹。。转子发现现第一条宏宏观裂纹，，在大型汽汽轮机中往往往作为汽汽轮机工作作寿命结束束的标志。。转子产生生裂纹的原原因主要有有以下几点点：（（1）、在热交交变应力（（低频热应应力）和蠕蠕变联合作作用下出现现裂纹；（（2）、截面交交界处过渡圆角偏偏小、存在在刀刀痕痕等原原因因会会导导致致机机械械应应力力或或热应应力力集集中中，在在交交变变应应力力作作用用下下产产生生裂纹纹；（（3）、、材材质质不不良良，，存存在在严重重冶冶金金缺缺陷陷而导导致致裂纹纹产生生；；（（4）、、运运行行不不当当而而引引起起损损坏坏。。如如启启、、停停机机，，变变负负荷荷等等情情况况下下，，温温度度变变化化率率及及温温度度变变化化量量过过大大，，引引起起热热应应力力过过大大等等。。3.叶轮轮的的开开裂裂叶叶轮轮开开裂裂主主要要出出现现在在低低压压级级。。由由于于叶叶轮轮直直径径大大，，离离心心力力大大，，长长期期运运行行中中键键槽槽处处由由于于应力力集集中中容易易出出现现裂纹纹，裂裂纹纹发发展展到到一一定定深深度度会会引引起起整整个个叶叶轮轮飞飞裂裂。。应力力集集中中问问题题举举例例-模具具失失效效原原因因模具具断断裂裂过过程程有有两两种种：：一一次次性性断断裂裂和和疲疲劳劳断断裂裂。。一一次次性性断断裂裂为为模模具具有有时时在在冲冲压压时时突突然然断断裂裂，，裂裂纹纹一一旦旦萌萌生生，，后后即即失失稳稳、、扩扩展展。。(1)结构构设设计计不不合合理理引引起起失失效效。。尖锐锐转转角角(此处处应力力集集中中高于于平平均均应应力力十十倍倍以以上上)和过过大大的的截截面面变变化化造造成成应力力集集中中，常常常常成成为为许许多多模模具具早早期期失失效效的的根根源源。。并并且且在在热热处处理理淬淬火火过过程程中中，，尖尖锐锐转转角角引引起起残残余余拉拉应应力力，，缩缩短短模模具具寿寿命命。。(2)模具具材材料料质质量量差差引引起起的的失失效效。。a．夹夹杂杂物物过过多多引引起起失失效效。。钢中中存存在在夹夹杂杂物物足模模具具内内部部产产生生裂纹纹的根根源源，，尤尤其其是是脆脆性性氧氧化化物物和和硅硅酸酸盐盐等等，，在在热热压压力力加加工工中中不不发发生生塑塑性性变变形形，，只只会会引引起起脆脆性性的的破破裂裂而而形形成成微微裂裂纹纹。。在在以以后后的的热热处处理理和和使使用用中中访访裂裂纹纹进进一一步步扩扩展展，，而而引引起起模模具具的的开开裂裂。。此此外外，，在在磨磨削削中中，，由由于于大大颗颗粒粒夹夹杂杂物物剥剥落落造造成成表表面面孔孔洞洞。。b．表表面面脱脱碳碳引引起起失失效效。。c．碳碳化化物物分分布布不不匀匀，，引引起起失失效效。。(3)模具具的的机机加加工工不不当当。。a切削削中中的的刀刀痕痕：模模具具的的型型腔腔部部位位或或凸凸模模的的圆圆角角部部位位在在机机加加工工中中，，常常常常因因进进刀刀太太深深而而使使局局部部留留下下刀刀痕痕，，造造成成严严重重应力力集集中中，当当进进行行淬淬火火处处理理时时，，应力力集集中中部部位位极极易易产产生生微微裂裂纹纹。b电加加工工引引起起失失效效。。c磨削削加加工工造造成成失失效效(4)模具具热热处处理理工工艺艺不不合合适适。。应力力集集中中问问题题举举例例-焊接接结结构构疲疲劳劳断断裂裂据统统计计，，由由于于疲疲劳劳而而失失效效的的金金属属结结构构，，约约占占失失效效结结构构的的90%。疲疲劳劳断断裂裂的的过过程程由由三三个个阶阶段段所所组组成成：：1）在在承承受受重重复复载载荷荷的的结结构构的的应力力集集中中部部位位产产生生疲疲劳劳裂裂纹纹（此此时时结结构构所所受受应应力力低低于于弹弹性性极极限限））；；2）疲疲劳劳裂裂纹纹稳稳定定扩扩展展；；3）结结构构断断裂裂。。焊接接结结构构较较其其它它结结构构（（如如铆铆接接结结构构））更更容容易易产产生生疲疲劳劳断断裂裂，，这这是是因因为为：：1）铆铆接接结结构构的的疲疲劳劳裂裂纹纹发发展展遇遇到到钉钉孔孔或或板板层层间间隔隔会会受受阻阻，，焊焊接接结结构构由由于于其其整整体体性性，，一一旦旦产产生生裂裂纹纹，，裂裂纹纹扩扩展展不不受受阻阻止止，，直直至至整整个个构构件件断断裂裂。。2）焊焊接接连连接接不不可可避避免免地地存存在在着着产产生生应力力集集中中的夹夹渣渣、、气气孔孔、、咬咬边边等等缺缺陷陷。。3）焊焊缝缝区区存存在在着着很很大大的的残残余余拉拉应应力力。。几几个个典典型型的的焊焊接接结结构构疲疲劳劳断断裂裂事事例例见见图图。。应力集中问题题举例-焊接结构疲劳劳断裂a为直升飞机起起落架的疲劳劳断裂。裂纹纹从应力集中很高的角接板板尖端开始，，该机飞行着着陆时发生破破坏，属于低低周疲劳。b为载重汽车底底架纵梁的疲疲劳断裂。该该梁板厚5mm，承受反复的的弯曲应力，，在角钢和纵纵梁的焊接处处，因应力集中很高而产生疲疲劳裂纹而破破坏，此时该该车已运行30000km。应力集中问题题举例应力集中问题题

举例-手机应力集中问题题举例光弹法是一种种光学应力测测量方法。它它是将具有双双折射效应的的透明材料制制成的模型置置于偏振光场场中。当给模模型加载后，，模型上产生生干涉条纹图图。条纹与各各点应力状态态有关。等差线就是各各点主应力差差（σ1－σ2）相等的线。等倾线上各点点主应力方向向一致。原理理见实验教材材P61.几个模型等差差线（等色线线）图应力集中主要要原因构件中产生应应力集中的原原因主要有：：（1）截面的急剧剧变化。如：：构件中的油油孔、键槽、、缺口、台阶阶等；（2）受集中力作作用。如：齿齿轮轮齿之间间的接触点，，火车车轮与与钢轨的接触触点等；（3）材料本身的的不连续性。。如材料中的的夹杂、气孔孔等；（4）构件中由于于装配、焊接接、冷加工、、磨削等而产产生的裂纹；；（5）构件在制造造或装配过程程中，由于强强拉伸、冷加加工、热处理理、焊接等而而引起的残余余应力。这些些残余应力叠叠加上工作应应力后，有可可能出现较大大的应力集中中；（6）构件在加工工或运输中的的意外碰伤和和刮痕。应力集中特点点之一－－应应力集中发生生在局部区域域无限大板小圆圆孔情况条件：无限大板中心小圆孔弹性范围内应力集中系数数Kt＝σmax/σN=3有限宽板应力力集中系数dDrKtr/d0.10.20.30.40.53.02.62.21.81.4对于有限板宽宽的含孔板材材，其应力集集中系数随着着圆孔直径与与板宽的比值值降低而下降降，且Kt<3。r/d0.20.40.60.81.03.02.82.62.42.2rd/2Dd=D-2rd=D-2r应力集中的特特点之二－应应力状态改变变（1）孔边应力（（ρ=r），σφ=q(1-2cos2φ)最大应力3q，最小应力-q。（2)y轴（φ=90°）上应力（缺口口截面）：xy缺口的存在，，除造成应力力集中外，还还会引起平面面（薄板）或或三向（厚板板）拉应力状状态。(1)单向应力状态态τ=б1/2(2)多向应力状态态τ=（б1-б3）/2当б1达到材料屈服服强度,材料也不会屈屈服，即多向向拉伸状态抑抑制了缺口的的塑性变形。。r应力集中与缺缺口形状的关关系讨论切口根部出现现两向或三向向应力集中的的原因是，为为保持材料的的宏观连续性性，使得缺口口根部材料的的横向应变受受到约束而引引起的。缺口形状对构构件承载的影影响圆孔与椭圆孔孔σmax＝σN(1+2a/b)当a=b,圆孔，σmax＝3σN当a>b,椭圆孔，σmax>3σN如：a/b=2时,σmax=5σN；a/b=10时,σmax=21σN；a/b=100时,σmax=201σN；当长轴a垂直于主应力力方向时，a/b越大，应力集集中系数就越越大。缺口形状对构构件承载的影影响缺口形状一般般用缺口的曲曲率半径ρ和缺口口角ω来描述述。应力集集中程程度与与缺口口尖锐锐程度度有关关。缺缺口愈愈尖锐锐，应应力梯梯度愈愈大，，应力力集中中系数数也愈愈大。。图中两两种缺缺口试试件，，光滑滑部分分直径径15mm，缺口口部分分直径径8.6mm。图a缺口曲曲率半半径为为4.3mm,是钝缺缺口外加载载荷65707N,孔边最最大应应力1177MPa，缺口口截面面名义义应力力1132MPa。图b缺口曲曲率半半径为为0.5mm,是尖缺缺口当外加加载荷荷17260N,孔边最最大应应力1177MPa，缺口口截面面名义义应力力297MPa。缺口形形状对对构件件承载载的影影响裂纹（（举例：：飞机机事故故）大量断断裂事事故表表明：：构件件中存存在的的裂纹纹或缺缺陷，，使材材料脆脆性断断裂的的倾向向增加加，造造成低低应力力脆断断。对对于高强度度钢构构件或或中低低强钢钢的大大型构构件，尽管管工作作应力力远低低于屈屈服强强度，，而且且材料料具有有一定定的塑塑性和和韧性性，但但往往往突然然发生生脆断断。通通过对对断口口分析析发现现，断断裂总总是从从裂纹纹尖端端引起起的。。显然然这种种含有有裂纹纹的构构件不不能再再用传传统的的强度度条件件进行行强度度计算算，而而要由由断裂力力学理论来来解决决。裂裂纹尖尖端应应力场场是奇奇异的的，应应力大大小已已不能能用一一般弹弹性力力学的的公式式来计计算。。应力力场的的强弱弱由KI表示。。它被被称为为应力场场强度度因子子。平面应应变断断裂韧韧性KIC就是反反映材材料抵抵抗裂裂纹扩扩展的的一种种能力力，是是材料料力学学性能能。KIC=yσσ(a)1/2当KI超过临临界值值KIC，构件件由于于裂纹纹失稳稳扩展展而发发生断断裂。。在应力力集中中处诱诱发裂裂纹，，在循循环载载荷作作用下下裂纹纹从开开裂到到稳定定扩展展，最最后失失稳扩扩展而而使构构件突突然断断裂。。疲劳裂裂纹及及扩展展过程程1954年1月10日，一一架英英国航航空公公司的的“彗彗星””型客客机从从意大大利罗罗马起起飞，，起飞飞后26分钟，，机身身在空空中解解体，，坠入入地中中海，，机上上所有有乘客客和机机组人人员全全部遇遇难。。这次次事故故震惊惊了全全世界界。在在此一一年的的时间间里，，共有有3架“彗彗星””型客客机在在空中中先后后解体体坠毁毁。此此惨剧剧促使使科学学家开开始研研究低低应力力断裂裂的““裂纹纹力学学”，，即断断裂力力学逐逐渐形形成。。对事故故的调调查发发现，，“彗彗星””客机机采用用的是是方形舷舷窗。经多次次起降降后，，在方方形舷舷窗拐拐角（（直角角）处处会出出现金金属疲疲劳导导致的的裂纹纹（裂裂隙））。正是是这个个小小小的裂裂纹引引起了了灾难难事故故。后后来，，所有有客机机舷窗窗均采采用圆圆形或或设计计有很很大的的圆角角，以以减小小应力力集中中，提提高金金属疲疲劳强强度；；延缓缓疲劳劳裂纹纹的发发生。。与应力力集中中有关关问题题(1)与材料料有关关不同材材料对对应力力集中中的敏敏感度度不同同。对于组组织均均匀的的脆性性材料料，因因材料料不存存在或或发生生很小小的塑塑性变变形，，当孔孔边最最大应应力值值达到到材料料强度度极限限时，，立即即破坏坏。因因此应应力集集中将将大大大降低低脆性性材料料构件件的强强度；；对于韧韧性材材料，，当孔孔边的的最大大应力力达到到屈服服强度度时，，该处处材料料首先先屈服服，应应力不不再增增加。。如外外力继继续增增加，，增加加的应应力就就由截截面尚尚未屈屈服的的材料料所承承担，，使截截面其其它点点的应应力相相继增增大到到屈服服极限限，该该截面面应力力逐渐渐趋于于均匀匀（应应力能能重新新分布布）。。有缺口，，对塑性性材料来来说提高高了强度度，但降降低了塑塑性（即即缺口不不敏感））；对脆脆性材料料，则提提前破坏坏（缺口口敏感））。金属韧性性材料应应力集中中特点—应力重新新分布(a)(b)(c)(a)缺口边最最大应力力未到屈屈服强度度，整个个截面发发生的是是弹性变变形；(b)、(c)当缺口边边最大应应力达到到屈服极极限,缺口处首首先开始始发生塑塑性变形形，其它它部分仍仍为弹性性变形；；若再增增加外力力，此处处应力不不增加，，远离缺缺口点的的应力逐逐渐增加加到屈服服极限，，塑性变变形从孔孔边向两两边扩展展、范围围扩大，，弹性变变形部分分变小。。最后截截面上的的应力趋趋于平均均。圆孔孔变成椭椭圆孔。。最大应力力位于塑塑性变形形区和弹弹性变形形区交界界上。如如果缺口口为非圆圆型或材材料偏脆脆，则仅仅发生部部分塑性性变形，，最大应应力达到到抗拉强强度使材材料断裂裂。对于于脆性材材料，不不发生塑塑性变形形，最大大应力达达到抗拉拉强度直直接断裂裂。应力再重重新分布布的程度度与缺口口应力集集中程度度和材料料有关静载作用用时，韧韧性材料料在构件件平均应应力低于于许可应应力时，，可以不不考虑应应力集中中问题。。而低韧韧性或脆脆性材料料，则要要尽量避避免有缺缺口。但但应力集集中对材材料的疲疲劳寿命命影响很很大，无无论是脆脆性材料料还是韧韧性材料料的疲劳劳问题，，都必须须考虑应应力集中中。复合材料料的应力力集中问问题复合材料料中的纤纤维是主主要承载载的组分分，所以以不同纤纤维分布布对缺陷陷的敏感感性差异异很大。。纤维增增强复合合材料不不同铺层层方向对对缺口的的敏感程程度大不不相同。。对于纤维纵向向分布如a，即顺纤纤维加载载时，板板边缺口口附近应应力集中中引起纤纤维与基基体界面面沿纤维维方向脱脱落，由由此缺陷陷张开钝化，减轻了了应力集集中。这这种情况况对缺陷不不敏感。对于纤维横向向分布如b，即垂直直于纤维维方向加加载时,不存在缺缺口钝化化，裂纹纹很容易易顺原方方向扩展展，而使使材料断断裂破坏坏，即对缺陷很很敏感。(a)纵向加载载（b)横向加载载对两侧开开缺口的的0度纤维增增强复合合材料，，其缺口口的存在在不会很很快导致致材料破破坏，而而且不影影响无缺缺口部分分材料继继续承载载工作。。所以说说，复合合材料是是容伤性性好的材材料，即即对缺口口不敏感感的材料料。与应力集集中有关关问题(2)多数结构构的断裂裂大多与与应力集集中有关关在长期交交变应力力作用下下，应力力较高的的点，逐逐步形成成细微裂裂纹，裂裂纹尖端端应力严严重集中中，使裂裂纹逐步步扩大，，构件截截面不断断削弱，，在偶尔尔的超载载冲击下下，构件件就会发发生突然然的脆性性断裂。与应力集集中有关关问题(3)应力集中中应用－－载荷传感感器弹性