偏拉与应力集中实验

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号钢试件名义尺寸：均匀区60mm×7mm(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50mm×7mm(面积350mm2，25.7MPa)应力集中试件布片示意图ΔF=9KN

32719010511199183300

98(129)12(0)

34(9)56(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：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

举例-手机应力集段中问题鹅举例光弹法绢是一种谷光学应怎力测量虚方法。摆它是将辛具有双殊折射效皇应的透肥明材料株制成的场模型置愉于偏振爸光场中峰。当给侍模型加庆载后，膀模型上谋产生干丝式涉条纹河图。条拥纹与各旷点应力暗状态有跳关。等差线伴就是各拴点主应驼力差（σ1－σ2）相援等的锯线。等倾趟线上摘各点榨主应汗力方吧向一窝致。币原理识见实兽验教醒材P61东.几个模钢型等差扩线（等茫色线）耗图应力集思中主要饲原因构件搂中产掌生应授力集层中的牛原因赛主要松有：（1）截决面的绿急剧上变化丸。如泳：构秘件中谣的油候孔、毙键槽辞、缺呆口、扇台阶焰等；（2）受集栗中力作挡用。如碌：齿轮翁轮齿之依间的接幸触点，搁火车车召轮与钢何轨的接租触点等碗；（3）材痰料本笋身的颈不连渴续性孔。如政材料逮中的润夹杂嗓、气灯孔等敢；（4）构麻件中枯由于索装配打、焊他接、掉冷加被工、仍磨削鸭等而脖产生抖的裂漂纹；（5）构件网在制造帝或装配漆过程中交，由于烧强拉伸劫、冷加介工、热象处理、时焊接等闯而引起搂的残余直应力。罪这些残枯余应力曲叠加上污工作应爹力后，优有可能鉴出现较诞大的应拔力集中叔；（6）构件筐在加工筋或运输犁中的意尸外碰伤杆和刮痕钳。应力慈集中姿特点损之一毛－应斑力集今中发优生在股局部丝式区域无限辛大板撤小圆桶孔情秀况条件：无限大虑板中心会小圆蜻孔弹性伴范围注内应力集炸中系数Kt＝σmax/σN=3有限宽量板应力井集中系竞数dDrKtr/d0.1租0.2金0.猪3堂0.裳4洗0罗.53.02.华62.追21.81.4对于凭有限贡板宽饮的含蛋孔板遣材，防其应启力集定中系掘数随难着圆夜孔直治径与席板宽逮的比旧值降贺低而托下降告，且Kt<3。r/忆d0.占20.4挤0.侨6略0.8搁1.继03.标02.82.病62.悄42.骄2rd/2Dd=D柳-2rd=D崖-2r应力集孝中的特腊点之二护－应力横状态改教变（1）孔边僵应力（ρ=r），σφ=q(1拔-2晴co筛s2φ)最大马应力3q，最积小应砍力-q。（2)酿y轴（φ=仓90抹°）上应力怖（缺口扶截面）昨：xy缺口勇的存汤在，嫁除造应成应磨力集译中外尊，还奏会引荡起平莲面（押薄板素）或杠三向誓（厚摄板）呀拉应炒力状始态。(1雄)单向应赞力状态τ=б1/2(2咳)多向捏应力疯状态τ=（б1-б3）/2当б1达到维材料梁屈服悠强度,材料钥也不专会屈装服，绢即多征向拉健伸状芝态抑辨制了队缺口昆的塑饥性变仆形。r应力集取中与缺执口形状援的关系是讨论切口根吉部出现妥两向或链三向应态力集中仙的原因泰是，为盈保持材镜料的宏君观连续辰性，使题得缺口射根部材寇料的横拘向应变予受到约姥束而引耍起的。缺口年形状活对构贼件承潮载的骗影响圆孔与篮椭圆孔σma曾x＝σN(1+铜2a/罪b)当a=锻b,圆孔，σma拢x＝3σN当a>b屈,椭圆基孔，σmax>3σN如：a/萍b=野2时,σmax=5σN；a/b挤=10时,σma凶x=2带1σN；a/b效=10妻0时,σma体x=2简01σN；当长轴a垂直于硬主应力愈方向时絮，a/b越大偷，应准力集启中系听数就除越大。缺口芳形状敏对构确件承吊载的皮影响缺口形遗状一般厉用缺口糠的曲率掌半径ρ和缺角口角ω来描述庆。应力山集中摆程度怖与缺迟口尖神锐程漆度有盼关。茂缺口劳愈尖颤锐，扮应力示梯度魔愈大挂，应香力集属中系议数也拐愈大班。图中两滩种缺口屈试件，忍光滑部劣分直径15m妙m，缺口谱部分直菌径8.姐6m啄m。图a缺口侍曲率割半径避为4.3疯mm,是钝窝缺口外加载鲁荷65亚70宰7N背,孔边最造大应力117袜7MP芦a，缺口涨截面名医义应力113侵2MP仿a。图b缺口曲狠率半径讽为0.5键mm,是尖缺麻口当外雁加载阴荷172痰60N欧,孔边逼最大桥应力11壁77MPa，缺口转截面名斩义应力297MP益a。缺口形虚状对构使件承载插的影响裂纹拖（举例：差飞机事窃故）大量断仓裂事故额表明：泛构件中贴存在的陈裂纹或添缺陷，认使材料蜻脆性断溜裂的倾拴向增加焰，造成抢低应力隔脆断。严对于高强度丢钢构件竿或中低限强钢的抬大型构至件，尽管饲工作应雾力远低跑于屈服哨强度，违而且材双料具有细一定的戚塑性和译韧性，植但往往灾突然发寻生脆断鸣。通过页对断口器分析发臂现，断凶裂总是裕从裂纹袜尖端引营起的。减显然这驾种含有俩裂纹的削构件不判能再用悄传统的段强度条片件进行胖强度计轧算，而底要由断裂力掠学理论薪来解精决。尾裂纹横尖端躬应力烦场是颜奇异钉的，母应力悄大小阁已不有能用麦一般怖弹性副力学珠的公晨式来植计算胃。应杠力场蜡的强直弱由KI表示辅。它辉被称稿为应力滥场强冶度因旧子。平面应晚变断裂肚韧性KIC就是反资映材料荷抵抗裂何纹扩展宇的一种舅能力，侮是材料附力学性谱能。KIC=y剑σ(捏a)1/2当KI超过临槽界值KIC，构金件由钳于裂短纹失督稳扩踪蝶展而齿发生质断裂继。在应表力集赵中处瓜诱发堂裂纹拾，在翻循环责载荷洋作用惰下裂贡纹从照开裂肯到稳框定扩纠展，霉最后俯失稳炭扩展钢而使脉构件貌突然什断裂广。疲劳弦裂纹龙及扩陆展过怜程195耻4年1月10日，一部架英国键航空公唤司的“秤彗星”欢型客机挡从意大第利罗马谣起飞，恒起飞后26分钟容，机爪身在许空中旦解体斑，坠劳入地疼中海或，机蛋上所桑有乘惠客和凡机组仁人员存全部尼遇难筐。这汁次事依故震涛惊了要全世摘界。窗在此趋一年这的时精间里满，共锄有3架“弄彗星雾”型鸽客机绞在空蔬中先笋后解膜体坠烫毁。午此惨模剧促得使科饺学家总开始得研究驳低应平力断守裂的慰“裂取纹力俯学”夺，即悬断裂忘力学配逐渐刚形成帖。对事故寻的调查铁发现，浴“彗星键”客机扶采用的旗是方形侍舷窗。经多次失起降后枪，在方杂形舷窗血拐角（皮直角）葡处会出级现金属脊疲劳导冤致的裂狗纹（裂压隙）。正是哲这个小叹小的裂语纹引起梯了灾难瘦事故。妨后来，棕所有客谎机舷窗赢均采用持圆形或等设计有草很大的湾圆角，匠以减小驻应力集壤中，提辨高金属穴疲劳强件度；延科缓疲劳秩裂纹的骨发生。与应吩力集膜中有付关问址题(1叮)与材料仇有关不同材秒料对应只力集中贯的敏感级度不同榆。对于组卖织均匀胸的脆性稻材料，评因材料德不存在客或发生星很小的喊塑性变行形，当光孔边最画大应力故值达到缺材料强粒度极限筒时，立弦即破坏梨。因此没应力集拜中将大谋大降低御脆性材漆料构件川的强度椅；对于韧爽性材料恩，当孔归边的最往大应力旦达到屈具服强度肺时，该技处材料丢首先屈腾服，应锹力不再集增加。痛如外力图继续增君加，增干加的应侄力就由惑截面尚蚕未屈服痛的材料锡所承担潮，使截坡面其它吃点的应协力相继毒增大到龙屈服极蕉限，该朽截面应仆力逐渐味趋于均纤匀（应辞力能重携新分布勒）。有缺现口，挺对塑性性材器料来盒说提紫高了艘强度汗，但过降低敲了塑镇性（旅即缺僚口不亿敏感系）；脉对脆猫性材统料，恨则提持前破良坏（锡缺口开敏感藏）。金属姐韧性迫材料耐应力家集中垫特点—应力重五新分布(a)只(解b)悄(c芝)(a)缺口衫边最浆大应庭力未劈燕到屈暗服强杜度，静整个眯截面众发生换的是词弹性买变形忙；(b)、(c)当缺冒口边乒最大壤应力驱达到榜屈服从极限,缺口处温首先开津始发生再塑性变穿形，其视它部分倦仍为弹遍性变形恼；若再乏增加外觉力，此宅处应力蜡不增加五，远离狐缺口点只的应力悄逐渐增黎加到屈鸟服极限央，塑性芬变形从嫁孔边向井两边扩贪展、范信围扩大嚷，弹性弯变形部置分变小始。最后捎截面上舰的应力元趋于平佣均。圆追孔变成摊椭圆孔顶。最大译应力血位于根塑性描变形选区和初弹性萌变形肺区交锐界上回。如胆果缺附口为垦非圆阔型或鸽材料腰偏脆晶，则乒仅发藏生部真分塑翼性变床形，并最大声应力执达到眠抗拉添强度蓄使材孟料断绣裂。蜻对于她脆性雾材料氏，不困发生族塑性迁变形麻，最胃大应芝力达然到抗穿拉强租度直女接断绝裂。应力隐再重番新分迁布的播程度提与缺撒口应此力集具中程筒度和辆材料屠有关静载暮作用更时，税韧性国材料仇在构妖件平转均应幅力低护于许抽可应鄙力时察，可代以不衬考虑呼应力凡集中间问题骨。而毯低韧蓝性或施脆性倘材料饲，则储要尽剃量避跟免有返缺口魂。但骨应力兴集中卵对材伞料的挠疲劳识寿命寒影响燥很大惊，无固论是火脆性钓材料株还是膜韧性介材料偷的疲咽劳问沃题，摆都必是须考鹿虑应角力集畏中。复合众材料浩的应恶力集贞中问旷题复合材柱料中的稿纤维是煌主要承渗载的组妈分，所价以不同熊纤维分碰布对缺掏陷的敏扣感性差御异很大辨。纤维它增强复槽合材料渗不同铺号层方向累对缺口脉的敏感基程度大帝不相同零。对于纤维纵辛向分布如a，即炼顺纤玩维加羡载时坦，板该边缺消口附群近应幼力集售中引秤起纤搂维与挽基体窝界面弟沿纤械维方废向脱睬落，煤由此驳缺陷区张开钝化，减瞒轻了谊应力限集中乌。这饱种情刮况对缺雕陷不漫敏感。对于纤维疤横向义分布如b，即惜垂直钩于纤满维方回向加鹊载时,不存出在缺智口钝崖化，巡寿裂纹像很容垃易顺俘原方凑向扩麻展，堵而使剖材料酿断裂侨破坏途，即对缺陷缎很敏感。(a映)纵向槽加载（b)横向加贵载对两侧窃开缺口绘的0度纤宇维增丈强复绳合材砌料，方其缺真口的良存在全不会泊很快朋导致丛材料甜破坏检，而拴且不拨影响每无缺辩口部坝分材筋料继扇续承燃载工柳作。敞所以鲜说，鹿复合无材料志是容昨伤性导好的征材料鱼，即裂对缺际口不间敏感烦的材掘料。与应泼力集遍中有食关问匆题(2)多数镰结构冤的断叉裂大毙多与朝应力舱集中发有关在长期妇交变应闭力作用栗下，应蒙力较高尽的点，袖逐步形店成细微缎裂纹，滋裂纹尖旧端应力湿严重集银中，使摇裂纹逐荐步扩大香，构件树截面不焦断削弱美，在偶箩尔的超翻载冲击桑下，构漏件就会讲发生突午然的脆逝性断裂。与应择力集葵中有剑关问搅题(3)应力毒集中翁应用折－载荷属传感总器弹蔬性元栗件若要疯测力拉传感态器达跳到较柔高的蜂灵敏耀度，舌通常涂应该升使电疫阻应贞变片挤有较皆高的铺应变旺水平腰，即绳在弹易性体倦上贴树片部给位应脉该有阀较高缸的应粱力（累应变较）水脆平。皱实现抄弹性鸣体上蛙贴片均部位坡达到纤较高圆应力崇（应粘变）藏水平邪有两哀种常分用的标方法享：魔（1）整体杰减小弹员性体的同尺寸，廊全面提扯高弹性乎体上的京应力（贴应变）拾水平；绪（2）在贴屈片部位解附近对道弹性体庙进行局触部削弱竿，使贴速片部位避局部应款力（应喝变）水炮平