工程力学课堂教学软件学生版失效分析

清华大学范钦珊

2023年10月5日工程力学(I)第二篇弹性静力学(一)返回主目录返回主目录第12章

失效分析与设计准则

(AnalysisofFailure&DesignCriteria)第12章

失效分析与设计准则

失效的概念与分类

建立一般应力状态下强度失效判据与设计准则的思路

单向应力状态下材料的力学行为

几种常用的强度设计准则

稳定设计准则

结论与讨论

失效的概念与分类第12章

失效分析与设计准则失效的概念与分类失效—由于材料的力学行为而使构件丧失正常功能的现象.第12章

失效分析与设计准则失效的概念与分类失效—由于材料的力学行为而使构件丧失正常功能的现象.第12章

失效分析与设计准则失效的概念与分类失效分类

强度失效(FailurebyLostStrength)—由于断裂(Rupture)或屈服(Yield)引起的失效第12章

失效分析与设计准则失效的概念与分类失效分类

强度失效(FailurebyLostStrength)—由于断裂(Rupture)或屈服(Yield)引起的失效第12章

失效分析与设计准则失效的概念与分类失效分类

刚度失效(FailurebyLostRigidity)—由于过量的弹性变形引起的失效.第12章

失效分析与设计准则失效的概念与分类失效分类

刚度失效(FailurebyLostRigidity)—由于过量的弹性变形引起的失效.第12章

失效分析与设计准则失效的概念与分类失效分类

屈曲失效(FailurebyBuckling,FailurebyLostStability)—由于平衡构形

的突然转变而引起的失效.第12章

失效分析与设计准则失效的概念与分类失效分类

屈曲失效(FailurebyBuckling,FailurebyLostStability)—由于平衡构形

的突然转变而引起的失效.第12章

失效分析与设计准则失效的概念与分类失效分类

疲劳失效(FailurebyFatigue)—由于交变应力的作用,初始裂纹不断扩展而引起的脆性断裂.

蠕变失效(FailurebyCreep)—

在一定的温度和应力下,应变随着时间的增加而增加,最终导致构件失效.第12章

失效分析与设计准则

失效的概念与分类失效分类

松弛失效(FailurebyRelaxation)—在一定的温度下,应变保持不变,应力随着时间增加而降低,从而导致构件失效.第12章

失效分析与设计准则失效的概念与分类失效分类强度失效刚度失效屈曲失效疲劳失效蠕变失效松弛失效第12章

失效分析与设计准则

建立一般应力状态下强度失效判据与设计准则的思路第12章

失效分析与设计准则建立强度失效判据与设计准则的思路

难点

应力状态的多样性

试验的复杂性

不可能性与可能性

第12章

失效分析与设计准则建立强度失效判据与设计准则的思路

逐一由试验建立失效判据的不可能性；

对于相同的失效形式建立失效原因假说的可能性；

利用拉伸试验的结果建立复杂应力状态下的失效判据

不可能性与可能性第12章

失效分析与设计准则建立强度失效判据与设计准则的思路

两种强度失效形式(1)屈服(2)断裂无裂纹体含裂纹体第12章

失效分析与设计准则

单向应力状态下材料的力学行为第12章

失效分析与设计准则单向应力状态下材料的力学行为

弹性行为

屈服行为

断裂行为

硬化与软化行为

拉延行为

卸载与重新加载行为

三种拉伸应力-应变曲线

单向压缩应力状态下材料的力学行为

单向应力状态下材料的失效判据第12章

失效分析与设计准则单向应力状态下材料的力学行为

三种拉伸应力应变曲线脆性材料第12章

失效分析与设计准则单向应力状态下材料的力学行为韧性金属材料

三种拉伸应力应变曲线第12章

失效分析与设计准则单向应力状态下材料的力学行为聚合物

三种拉伸应力应变曲线第12章

失效分析与设计准则

拉伸曲线的四个阶段单向应力状态下材料的力学行为断裂阶段强化阶段屈服阶段弹性阶段第12章

失效分析与设计准则

弹性行为单向应力状态下材料的力学行为

p比例极限

e弹性极限第12章

失效分析与设计准则单向应力状态下材料的力学行为

屈服行为

s屈服强度第12章

失效分析与设计准则单向应力状态下材料的力学行为

屈服行为

0.2条件屈服应力—塑性应变等于0。2％时的应力值第12章

失效分析与设计准则

硬化与软化行为单向应力状态下材料的力学行为第12章

失效分析与设计准则

断裂行为单向应力状态下材料的力学行为第12章

失效分析与设计准则

断裂行为单向应力状态下材料的力学行为第12章

失效分析与设计准则强度指标(失效应力)

韧性材料σo＝σS脆性材料σo＝σb韧性指标单向应力状态下材料的力学行为脆性材料韧性金属材料－延伸率第12章

失效分析与设计准则单向应力状态下材料的力学行为

卸载与重新加载行为卸载第12章

失效分析与设计准则单向应力状态下材料的力学行为

卸载与再加载行为再加载第12章

失效分析与设计准则单向应力状态下材料的力学行为

单向压缩应力状态下材料的力学行为

第12章

失效分析与设计准则单向应力状态下材料的力学行为

单向压缩应力状态下材料的力学行为

第12章

失效分析与设计准则

单向应力状态下材料的失效判据单向应力状态下材料的力学行为韧性材料脆性材料

max=

=b

max=

=s第12章

失效分析与设计准则

几种常用的强度设计准则(四种)第12章

失效分析与设计准则几种常用的强度设计准则

屈服准则

最大切应力准则

形状改变比能准则

断裂准则

无裂纹体的断裂准则—

最大拉应力准则

带裂纹体的断裂准则—

线性断裂力学准则

莫尔准则

应用举例第12章

失效分析与设计准则

屈服准则(CriteriaofYield)

最大切应力准则

(Tresca’sCriterion)

无论材料处于什么应力状态,只要发生屈服,都是由于微元内的最大切应力达到了某一共同的极限值。几种常用的强度设计准则第12章

失效分析与设计准则

最大切应力准则

(Tresca’sCriterion)

无论材料处于什么应力状态,只要发生屈服,都是由于微元内的最大切应力达到了某一共同的极限值。

1

2

3=s几种常用的强度设计准则第12章

失效分析与设计准则

1

2

3=s

最大切应力准则失效判据设计准则几种常用的强度设计准则第12章

失效分析与设计准则

屈服准则(CriteriaofYield)

形状改变比能准则(Mises’sCriterion)

无论材料处于什么应力状态,只要发生屈服,都是由于微元的形状改变比能达到一个共同的极限值。几种常用的强度设计准则第12章

失效分析与设计准则

形状改变比能准则

1

2

3=s几种常用的强度设计准则第12章

失效分析与设计准则

形状改变比能准则失效判据设计准则几种常用的强度设计准则第12章

失效分析与设计准则

断裂准则(CriteriaofFracture)

无裂纹体的断裂准则—最大拉应力准则(MaximumTensile-StressCriterion)无论材料处于什么应力状态,只要生脆性断裂,都是由于微元内的最大拉应力达到了一个共同的极限值。几种常用的强度设计准则第12章

失效分析与设计准则

1

2

3=b

无裂纹体的断裂准则—最大拉应力准则几种常用的强度设计准则第12章

失效分析与设计准则

无裂纹体的断裂准则—最大拉应力准则失效判据设计准则几种常用的强度设计准则第12章

失效分析与设计准则

带裂纹体的断裂准则—

线性断裂力学准则

裂纹尖端的应力集中

韧性材料脆性断裂几种常用的强度设计准则第12章

失效分析与设计准则

应力集中应力集中因数

K=

max/

avg几种常用的强度设计准则第12章

失效分析与设计准则应力集中因数

K几种常用的强度设计准则第12章

失效分析与设计准则

裂纹尖端的应力集中2arxyσσσ—名义应力，Singularity几种常用的强度设计准则第12章

失效分析与设计准则

线性断裂力学判据

KI=KIC

KI—应力强度因子

KIC—断裂韧性(由实验确定)

经典准则不再适用

应力集中区域内材料处于三向拉伸应力状态材料由韧性向脆性转变几种常用的强度设计准则第12章

失效分析与设计准则

莫尔准则(MohrCriterion)请同学们自学工程力学教程§12-6几种常用的强度设计准则第12章

失效分析与设计准则几种常用的强度设计准则

关于计算应力与应力强度将设计准则中直接与许用应力[σ]比较的量,称之为计算应力σri或应力强度Si(最大拉应力准则)(最大切应力准则)(形状改变比能准则)第12章

失效分析与设计准则几种常用的强度设计准则

应用举例例题一已知：铸铁构件上危险点的应力状态。铸铁拉伸许用应力[

]

=30MPa。试校核该点的强度。第12章

失效分析与设计准则几种常用的强度设计准则

应用举例例题一

解：首先根据材料和应力状态确定失效形式，选择设计准则。脆性断裂，最大拉应力准则

max=

1

[

]

其次确定主应力第12章

失效分析与设计准则几种常用的强度设计准则

应用举例例题一其次确定主应力第12章

失效分析与设计准则几种常用的强度设计准则

应用举例例题一其次确定主应力

1＝29.28MPa,

2＝3.72MPa,

3＝0

max=

1<[

]

=

30MPa结论：强度是安全的。第12章

失效分析与设计准则几种常用的强度设计准则

应用举例例题二已知：

和

试写出最大切应力准则和形状改变比能准则的表达式。第12章

失效分析与设计准则几种常用的强度设计准则

应用举例例题二解：首先确定主应力

3＝

221

2＋4

2－

2＋21

2＋4

2

1＝

2＝0第12章

失效分析与设计准则几种常用的强度设计准则

应用举例例题二对于最大切应力准则

r3=

1-

3=对于形状改变比能准则

r4=

2＋4

2=

2＋3

2第12章

失效分析与设计准则

稳定设计准则第12章

失效分析与设计准则稳定设计准则

安全因数法

临界应力计算

算例第12章

失效分析与设计准则稳定设计准则

安全因数法nw

n

stnw

=——工作安全因数

cr

w

cr＝

——临界应力

FPcrA

w＝

——工作应力

FwA第12章

失效分析与设计准则稳定设计准则

临界应力计算

cr＝

——临界应力

FPcrA细长杆：

cr＝—

2E

2第12章

失效分析与设计准则稳定设计准则

临界应力计算

cr＝

0－k2－中长杆与粗短杆都适用对于结构钢第12章

失效分析与设计准则稳定设计准则

临界应力计算对于铸铁、铝合金、木材第12章

失效分析与设计准则稳定设计准则

临界应力计算对于铸铁、铝合金、木材中长杆：

cr＝

a-b

细长杆：

cr＝—

2E

2粗短杆：

cr＝

s(

b)第12章

失效分析与设计准则稳定设计准则

算例一1.分析哪一根压杆的临界载荷比较大；2.已知：d=160mm、E=206GPa,

求：二杆的临界载荷第12章

失效分析与设计准则稳定设计准则

算例一1.分析哪一根压杆的临界载荷比较大：FPcr=

crA,

cr

1/2=

l/i,IA

i==d/4

a=20/d,

b=18/d.FPcr(a)<FPcr(b)第12章

失效分析与设计准则稳定设计准则

算例一2.已知：d=160mm，

Q235钢，E=206GPa,求：二杆的临界载荷.首先计算柔度，判断属于哪一类压杆：

a=20/d＝20/0.16=125,

b=18/d＝18/0.16=112.5Q235钢

p=132二者都属于中长杆，采用抛物线公式。第12章

失效分析与设计准则稳定设计准则

算例一二者都属于中长杆，采用抛物线公式。FPcr＝(

0－k2)A

aFPcr＝(

0－k2)Ab第12章

失效分析与设计准则稳定设计准则

算例二已知：b=40mm,h=60mm,l=2300mm,Q235钢E＝205GPa,FP＝150kN,[n]st=1.8校核:稳定性是否安全。

第12章

失效分析与设计准则稳定设计准则

算例二

z=

zl/iz,IzA

iz=

y=

yl/iy,IyA

iy=Iz=bh3/12Iy=hb3/12

z=132.6,

y=99.48第12章

失效分析与设计准则稳定设计准则

算例二FPcr(z)=

crA＝—

2E

2(

d2/4)=276.2kN工作安全因数：nw

=

—＝—＝276.5/150=1.843

cr

wFPcrFP第12章

失效分析与设计准则稳定设计准则

算例二工作安全因数：nw

=

—＝—＝276.5/150=1.843

cr

wFPcrFPnw>[n]st=1.8稳定性是安全的。第12章

失效分析与设计准则

结论与讨论第12章

失效分析与设计准则结论与讨论

关于失效的几点结论

关于设计准则的应用

失效分析的重要性第12章

失效分析与设计准则结论与讨论

关于失效的几点结论首先,要区分一点失效与构件失效一点失效即构件失效第12章

失效分析与设计准则结论与讨论

关于失效的几点结论首先,要区分一点失效与构件失效第12章

失效分析与设计准则结论与讨论

关于失效的几点结论