第七章应力和应变分析课件.ppt

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1、7-1 应力状态概述 7-2 二向和三向应力状态的实例 7-3 二向应力状态分析解析法 7-4 二向应力状态分析图解法 7-5 三向应力状态 7-8 广义胡克定律 7-9 复杂应力状态的应变能密度 7-10 强度理论概论 7-11 四种常用强度理论,第七章 应力和应变分析,7-1 应力状态概述,问题的提出: 为什么塑性材料拉伸时会出现滑移线？ 为什么脆性材料扭转时沿45螺旋面断开？,单向应力状态,纯剪切应力状态,重 要 结 论,不仅横截面上存在应力，斜截面上也存在应力；不仅要研究横截面上的应力，而且也要研究斜截面上的应力。,过一点不同方向面上应力的集合，称之为这一点的应力状态。,应 力,指明,

2、应力表示单元体：,dx、dy、dz（微小的正六面体）单元体某斜截面上的应力就代表了构件内对应点同方位截面上的应力。,B、C单向受力，0,A纯剪切， 0,D既有 ，又有,主平面单元体的三个相互垂直的面上都无切应力。,主应力主平面上的正应力（也是单元体内各截面上正应力的极值）。,通过结构内一点总可找到三个相互垂直的截面皆为主平面。,对应的有三个主应力，相应的用 、 、 来表示，它们按代数值的大小顺序排列，即,7-2 二向和三向应力状态的实例,7-3 二向应力状态分析解析法,平面应力状态的普遍形式：在常见的受力构件中，在两对平面上既有正应力又有切应力。可将该单元体用平面图形来表示。,、正负号规定：拉

3、为正，压为负；以对微单元体内任意一点取矩为顺时针者为正，反之为负；,单元体各面上的已知应力分量 、 和 、 ，确定任一斜截面上的未知应力分量，从而确定该点处的主应力和主平面。,规定： 截面外法线同向为正； a绕研究对象顺时针转为正； 逆时针为正。,一、任意斜截面上的应力,设：斜截面面积为A，由分离体平衡得：,同理：,二、极值应力,max在剪应力相对的项限内，且偏向于x 及y大的一侧。,例 分析受扭构件的破坏规律。,解：确定危险点并画其原 始单元体,求极值应力,O,破坏分析,铸铁,例 图示应力状态（单位：Mpa），求：（1）斜截面上的应力；（2）主应力的大小；（3）主平面方位，并在单元体上绘出主

4、平面位置和主应力方向；（4）最大切应力。,解：（1）易知,，,（2）主应力大小,（3）主平面方位,法线与x轴夹角为67.5的主平面上对应的是2。,（4）最大切应力,7-4 二向应力状态分析图解法,对上述方程消去参数（2），得：,建立应力坐标系，如下图所示，（注意选好比例尺）,二、应力圆的画法,在坐标系内画出点A( x，xy)和B(y，yx),AB与a 轴的交点C便是圆心。,以C为圆心，以AC为半径画圆应力圆；,三、单元体与应力圆的对应关系,四、在应力圆上标出极值应力,例 已知 求此单元体在30和 -40两斜截面上的应力。,例：讨论圆轴扭转时的应力状态，并分析铸铁件受扭转时的破坏现象。,解：1取

5、单元体ABCD，其中 ， ，这是纯剪切应力状态。,2作应力圆 主应力为 ，并可确定主平面的法线。,3分析 纯剪切应力状态的两个主应力绝对值相等，但一为拉应力，另一为压应力。由于铸铁抗拉强度较低，圆截面铸铁构件扭转时构件将沿倾角为 45的螺旋面因拉伸而发生断裂破坏。,例 求图示单元体的主应力及主平面的位置。(单位：MPa),A,B,解：主应力坐标系如图,AB的垂直平分线与a 轴的交点C便是圆心，以C为圆心，以AC为半径画圆应力圆。, 1, 2,在坐标系内画出点,主应力及主平面如图,解法2解析法：分析建立坐标系如图,主单元体：六个平面都是主平面,若三个主应力已知，求任意斜截面上的应力:,7-5 三

6、向应力状态,这样，单元体上与主应力之一平行的各个斜截面上的正应力和剪应力，可由三个应力圆圆周上各点的坐标来表示。,至于与三个主方向都不平行的任意斜截面，弹性力学中已证明，其应力n和n可由图中阴影面内某点的坐标来表示。,在三向应力状态情况下：,max 作用在与2平行且与1和3的方向成45角的平面上，以1，3表示,例 ：求图示应力状态的主应力和最大剪应力。（应力单位为MPa）。,解：,例 求图示应力状态的主应力和最大剪应力（应力单位为MPa）。,解：,例 试根据图a所示单元体各面上的应力作出应力圆，并求出主应力和最大切应力的值及它们的作用面方位。,(a),解: 1. 图a所示单元体上正应力z=20

7、 MPa的作用面(z截面)上无切应力，因而该正应力为主应力。,2. 与主平面z截面垂直的各截面上的应力与主应力z无关，故可画出显示与z截面垂直各截面上应力随截面方位角变化的应力圆。,(a),从圆上得出两个主应力46 MPa和-26 MPa。这样就得到了包括z=20 MPa在内的三个主应力。他们按代数值大小排序为 146 MPa， 220 MPa， 3-26 MPa。,(b),(a),3. 依据三个主应力值作出的三个应力圆如图b所示。,2a034可知为a017且由x截面逆时针转动，如图c中所示。,(c),(b),4. 最大切应力max由应力圆上点B的纵座标知为 max36 MPa，作用在由1 作

8、用面绕2 逆时针45 的面上(图c)。,(c),(b),7-8 广义胡克定律,一、单拉下的应力-应变关系,二、纯剪的应力-应变关系,三、复杂状态下的应力 - 应变关系,依叠加原理,得:,sz,sy,sx,当单元体三个平面皆为主平面时，,分别为 x , y , z 方向的主应变，与主应力的方向一致， ，三主平面内的切应变等于零。,对平面应力状态,2. 各向同性材料的体积应变,体积应变：每单位体积的体积变化，用表示,设单元体的三对平面均为主平面，其三个边长分别为 dx , dy , dz ,变形前体积：,变形后体积：,则体积应变为：.,代入广义胡克定律得：,即：任一点处的体积应变与该点处的三个主应

9、力之和成正比。,同理，可得：,例 已知一受力构件自由表面上某点处的两主应变值为124010-6，316010-6。构件材料为Q235钢，弹性模量E=210GPa，泊松比0.3。试求该点处的主应力数值，并求该点处另一主应变2的数值和方向。,解：由题意可知，点处于平面应力状态且,由广义胡克定律,可得：,是缩短的主应变。其方向沿构件表面的法线方向。,例 边长为0.1m的铜方块，无间隙地放入变形可略去不计地刚性凹槽中。已知铜的弹性模量E=100GPa，泊松比0.34。当铜块受到F=300kN的均布压力作用时，试求铜块的三个主应力的大小。,解：铜块横截面上的压应力为,由题意：,按主应力的代数值顺序排列，

10、得该铜块的主应力为：,例 已知一受力构件自由表面上某一点处的两个面内主应变分别为：1=24010-6， 2=16010-6，弹性模量E=210GPa，泊松比为 =0.3， 试求该点处的主应力及另一主应变。,所以，该点处的平面应力状态,7-9 复杂应力状态的应变能密度,1.空间应力状态的应变能密度,可得：,将广义胡克定律代入上式：,2.体积改变能密度和畸变能密度,应变能密度 体积改变能密度（V）+畸变能密度（d）,体积改变能密度V,畸变能密度d,（a）和（b）状态的主应力之和相等，故它们的体积应变相等，其 也相等，所以只须把 代入应变能密度公式即得：,(b)状态只有体积改变而无形状改变，称为体积

11、改变能密度V(c)状态只有形状改变而无体积改变，称为畸变能密度d,例 用能量法证明三个弹性常数间的关系。,纯剪单元体的比能为：,纯剪单元体比能的主应力表示为：,7-10 强度理论概论,强度条件的建立,材料因强度不足而引起失效现象是不同的，它取决于：,1.材料本身的性质，包括塑性材料和脆性材料：,危险点是简单应力状态及纯剪切应力状态时,直接通过试验结果建立：单向拉压：,纯剪切：,2.材料的受力状态，包括简单应力状态，复杂应力状态,强度理论的基本思想 ：1)确认引起材料失效存在共同的力学原因，提出关于这一共同力学原因的假设；2)根据实验室中标准试件在简单受力情况下的破坏实验（如拉伸）结果，建立起材

12、料在复杂应力状态下共同遵循的弹性失效准则和强度条件。3)实际上，当前工程上常用的经典强度理论都按脆性断裂和塑性屈服两类失效形式，分别提出共同力学原因的假设。,一、最大拉应力（第一强度）理论： 认为构件的断裂是由最大拉应力引起的。当最大拉应力达到单向拉伸的强度极限时，构件就断了。,1、破坏判据：,2、强度准则：,3、实用范围：实用于破坏形式为脆断的构件。,试验证明，这一理论与铸铁、岩石、砼、陶瓷、玻璃等脆性材料的拉断试验结果相符，这些材料在轴向拉伸时的断裂破坏发生于拉应力最大的横截面上。脆性材料的扭转破坏，也是沿拉应力最大的斜面发生断裂，这些都与最大拉应力理论相符，但这个理论没有考虑其它两个主应

13、力的影响。,二、最大伸长线应变（第二强度）理论： 认为构件的断裂是由最大拉应力引起的。当最大伸长线应变达到单向拉伸试验下的极限应变时，构件就断了。,1、破坏判据：,2、强度准则：,3、实用范围：实用于破坏形式为脆断的构件。,三、最大剪应力（第三强度）理论： 认为构件的屈服是由最大剪应力引起的。当最大剪应力达到单向拉伸试验的极限剪应力时，构件就破坏了。,1、破坏判据：,3、实用范围：实用于破坏形式为屈服的构件。,2、强度准则：,第三强度理论曾被许多塑性材料的试验结果所证实，且稍偏于安全。这个理论所提供的计算式比较简单，故它在工程设计中得到了广泛的应用。该理论没有考虑中间主应力2的影响，其带来的最

14、大误差不超过15，而在大多数情况下远比此为小。,4.畸变能密度理论（第四强度理论）,基本假设：畸变能密度是引起材料塑性屈服的主要因素,复杂应力状态下,屈服准则：,强度条件：,单向拉伸屈服时，,畸变能密度的极限值是：,适用范围：它既突出了最大主切应力对塑性屈服的作用，又适当考虑了其它两个主切应力的影响，它与塑性较好材料的试验结果比第三强度理论符合得更好。此准则也称为米塞斯（Mises ）屈服准则，由于机械、动力行业遇到的载荷往往较不稳定，因而较多地采用偏于安全的第三强度理论；土建行业的载荷往往较为稳定，安全系数的估计较准确，因而较多地采用第四强度理论。 这个理论和许多塑性材料的试验结果相符，用这

15、个理论判断碳素钢的屈服失效是相当准确的。,四个强度理论的强度条件可写成统一形式：,称为相当应力,第三强度理论 可进行偏保守（安全）设计。,第四强度理论 可用于更精确设计，要求对材 料强 度指标 、载荷计算较有把握。,第二强度理论 仅用于石料、混凝土等少数材料。,第一强度理论 用于脆性材料的拉伸、扭转。,按某种强度理论进行强度校核时， 要保证满足如下两个条件: 1. 所用强度理论与在这种应力状态下发生的破坏形式相对应;2. 用以确定许用应力 的,也必须是相应于该破坏形式的极限应力。,塑性材料（如低碳钢）在三向拉伸应力状态下呈脆断破坏，应选用第一强度理论。,注意,脆性材料（如大理石）在三向压缩应力

16、状态下呈塑性屈服失效状态，应选用第三、第四强度理论。,例 (a) 一钢质球体防入沸腾的热油中,将引起爆裂，试分析原因。,受力分析： 钢球入热油中，其外部因骤热而迅速 膨胀，内芯受拉且处于三向受拉应力状态，而发生脆断破坏。,例（b） 深海海底的石块，尽管受到很大的 静水压力,并不破坏，试分析原因。,受力分析：石块处于三向受压状态。,第三强度理论：,第四强度理论：,塑性材料：,纯剪切应力状态：,根据强度理论 , 可以从材料在单轴拉伸时的 推知低 C 钢类塑性材料在纯剪切应力状态 下的 ,例 对于图示各单元体，试分别按第三强度理论及第四强度理论求相当应力。,110 MPa,140 MPa,(b),已

17、知 1=14 0MPa，2=110MPa , 3=0,例 两种应力状态分别如图所示，试按第四强度理论,比较两者的危险程度。,解：一、判断 由于各向同性材料，正应力仅产生线应变，剪应力仅产生剪 应变。而两种情况下的正应力和剪应力分 别相等，因此，其形状改变比能也相等，故两种情况下的危险程度相等。,状态 (b) 设 ，则,二、核算 (1) 两种情况下的主应力为,状态 (a ),由第四强度理论的计算应力状态 (a ),状态 (b ),7-12 莫尔强度理论,莫尔认为：最大剪应力是使物体破坏的主要因素，但滑移面上的摩擦力也不可忽略（莫尔摩擦定律）。综合最大剪应力及最大正应力的因素，莫尔得出了他自己的强度理论。,近似包络线,极限应力圆的包络线,O,t,s,一、两个概念：,1、极限应力圆：,2、极限曲线：极限应力圆的包络线（envelope）。,2、强度准则：,1、破坏判据：,二、莫尔强度理论：任意一点的应力圆若与极限曲线相接触，则材料即将屈服或剪断。,三、相当应力：（强度准则的统一形式）。,其中， *相当应力。,3、实用范围：实用于破坏形式为屈服的构件及其拉压极限强度不等的处于复杂应力状态的脆性材料的破坏（岩石、混凝土等）。,本章结束,