一點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)概念及其表示方法

1、一點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)概念及其表示方法凡提到“應(yīng)力”，必須指明作用在哪一點(diǎn)，哪個(gè)（方向）截面上。因?yàn)槭芰?gòu)件內(nèi)同一截面上不同點(diǎn)的應(yīng)力一般是不同的，通過(guò)同一點(diǎn)不同（方向）截面上應(yīng)力也是不同的。例如，圖8-1彎曲梁橫截面上各點(diǎn)具有不同的正應(yīng)力與剪應(yīng)力；圖8-2通過(guò)軸向拉伸桿件同一點(diǎn)的不同（方向）截面上具有不同的應(yīng)力。一點(diǎn)處的應(yīng)力狀態(tài)是指通過(guò)一點(diǎn)不同截面上的應(yīng)力情況，或指所有方位截面上應(yīng)力的集合。應(yīng)力分析就是研究這些不同方位截面上應(yīng)力隨截面方向的變化規(guī)律。如圖8-3是通過(guò)軸向拉伸桿件內(nèi)點(diǎn)不同（方向）截面上的應(yīng)力情況（集合）一點(diǎn)處的應(yīng)力狀態(tài)可用圍繞該點(diǎn)截取的微單元體（微正六面體）上三對(duì)互相垂直微面上的應(yīng)力情況來(lái)

2、表示。如圖8-4（a,b）為軸向拉伸桿件內(nèi)圍繞 點(diǎn)截取的兩種微元體。特點(diǎn)：根據(jù)材料的均勻連續(xù)假設(shè)，微元體（代表一個(gè)材料點(diǎn)）各微面上的應(yīng)力均勻分布，相互平行的兩個(gè)側(cè)面上應(yīng)力大小相等、方向相反；互相垂直的兩個(gè)側(cè)面上剪應(yīng)力服從剪切互等關(guān)系。§8-平面應(yīng)力狀態(tài)的工程實(shí)例 薄壁圓筒壓力容器為平均直徑，為壁厚由平衡條件得軸向應(yīng)力： （8-1a）圖8-5c（-，-為相距為 的橫截面，H-H為水平徑向面）由平衡條件或, 得環(huán)向應(yīng)力： （8-1b）2球形貯氣罐（圖8-6）由球?qū)ΨQ(chēng)知徑向應(yīng)力與緯向應(yīng)力相同，設(shè)為 對(duì)半球?qū)懫胶鈼l件：得 （8-2）3彎曲與扭轉(zhuǎn)組合作用下的圓軸4受橫向載荷作用的深梁 

3、7;8-3平面一般應(yīng)力狀態(tài)分析解析法空間一般應(yīng)力狀態(tài)如圖8-9a所示，共有9個(gè)應(yīng)力分量： 面上的，； 面上的，；面上的， 。1）應(yīng)力分量的下標(biāo)記法：第一個(gè)下標(biāo)指作用面（以其外法線(xiàn)方向表示），第二個(gè)下標(biāo)指作用方向。由剪應(yīng)力互等定理，有：，。2）平面一般應(yīng)力狀態(tài)如圖8-9b所示，即空間應(yīng)力狀態(tài)中， 方向的應(yīng)力分量全部為零（）；或只存在作用于x-y平面內(nèi)的應(yīng)力分量 ，其中，分別為，的簡(jiǎn)寫(xiě)，而 = 。3）正負(fù)號(hào)規(guī)定：正應(yīng)力以拉應(yīng)力為正，壓為負(fù)；剪應(yīng)力以對(duì)微元體內(nèi)任意一點(diǎn)取矩為順時(shí)針者為正，反之為負(fù)。2平面一般應(yīng)力狀態(tài)斜截面上應(yīng)力如圖8-10所示，斜截面平行于 軸且與 面成傾角 ，由力的平衡條件： 和

4、可求得斜截面上應(yīng)力，：（8-3a）(8-3b)注意到：1）圖8-10b中應(yīng)力均為正值，并規(guī)定傾角 自 軸開(kāi)始逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)者為正，反之為負(fù)。2）式中均為 面上剪應(yīng)力，且已按剪應(yīng)力互等定理將 換成。3正應(yīng)力極值主應(yīng)力根據(jù)（8-3a）式，由求極值條件，得即有 （8-4a）為取極值時(shí)的角，應(yīng)有，兩個(gè)解。將相應(yīng)值，分別代入(8-3a)，(8-3b)即得： （8-4b） ; (8-4c)說(shuō)明：1）當(dāng)傾角轉(zhuǎn)到和面時(shí)，對(duì)應(yīng)有，其中有一個(gè)為極大值，另一個(gè)為極小值；而此時(shí)，均為零?？梢?jiàn)在正應(yīng)力取極值的截面上剪應(yīng)力為零（如圖8-11a）。2）定義：正應(yīng)力取極值的面（或剪應(yīng)力為零的面）為主平面，主平面的外法線(xiàn)方向稱(chēng)主方

5、向，正應(yīng)力的極值稱(chēng)主應(yīng)力，對(duì)平面一般應(yīng)力狀態(tài)通常有兩個(gè)非零主應(yīng)力：，故也稱(chēng)平面應(yīng)力狀態(tài)為二向應(yīng)力狀態(tài)。4剪應(yīng)力極值主剪應(yīng)力根據(jù)(8-3b)式及取極值條件，可得： （8-5a）為取極值時(shí)的角，應(yīng)有，兩個(gè)解。將相應(yīng)值，分別代入(8-3b)，(8-3a)即得：(8-5b) ； 說(shuō)明： 1）當(dāng)傾角轉(zhuǎn)到和面時(shí)，對(duì)應(yīng)有，且二者大小均為，方向相反，體現(xiàn)了剪應(yīng)力互等定理，而此兩面上正應(yīng)力大小均取平均值（如圖8-11b）。         2）定義：剪應(yīng)力取極值的面稱(chēng)主剪平面，該剪應(yīng)力稱(chēng)主剪應(yīng)力。注意到：   ；

6、  或             因而主剪平面與主平面成夾角。平面一般應(yīng)力狀態(tài)分析應(yīng)力圓法1應(yīng)力圓方程由式（8-3a）和(8-3b)消去，得到     (8-6)此為以，為變量的圓方程，以為橫坐標(biāo)軸，為縱坐標(biāo)軸，則此圓圓心 坐標(biāo)為，半徑為，此圓稱(chēng)應(yīng)力圓或莫爾（Mohr）圓。2應(yīng)力圓的作法應(yīng)力圓法也稱(chēng)應(yīng)力分析的圖解法。作圖8-12a所示已知平面一般應(yīng)力狀態(tài)的應(yīng)力圓及求傾角為的斜截面上應(yīng)力，的步驟如下：1）根據(jù)已知應(yīng)力，值選取適當(dāng)比例尺；2）

7、在坐標(biāo)平面上，由圖8-12a中微元體的1-1，2-2面上已知應(yīng)力作1（，），2（，-）兩點(diǎn)；3）過(guò)1，2兩點(diǎn)作直線(xiàn)交 軸于 點(diǎn)，以 為圓心，為半徑作應(yīng)力圓；4）半徑逆時(shí)針（與微元體上 轉(zhuǎn)向一致）轉(zhuǎn)過(guò)圓心角得3點(diǎn)，則3點(diǎn)的橫坐標(biāo)值即為，縱坐標(biāo)值即為 。3微元體中面上應(yīng)力與應(yīng)力圓上點(diǎn)的坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系1）=， = 的證明：=已知： ； 則   ，  讓?zhuān)瑢?duì)照上式與式（8-3a），可知= 。對(duì)照上式與式（8-3b），可知 = 。2）幾個(gè)重要的對(duì)應(yīng)關(guān)系  ；  （即式（8-5b）主平面位置：應(yīng)力圓上由1點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)到 點(diǎn)。，（即式（8-4a），對(duì)應(yīng)微元體內(nèi)從 面順

8、時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)角（面）。應(yīng)力圓上繼續(xù)從點(diǎn)轉(zhuǎn)過(guò)到 ，對(duì)應(yīng)微元體上從 面繼續(xù)轉(zhuǎn)過(guò) 到面，此時(shí)（即式（8-4c）建議讀者對(duì)，點(diǎn)（對(duì)應(yīng)主剪應(yīng)力）作同樣討論?？臻g應(yīng)力狀態(tài)的主應(yīng)力與最大剪應(yīng)力1主應(yīng)力對(duì)于空間一般應(yīng)力狀態(tài)（如圖8-9a），可以證明，總可將微元體轉(zhuǎn)到某一方位，此時(shí)三對(duì)微面上只有正應(yīng)力而無(wú)剪應(yīng)力作用（如圖8-13）。此三對(duì)微面即主平面，三個(gè)正應(yīng)力即主應(yīng)力（正應(yīng)力極值）?？臻g一般應(yīng)力狀態(tài)一般具有三個(gè)非零的主應(yīng)力，故也稱(chēng)三向應(yīng)力狀態(tài)。約定：三個(gè)主應(yīng)力按代數(shù)值從大到小排列，即。例8-1 式（8-1a），(8-1b)所示薄壁圓筒為二向應(yīng)力狀態(tài)，有兩個(gè)主應(yīng)力， 內(nèi)壁有內(nèi)壓 工程上略去不計(jì)，則有： 

9、，。例8-2 圖8-7所示受彎曲與扭轉(zhuǎn)組合作用圓軸中的1點(diǎn)，可用圖8-14所示應(yīng)力圓求其主應(yīng)力：， 二向應(yīng)力狀態(tài)。所以，2主剪應(yīng)力，最大剪應(yīng)力若已知（或已求得）三個(gè) 主應(yīng)力，可求：1）平行方向的任意斜截面 上應(yīng)力（如圖8-15a）。由于 不參加圖8-15b所示微元體的力平衡?？衫檬剑?-3a）、(8-3b)：  ；  相應(yīng)于圖8-15c中 ，構(gòu)成的應(yīng)力圓，此時(shí)主剪應(yīng)力：，（圖8-15c上的點(diǎn)）。2）平行 方向斜截面上的主剪應(yīng)力（見(jiàn)圖8-16a，b，c）主剪應(yīng)力： 。（見(jiàn)圖8-15c中 ， 構(gòu)成的應(yīng)力圓上 點(diǎn)）。 3）求平行方向斜截面上的主剪應(yīng)力（見(jiàn)圖8-15c中點(diǎn)）。結(jié)論

10、：在按約定排列的三個(gè)非零主應(yīng)力 ，作出的兩兩相切的三個(gè)應(yīng)力圓中，可以找到三個(gè)相應(yīng)的主剪應(yīng)力 ，其中最大剪應(yīng)力值為：                                  處在與，作用面成的面上。例8-1中：  ,  而非。例8-

11、2中：3任意斜截面上應(yīng)力已知主應(yīng)力，設(shè)斜截面法線(xiàn) 的方向余弦為 ， ， 。求任意斜截面上應(yīng)力。設(shè)斜面面積，則三個(gè)側(cè)面面積：，三個(gè)方向余弦滿(mǎn)足關(guān)系：  （a）由平衡條件，和有：    ， （b）由總應(yīng)力的三個(gè)分量可得總應(yīng)力：     （c）也可分解為法線(xiàn)方向的正應(yīng)力和面上剪應(yīng)力（圖8-17c），則有    （d）由式（d），（c）得：   （e），在斜面法線(xiàn)上投影之代數(shù)和為，注意到式（b），則有： （f）由式（a），（e），（f）可解得：(8-7)討論：1）在以為橫坐

12、標(biāo)， 為縱坐標(biāo)的坐標(biāo)平面內(nèi)，以上三式分別表示三個(gè)應(yīng)力圓，且交于一點(diǎn)，此點(diǎn)坐標(biāo)即為斜截面上的應(yīng)力（ ， ）。2）由于、，在約定條件下，可由以上三式證明任意斜截面上應(yīng)力均落在圖8-14c所示三個(gè)主應(yīng)力圓包圍的陰影線(xiàn)面積內(nèi)。3）當(dāng)，式（8-7）第一式即為圖8-14c中 ，組成的應(yīng)力圓方程，在所有平行方向的斜截面中，與 ，成的斜面上具有主剪應(yīng)力，同理，當(dāng)，和時(shí)，對(duì)應(yīng)有 ，及 ，組成的應(yīng)力圓方程，分別可得主剪應(yīng)力：和，可見(jiàn)，。建立強(qiáng)度理論的基本思想不同材料在同一環(huán)境及加載條件下對(duì)“破壞”（或稱(chēng)為失效）具有不同的抵抗能力（抗力）。例1 常溫、靜載條件下，低碳鋼的拉伸破壞表現(xiàn)為塑性屈服失效，具有屈服極限，鑄

13、鐵破壞表現(xiàn)為脆性斷裂失效，具有抗拉強(qiáng)度 。圖9-1a,b同一材料在不同環(huán)境及加載條件下也表現(xiàn)出對(duì)失效的不同抗力。例2 常溫靜載條件下，帶有環(huán)形深切槽的圓柱形低碳鋼試件受拉時(shí)，不再出現(xiàn)塑性變形，而沿切槽根部發(fā)生脆斷，切槽導(dǎo)致的應(yīng)力集中使根部附近出現(xiàn)兩向和三向拉伸型應(yīng)力狀態(tài)。圖（9-2a,b）例3 常溫靜載條件下，圓柱形鑄鐵試件受壓時(shí)，不再出現(xiàn)脆性斷口，而出現(xiàn)塑性變形，此時(shí)材料處于壓縮型應(yīng)力狀態(tài)。圖（9-3a）例4 常溫靜載條件下，圓柱形大理石試件在軸向壓力和圍壓作用下發(fā)生明顯的塑性變形，此時(shí)材料處于三向壓縮應(yīng)力狀態(tài)下。圖b根據(jù)常溫靜力拉伸和壓縮試驗(yàn)，已建立起單向應(yīng)力狀態(tài)下的彈性失效準(zhǔn)則，考慮安全

14、系數(shù)后，其強(qiáng)度條件為 ，根據(jù)薄壁圓筒扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，可建立起純剪應(yīng)力狀態(tài)下的彈性失效準(zhǔn)則，考慮安全系數(shù)后，強(qiáng)度條件為 。建立常溫靜載一般復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的彈性失效準(zhǔn)則強(qiáng)度理論的基本思想是：）確認(rèn)引起材料失效存在共同的力學(xué)原因，提出關(guān)于這一共同力學(xué)原因的假設(shè)；）根據(jù)實(shí)驗(yàn)室中標(biāo)準(zhǔn)試件在簡(jiǎn)單受力情況下的破壞實(shí)驗(yàn)（如拉伸），建立起材料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下共同遵循的彈性失效準(zhǔn)則和強(qiáng)度條件。）實(shí)際上，當(dāng)前工程上常用的經(jīng)典強(qiáng)度理論都按脆性斷裂和塑性屈服兩類(lèi)失效形式，分別提出共同力學(xué)原因的假設(shè)。關(guān)于脆性斷裂的強(qiáng)度理論最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則（第一強(qiáng)度理論）基本觀點(diǎn)：材料中的最大拉應(yīng)力到達(dá)材料的正斷抗力時(shí)，即產(chǎn)生脆性斷裂。表達(dá)式：復(fù)

15、雜應(yīng)力狀態(tài)， 當(dāng)， 簡(jiǎn)單拉伸破壞試驗(yàn)中材料的正斷抗力，最大拉應(yīng)力脆斷準(zhǔn)則： (9-1a)                                       相應(yīng)的強(qiáng)度條件： (9-1b)適用范圍：雖然只突出 而

16、未考慮 的影響，它與鑄鐵，工具鋼，工業(yè)陶瓷等多數(shù)脆性材料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果較符合。特別適用于拉伸型應(yīng)力狀態(tài)（如），混合型應(yīng)力狀態(tài)中拉應(yīng)力占優(yōu)者（ 但 ）。2最大伸長(zhǎng)線(xiàn)應(yīng)變準(zhǔn)則（第二強(qiáng)度理論）基本觀點(diǎn)：材料中最大伸長(zhǎng)線(xiàn)應(yīng)變到達(dá)材料的脆斷伸長(zhǎng)線(xiàn)應(yīng)變 時(shí)，即產(chǎn)生脆性斷裂。表達(dá)式： 。    復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)：，當(dāng)；簡(jiǎn)單拉伸破壞試驗(yàn)中材料的脆斷伸長(zhǎng)線(xiàn)應(yīng)變，最大伸長(zhǎng)線(xiàn)應(yīng)變準(zhǔn)則： （9-2a）相應(yīng)的強(qiáng)度條件： （9-2b）適用范圍：雖然考慮了，的影響，它只與石料、混凝土等少數(shù)脆性材料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果較符合（如圖9-4所示），鑄鐵在混合型壓應(yīng)力占優(yōu)應(yīng)力狀態(tài)下（）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也較符合，但上述材料的脆

17、斷實(shí)驗(yàn)不支持本理論描寫(xiě)的，對(duì)材料強(qiáng)度的影響規(guī)律。關(guān)于塑性屈服的強(qiáng)度理論1最大剪應(yīng)力準(zhǔn)則（第三強(qiáng)度理論）基本觀點(diǎn)：材料中的最大剪應(yīng)力到達(dá)該材料的剪切抗力時(shí)，即產(chǎn)生塑性屈服。表達(dá)式：復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，簡(jiǎn)單拉伸屈服試驗(yàn)中的剪切抗力，最大剪應(yīng)力屈服準(zhǔn)則： （9-3a）相應(yīng)的強(qiáng)度條件： （9-3b）適用范圍：雖然只考慮了最大主剪應(yīng)力 ，而未考慮其它兩個(gè)主剪應(yīng)力 ， 的影響，但與低碳鋼、銅、軟鋁等塑性較好材料的屈服試驗(yàn)結(jié)果符合較好；并可用于像硬鋁那樣塑性變形較小，無(wú)頸縮材料的剪切破壞，此準(zhǔn)則也稱(chēng)特雷斯卡（Tresca）屈服準(zhǔn)則。2形狀改變比能準(zhǔn)則（第四強(qiáng)度理論）基本觀點(diǎn)：材料中形狀改變比能到達(dá)該材料的臨界值

18、時(shí)，即產(chǎn)生塑性屈服。表達(dá)式：復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，簡(jiǎn)單拉伸屈服試驗(yàn)中的相應(yīng)臨界值，形狀改變比能準(zhǔn)則： （9-4a）相應(yīng)的強(qiáng)度條件： （9-4b）適用范圍：它既突出了最大主剪應(yīng)力對(duì)塑性屈服的作用，又適當(dāng)考慮了其它兩個(gè)主剪應(yīng)力的影響，它與塑性較好材料的試驗(yàn)結(jié)果比第三強(qiáng)度理論符合得更好。此準(zhǔn)則也稱(chēng)為米澤斯（Mises ）屈服準(zhǔn)則，由于機(jī)械、動(dòng)力行業(yè)遇到的載荷往往較不穩(wěn)定，因而較多地采用偏于安全的第三強(qiáng)度理論；土建行業(yè)的載荷往往較為穩(wěn)定，因而較多地采用第四強(qiáng)度理論。*附：泰勒奎尼（TaylorQuinney）薄壁圓筒屈服試驗(yàn)（1931）。米澤斯與特雷斯卡屈服準(zhǔn)則的試驗(yàn)驗(yàn)證。薄壁圓筒承受拉伸與扭轉(zhuǎn)組合作用時(shí)，應(yīng)

19、力狀態(tài)如圖9-5a。主應(yīng)力： ，代入第三強(qiáng)度理論： 或 （a） ； 代入第四強(qiáng)度理論： 或 （b）（a），（b）式在以為坐標(biāo)軸的平面內(nèi)為兩條具有不同短軸的理論橢圓曲線(xiàn)（圖9-5b）。結(jié)果：試驗(yàn)點(diǎn)基本上落于兩條理論曲線(xiàn)之間，大多數(shù)試驗(yàn)點(diǎn)更接近于第四強(qiáng)度理論曲線(xiàn)。莫爾強(qiáng)度理論1不同于四個(gè)經(jīng)典強(qiáng)度理論，莫爾理論不致力于尋找（假設(shè)）引起材料失效的共同力學(xué)原因，而致力于盡可能地多占有不同應(yīng)力狀態(tài)下材料失效的試驗(yàn)資料，用宏觀唯象的處理方法力圖建立對(duì)該材料普遍適用（不同應(yīng)力狀態(tài)）的失效條件。2自相似應(yīng)力圓與材料的極限包絡(luò)線(xiàn)自相似應(yīng)力圓：如果一點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)中所有應(yīng)力分量隨各個(gè)外載荷增加成同一比例同步增加，則表現(xiàn)

20、為最大應(yīng)力圓自相似地?cái)U(kuò)大。材料的極限包絡(luò)線(xiàn)：隨著外載荷成比例增加，應(yīng)力圓自相似地?cái)U(kuò)大，到達(dá)該材料出現(xiàn)塑性屈服或脆性斷裂時(shí)的極限應(yīng)力圓。只要試驗(yàn)技術(shù)許可，務(wù)求得到盡可能多的對(duì)應(yīng)不同應(yīng)力狀態(tài)的極限應(yīng)力圓，這些應(yīng)力圓的包絡(luò)線(xiàn)即該材料的極限（狀態(tài)）包絡(luò)線(xiàn)。圖9-6a所示即包含拉伸、圓軸扭轉(zhuǎn)、壓縮三種應(yīng)力狀態(tài)的極限包絡(luò)線(xiàn)。3對(duì)拉伸與壓縮極限應(yīng)力圓所作的公切線(xiàn)是相應(yīng)材料實(shí)際包絡(luò)線(xiàn)的良好近似（圖9-6b）。實(shí)際載荷作用下的應(yīng)力圓落在此公切線(xiàn)之內(nèi)，則材料不會(huì)失效，到達(dá)此公切線(xiàn)即失效。由圖示幾何關(guān)系可推得莫爾強(qiáng)度失效準(zhǔn)則。對(duì)于抗壓屈服極限大于抗拉屈服極限的材料（即） （9-5a）對(duì)于抗壓強(qiáng)度極限大于抗拉強(qiáng)度極限

21、的材料（即） （9-5b）強(qiáng)度條件具有同一形式： 或 （9-5c）相應(yīng)于式（9-5a），；相應(yīng)于式（9-5b），, 對(duì)鑄鐵 ，陶瓷材料 ，對(duì)大多數(shù)金屬， ，此時(shí)莫爾強(qiáng)度條件退化為最大剪應(yīng)力強(qiáng)度條件。4適用范圍：1）適用于從拉伸型到壓縮型應(yīng)力狀態(tài)的廣闊范圍，可以描述從脆性斷裂向塑性屈服失效形式過(guò)渡（或反之）的多種失效形態(tài)，例如“脆性材料”在壓縮型或壓應(yīng)力占優(yōu)的混合型應(yīng)力狀態(tài)下呈剪切破壞的失效形式。2）特別適用于抗拉與抗壓強(qiáng)度不等的材料。3）在新材料（如新型復(fù)合材料）不斷涌現(xiàn)的今天，莫爾理論從宏觀角度歸納大量失效數(shù)據(jù)與資料的唯象處理方法仍具有廣闊應(yīng)用前景。含裂紋構(gòu)件的脆斷準(zhǔn)則1概述隨著現(xiàn)代技術(shù)與工

22、業(yè)的發(fā)展，新材料、新工藝，大型結(jié)構(gòu)與構(gòu)件的出現(xiàn)和工作環(huán)境的苛刻化，構(gòu)件中隱含宏觀裂紋或由微觀裂紋成長(zhǎng)為宏觀裂紋的機(jī)會(huì)大大增加，宏觀裂紋發(fā)展到了臨界長(zhǎng)度，裂紋尖端高度的應(yīng)力集中會(huì)導(dǎo)致高強(qiáng)度、低韌性材料（構(gòu)件）發(fā)生脆性斷裂而失效。線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)（LEFM）研究構(gòu)件中裂紋的擴(kuò)展規(guī)律，并建立由此導(dǎo)致的脆性斷裂準(zhǔn)則，為含裂紋構(gòu)件防脆斷設(shè)計(jì)提供依據(jù)。2裂紋導(dǎo)致的脆斷事故分析1）全焊接大型結(jié)構(gòu),如大型貯油罐,貯氣罐，高壓容器，全焊接輪船，大型橋梁等。由于焊縫及其附近的熱影響區(qū)中存在各種缺陷,夾渣、微裂紋等宏觀裂紋源而導(dǎo)致脆斷事故。實(shí)例之一：二戰(zhàn)期間，美國(guó)250艘全焊接戰(zhàn)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)船的斷裂事故，其中10艘在平靜港

23、灣突然一斷為二。2）現(xiàn)代冶煉技術(shù)和復(fù)合材料的研制工藝為航空、航天等高新技術(shù)工業(yè)領(lǐng)域提供了超高強(qiáng)度，相對(duì)偏低韌性的結(jié)構(gòu)材料，使允許的臨界裂紋長(zhǎng)度大大減小，材料脆性?xún)A向大大增加。實(shí)例之二：50年代末，60年代初，美國(guó)在發(fā)射北極星導(dǎo)彈試驗(yàn)中多次發(fā)生發(fā)動(dòng)機(jī)殼體爆炸事故，發(fā)射火箭時(shí)曾發(fā)生助推器在半空爆炸。調(diào)查表明：殼體材料Kgf/mm2 ,工作應(yīng)力Kgf/mm2 ，常規(guī)強(qiáng)度沒(méi)有問(wèn)題，但在爆炸碎片中發(fā)現(xiàn)殘留的宏觀裂紋。3 裂紋導(dǎo)致構(gòu)件脆斷事故的特點(diǎn)1）構(gòu)件中存在宏觀裂紋 它們是初始宏觀裂紋（可由無(wú)損探傷查檢）或初始微觀裂紋在疲勞、腐蝕、多次沖擊下成長(zhǎng)為宏觀裂紋。2）低應(yīng)力斷裂 由于宏觀裂紋尖端的應(yīng)力集中，

24、高應(yīng)力區(qū)中存在二向及三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)大大加強(qiáng)了材料脆化傾向，導(dǎo)致宏觀工作應(yīng)力大大低于靜載強(qiáng)度指標(biāo)（如）情況下的低應(yīng)力斷裂破壞，破壞之前沒(méi)有任何宏觀塑性變形預(yù)兆。4 型裂紋尖端附近的應(yīng)力場(chǎng)1）裂紋擴(kuò)展的三種基本形式（圖9-8）：其中以型為最危險(xiǎn)，其遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力（載荷）垂直于裂紋面（見(jiàn)圖9-9）2）型裂紋尖端附近應(yīng)力場(chǎng)（圖9-10）：局部應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)力分量表達(dá)式為（9-6a）其中 （9-6b）控制應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)弱程度的稱(chēng)型應(yīng)力強(qiáng)度因子（SIF）此處垂直于裂紋面的遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力（載荷）裂紋長(zhǎng)度幾何形狀因子，與裂紋體幾何形狀、尺寸、加載情況有關(guān)。如圖（9-11）。3）斷裂準(zhǔn)則與斷裂韌性對(duì)于宏觀裂紋導(dǎo)致的脆性斷裂，即裂紋

25、一旦起裂就迅速失穩(wěn)擴(kuò)展直至構(gòu)件沿裂紋面斷裂，以應(yīng)力強(qiáng)度因子為控制參量建立脆斷準(zhǔn)則（9-7）其中與所加載荷有關(guān)（見(jiàn)式（9-6b），可查有關(guān)應(yīng)力強(qiáng)度因子手冊(cè)）。由標(biāo)準(zhǔn)試樣（如圖9-9），按規(guī)定試驗(yàn)程序測(cè)試得到。如見(jiàn)我國(guó)正式規(guī)定文件GB416184（金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度試驗(yàn)方法）；國(guó)際上，如美國(guó)宇航局、美國(guó)材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)頒發(fā)的ASTME39978。按上述規(guī)定測(cè)得的是材料的常量，稱(chēng)平面應(yīng)變斷裂韌度，它反映了材料對(duì)裂紋快速擴(kuò)展的抗力。強(qiáng)度理論的應(yīng)用1選用原則1）對(duì)于常溫、靜載、常見(jiàn)應(yīng)力狀態(tài)下通常的塑性材料，如低碳鋼，其彈性失效狀態(tài)為塑性屈服；通常的脆性材料，如鑄鐵，其彈性失效狀態(tài)為脆性斷裂，因而可根據(jù)

26、材料來(lái)選用強(qiáng)度理論：第三強(qiáng)度理論 可進(jìn)行偏保守（安全）設(shè)計(jì)。塑性材料       第四強(qiáng)度理論 可用于更精確設(shè)計(jì)，要求對(duì)材料強(qiáng)度指標(biāo)，載荷計(jì)算較有把握。               第一強(qiáng)度理論 用于拉伸型和拉應(yīng)力占優(yōu)的混合型應(yīng)力狀態(tài)。脆性材料       第二強(qiáng)度理論 僅用于石料、混凝土等少數(shù)材料。2）對(duì)于常溫、靜載但具有某些特殊應(yīng)力狀

27、態(tài)的情況，不能只看材料，還必須考慮應(yīng)力狀態(tài)對(duì)材料彈性失效狀態(tài)的影響，根據(jù)所處失效狀態(tài)選取強(qiáng)度理論。 塑性材料（如低碳鋼）在三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)下呈脆斷破壞，應(yīng)選用第一強(qiáng)度理論，但此時(shí)的失效應(yīng)力應(yīng)通過(guò)能造成材料脆斷的試驗(yàn)獲得。脆性材料（如大理石）在三向壓縮應(yīng)力狀態(tài)下呈塑性屈服失效狀態(tài)，應(yīng)選用第三、第四強(qiáng)度理論，但此時(shí)的失效應(yīng)力應(yīng)通過(guò)能造成材料屈服的試驗(yàn)獲得。脆性材料在壓縮型或混合型壓應(yīng)力占優(yōu)的應(yīng)力狀態(tài)下，像鑄鐵一類(lèi)脆性材料均具有 的性能，可選擇莫爾強(qiáng)度理論。2題例例9-1 試建立鋼軸在彎扭組合作用下的強(qiáng)度條件。解：如圖9-12軸上危險(xiǎn)點(diǎn)（如1點(diǎn)）的正應(yīng)力與剪應(yīng)力簡(jiǎn)單表示為：， ， （a）危險(xiǎn)點(diǎn)的三個(gè)

28、主應(yīng)力為， （b）若選用第三強(qiáng)度理論，并引用（b）式，則有         若選用第四強(qiáng)度理論，并引用（b）式，則有（9-7a）                 （9-7b）               

29、60;  若將（a）式分別代入（9-7a）、（9-7b）式則相應(yīng)有（9-8a） ； （9-8b）例9-2 試對(duì)圖9-13所示薄壁圓筒壓力氣罐推導(dǎo)設(shè)計(jì)壁厚的公式。（1）材料為鑄鐵，已知 ；（2）材料為壓力容器用鋼，已知 。解：氣罐承受內(nèi)壓較低，一般為薄壁容器，在內(nèi)壓作用下產(chǎn)生拉伸型應(yīng)力狀態(tài)：， ， （a）對(duì)（1），選用第一強(qiáng)度理論  ， （9-9a）對(duì)（2），選用第三強(qiáng)度理論   ， （9-9b）選用第四強(qiáng)度理論（9-9c） ，  得出的應(yīng)滿(mǎn)足。例9-3 圖示液壓鋼瓶由鑄鐵制成，已知平均直徑，抗拉強(qiáng)度Mpa,抗壓強(qiáng)度 Mpa，試導(dǎo)出軸向壓力時(shí)的壁

30、厚設(shè)計(jì)公式。解：應(yīng)力狀態(tài)中各應(yīng)力分量為，（a）此為壓應(yīng)力占優(yōu)的混合型應(yīng)力狀態(tài)， ，選用莫爾理論：； 若計(jì)算所得 ，則滿(mǎn)足薄壁圓筒條件，若 則應(yīng)調(diào)整有關(guān)參數(shù)，或按厚壁圓筒進(jìn)行設(shè)計(jì)。例9-4 某中強(qiáng)鋼 Mpa , Mpa ;某高強(qiáng)鋼 Mpa , Mpa ，試估算此兩種材料制成的圓筒形壓力氣瓶所含縱向裂紋尺寸的臨界值 ，若要求二者具有同樣的工作安全系數(shù)（取 ）。（圖9-15 a）解：按脆斷準(zhǔn)則 ， （a）則有 （b）圍繞縱向裂紋取出足夠大的板塊（圖9-13b），近似視為無(wú)限大板，此時(shí)：， ， c）式（c）代入（b）：對(duì)中強(qiáng)鋼 mmm,  此時(shí) Mpa。對(duì)高強(qiáng)鋼 mmm,  此時(shí)

31、Mpa。結(jié)論：1）對(duì)于中、低強(qiáng)度鋼，相應(yīng)斷裂韌度較高，允許臨界裂紋長(zhǎng)度較長(zhǎng)，因而對(duì)中、小型零件不會(huì)出現(xiàn)裂紋導(dǎo)致的脆斷問(wèn)題，主要考慮常規(guī)強(qiáng)度問(wèn)題（應(yīng)用經(jīng)典強(qiáng)度理論）。2）對(duì)于高強(qiáng)、超高強(qiáng)鋼，如果相應(yīng)斷裂韌度較低，允許臨界裂紋長(zhǎng)度很短，除應(yīng)進(jìn)行常規(guī)強(qiáng)度校核外，必須嚴(yán)格檢查與控制內(nèi)含裂紋長(zhǎng)度，利用 斷裂準(zhǔn)則進(jìn)行安全校核，因而對(duì)結(jié)構(gòu)材料，高強(qiáng)度不是追求的唯一目標(biāo)，還應(yīng)提高其斷裂韌性。 組合變形。概述1構(gòu)件的受力情況分為基本受力（或基本變形）形式（如中心受拉或受壓，扭轉(zhuǎn)，平面彎曲,剪切）和組合受力（或組合變形）形式。組合變形由兩種以上基本變形形式組成。2處理組合變形構(gòu)件的內(nèi)力、應(yīng)力和變形（位移）問(wèn)題時(shí)，

32、可以運(yùn)用基于疊加原理的疊加法。疊加原理：如果內(nèi)力、應(yīng)力、變形等與外力成線(xiàn)性關(guān)系，則在小變形條件下，復(fù)雜受力情況下組合變形構(gòu)件的內(nèi)力，應(yīng)力，變形等力學(xué)響應(yīng)可以分成幾個(gè)基本變形單獨(dú)受力情況下相應(yīng)力學(xué)響應(yīng)的疊加，且與各單獨(dú)受力的加載次序無(wú)關(guān)。說(shuō)明：保證上述線(xiàn)性關(guān)系的條件是線(xiàn)彈性材料，加載在彈性范圍內(nèi)，即服從胡克定律；必須是小變形，保證能按構(gòu)件初始形狀或尺寸進(jìn)行分解與疊加計(jì)算，且能保證與加載次序無(wú)關(guān)。如10-1a圖所示縱橫彎曲問(wèn)題，橫截面上內(nèi)力（圖10-1b）為N=P，M(x)=?？梢?jiàn)當(dāng)撓度（變形）較大時(shí)，彎矩中與撓度有關(guān)的附加彎矩不能略去。雖然梁是線(xiàn)彈性的，彎矩、撓度與P的關(guān)系卻仍為非線(xiàn)性的，因而不

33、能用疊加法。除非梁的剛度較大，撓度很小，軸力引起的附加彎矩可略去。兩個(gè)互相垂直平面內(nèi)彎曲的組合圖10-2(a)所示構(gòu)件具有兩個(gè)對(duì)稱(chēng)面（y，z為對(duì)稱(chēng)軸），橫向載荷P通過(guò)截面形心與y軸成 a 夾角，現(xiàn)按疊加法寫(xiě)出求解梁內(nèi)最大彎曲正應(yīng)力的解法與步驟：根據(jù)圣維南原理，將載荷按基本變形加載條件進(jìn)行靜力等效處理，現(xiàn)將P沿橫截面對(duì)稱(chēng)軸分解為Py、Pz，則有，（圖a）得到相應(yīng)的幾種基本變形形式，分別計(jì)算可能危險(xiǎn)點(diǎn)上的應(yīng)力。現(xiàn)分別按兩個(gè)平面彎曲（圖b，c）計(jì)算。Py ，Pz 在危險(xiǎn)面（固定端）處分別有彎矩：，（圖d）。My 作用下產(chǎn)生以y軸為中性軸的平面彎曲，bd與ac邊上分別產(chǎn)生最大拉應(yīng)力與最大壓應(yīng)力(a)&

34、#160; ， Mz 作用下產(chǎn)生以z軸為中性軸的平面彎曲,ab與cd邊上分別產(chǎn)生最大拉應(yīng)力與最大壓應(yīng)力 (b)由疊加法得組合變形情況下，亦即原載荷作用下危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力。現(xiàn)可求得Py，Pz共同作用下危險(xiǎn)點(diǎn)（b、c點(diǎn)）彎曲正應(yīng)力（同一點(diǎn)同一微面上的正應(yīng)力代數(shù)相加） (10-1)上述橫向載荷P構(gòu)成的彎曲區(qū)別于平面彎曲，稱(chēng)斜彎曲。它有以下兩個(gè)特點(diǎn)：構(gòu)件的軸線(xiàn)變形后不再是載荷作用平面內(nèi)的平面曲線(xiàn)，而是一條空向曲線(xiàn)；橫截面內(nèi)中性軸不再與載荷作用線(xiàn)垂直；或中性軸不再與彎矩矢量重合（如為實(shí)心構(gòu)件）。如圖10-2(e)所示，橫截面上任意點(diǎn)m（y，z）的正應(yīng)力為  (10-2)根據(jù)中性軸定義，令s =0，

35、即得中性軸位置表達(dá)式  當(dāng) ， ；現(xiàn)為矩形（h>b）， ，則 。形成斜彎曲，中性軸與M矢量不重合。當(dāng) （如圖10-2中為圓截面）， ，即載荷通過(guò)截面形心任意方向均形成平面彎曲，若圓截面直徑為D，則有(10-3)中心拉伸或壓縮與彎曲的組合以圖10-3a所示偏心壓縮問(wèn)題為例1求危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力可以用上述載荷處理法，將作用于點(diǎn)F（yp ，zp）的偏心載荷P向構(gòu)件軸線(xiàn)（或端面形心O）平移，得到相應(yīng)于中心壓縮和兩個(gè)平面彎曲的外載荷?，F(xiàn)直接用截面法（內(nèi)力處理法）。如圖10-3b所示，端面上偏心壓縮力P在橫截面上產(chǎn)生的內(nèi)力分量為N=P，My=PZp，Mz=Pyp在該橫截面上任意點(diǎn)m（y ，z）的正

36、應(yīng)力為壓應(yīng)力和兩個(gè)平面彎曲（分別繞y和z軸）正應(yīng)力的疊加：(10-4)a點(diǎn)有最大壓應(yīng)力，b點(diǎn)有最大拉應(yīng)力   ；  (10-5)其中，。2中性軸位置和截面核心讓式（10-4）中 ，并定義截面慣性半徑，。設(shè)中性軸上任意點(diǎn)坐標(biāo)為 yo ，zo 。則由式（10-4）得 （10-6），這是一不通過(guò)形心O的中性軸方程（直線(xiàn)方程）。它在y軸和z軸上截距分別為， (10-7)對(duì)于混凝土、大理石等抗拉能力比抗壓能力小得多的材料，設(shè)計(jì)時(shí)不希望偏心壓縮在構(gòu)件中產(chǎn)生拉應(yīng)力。滿(mǎn)足這一條件的壓縮載荷的偏心距 yp ，zp 應(yīng)控制在橫截面中一定范圍內(nèi)（使中性軸不會(huì)與截面相割，最多只能與截面周線(xiàn)相切或重

37、合），由式（10-7）有， (10-8)橫截面上存在的這一范圍稱(chēng)為截面核心，它由式（10-8）的偏心距軌跡線(xiàn)圍成。式中 yot ，zot 現(xiàn)為橫截面周邊（輪廓線(xiàn)）上一點(diǎn)的坐標(biāo)。例10-1 短柱的截面為矩形，尺寸為（圖10-4a）。試確定截面核心。解：對(duì)稱(chēng)軸y，z即為截面圖形的形心主慣性軸，。設(shè)中性軸與AB邊重合，則它在坐標(biāo)軸上截距為，于是偏心壓力P的偏心距為  ， 即圖10-4a中的a點(diǎn)。同理若中性軸為BC邊，相應(yīng)為b點(diǎn)，b(0 , ) 。余類(lèi)推，由于中性軸方程為直線(xiàn)方程，最后可得圖10-4a中矩形截面的截面核心為abcd（陰影線(xiàn)所示）。例10-2 讀者可證圖10-4b所示半徑為r的

38、圓截面短柱，其截面核心為半徑為的圓形。扭轉(zhuǎn)與彎曲的組合1圓截面桿件設(shè)圖10-5a所示為圓截面桿橫截面上分別作用有彎矩 My ，Mz 和扭矩T 。對(duì)圓截面，通過(guò)圓心（形心）的任意方向的軸均為對(duì)稱(chēng)軸，因而合力矩作用軸即中性軸，這時(shí)M作用下圓軸產(chǎn)生平面彎曲， 分布如圖a，在扭矩T作用下圓軸產(chǎn)生剪應(yīng)力，分布如圖b，分別為， （a）危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)如圖c所示，主應(yīng)力為， （b）對(duì)塑性材料，可選用第三和第四強(qiáng)度理論，考慮式（b）后 （c）（d）對(duì)直徑為d的圓截面，有，考慮式（a）后式（c）與（d）分別有2矩形截面桿設(shè)圖10-6a和b所示為矩形截面上作用有彎矩My ，Mz 和扭矩T 。對(duì)矩形截面（），My ，

39、Mz 分別形成以y軸和z軸為中性軸的平面彎曲，彎曲正應(yīng)力分布如圖a所示。扭矩T在矩形截面上形成的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力分布如圖b所示。綜合考慮彎曲正應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的分布情況，可以選出危險(xiǎn)點(diǎn)a、b、c，其應(yīng)力狀態(tài)如圖c所示。a點(diǎn)具有正應(yīng)力最大值b點(diǎn)具有和      ，c點(diǎn)具有和        ，對(duì)塑性材料，a點(diǎn)的強(qiáng)度條件為       對(duì)b，c點(diǎn)可選擇第三或第四強(qiáng)度理論，如選第三強(qiáng)度理論，可比較和，較大者應(yīng)滿(mǎn)足例10-3 齒輪軸AB