ansys設(shè)計理論

1、第10章 強度理論10.1 強度理論的概念構(gòu)件的強度問題是材料力學(xué)所研究的最基本問題之一。通常認為當(dāng)構(gòu)件承受的載荷達到一定大小時，其材料就會在應(yīng)力狀態(tài)最危險的一點處首先發(fā)生破壞。故為了保證構(gòu)件能正常地工作，必須找出材料進入危險狀態(tài)的原因，并根據(jù)一定的強度條件設(shè)計或校核構(gòu)件的截面尺寸。各種材料因強度不足而引起的失效現(xiàn)象是不同的。如以普通碳鋼為代表的塑性材料，以發(fā)生屈服現(xiàn)象、出現(xiàn)塑性變形為失效的標(biāo)志。對以鑄鐵為代表的脆性材料，失效現(xiàn)象則是突然斷裂。在單向受力情況下，出現(xiàn)塑性變形時的屈服點和發(fā)生斷裂時的強度極限可由實驗測定。和統(tǒng)稱為失效應(yīng)力，以安全系數(shù)除失效應(yīng)力得到許用應(yīng)力，于是建立強度條件可見，在

2、單向應(yīng)力狀態(tài)下，強度條件都是以實驗為基礎(chǔ)的。實際構(gòu)件危險點的應(yīng)力狀態(tài)往往不是單向的。實現(xiàn)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的實驗，要比單向拉伸或壓縮困難得多。常用的方法是把材料加工成薄壁圓筒(圖10-1)，在內(nèi)壓p作用下，筒壁為二向應(yīng)力狀態(tài)。如再配以軸向拉力F，可使兩個主應(yīng)力之比等于各種預(yù)定的數(shù)值。這種薄壁筒試驗除作用內(nèi)壓和軸力外，有時還在兩端作用扭矩，這樣還可得到更普遍的情況。此外，還有一些實現(xiàn)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的其他實驗方法。盡管如此，要完全復(fù)現(xiàn)實際中遇到的各種復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)并不容易。況且復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)中應(yīng)力組合的方式和比值又有各種可能。如果象單向拉伸一樣，靠實驗來確定失效狀態(tài)，建立強度條件，則必須對各式各樣的應(yīng)力狀態(tài)

3、一一進行試驗，確定失效應(yīng)力，然后建立強度條件。由于技術(shù)上的困難和工作的繁重，往往是難以實現(xiàn)的。解決這類問題，經(jīng)常是依據(jù)部分實驗結(jié)果，經(jīng)過推理，提出一些假說，推測材料失效的原因，從而建立強度條件。圖101經(jīng)過分析和歸納發(fā)現(xiàn)，盡管失效現(xiàn)象比較復(fù)雜，強度不足引起的失效現(xiàn)象主要還是屈服和斷裂兩種類型。同時，衡量受力和變形程度的量又有應(yīng)力、應(yīng)變和變形能等。人們在長期的生產(chǎn)活動中，綜合分析材料的失效現(xiàn)象和資料，對強度失效提出各種假說。這類假說認為，材料之所以按某種方式(斷裂或屈服)失效，是應(yīng)力、應(yīng)變或變形能等因素中某一因素引起的。按照這類假說，無論是簡單應(yīng)力狀態(tài)還是復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，引起失效的因素是相同的。也

4、就是說，造成失效的原因與應(yīng)力狀態(tài)無關(guān)。這類假說稱為強度理論。利用強度理論，便可由簡單應(yīng)力狀態(tài)的實驗結(jié)果，建立復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的強度條件。至于某種強度理論是否成立，在什么條件下能夠成立，還必須經(jīng)受科學(xué)實驗和生產(chǎn)實踐的檢驗。本章只介紹四種常用強度理論，這些都是在常溫、靜載下，適用于均勻、連續(xù)、各向同性材料的強度理論。當(dāng)然，強度理論遠不止這幾種。而且，現(xiàn)有的各種強度理論還不能說已經(jīng)圓滿地解決所有的強度問題，這方面還有待發(fā)展。10.2 四種常用強度理論前面提到，強度失效的主要形式有屈服和斷裂兩種。相應(yīng)地，強度理論也分成兩類，一類是解釋斷裂失效的，其中有最大拉應(yīng)力理論和最大伸長線應(yīng)變理論。另一類是解釋屈服

5、失效。其中有最大切應(yīng)力理論和形狀改變比能理論。10.2.1 最大拉應(yīng)力理論(第一強度理論)意大利科學(xué)家伽利略(Galilei)于l638年在兩種新的科學(xué)一書中首先提出最大正應(yīng)力理論，后來經(jīng)過修正為最大拉應(yīng)力理論，由于它是最早提出的強度理論，所以也稱為第一強度理論。這一理論認為：最大拉應(yīng)力是使材料發(fā)生斷裂破壞的主要因素。即認為不論是什么應(yīng)力狀態(tài)，只要最大拉應(yīng)力達到與材料性質(zhì)有關(guān)的某一極限值，材料就發(fā)生斷裂。既然最大拉應(yīng)力的極限值與應(yīng)力狀態(tài)無關(guān)，于是就可用單向應(yīng)力狀態(tài)確定這一極限值。單向拉伸時只有，當(dāng)達到強度極限時即發(fā)生斷裂。故據(jù)此理論得知，不論是什么應(yīng)力狀態(tài)，只要最大拉應(yīng)力達到就導(dǎo)致斷裂。于是得

6、斷裂準(zhǔn)則 (101)將極限應(yīng)力除以安全系數(shù)得許用應(yīng)力，故按第一強度理論建立的強度條件是 (102)試驗證明，這理論與鑄鐵、陶瓷、玻璃、巖石和混凝土等脆性材料的拉斷試驗結(jié)果相符，例如由鑄鐵制成的構(gòu)件，不論它是在簡單拉伸、扭轉(zhuǎn)、二向或三向拉伸的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，其脆性斷裂破壞總是發(fā)生在最大拉應(yīng)力所在的截面上。但是這一理論沒有考慮其他兩個主應(yīng)力的影響，且對沒有拉應(yīng)力的狀態(tài)(如單向壓縮、三向壓縮等)也無法應(yīng)用。10.2.2 最大伸長線應(yīng)變理論(第二強度理論)法國科學(xué)家馬里奧(E. Mariotte)在1682年提出最大線應(yīng)變理論，后經(jīng)修正為最大伸長線應(yīng)變理論。這一理論認為最大伸長線應(yīng)變是引起斷裂的主要因

7、素。即認為不論什么應(yīng)力狀態(tài)，只要最大伸長線應(yīng)變達到與材料性質(zhì)有關(guān)的某一極限值時，材料即發(fā)生斷裂。的極限值既然與應(yīng)力狀態(tài)無關(guān)，就可由單向拉伸來確定。設(shè)單向拉伸直到斷裂仍可用虎克定律計算應(yīng)變，則拉斷時伸長線應(yīng)變的極限值應(yīng)為。按照這一理論，任意應(yīng)力狀態(tài)下，只要達到極限值，材料就發(fā)生斷裂。故得斷裂準(zhǔn)則為 （a）由廣義虎克定律代入（a）得到斷裂準(zhǔn)則 （103）將除以安全系數(shù)得許用應(yīng)力，于是按第二強度理論建立的強度條件是 (104)石料或混凝土等脆性材料受軸向壓縮時，如在試驗機與試塊的接觸面上加添潤滑劑，以減小摩擦力的影響，試塊將沿垂直于壓力的方向裂開。裂開的方向也就是的方向。鑄鐵在拉-壓二向應(yīng)力，且壓應(yīng)

8、力較大的情況下，試驗結(jié)果也與這一理論接近。按照這一理論，鑄鐵在二向拉伸時應(yīng)比單向拉伸安全，但試驗結(jié)果并不能證實這一點。在這種情況下，第一強度理論比較接近試驗結(jié)果。10.2.3 最大切應(yīng)力理論(第三強度理論)法國科學(xué)家?guī)靷?C.A. Coulomb)在1773年提出最大切應(yīng)力理論，這一理論認為最大切應(yīng)力是引起屈服的主要因素。即認為不論什么應(yīng)力狀態(tài)，只要最大切應(yīng)力達到與材料性質(zhì)有關(guān)的某一極限值，材料就發(fā)生屈服。在單向拉伸下，當(dāng)橫截面上的拉應(yīng)力到達極限應(yīng)力時，與軸線成的斜截面上相應(yīng)的最大切應(yīng)力為，此時材料出現(xiàn)屈服?？梢娋褪菍?dǎo)致屈服的最大切應(yīng)力的極限值。因這一極限值與應(yīng)力狀態(tài)無關(guān)，故在任意應(yīng)力狀態(tài)下，

9、只要達到，就引起材料的屈服。由于對任意應(yīng)力狀態(tài)有，于是得屈服準(zhǔn)則 (b)或 （10-5）將除以安全系數(shù)得許用應(yīng)力，得到按第三強度理論建立的強度條件 (10-6)最大切應(yīng)力理論較為滿意地解釋了屈服現(xiàn)象。例如，低碳鋼拉伸時沿與軸線成的方向出現(xiàn)滑移線，這是材料內(nèi)部沿這一方向滑移的痕跡。根據(jù)這理論得到的屈服準(zhǔn)則和強度條件，形式簡單，概念明確，目前廣泛應(yīng)用于機械工業(yè)中。但該理論忽略了中間主應(yīng)力的影響，使得在二向應(yīng)力狀態(tài)下，按這一理論所得的結(jié)果與試驗值相比偏于安全。10.2.4 形狀改變比能理論(第四強度理論)意大利力學(xué)家貝爾特拉密(EBeltrami)在1885年提出能量理論，1904年胡伯(MTHub

10、er)將其修正為形狀改變比能理論。胡伯認為形狀改變比能是引起屈服的主要因素。即認為不論什么應(yīng)力狀態(tài)，只要形狀改變比能達到與材料性質(zhì)有關(guān)的某一極限值，材料就發(fā)生屈服。單向拉伸時屈服點為，相應(yīng)的形狀改變比能為。這就是導(dǎo)致屈服的形狀改變比能的極限值。對任意應(yīng)力狀態(tài)，只要形狀改變比能達到上述極限值，便引起材料的屈服。故形狀改變比能屈服準(zhǔn)則為 (c)在任意應(yīng)力狀態(tài)下，形狀改變必能為代入式(c)，整理后得屈服準(zhǔn)則為 (10-7)將除以安全系數(shù)得許用應(yīng)力，于是，按第四強度理論得到的強度條件為 (10-8)若將、代入式(10-7)，即得到 (d)式(d)是根據(jù)形狀改變比能理論建立的屈服準(zhǔn)則的另一種表達形式。由

11、此可以看出，這個理論在本質(zhì)上仍然認為切應(yīng)力是使材料屈服的決定性因素。鋼、銅、鋁等塑性材料的薄管試驗表明，這一理論與試驗結(jié)果相當(dāng)接近，它比第三強度理論更符合試驗結(jié)果。在純剪切的情況下，由屈服準(zhǔn)則式(10-7)得出的結(jié)果比式(10-5)的結(jié)果大15,這是兩者差異最大的情況。可以把四個強度理論的強度條件寫成以下的統(tǒng)一形式 (109)式中稱為相當(dāng)應(yīng)力。它是由三個主應(yīng)力按一定形式組合而成的，實質(zhì)上是個抽象的概念，即是與復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)危險程度相當(dāng)?shù)膯屋S拉應(yīng)力(圖10-2)。按照從第強度理論到第四強度理論的順序，相當(dāng)應(yīng)力分別為 (10-10)以上介紹了四種常用的強度理論。鑄鐵、石料、混凝土、玻璃等脆性材料，通

12、常以斷裂的形式失效，宜采用第一和第二強度理論。碳鋼、銅、鋁等塑性材料，通常以屈服的形式失效，宜采用第三和第四強度理論。圖102應(yīng)該指出，不同材料固然可以發(fā)生不同形式的失效，但即使是同一材料，處于不同應(yīng)力狀態(tài)下也可能有不同的失效形式。例如碳鋼在單向拉伸下以屈服的形式失效，但碳鋼制成的螺紋根部因應(yīng)力集中引起三向拉伸就會出現(xiàn)斷裂。又如鑄鐵單向受拉時以斷裂的形式失效，但淬火鋼球壓在厚鑄鐵板上，接觸點附近的材料處于三向受壓狀態(tài)，隨著壓力的增大，鑄鐵板會出現(xiàn)明顯的凹坑，這表明已出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。無論是塑性材料還是脆性材料，在三向拉應(yīng)力相近的情況下，都將以斷裂的形式失效，在三向壓應(yīng)力相近的情況下，都可引起塑性變

13、形。因此，我們把塑性材料和脆性材料理解為材料處于塑性狀態(tài)或脆性狀態(tài)更為確切些。應(yīng)用強度理論解決實際問題的步驟是： 1)分析計算構(gòu)件危險點上的應(yīng)力。 2)確定危險點的主應(yīng)力、和。 3)選用適當(dāng)?shù)膹姸壤碚撚嬎闫湎喈?dāng)應(yīng)力，然后運用強度條件進行強度計算。例10-1 由Q235鋼制蒸汽鍋爐的壁厚t10mm，內(nèi)徑D1000mm(圖10-3)。蒸汽壓力P3MPa，160MPa。試校核鍋爐的強度。圖103解 鍋爐橫截面和縱向截面上的應(yīng)力是鍋爐壁內(nèi)一點的三個主應(yīng)力是，對Q235鋼這類塑性材料，應(yīng)運用第四強度理論。由式(10-10)得所以鍋爐滿足第四強度理論的強度條件。也可以用第三強度理論進行強度校核。由式(10

14、-10)得可見也滿足第三強度理論的強度條件。例10-2 構(gòu)件內(nèi)某危險點的應(yīng)力狀態(tài)如圖10-4所示，試按四個強度理論建立相應(yīng)的強度條件。圖104解 三個主應(yīng)力分別為四個強度理論的強度條件為例10-3 試按強度理論建立純剪切應(yīng)力狀態(tài)的強度條件，并尋求塑性材料許用剪應(yīng)力與許用拉應(yīng)力之間的關(guān)系。圖105解 純剪切應(yīng)力狀態(tài)為二向應(yīng)力狀態(tài)，如圖10-5所示。其三個主應(yīng)力分別為：、。對塑性材料應(yīng)采用最大切應(yīng)力理論。按最大切應(yīng)力理論得出的強度條件為而剪切的強度條件是比較上兩式可見即為的。這是按最大切應(yīng)力理論求得的與之間的關(guān)系。如按形狀改變比能理論，則純剪切的強度條件是 與剪切強度條件比較，得即約為的0.6倍。

15、這是按第四強度理論得到的與之間的關(guān)系。它與實驗結(jié)果比較接近。習(xí) 題10-1從低碳鋼零件中某點取出一單元體，其應(yīng)力狀態(tài)如圖所示，試按第三和第四強度理論計算單元體的相當(dāng)應(yīng)力。單元體上的應(yīng)力為(單位：MPa) (1) ， ，。 (2) ，。 (3) ， ，。 (4)，。 題10-1圖10-2上題中若材料為鑄鐵，試按第一和第二強度理論計算單元體的相當(dāng)應(yīng)力，。10-3試對鋁合金(塑性材料)零件進行強度校核，已知。危險點的主應(yīng)力為（單位：MPa） （1），。 （2），。 (3 ) ，。 (4 ) ，。10-4 試對鑄鐵零件進行強度校核，已知許用拉應(yīng)力，。危險點的主應(yīng)力為(單位：MPa)（1），。 （2），。 (3 ) ，。10-5鋼制圓柱形薄壁容器，直徑為800mm，壁厚t4mm。試用強度理淪確定能承受的最大內(nèi)壓力p。10-6圖示為鋼軌與火車車輪接觸點處的應(yīng)力狀態(tài)。已知，。鋼軌材料的許用應(yīng)力。試用強度理論校核接觸點處材料的強度。題10-6圖10-7某薄壁球殼的內(nèi)徑為200mm，其內(nèi)部壓強P15MPa，鋼的許用應(yīng)力。試按第三強度理論設(shè)計薄殼的壁厚。題10-7 圖 題10-8圖10-8圖示簡支梁，已知其材料的許用應(yīng)力