第9章-強(qiáng)度理論.ppt

1、單輝祖:材料力學(xué)教程,1,第8章強(qiáng)度理論,本章主要研究：,關(guān)于材料靜荷破壞的理論彎扭組合強(qiáng)度計(jì)算彎拉(壓)扭組合強(qiáng)度計(jì)算承壓薄壁圓筒強(qiáng)度計(jì)算,單輝祖:材料力學(xué)教程,2,1引言2關(guān)于斷裂的強(qiáng)度理論3關(guān)于屈服的強(qiáng)度理論4強(qiáng)度理論的應(yīng)用*5彎扭組合與彎拉(壓)扭組合*6矩形截面桿組合變形一般情況7承壓薄壁圓筒強(qiáng)度計(jì)算*8含裂紋構(gòu)件斷裂失效概念,單輝祖:材料力學(xué)教程,3,1引言,復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)強(qiáng)度問(wèn)題材料靜荷破壞形式與原因強(qiáng)度理論概說(shuō),單輝祖:材料力學(xué)教程,4,復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)強(qiáng)度問(wèn)題,su,tu由試驗(yàn)測(cè)定,單向應(yīng)力與純剪切,一般復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài),每種比值情況下的極限應(yīng)力，很難全由試驗(yàn)測(cè)定,本章研究：材料在靜態(tài)

2、復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的破壞或失效的規(guī)律，及其在構(gòu)件強(qiáng)度分析中的應(yīng)用,單輝祖:材料力學(xué)教程,5,材料靜荷破壞形式與原因,塑性材料,脆性材料,拉扭破壞現(xiàn)象,破壞形式與原因初步分析,屈服或滑移可能是tmax過(guò)大所引起斷裂可能是st,max或et,max過(guò)大所引起,斷裂,斷裂,斷裂,斷裂,單輝祖:材料力學(xué)教程,6,關(guān)于材料在靜態(tài)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下破壞或失效規(guī)律的學(xué)說(shuō)或假說(shuō)強(qiáng)度理論,目前常用的強(qiáng)度理論：關(guān)于斷裂的強(qiáng)度理論最大拉應(yīng)力理論最大拉應(yīng)變理論關(guān)于屈服的強(qiáng)度理論最大切應(yīng)力理論畸變能理論,強(qiáng)度理論概說(shuō),單輝祖:材料力學(xué)教程,7,2關(guān)于斷裂的強(qiáng)度理論,最大拉應(yīng)力理論最大拉應(yīng)變理論試驗(yàn)驗(yàn)證例題,單輝祖:材料力學(xué)教程

3、,8,最大拉應(yīng)力理論（第一強(qiáng)度理論）,引起材料斷裂的主要因素最大拉應(yīng)力s1不論材料處于何種應(yīng)力狀態(tài)，只要最大拉應(yīng)力s1達(dá)到材料單向拉伸斷裂時(shí)的最大拉應(yīng)力s1u（即sb），材料即發(fā)生斷裂,材料的斷裂條件,理論要點(diǎn),強(qiáng)度條件,s1構(gòu)件危險(xiǎn)點(diǎn)處的最大拉應(yīng)力s材料單向拉伸時(shí)的許用應(yīng)力,單輝祖:材料力學(xué)教程,9,最大拉應(yīng)變理論（第二強(qiáng)度理論）,不論材料處于何種應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)時(shí),材料斷裂,材料的斷裂條件,理論要點(diǎn),引起材料斷裂的主要因素最大拉應(yīng)變e1,單向拉伸斷裂時(shí):,單輝祖:材料力學(xué)教程,10,強(qiáng)度條件,s1,s2,s3構(gòu)件危險(xiǎn)點(diǎn)處的工作應(yīng)力,材料的斷裂條件,相當(dāng)應(yīng)力或折算應(yīng)力,第二強(qiáng)度理論的相當(dāng)應(yīng)力,在

4、促使材料破壞或失效方面，與復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力等效的單向應(yīng)力,s=s/n材料單向拉伸時(shí)的許用應(yīng)力,單輝祖:材料力學(xué)教程,11,試驗(yàn)驗(yàn)證,在二向拉伸、以及壓應(yīng)力值超過(guò)拉應(yīng)力值不多的二向拉壓應(yīng)力狀態(tài)下，最大拉應(yīng)力理論與試驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)接近當(dāng)壓應(yīng)力值超過(guò)拉應(yīng)力值時(shí)，最大拉應(yīng)變理論與試驗(yàn)結(jié)果大致相符,鑄鐵二向斷裂試驗(yàn),單輝祖:材料力學(xué)教程,12,例2-1鑄鐵構(gòu)件危險(xiǎn)點(diǎn)處受力如圖,試校核強(qiáng)度，s=30MPa,例題,單輝祖:材料力學(xué)教程,13,3關(guān)于屈服的強(qiáng)度理論,最大切應(yīng)力理論畸變能理論試驗(yàn)驗(yàn)證,單輝祖:材料力學(xué)教程,14,最大切應(yīng)力理論（第三強(qiáng)度理論）,不論材料處于何種應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)時(shí),材料屈服,材料的屈服條件

5、,理論要點(diǎn),強(qiáng)度條件,s1,s3構(gòu)件危險(xiǎn)點(diǎn)處的工作應(yīng)力s材料單向拉伸時(shí)的許用應(yīng)力,引起材料屈服的主要因素最大切應(yīng)力tmax,單輝祖:材料力學(xué)教程,15,畸變能理論（第四強(qiáng)度理論）,畸變能在外力作用下，微體的形狀與體積一般均發(fā)生改變。與之對(duì)應(yīng)，應(yīng)變能又分為形狀改變能與體積改變能，前者又稱為畸變能,應(yīng)變能與畸變能概念,畸變能密度單位體積內(nèi)的畸變能,應(yīng)變能彈性體因變形所儲(chǔ)存的能量,m-泊松比,E-彈性模量,詳見(jiàn)單輝祖編著材料力學(xué)（高等教育出版社）,單輝祖:材料力學(xué)教程,16,不論材料處于何種應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)時(shí),材料屈服,屈服條件,畸變能強(qiáng)度理論要點(diǎn),強(qiáng)度條件,s1,s2,s3構(gòu)件危險(xiǎn)點(diǎn)處的工作應(yīng)力s材料

6、單向拉伸時(shí)的許用應(yīng)力,引起材料屈服的主要因素畸變能,其密度為vd,單輝祖:材料力學(xué)教程,17,試驗(yàn)驗(yàn)證,最大切應(yīng)力理論與畸變能理論與試驗(yàn)結(jié)果均相當(dāng)接近，后者符合更好,鋼、鋁二向屈服試驗(yàn),單輝祖:材料力學(xué)教程,18,4強(qiáng)度理論的應(yīng)用,強(qiáng)度理論的選用一種常見(jiàn)應(yīng)力狀態(tài)的強(qiáng)度條件純剪切許用應(yīng)力例題,單輝祖:材料力學(xué)教程,19,強(qiáng)度理論的選用,脆性材料：抵抗斷裂的能力抵抗滑移的能力塑性材料：抵抗滑移的能力抵抗斷裂的能力,第一與第二強(qiáng)度理論，一般適用于脆性材料第三與第四強(qiáng)度理論，一般適用于塑性材料,一般情況,全面考慮,材料的失效形式，不僅與材料性質(zhì)有關(guān)，而且與應(yīng)力狀態(tài)形式、溫度與加載速率等有關(guān),低碳鋼,三

7、向等拉，,斷裂,低碳鋼,低溫?cái)嗔?單輝祖:材料力學(xué)教程,20,一種常見(jiàn)應(yīng)力狀態(tài)的強(qiáng)度條件,單向、純剪切聯(lián)合作用,塑性材料：,單輝祖:材料力學(xué)教程,21,純剪切許用應(yīng)力,純剪切情況下（s=0）,塑性材料:,單輝祖:材料力學(xué)教程,22,例題,例4-1鋼梁,F=210kN,s=160MPa,h=250mm,b=113mm,t=10mm,d=13mm,Iz=5.2510-5m4,校核強(qiáng)度,解：1.問(wèn)題分析,危險(xiǎn)截面截面C+,單輝祖:材料力學(xué)教程,23,2.smax與tmax作用處強(qiáng)度校核,危險(xiǎn)點(diǎn)：橫截面上下邊緣；中性軸處；,腹板翼緣交界處,單輝祖:材料力學(xué)教程,24,3.腹板翼緣交界處強(qiáng)度校核,4.討

8、論,對(duì)短而高薄壁截面梁,除應(yīng)校核smax作用處的強(qiáng)度外,還應(yīng)校核tmax作用處,及腹板翼緣交界處的強(qiáng)度,單輝祖:材料力學(xué)教程,25,5彎扭與彎拉(壓)扭組合,彎扭組合強(qiáng)度計(jì)算彎拉(壓)扭組合強(qiáng)度計(jì)算例題,單輝祖:材料力學(xué)教程,26,彎扭組合強(qiáng)度計(jì)算,彎扭組合,危險(xiǎn)截面:截面A,危險(xiǎn)點(diǎn):a與b,應(yīng)力狀態(tài)單向純剪切,強(qiáng)度條件（塑性材料,圓截面）,單輝祖:材料力學(xué)教程,27,彎拉(壓)扭組合強(qiáng)度計(jì)算,彎拉扭組合,危險(xiǎn)截面截面A,危險(xiǎn)點(diǎn)a,應(yīng)力狀態(tài)單向純剪切,強(qiáng)度條件（塑性材料）,單輝祖:材料力學(xué)教程,28,例5-1圖示鋼質(zhì)傳動(dòng)軸，F(xiàn)y=3.64kN,Fz=10kN,Fz=1.82kN,Fy=5kN,

9、D1=0.2m,D2=0.4m,s=100MPa,軸徑d=52mm,試按第四強(qiáng)度理論校核軸的強(qiáng)度,解：1.外力分析,例題,單輝祖:材料力學(xué)教程,29,2.內(nèi)力分析,M1,M2T圖,Fy,FyMz圖,Fz,FzMy圖,BC段圖凹曲線,單輝祖:材料力學(xué)教程,30,3.強(qiáng)度校核,危險(xiǎn)截面截面B,彎扭組合,單輝祖:材料力學(xué)教程,31,例5-2圓弧形圓截面桿，許用應(yīng)力為s，試按第三強(qiáng)度理論確定桿徑,單輝祖:材料力學(xué)教程,32,6矩形截面桿組合變形一般情況,內(nèi)力分析應(yīng)力分析強(qiáng)度條件,單輝祖:材料力學(xué)教程,33,內(nèi)力分析,圖示鋼質(zhì)曲柄，試分析截面B的強(qiáng)度,單輝祖:材料力學(xué)教程,34,危險(xiǎn)點(diǎn)a,b,c,a點(diǎn)-

10、s最大,b點(diǎn)-t最大c點(diǎn)-t相當(dāng)大,應(yīng)力分析,tS一般可忽略不計(jì),單輝祖:材料力學(xué)教程,35,強(qiáng)度條件,a點(diǎn)處,b點(diǎn)處,c點(diǎn)處,單輝祖:材料力學(xué)教程,36,7承壓薄壁圓筒的強(qiáng)度計(jì)算,薄壁圓筒實(shí)例承壓薄壁圓筒應(yīng)力分析承壓薄壁圓筒強(qiáng)度條件例題,單輝祖:材料力學(xué)教程,37,薄壁圓筒實(shí)例,單輝祖:材料力學(xué)教程,38,承壓薄壁圓筒應(yīng)力分析,軸向應(yīng)力,橫與縱截面上均存在正應(yīng)力，對(duì)于薄壁圓筒，可認(rèn)為沿壁厚均勻分布,單輝祖:材料力學(xué)教程,39,周向應(yīng)力,徑向應(yīng)力,單輝祖:材料力學(xué)教程,40,承壓薄壁圓筒強(qiáng)度條件,僅適用于的薄壁圓筒,強(qiáng)度條件,塑性材料：,脆性材料：,單輝祖:材料力學(xué)教程,41,例題,例7-1已

11、知:s,E,m,M=pD3p/4。按第三強(qiáng)度理論建立筒體強(qiáng)度條件計(jì)算筒體軸向變形,解：1.應(yīng)力分析,單輝祖:材料力學(xué)教程,42,2.強(qiáng)度分析,3.軸向變形分析,單輝祖:材料力學(xué)教程,43,8含裂紋構(gòu)件斷裂失效概念簡(jiǎn)介,引言應(yīng)力強(qiáng)度因子概念斷裂韌度與概念斷裂判據(jù)概念,單輝祖:材料力學(xué)教程,44,引言,二戰(zhàn)期間，美國(guó)建造兩千余艘全焊接貨輪與油輪，在19431965年間，有20艘斷為兩截，發(fā)生低應(yīng)力脆斷。,50年代，美國(guó)北極星導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，在實(shí)驗(yàn)發(fā)射與耐壓實(shí)驗(yàn)時(shí)，多次因破裂而爆炸，而其工作應(yīng)力僅為屈服應(yīng)力的一半。,在高壓容器、飛機(jī)結(jié)構(gòu)、機(jī)車與橋梁等工程中，也發(fā)生過(guò)很多脆斷事故。,經(jīng)研究，由于冶煉、

12、加工與使用等原因，構(gòu)件中往往存在裂紋甚至宏觀裂紋，而低應(yīng)力脆斷，就是在一定應(yīng)力條件下發(fā)生迅速擴(kuò)展所致。這種情況在高強(qiáng)度材料中尤為突出。,斷裂力學(xué)是固體力學(xué)的一個(gè)新分支，主要研究含裂紋材料與結(jié)構(gòu)的宏觀裂紋擴(kuò)展規(guī)律。,單輝祖:材料力學(xué)教程,45,應(yīng)力強(qiáng)度因子概念,張開型裂紋又稱為型裂紋，最為常見(jiàn)，最為危險(xiǎn),常見(jiàn)裂紋形式,本節(jié)主要結(jié)合型裂紋介紹有關(guān)概念,單輝祖:材料力學(xué)教程,46,裂紋尖端鄰域（ra）應(yīng)力場(chǎng),試驗(yàn)也表明，對(duì)于一定材料與厚度的含裂紋平板，不論s與a各為何值，只要KI達(dá)到某一定值時(shí)，裂紋即開始擴(kuò)展。,可見(jiàn)，當(dāng)r與j一定時(shí)，應(yīng)力sx、sy與txy均隨而定，說(shuō)明參數(shù)之值，反映了裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)弱程度，故稱其為應(yīng)力強(qiáng)度因子，對(duì)于型裂紋，并用K表示，即,單輝祖:材料力學(xué)教程,47,斷裂韌度概念,斷裂韌度使裂紋開始擴(kuò)展的應(yīng)力強(qiáng)度因子值，稱為材料的斷裂韌度，并用Kc表示。,平面應(yīng)變斷裂韌度,當(dāng)板厚大于某一數(shù)值bmin后，Kc趨于某一穩(wěn)定值，稱為平面應(yīng)變斷裂韌度，對(duì)于型裂紋，并用KIc表示。,Kc與板厚b有關(guān)。,幾種材料的KIc與