第11章 材料失效及强度理论

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材料力学强度理论

材料力学强度理论

材料力学强度理论
材料力学强度理论是材料力学的一个重要分支,它研究材料在外力作用下的强
度和变形特性。

材料的强度是指材料抵抗破坏的能力,而变形特性则是指材料在外力作用下的形变行为。

强度理论的研究对于材料的设计、制备和应用具有重要意义。

首先,强度理论可以帮助我们了解材料的破坏机制。

材料在外力作用下会发生
破坏,而不同的材料在受力时表现出不同的破坏模式,比如拉伸、压缩、剪切等。

强度理论可以通过实验和理论分析,揭示材料在受力时的破坏机制,为材料的设计和选用提供依据。

其次,强度理论可以指导材料的合理使用。

在工程实践中,我们需要根据材料
的强度特性来选择合适的材料,并确定合理的使用条件。

强度理论可以帮助我们评估材料在特定工况下的承载能力,从而保证材料的安全可靠使用。

此外,强度理论还可以为材料的改进和优化提供指导。

通过对材料强度特性的
研究,我们可以发现材料的强度局限性,并提出改进的方案。

比如,可以通过合金化、热处理等手段来提高材料的强度,或者通过结构设计来减小应力集中,提高材料的抗破坏能力。

综上所述,材料力学强度理论是材料科学中的重要内容,它不仅可以帮助我们
了解材料的破坏机制,指导材料的合理使用,还可以为材料的改进和优化提供指导。

在未来的研究和工程实践中,我们需要进一步深入研究强度理论,不断提高材料的强度和可靠性,为社会发展和科技进步做出贡献。

压力容器的强度计算

压力容器的强度计算

第11章压力容器的强度计算本章重点要讲解内容:1理解内压容器设计时主要设计参数容器内径、设计压力、设计温度、许用应力、焊缝系数等的意义及其确定原则;2掌握五种厚度计算壁厚、设计壁厚、名义壁厚、有效壁厚、最小壁厚的概念、相互关系以及计算方法;能熟练地确定腐蚀裕度和钢板负偏差;3掌握内压圆筒的厚度设计;4掌握椭圆封头、锥形封头、半球形封头以及平板封头厚度的计算;5熟悉内压容器强度校核的思路和过程;第一节设计参数的确定1、我国压力容器标准与适用范围我国现执行GB150-98 “钢制压力容器”国家标准;该标准为规则设计,采用弹性失效准则和稳定失效准则,应用解析法进行应力计算,比较简便;JB4732-1995钢制压力容器—分析设计标准,其允许采用高的设计强度,相同设计条件下,厚度可以相应地减少,重量减轻;其采用塑性失效准则、失稳失效准则和疲劳失效准则,计算比较复杂,和美国的ASME标准思路相似;2、容器直径diameter of vessel考虑压制封头胎具的规格及标准件配套选用的需要,容器筒体和封头的直径都有规定;对于用钢板卷制的筒体,以内径作为其公称直径;表1 压力容器的公称直径mm如果筒体是使用无缝钢管直接截取的,规定使用钢管的外径作为筒体的公称直径;表2 无缝钢管制作筒体时容器的公称直径mm3、设计压力design pressure1相关的基本概念除了特殊注明的,压力均指表压力工作压力P W:在正常的工作情况下,容器顶部可能达到的最高压力;①由于最大工作压力是容器顶部的压力,所以对于塔类直立容器,直立进行水压试验的压力和卧置时不同;②工作压力是根据工艺条件决定的,容器顶部的压力和底部可能不同,许多塔器顶部的压力并不是其实际最高工作压力the maximum allowable working pressure;③标准中的最大工作压力,最高工作压力和工作压力概念相同;设计压力指设定的容器顶部的最高压力,与相应的设计温度一起作为设计载荷条件,其值不低于工作压力;①对最大工作压力小于的内压容器,设计压力取为;②当容器上装有超压泄放装置时,应按“超压泄放装置”的计算方法规定;③对于盛装液化气体的装置,在规定的充满系数范围内,设计压力由工作条件下,可能达到的最高金属温度确定;详细内容,参考GB150-1998,附录B标准的附录,超压泄放装置;计算压力P C是GB150-1998 新增加的内容,是指在相应设计温度下,用以确定元件厚度的压力,其中包括液柱静压力,当静压力值小于5%的设计压力时,可略去静压力;①注意与GB150-1989 对设计压力规定的区别;钢制压力容器规定设计压力是指在相应设计温度下,用以确定容器壳壁计算厚度的压力,亦是标注在铭牌上的设计压力,取略高或等于最高工作压力;当容器受静压力值大于5%设计压力时,应取设计压力与液柱静压力之和进行元件的厚度计算; 使许多设计人员误将设计压力和液柱静压力之和作为容器的设计压力;② 一台设备的设计压力只有一个,但受压元件的计算压力在不同部位可能有所变化; ③ 计算压力在压力容器总图的技术特性中不出现,只在计算书中出现;4、设计温度Design temperature设计温度是指容器在正常工作情况下,在相应的设计压力下,设定的受压元件的金属温度;主要用于确定受压元件的材料选用、强度计算中材料的力学性能和许用应力,以及热应力计算时设计到的材料物理性能参数;●设计温度不得低于元件金属在工作状态可能达到的最高温度; ●当设计温度在0℃以下时,不得高于元件金属可能达到的最低温度;●当容器在各部分工作状态下有不同温度时,可分别设定每一部分的设计温度;5、许用应力Maximum allowable stress values许用应力是以材料的极限应力除以适当的安全系数,在设计温度下的许用应力的大小,直接决定容器的强度,GB150-1998 对钢板、锻件、紧固件均规定了材料的许用应力;表3 钢制压力容器中使用的钢材安全系数6、焊接接头系数Joint efficiency 的影响1焊接接头的影响焊接接头是容器上比较薄弱的环节,较多事故的发生是由于焊接接头金属部分焊接影响区的破裂;一般情况下,焊接接头金属的强度和基本金属强度相等,甚至超过基本金属强度;但由于焊接接头热影响区有热应力存在,焊接接头金属晶粒粗大,以及焊接接头中心出现气孔和未焊透缺陷,仍会影响焊接接头强度,因而必须采用焊接接头强度系数,以补偿焊接时可能产生的强度消弱;焊接接头系数的大小取决于焊接接头型式、焊接工艺以及焊接接头探伤检验的严格程度等;2焊接接头系数的选取:由接头形式和无损探伤的长度确定 ●双面焊对接接头和相当于双面焊的全焊透对接接头: 100%无损探伤,φ =; 局部无损探伤, φ =;●单面焊的对接接头,沿焊接接头根部全长具有紧贴基本金属的垫板: 100%无损探伤, φ =; 局部无损探伤, φ =; ●无法进行探伤的单面焊环向对接焊缝,无垫板: φ=;第二节 内压容器筒体与封头厚度的设计1、内压圆筒cylindrical shell 的厚度设计1理论计算厚度δrequired thicknessGB150-1998 定义:按各章公式计算得到的厚度,为能安全承受计算压力P C 必要时尚需计入其他载荷;内压圆筒壁内的基本应力是薄膜应力,由第三强度理论可知薄膜应力的强度条件为:t r ][3σσσθ≤= ,t r PD][23σδσ≤=1 式中: t][σ--制造筒体钢板在设计温度下的许用应力;考虑到焊接接头的影响,公式1中的许用应力应使用强度可能较低的焊接接头金属的许用应力,即把钢板的许用应力乘以焊缝系数;φσδσt r PD][23≤=,则有:i tPD 2[]δσφ≥ 式中D 为中径,当壁厚没有确定时,则中径也是待定值,利用D=D i +δ则有:c it cP D =2[]-P δσφ 2公式2一般被简化为:c itP D =2[]δσφ3 2设计壁厚d δdesign thickness 计算壁厚δ与腐蚀余量C 2之和称为设计壁厚;可以将其理解为同时满足强度、刚度和使用寿命的最小厚度;2d C δδ=+ 4C 2为腐蚀裕度 根据介质对选用材料腐蚀速度和设计使用寿命共同考虑;C 2=k· a , mm ;k —腐蚀速度corrosion rate,mm/a ; a —设计年限desired life time; 对碳素钢和低合金钢,C 2≥ 1mm ;对于不锈钢,当介质腐蚀性能极微时,取C 2=0;3名义厚度d δnormal thickness 设计厚度d δ加上钢板负偏差C 1后向上圆整至刚才标准规格的厚度,即标注在设计图样上的壳体厚度;1n d C δδ=+∆+ 5C 1—钢板负偏差;任何名义厚度的钢板出厂时,都允许有一定的负偏差;钢板和钢管的负偏差按钢材标准的规定;当钢板负偏差不大于0.25mm,且不超过名义厚度的6%时,负偏差可忽略不计;表4 钢板负偏差值4 有效厚度e δ名义厚度n δ减去腐蚀裕量和钢材厚度负偏差,从性质上可以理解为真正可以承受介质压强的厚度,成为有效厚度;数值上可以看作是计算厚度加上向上钢材圆整量;12e n C C δδ=-- 6厚度系数β:圆筒的有效厚度和计算厚度之比称为圆筒的厚度系数; 5最小厚度min δ为满足制造、运输及安装时刚度要求,根据工程经验规定的不包括腐蚀裕量的最小壁厚;错误!碳素钢和低合金钢制造的容器,最小壁厚不小于3mm ; 错误!高合金钢制容器,如不锈钢制造的容器,最小壁厚不小于2mm;当筒体的计算厚度小于最小厚度,应取最小厚度作为计算厚度,这时筒体的名义厚度可以分为两种不同的情况分别计算;(1) 当min 1->C δδ,n min 2=+C +,()δδ∆∆可以等于零 (2) 当min 1-C δδ<时,必须考虑钢板负偏差,n min 21=+C +C +δδ∆表5 钢板的常用厚度表表6 几种厚度之间的相互关系2、内压球壳sphere 的厚度设计球壳的任意点处的薄膜应力均相同,且m σσθ=,根据薄膜应力第三强度条件:[]4t r PDθσσσφδ==≤ 采用内径表示:, 4[]4[]c i c i c P D P Dmm P δδσφσφ==-或者简化为 7其他的厚度计算与筒体一样;3、内压封头的厚度设计1半球形封头hemispherical head半球形封头的厚度采用球壳的壁厚设计公式进行计算;图1 半球形封头示意图 图2 椭圆形封头示意图2标准椭圆形封头ellipsoidal head如图所示,由半个椭球和一段高为h 0的圆筒形筒节称为直边构成,封头曲面深度4iD h =,直边高度与封头的公称直径有关;表7 封头的直边高度/㎜对于标准椭圆封头,最大的薄膜应力位于椭球的顶部,大小和圆筒的环向应力完全相同,其厚度和圆筒形的计算一样;但是和下面的GB150-1998 规定的不太一样,主要是因为在简化是产生的,影响不大;K 2[]0.5c it cp D p δσφ=- 8K 为椭圆封头形状系数,⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=2)2(261i i h D K 标准椭圆封头为K=应当注意,承受内压时椭圆封头的赤道处为环向压缩应力,为了避免失稳,规定标准椭圆的计算厚度不得小于封头内径的%; 3碟形封头又称带折边球形封头,有三部分组成,以R i 为半径的球面壳体、半径为r 的圆弧为母线所构成的环状壳体折边或过渡圆弧;球面半径R i 一般不大于筒体直径D i ;折边半径r 在任何情况下不得小于球面半径的10%,其应大于三倍的封头厚度;图3 碟形封头碟形封头厚度的计算公式:2[]0.5c icMp R p δσφ=- 9式中:M —碟形封头形状系数碟形封头的厚度如果太薄,则会出现内压下的弹性失稳,所以规定:i e D M %15.0,34.1≥≤δ;4球冠形封头没有折边封头的结构,为了进一步降低凸形封头的高度,将碟形封头的过度圆弧和直边部分去掉,将球面部分直接焊接到圆柱壳体上,如下图所示;图4 球冠形封头错误!作容器的端封头;错误!用作容器中两个相邻承压空间的中间封头; 封头的厚度凹面受压时:2[]c itcQP D P δσφ=- 10 Q 为系数主要和球形半径和筒体内径之比、压力和许用应力及焊缝系数有关,可以根据图表查得; 在任何情况下,与球冠形封头连接的圆筒厚度应不小于封头厚度;否则,应在封头与圆筒间设置加强段过渡连接;圆筒加强段的厚度应与封头等厚;端封头一侧或中间封头两侧的加强段长度L 均应不小于20.5i D δ5内压锥形封头cone head锥形封头和椭圆形、半球形封头相比强度较差;在工业生产中,但当操作介质含有固体颗粒或当介质粘度很大时,采用锥形封头有利于出料,亦有利于流体的均匀分布;此外,顶角较小的锥壳还可用来改变流体的流速,另外锥形壳体用来连接两个直径不等的圆筒,作变径段;因此,锥形封头仍得到广泛应用,一般锥形封头有三种形式:图5 锥形封头示意图错误!不带折边锥形封头的壁厚锥形封头的最大薄膜应力位于锥体的大端:11,4cos 2cos m PD PD θσσδαδα=•=• 根据第一或第三强度理论,并以内径表示可得: 12[]cos 2[]cos c i c i c t t c c P D P D P P δσφασφα=≈•-- 11由于无折边锥形封头与筒体的连接处曲率半径突变,所以存在着较大的边界应力,如果利用11计算的壁厚满足边界应力不得超过3倍时,则可以直接使用,否则需要增加连接处的壁厚,因此无折边封头的计算公式写为:2[]c ic tcQP D P δσφ=- 12 图6 锥壳大端与圆筒连接处Q 值图Q 值随着[]c t c P σφ的增大而减少,水平直线代表αcos 1=Q ;采用加强的壁厚焊接比较繁琐、成本也较高,是否可以整体采用加强后计算的壁厚,目前还没有定论;教材中采用此图目的是不用进行判断,与GB150-1998存在差异,实际设计时严格按照GB150-1998;在任何情况下,加强段的厚度不得小于相连接的锥壳厚度;锥壳加强段的长度L 1应不小于0.52cos i rD δα; 圆筒加强段的长度L 应不小于20.5i r D δ;错误! 折边锥壳分为锥壳大端有折边以及锥壳大端、小端均有折边两种;此处只讲解大端部分,小端的计算方法详见GB150-1998的第7部分;大端的壁厚应同时计算过渡段厚度和与其相连接的锥壳厚度,取二者大值; 过渡部分的壁厚:2[]0.5c icKP D P δσφ=-; 13D i — 连接筒体内直径; K — 过渡部分形状系数;K 系数由表4所示;表8 系数K 值过渡段与相连接处的锥壳厚度:[]0.5c it cfP D P δσφ=- 14f —锥形封头形状系数,()121cos /2cos irf D αα-=-,其值列于表5; 教材中,认为折边部分与锥体部分厚度相同时,折边内的压力总是小于锥体部分的压力,所以只对大端进行计算,然后取折边和大端等厚度,所以只给出了一个计算公式,而且其系数由于公式的改变是GB150-1998的两倍,有点欠妥;学生可以采用二者之一的公式,但是必须注意公式和系数的准确性;表9 系数f 值6平板封头circular flat heads圆形平板作为封头承受压力时,处于受弯的不利状态,而且造成筒体在边界处产生较大的边界应力,所以一般不使用平板封头;但是压力容器的人孔、手孔等为平板;在实际工程中,可把圆形平盖简化为受均匀分布横向载荷的圆平板,最大弯曲应力公式为:2max 2PD Kσδ=应用第一强度理论,结合实际工程经验,其设计公式为: []CBt KP D δσφ= 15式中:K —结构系数,从相关的表中查取; c D --计算直径,一般为筒体内直径; B δ--平板的计算厚度;第三节 压力试验与在用压力容器的强度校核1、压力试验hydrostatic test pressure容器制造时,钢板经过了弯卷、焊接、拼装等工序以后,会存在以下的问题: 是否能够承受规定的工作压力是否会发生过大变形在规定的工作压力作用下,焊缝等处是否会发生局部渗漏 因此需要进行压力试验,试验的项目和要求应在图样中注明;压力试验可以选用液压和气压;由于气压试验的危害性大,故一般都采用液压试验,只有不易做液压试验的容器才采用气压试验; 1液压试验试验介质,一般用水,试验压力为:tt P ][][25P.1σσ= 16 t ][σ—设计温度下材料的许用应力,MPa ;][σ—试验温度下材料的许用应力,MPa;液压试验方法:液压试验时,压力应缓慢上升,达到规定试验压力时,保持30分钟,然后将压力降至规定试验压力的80%,并保持足够长时间以便对所有焊缝和连接部位进行检查;实验结果以无渗漏和无可见的残余变形为合格; 2气压实验不适合做液压实验的容器,例如由于工艺要求,容器内不允许有微量残留液体,或由于结构原因,不能充满液体的容器,才允许用气压实验;凡采用气压实验的容器其焊缝需进行100%的无损探伤,且应增加实验场所的安全措施,并在有关安全部门的监督下进行;试验介质,错误!干燥气体或者错误!洁净的空气、氮气、惰性气体; 试验压力为:tt P ][][15P.1σσ= 17 气压试验方法:试验时压力应缓慢上升,至规定试验压力,且不超过,保压5分钟,检查焊接接头部位;若存在泄漏,修复,重新进行水压实验;合格后,方可重新进行气压实验;2、强度校核的思路1许用应力校核 即根据有效厚度计算出容器在校核压力下的计算应力,判断其是否小于材料的许用应力;在用容器在校核压力P ch P W ,P k or P 作用下的计算应力为:eich D KP δσ2=18 式中:K —形状系数,其值根据受压元件形状确定,对于圆柱形筒体和标准椭圆形封头,K=;对于球壳与半球壳封头,K=;碟形封头,K=M α;无折边封头锥形封头,K=Q ;折边锥形封头,K=0f ;e δ筒体或者封头的有效厚度,对于新容器筒体:21C C n e --=δδ对于使用多年的容器:λδδn C e⨯-=2min式中:λ--实测的年腐蚀率,㎜/a ;min C δ--受压元件的实测最小厚度;n —检验周期; 2在用容器最大允许工作压力it ][2][D KP P ch e φσδ=19 但是在工程实际中,应该严格按照GB150-1998或者JB4732-1995进行校核; 例题1:有一圆筒计量罐,内装浓度为99%的液氨,筒体内径mm D i2200=,筒高3200㎜,一端采用标准椭圆封头,一端采用半球形封头,操作温度不超过50℃;罐顶装有安全阀,安全阀的开启压力Mpa P 2.2=,材料选用16MnR,在t =50℃时的机械性能Mpa Mpa b s 500,330==σσ;氨对材料的腐蚀速度/1.0mm K a<年,若设计寿命为15年,不计液体静压力,试计算:(1) 钢材16MnR 在操作条件下的许用应力σt(2)(3) 筒体的壁厚1c S (4)(5) 椭圆封头的壁厚2c S (6)(7) 半球形封头的壁厚1c S (8)(9) 水压实验压力P T 30分解:1用应力MPa n bbt 6.1663500][1===σσ,MPa n s s t 3.2066.1330][2===σσ 取 σt=2筒体壁厚S c1,筒体壁厚S c1按下式计算:式中:P =;,D i =2200mm ;σt=;由于工作介质为99%的液氯,属于中毒性介质,3321076.262.32.242.2m MPa m MPa V P ⋅>⋅=⨯⨯⨯=⋅π,划分为3类容器;筒体拼版与筒节焊接采用双面对接焊,100%无损探伤,取焊缝系数1=φ钢板的负偏差取:C 1=㎜;腐蚀裕度取:mm C 5.1151.02=⨯=mm S C 9.163.22.216.166222002.21=+-⨯⨯⨯=,取1C S =18㎜3椭圆封头2C S椭圆封头壁厚2C S 按下式计算:C P D P S Ct iC C +-=5.0][22φσ式中符号意义及数值同2,解得:mm S C 87.163.22.25.016.166222002.22=+⨯-⨯⨯⨯=,取2C S =18㎜4半球形3C S ,半球形封头壁厚3C S 按下式计算: 式中符号意义及数值同2,解得:mm S C 586.93.22.216.166422002.23=+-⨯⨯⨯=取3C S =10㎜5水压实验压力P T :MPa P P T 75.225.1==思考题(1) 确定有效厚度时应注意什么问题 (2)(3) 厚度系数的含义、取值和用途是什么。

工程力学中四种强度理论

工程力学中四种强度理论

为了探讨导致材料破坏的规律,对材料破坏或失效进行了假设即为强度理论,简述工程力学中四大强度理论的基本内容一、四大强度理论基本内容介绍:1、最大拉应力理论(第一强度理论):这一理论认为引起材料脆性断裂破坏的因素是最大拉应力,无论什么应力状态,只要构件内一点处的最大拉应力σ1达到单向应力状态下的极限应力σb,材料就要发生脆性断裂。

于是危险点处于复杂应力状态的构件发生脆性断裂破坏的条件是:σ1=σb。

σb/s=[σ]所以按第一强度理论建立的强度条件为:σ1≤[σ]。

2、最大伸长线应变理论(第二强度理论):这一理论认为最大伸长线应变是引起断裂的主要因素,无论什么应力状态,只要最大伸长线应变ε1达到单向应力状态下的极限值εu,材料就要发生脆性断裂破坏。

εu=σb/E;ε1=σb/E。

由广义虎克定律得:ε1=[σ1-u(σ2+σ3)]/E所以σ1-u(σ2+σ3)=σb。

按第二强度理论建立的强度条件为:σ1-u(σ2+σ3)≤[σ]。

3、最大切应力理论(第三强度理论):这一理论认为最大切应力是引起屈服的主要因素,无论什么应力状态,只要最大切应力τmax达到单向应力状态下的极限切应力τ0,材料就要发生屈服破坏。

依轴向拉伸斜截面上的应力公式可知τ0=σs/2(σs——横截面上的正应力)由公式得:τmax=τ1s=(σ1-σ3)/2。

所以破坏条件改写为σ1-σ3=σs。

按第三强度理论的强度条件为:σ1-σ3≤[σ]。

4、形状改变比能理论(第四强度理论):这一理论认为形状改变比能是引起材料屈服破坏的主要因素,无论什么应力状态,只要构件内一点处的形状改变比能达到单向应力状态下的极限值,材料就要发生屈服破坏。

二、四大强度理论适用的范围1、各种强度理论的适用范围及其应用第一理论的应用和局限1、应用材料无裂纹脆性断裂失效形势(脆性材料二向或三向受拉状态;最大压应力值不超过最大拉应力值或超过不多)。

2、局限没考虑σ2、σ3对材料的破坏影响,对无拉应力的应力状态无法应用。

材料力学四大强度理论

材料力学四大强度理论

材料力学四大强度理论材料力学是研究材料在外力作用下的力学性能和变形规律的学科,其中强度理论是材料力学中的重要内容之一。

材料的强度是指材料在外力作用下抵抗破坏的能力,而强度理论则是用来描述和预测材料在不同应力状态下的破坏规律和强度值的理论体系。

在材料力学中,有四大经典的强度理论,分别是极限强度理论、绝对最大剪应力理论、莫尔-库伊特理论和最大应变能理论。

首先,极限强度理论是最早被提出的强度理论之一,它是根据材料的屈服条件来描述材料的破坏规律。

极限强度理论认为材料在受到外力作用时,只要应力达到了材料的屈服强度,材料就会发生破坏。

这种理论简单直观,易于应用,但在实际工程中往往存在一定的局限性,因为它忽略了材料在屈服之前的变形过程。

其次,绝对最大剪应力理论是基于材料的最大剪应力来描述材料的破坏规律。

这种理论认为,材料在受到外力作用时,只要材料中的最大剪应力达到了材料的抗剪强度,材料就会发生破坏。

这种理论在一些特定情况下具有较好的适用性,但在一些复杂应力状态下往往难以准确描述材料的破坏规律。

接下来,莫尔-库伊特理论是基于材料的主应力来描述材料的破坏规律。

这种理论认为,材料在受到外力作用时,只要材料中的任意一个主应力达到了材料的抗拉强度或抗压强度,材料就会发生破坏。

莫尔-库伊特理论相对于前两种理论来说,更加全面和准确,因为它考虑了材料在不同应力状态下的破坏规律。

最后,最大应变能理论是基于材料的应变能来描述材料的破坏规律。

这种理论认为,材料在受到外力作用时,只要材料中的应变能达到了材料的抗拉强度或抗压强度,材料就会发生破坏。

最大应变能理论在描述材料的破坏规律时考虑了材料的变形能量,因此在一些复杂应力状态下具有较好的适用性。

综上所述,材料力学中的强度理论是描述和预测材料在外力作用下的破坏规律和强度值的重要理论体系。

四大强度理论分别是极限强度理论、绝对最大剪应力理论、莫尔-库伊特理论和最大应变能理论,它们各自具有一定的适用范围和局限性,工程应用中需要根据具体情况进行选择和应用。

强度理论

强度理论

一、最大拉应力理论(第一强度理论)最大拉应力理论认为,引起材料断裂的主要因素是最大拉应力。

而且认为,不论材料处于何种应力状态,只要最大拉应力1σ达到材料单向拉伸断裂时的最大拉应力即强度极限b σ,材料即发生断裂。

按此理论,材料断裂的条件为b σσ=1 (a )实验表明:脆性材料在二向或三向拉伸断裂时,最大拉应力理论与实验结果相当接近;而当存在压应力时,则只要最大压应力值不超过最大拉应力值或超过不多,最大拉应力理论与实验结果也大致相近。

将上述理论用于构件的强度计算,得相应的强度条件为n bσσ≤1或[]σσ≤1式中:1σ为构件危险点处的最大拉应力;[]σ为单向拉伸时材料的许用应力。

二、最大拉应变理论(第二强度理论)最大拉应变理论认为,引起材料断裂的主要因素是最大拉应变。

而且认为,不论材料处于何种应力状态,只要最大拉应变1ξ达到材料单向拉伸断裂时的最大拉应变值u 1ξ,材料即发生断裂。

按此理论,材料的断裂条件为u 11ξξ= (b )对于铸铁等脆性材料,从开始受力直到断裂,其应力、应变关系近似符合胡克定律,所以,复杂应力状态下的最大拉应变为()[]32111σσμσξ+-=E (c )而材料在单向拉伸断裂时的最大拉应变为E bu σξ=1 (d )将式(c )和(d )代入式(b ),得()b σσσμσ=+-321 (e )此即用主应力表示的断裂条件。

实验表明,脆性材料在双向拉伸—压缩应力状态下,且压应力值超过拉应力值时,最大拉应变理论与实验结果大致符合。

此外,砖、石等脆性材料试样,压缩时之所以沿纵向断面断裂,也可以由理论得到说明。

由式(e )并考虑安全因数后,得相应的强度条件为()[]σσσμσ≤+-321 (f )式1σ,2σ与3σ代表构件危险点处的主应力;[]σ为单向拉伸时材料的许用应力。

式(f )表明当根据强度理论建立构件的强度条件时,形式上是将主应力的某一综合值与材料单向拉伸许用应力相比较。

第11章复合材料层合板的强度分析

第11章复合材料层合板的强度分析

第11章 复合材料层合板的强度力分析复合材料层合板中单层板的铺叠方式有多种,每一种方式对应一种新的结构形式与材料性能。

层合板的应力状态也可以是无数种,因此各种不同应力状态下层合板的强度不可能靠实验来确定.只能通过建立一定的强度理论,将层合板的应力和基本强度联系起来。

由于层合板中各层应力不同,应力高的单层板先发生破坏,于是可以通过逐层破坏的方式确定层合板的强度。

因此,复合材料层合板的强度是建立在单层板强度理论基础上的。

另外,由层合板的刚度特性和内力可以计算出层合板各单层板的材料主方向上的应力。

这样就可以采取和研究各向同性材料强度相同的方法,根据单层板的应力状态和破坏模式,建立单层板在材料主方向坐标系下的强度准则。

本章主要介绍单层板的基本力学性能、单层板的强度失效准则,以及层合板的强度分析方法。

§11.1单层板的力学性能由层合板的结构可知,层合板是若干单向纤维增强的单层板按一定规律组合而成的。

当纤维和基体的性质、体积含量确定后,单层板材料主方向的强度与和其工程弹性常数一样,是可以通过实验唯一确定的。

11.1.1单层板的基本刚度与强度材料主方向坐标系下的正交各向异性单层板,具有4个独立的工程弹性常数,分别表示为:纤维方向(方向1)的杨氏模量1E ,垂直纤维方向(方向2)的杨氏模量2E ,面内剪切模量12G ;另外,还有两个泊松比2112,νν,但它们两个 不是独立的。

这4个独立弹性常数表示正交各向异性单层板的刚度。

单层板的基本强度也具有各向异性,沿纤维方向的拉伸强度比垂直于纤维方向的强度要高。

另外,同一主方向的拉伸和压缩的破坏模式不同,强度也往往不同,所以单层板在材料主方向坐标系下的强度指标共有5个,称为单层板的基本强度指标,分别表示为:纵向拉伸强度X t (沿纤维方向),纵向压缩强度X c (沿纤维方向),横向拉伸强度Y t (垂直纤维方向),横向压缩强度Y c (垂直纤维方向),面内剪切强度S (在板平面内)。

材料学 强度理论

材料学 强度理论

σ3
[σt ] 2
O3O2
σ1
2
σ3
[σc ] 2

[c]
L´ T´ [t]
1
代入 O1N O3O1 O2F O3O2
强度条件
1
[ [
t c
]
]
3
[ t ]
三、 各种强度理论的适用范围及其应用(The appliance range and application for all failure criteria)
阿托?莫尔(O.Mohr),1835~1918
二、莫尔强度理论(Mohr’s failure criterion)
任意一点的应力圆若与极限曲线
M
L
相接触,则材料即将屈服或剪断.
F N
公式推导
O2 O O1
T
O3
O1 N
[σt ] 2
σ1
σ3 2
O2F
[σc ] 2
σ1
σ3 2
O3O1
σ1
2
基本假说:最大伸长线应变1 是引起材料脆断破坏的因素.
脆断破坏的条件:
1
σb E
最大伸长线应变:
1
1 E [σ1
(σ2
σ3 )]
强度条件:
σ1 (σ2 σ3 ) [σ]
五、第二类强度理论
(The second types of failure criterion)
1.最大切应力理论 (第三强度理论)
(3)单元体(c)
σ1 80MPa σ2 -70MPa σ3 -140MPa
70 MPa
σr3 220MPa σr4 195MPa
(4)单元体(d)
140 MPa

新编材料力学教学配套课件张少实主编第11章

新编材料力学教学配套课件张少实主编第11章

第11章 材料失效及强度理论
11-3 关于屈服的强度理论
1)最大切应力强度理论(第三强度理论)
讨论:
1 3 s
在 — 应力平面内
1) 0 ; s 2) 0 ; s 3) 0 ; s 4) 0 ; s 5) 0 , 0 ; s 6) 0 , 0 ; s
在复杂应力状态下,材料发生哪种失效,还将取决于应力状 态。 例如,在三向压应力状态,即使是非常好的脆性材料,也 不会发生断裂失效。
第11章 材料失效及强度理论
11-1 常用工程材料的失效模式及强度理论概念 2)强度理论的概念 材料发生什么形式的失效?何时发生失效?失效时的应力, 即极限应力是多大?怎样建立失效判据?要解决这些问题,对于 单向应力状态情况是很容易的。那就是可以模拟实际的单向应力
第11章 材料失效及强度理论
11-1 常用工程材料的失效模式及强度理论概念 2)强度理论的概念 但是,材料失效是存在原因和规律的,在有限实验的基础 上,可以对材料失效的现象加以归纳、整理,对失效原因作一些 假说,即无论何种应力状态,也无论何种材料,只要失效模式相 同,便具有同一个失效原因。这样,就可以通过轴向拉伸这一简 单实验的结果,去预测材料在不同应力状态下的失效和建立材料 在一般应力状态下的失效判据。
关于材料失效原因与规律的假说或学说,称为强度理论。
强度理论必须经受实验与实践的检验。实际上,也正是在反 复实验与实践基础上,强度理论才得到发展并日趋完善。目前, 有许多种强度理论,本课只介绍工程中常用的几种强度理论。
第11章 材料失效及强度理论
11-2 关于断裂的强度理论
1)最大拉应力强度理论(第一强度理论)
第11章 材料失效及强度理论
11-1 常用工程材料的失效模式及强度理论概念 1)常用工程材料的失效模式
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ef = efu
1+ν (σ1 σ2 )2 + (σ2 σ3 )2 + (σ3 σ1)2 ef = 6E 1+ν 2 efu = σs 3E
[
]
所以
1 2 2 (σ1 σ2 ) + (σ2 σ3 ) + (σ3 σ1) = σs 2
[
]
第11章 材料失效及强度理论 章
11-3 关于屈服的强度理论 2)形变应变能强度理论(第四强度理论) )形变应变能强度理论(第四强度理论) 强度理论
ε1
失效判据:
ε1 = ε1u
ε1u = σb
E
1 ε1 = [σ1 ν (σ2 +σ3 )] E
σ1 ν (σ2 +σ3 ) = σb
实验证明:脆性材料在双向拉伸-压缩应力状态下,且压应 力值大于拉应力值时,该理论与实验结果大致吻合。最大拉应变 理论能很好解释大理石在轴向压缩时(试件与实验机夹板间摩擦 力较小条件下)沿轴向开裂的失效现象。
σr4 =
σr
表示。 表示。
σr1 = σ1 = σb
σr2 = σ1 ν (σ2 +σ3 ) = σb
σr3 = σ1 σ3 = σs
1 (σ1 σ2 )2 + (σ2 σ3)2 + (σ3 σ1)2 = σs 2
[
]
第11章 材料失效及强度理论 章
11-4 许用应力 强度条件 1)许用应力 ) 工程构件的强度达到极限状态(即发生强度失效) 工程构件的强度达到极限状态(即发生强度失效)的条件 是什么?怎样才能保证构件安全可靠的工作? 是什么?怎样才能保证构件安全可靠的工作? 以最大切应力理论为例, 以最大切应力理论为例,来回 答这个问题。 答这个问题。 现有材料相同的四个构件, 现有材料相同的四个构件,其 危险点应力状态如图所示。 危险点应力状态如图所示。 由于存在 强度分析的诸 多不确定因素, 多不确定因素, 那么, 那么,B 构件 比D 构建更安 全一些。 全一些。
第11章 材料失效及强度理论 章
11-1 常用工程材料的失效模式及强度理论概念 2)强度理论的概念 ) 材料发生什么形式的失效?何时发生失效?失效时的应力, 即极限应力 极限应力是多大?怎样建立失效判据?要解决这些问题,对于 极限应力 单向应力状态情况是很容易的。那就是可以模拟实际的单向应力 状态进行轴向拉伸试验。对于脆性材料,当 σ = σb 时,材料便 发生断裂失效,这就是失效判据,强度极限 σb 就是极限应力; 对于塑性材料,当 σ = σs 时,材料便发生屈服失效,这也是失 效判据,屈服点 σs 也是极限应力。 对于复杂应力状态情况,要回答上述问题就不那么容易了。 因为实际构件受力是多种多样的,其主应力间比值也因此而异。 如果也仅用实验的方法去建立失效判据,那么就需要对每一种材 料针对每一种主应力比值的应力状态进行实验,以确定每一种主 应力比值下失效时的主应力值,这显然是不现实的。
n 为安全系数 安全系数
2)强度条件 ) 四个强度理论的强度条件 强度条件: 四个强度理论的强度条件:
σr1 = σ1 ≤ [σ]
σr3 = σ1 σ3 ≤ [σ ]
σr2 = σ1 ν (σ2 +σ3 ) ≤ [σ ]
1 (σ1 σ2 )2 + (σ2 σ3)2 + (σ3 σ1)2 ≤ [σ ] 2
第11章 材料失效及强度理论 章
11-3 关于屈服的强度理论 2)形变应变能强度理论(第四强度理论) )形变应变能强度理论(第四强度理论) 强度理论 形变应变能理论把材料屈服失效的原因归结为形变应变能。 认为,无论材料处于何种应力状态,只要形变应变能达到材料单 向拉伸屈服时的极限形变应变能 efu,材料就发生屈服失效。 失效原因: e f 因为 失效判据:
第11章 材料失效及强度理论 章
11-1 常用工程材料的失效模式及强度理论概念 2)强度理论的概念 ) 但是,材料失效是存在原因和规律的,在有限实验的基础上, 可以对材料失效的现象加以归纳、整理,对失效原因作一些假说, 即无论何种应力状态,也无论何种材料,只要失效模式相同,便 具有同一个失效原因。这样,就可以通过轴向拉伸这一简单实验 的结果,去预测材料在不同应力状态下的失效和建立材料在一般 应力状态下的失效判据。 关于材料失效原因与规律的假说或学说,称为强度理论 强度理论。 强度理论 强度理论必须经受实验与实践的检验。实际上,也正是在反 复实验与实践基础上,强度理论才得到发展并日趋完善。目前, 有许多种强度理论,本课只介绍工程中常用的几种强度理论。
1 (σ1 σ2 )2 + (σ2 σ3 )2 + (σ3 σ1) = σs 2
讨论: 讨论:
[
]
若为平面应力状态时,假如 σ′、 ′′、σ ′′′ = 0)(三个主应力 σ ( 没有顺序关系)。这样,上式将变为
σ′2 σ′ ′′ +σ′′2 = σs σ
第11章 材料失效及强度理论 章
11-3 关于屈服的强度理论 2)形变应变能强度理论(第四强度理论) )形变应变能强度理论(第四强度理论) 强度理论 讨论: 讨论: 在
5 σ′ > 0 , ′′ < 0 ; ′ σ′′ = σs ) σ σ 6 σ′′ > 0 , ′ < 0 ; ′ σ′′ = σs ) σ σ
第11章 材料失效及强度理论 章
11-3 关于屈服的强度理论 1)最大切应力强度理论(第三强度理论) )最大切应力强度理论(第三强度理论) 强度理论 讨论: 讨论: σ1 σ3 = σs 在
1 σ′ > σ′′ > 0 ) 2 σ′′ > σ′ > 0 ) 3 σ′ < σ′′ < 0 ) 4 σ′′ < σ′ < 0 )
; ′ = σs σ σ ; ′′ = σs
σ′ —σ′′应力平面内
σ ; ′ = σs ; ′′ = σs σ
5 σ′ > 0 , ′′ < 0 ; ′ σ′′ = σs ) σ σ 6 σ′′ > 0 , ′ < 0 ; ′ σ′′ = σs 第三强度理论的屈服线 ) σ σ
第11章 材料失效及强度理论 章
11-4 许用应力 强度条件 1)许用应力 ) 为了有足够的强度储备,以保证构件能安全可靠地工作, 为了有足够的强度储备,以保证构件能安全可靠地工作, 将等比例缩小 n( n >1)倍,变为 倍

[σ ] =
σs
n
σr3 = σ1 σ3 =
σs
n
称为材料的许用应力 材料的许用应力
第11章 材料失效及强度理论 章
11-2 关于断裂的强度理论 1)最大拉应力强度理论(第一强度理论) )最大拉应力强度理论(第一强度理论) 强度理论 最大拉应力理论把材料脆断失效的原因归结为最大拉应力。认 为,无论材料处于何种应力状态,只要最大拉应力达到材料单向拉 伸脆断时的极限拉应力值(即强度极限) σ,材料就发生脆断失效。 1u 失效原因: 失效判据:
第11章 材料失效及强度理论 章
11-1 常用工程材料的失效模式及强度理论概念 1)常用工程材料的失效模式 ) 当材料发生断裂时,构件因解体而丧失承载能力; 当材料发生断裂时,构件因解体而丧失承载能力;当材料发 生屈服时,晶面间相对滑移, 生屈服时,晶面间相对滑移,构件要产生塑性变形而失去正常的 功能。这两种现象称为材料失效,屈服与断裂是材料的两种基本 功能。这两种现象称为材料失效,屈服与断裂是材料的两种基本 材料失效 是材料的两种 失效模式。 失效模式。 在简单应力状态(单向应力状态与纯切应力状态) 在简单应力状态(单向应力状态与纯切应力状态)下,材料 发生哪种失效,将取决于材料本身的力学性能。 发生哪种失效,将取决于材料本身的力学性能。即,脆性材料发 生脆性断裂失效;而塑性材料发生屈服失效。 生脆性断裂失效;而塑性材料发生屈服失效。 在复杂应力状态下,材料发生哪种失效, 在复杂应力状态下,材料发生哪种失效,还将取决于应力状 例如,在三向压应力状态,即使是非常好的脆性材料, 态。 例如,在三向压应力状态,即使是非常好的脆性材料,也 不会发生断裂失效。 不会发生断裂失效。
第11章 材料失效及强度理论 章
11-3 关于屈服的强度理论 1)最大切应力强度理论(第三强度理论) )最大切应力强度理论(第三强度理论) 强度理论 最大切应力理论把材料屈服失效的原因归结为最大切应力。 认为,无论材料处于何种应力状态,只要最大切应力达到材料单 向拉伸屈服时的极限最大切应力值 τu ,材料就发生屈服失效。 失效原因:
第11章 材料失效及强度理论 章
11-2 关于断裂的强度理论 2)最大拉应变强度理论(第二强度理论) )最大拉应变强度理论(第二强度理论) 强度理论 最大拉应变理论把材料脆断失效的原因归结为最大拉应变。 认为,无论材料处于何种应力状态,只要最大拉应变达到材料单 向拉伸脆断时的极限拉应变值 ε1u ,材料就发生脆断失效。 失效原因: 因为 所以
τmax
=τu
τ max
1 = (σ1 σ3 ) 2
失效判据: τ m ax 因为 所以
σ1 σ3 = σs
1 τu = σs 2
第11章 材料失效及强度理论 章
11-3 关于屈服的强度理论 1)最大切应力强度理论(第三强度理论) )最大切应力强度理论(第三强度理论) 强度理论 讨论: 讨论: σ1 σ3 = σs
σ1
σ1 = σ1u = σb

σ1 = σb
实验表明,脆性材料在二向或三向拉伸断裂时,该理论与实验 结果相当吻合。当存在压应力,若材料仍发生脆性拉断失效时,与 实验结果也接近;但若发生剪断时,该理论与实验结果不符合。 这一理论没有考虑 σ2 和 σ3 对材料失效的影响。此外,对 于没有拉应力的三向压应力状态,不能屈服线 τs = 0.577σs
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