材料力学第七章

材料力学Ⅰ电子教案
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第七章 应力状态和强度理论
在弹性力学中可以证明， 受力物体内一点处无论是什么 应力状态必定存在三个相互垂 直的主平面和相应的三个主应 力。对于一点处三个相互垂直 的主应力，根据惯例按它们的
代数值由大到小的次序记作1， 2，3。图b所示应力圆中标 出了1和2，而3=0。
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第七章 应力状态和强度理论
当三个主应力中有二个主应力不等于零时为平面应力状态； 平面应力状态下等于零的那个主应力如下图所示，可能是
1，也可能是2或3，这需要确定不等于零的两个主应力
的代数值后才能明确。
2 1
3 1
3 2
( 3 0)
26
( 2 0)
(1 0)
材料力学Ⅰ电子教案
第七章 应力状态和强度理论
第七章 应力状态和强度理论
E点纵座标
EF CE sin20 2
CD1 sin 20 cos 2 CD1 cos 20 sin 2
x
cos 2
x
2
y
sin
2
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第七章 应力状态和强度理论
讨论: 1. 表达图示各单元体 斜截面上应力随角变化的应
力圆是怎样的？这三个单元体所表示的都是平面应力状态 吗？
2 D1( , ) C
D2 ( , )
(a)
(b)
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材料力学Ⅰ电子教案
Ⅲ. 主应力与主平面
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第七章 应力状态和强度理论
由根据图a所示单元体上的 应力所作应力圆(图b)可见，圆 周上A1和A2两点的横座标分别 代表该单元体的垂直于xy平面 的那组截面上正应力中的最大 值和最小值，它们的作用面相 互垂直(由A1和A2两点所夹圆心 角为180˚可知)，且这两个截面 上均无切应力。
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材料力学Ⅰ电子教案
第七章 应力状态和强度理论
§7-2 平面应力状态的应力分析·主应力
平面应力状态是指，如果受力物体内一点处在众多不 同方位的单元体中存在一个特定方位的单元体，它的一对 平行平面上没有应力，而另外两对平行平面上都只有正应 力而无切应力这种应力状态。等直圆截面杆扭转时的纯剪 切应力状态就属于平面应力状态(参见§3-4的“Ⅱ.斜截面 上的应力”)。
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材料力学Ⅰ电子教案
第七章 应力状态和强度理论
本章将研究 Ⅰ. 平面应力状态下不同方位截面上的应 力和关于三向应力状态(空间应力状态) 的概念；Ⅱ. 平面 应力状态和三向应力状态下的应力－应变关系——广义胡克 定律(generalized Hooke’s law)，以及这类应力状态下的应变 能密度(strain energy density)；Ⅲ. 强度理论。
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材料力学Ⅰ电子教案 (a)
第七章 应力状态和强度理论
(b) (c)
对于图a所示受横力弯曲的梁，从其中A点处以包含与梁的横 截面重合的面在内的三对相互垂直的面取出的单元体如图b(立 体图)和图c(平面图)，本节中的分析结果将表明A点也处于平面 应力状态。
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第七章 应力状态和强度理论
64.6106 Pa 64.6 MPa
b
MC Iz
yb
80103 N m 88106 m4 0.15 m
136.4106 Pa 136.4 MPa
b 0
Hale Waihona Puke 34材料力学Ⅰ电子教案
第七章 应力状态和强度理论
4. 从危险截面上a点和b点处以包含与梁的横截面在内的三 对相互垂直的截面取出单元体，其x和y面上的应力如图f和h 中所示。据此绘出的应力圆如图g和i。
不一定就是1，2，所以应该把式中的1，2看作只是表
示主应力而已。
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第七章 应力状态和强度理论
例题7-2 简支的焊接钢板梁及其上的荷载如图a所示， 梁的横截面如图b和c。试利用应力圆求集中荷载位置C的左 侧横截面上a，b两点(图c)处的主应力。
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材料力学Ⅰ电子教案
第七章 应力状态和强度理论
第七章 应力状态和强度理论
需要注意的是，图中所示单元体顶,底面上的切应力y
按规定为负值，但在根据图d中的体元列出上述平衡方程
时已考虑了它的实际指向，故方程中的y仅指其值。也正 因为如此，此处切应力互等定理的形式应是x=y。
由以上两个平衡方程并利用切应力互等定理可得到以
2为参变量的求 斜截面上应力，的公式：
Fn 0， d A x d Acos sin x d Acos cos
y d Asin cos y d Asin sin 0
Ft 0， d A x d Acos sin x d Acos sin
y d Asin sin y d Asin cos 0
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材料力学Ⅰ电子教案
先将上述两个计算公式中的第一式内等号右边第一项 移至等号左边，再将两式各自平方然后相加即得：
x
x
2
y
2
2
x
2
y
2
2 x
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第七章 应力状态和强度理论
而这就是如图a所示的一个圆——应力圆，它表明代
表 斜截面上应力的点必落在应力圆的圆周上。
x
2
y
2
2 x
O
C
x y
2
(a)
第七章 应力状态和强度理论
E点横座标
OF OC CF OC CE cos20 2
OC CE cos20 cos2 CE sin 20 sin 2
OC CD1 cos20 cos2 CD1 sin 20 sin 2
x
y
2
x
y
2
cos2
x
sin 2
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x
y
2
x
y
2
cos 2
x sin 2
x
2
y
sin 2
x
cos 2
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材料力学Ⅰ电子教案
第七章 应力状态和强度理论
Ⅱ. 应力圆
为便于求得， ，也为了便于直观地了解平面应力
状态的一些特征，可使上述计算公式以图形即所称的应力 圆(莫尔圆)(Mohr’s circle for stresses)来表示。
FSC 200 kN MC 80 kN m
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第七章 应力状态和强度理论
2. 相关的截面几何性质为
Iz
120103 m 300103 12
m3
111103
m 270103 m 3 12
88106 m4
S
* za
120103
m 15103
m
135103
m 7.5103
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第七章 应力状态和强度理论
2. 对于图示各单元体，表示与纸面垂直的斜截面上
应力随 角变化的应力圆有什么特点？ =±45˚两个斜截 面上的,分别是多少？
σ
σ
σ
σ
二向等值拉伸
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二向等值压缩
纯剪切
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第七章 应力状态和强度理论
思考: 已知一点处两个不相垂直截面上的应力(图a)，如 图b所示为表达其与纸面垂直的一组斜截面上应力而作的 应力圆是否正确？理由是什么？
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第七章 应力状态和强度理论
利用应力圆求 斜截面(图a)上的应力，时，只
需将应力圆圆周上表示x截面上的应力的点D1所对应的半
径 C D1按方位角的转向转动2角，得到半径 C E ，那 么圆周上E点的座标便代表了单元体斜截面上的应力。
现证明如下(参照图b)：
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平面应力状态最一般的表现形式如图a所示，现先 分析与已知应力所在平面xy垂直的任意斜截面(图b)上的 应力。
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第七章 应力状态和强度理论
Ⅰ. 斜截面上的应力
图b中所示垂直于xy平面 的任意斜截面ef 以它的外法线
n与x轴的夹角 定义，且角
以自x 轴逆时针转至外法线n为 正；斜截面上图中所示的正应
2
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第七章 应力状态和强度理论
p cos 0 cos2
p
sin
0
2
sin 2
单向应力状态
3
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第七章 应力状态和强度理论
sin 2 cos 2
纯剪切应力状态
4
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第七章 应力状态和强度理论
研究杆件受力后各点处，特别是危险点处的应力状态可以：
现利用前面的图b所示应
力圆导出求不等于零的主应力
数值和主平面位置方位角0的
解析式，由于
1 O A1 O C C A1 2 O C C A1
其中， OC 为应力圆圆心的横座标， CA1 CD1 为应力 圆的半径。故得
1
x
2
y
1 2
x
y
2
4
2 x
2
x
y
2
1 2
x
y
2
4
2 x
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第七章 应力状态和强度理论
图a中所示的应力圆实际上可如图b所示作出，亦即使单元
体x截面上的应力x,x按某一比例尺定出点D1，依单元体y截面 上的应力y,y(取y = -x)定出点D2，然后连以直线，以它与
轴的交点C为圆心，并且以 CD1 或 CD2为半径作圆得出。
D1 x , x
力 和切应力均为正值，即 以拉应力为正，以使其所
作用的体元有顺时针转动趋势 者为正。
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体元的平衡方程为
第七章 应力状态和强度理论
由图c知，如果斜截面 ef的面积为dA，则体元左侧
面eb的面积为dA·cos，而 底面bf 的面积为dA·sin。
图d示出了作用于体元ebf 诸 面上的力。
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第七章 应力状态和强度理论
§7-1 概述 §7-2 平面应力状态的应力分析·主应力 §7-3 空间应力状态的概念 §7-4 应力与应变间的关系 §7-5 空间应力状态下的应变能密度 §7-6 强度理论及其相当应力 *§7-7 莫尔强度理论及其相当应力 §7-8 各种强度理论的应用
1
解：焊接钢板梁的腹板上在焊缝顶端(图b中点f )处， 弯曲应力和切应力都比较大，是校核强度时应加以考虑之 点；在实际计算中为了方便，常近似地以腹板上与翼缘交 界处的a点(图c)代替f点。正因为如此，本例题中要求的 也是a点处主应力。梁的自重不计。
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第七章 应力状态和强度理论
1. 此梁的剪力图和弯矩图如图d和e。危险截面为荷载 作用位置C的左侧横截面。
m
256106 m3
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3. 危险截面上a点和b点处的应力：
a
MC Iz
ya
80103 N m 88106 m4
0.135
m
122.7 106 Pa 122.7 MPa
a
FSC
S
* za
Izd
200103 N 256106 m3 88106 m4 9103 m
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第七章 应力状态和强度理论
tan
20
B1D1 C B1
x
1 2
x
y
或即
图c示出了主应力和主平面的方位。
2 0
arc
tan
x
2 x
y
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第七章 应力状态和强度理论
由于主应力是按其代数值排序记作1，2，3的，故
在一般情况下由上列解析式求得的两个不等于零的主应力
1. 了解材料发生破坏的力学上的原因，例如低碳钢拉伸 时的屈服(yield)现象是由于在切应力最大的45˚ 斜截面上材 料发生滑移所致；又如铸铁圆截面杆的扭转破坏是由于在45˚ 方向拉应力最大从而使材料发生断裂(fracture)所致。
2. 在不可能总是通过实验测定材料 极限应力的复杂应力状态下，如图所示, 应力状态分析是建立关于材料破坏规律 的假设(称为强度理论)(theory of strength, failure criterion)的基础。
O
C
D2 y , y
(b)
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第七章 应力状态和强度理论
D1 x , x
O
C
D2 y , y
(b)
值得注意的是，在应力圆圆周上代表单元体两个相互垂直的
x截面和y截面上应力的点D1和D2所夹圆心角为180˚，它是单
元体上相应两个面之间夹角的两倍，这反映了前述，计 算公式中以2 为参变量这个前提。
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第七章 应力状态和强度理论
§7-1 概述
在第二章和第三章中曾讲述过杆受拉压时和圆截面 杆受扭时杆件内一点处不同方位截面上的应力，并指出： 一点处不同方位截面上应力的集合(总体)称之为一点处 的应力状态。由于一点处任何方位截面上的应力均可根 据从该点处取出的微小正六面体── 单元体的三对相互 垂直面上的应力来确定，故受力物体内一点处的应力状 态(state of stress)可用一个单元体(element)及其上的应力 来表示。
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第七章 应力状态和强度理论
一点处切应力等于零的截面称 为主平面(principal plane)，主 平面上的正应力称为主应力 (principal stress)。据此可知， 应力圆圆周上点A1和A2所代表 的就是主应力；但除此之外， 图a所示单元体上平行于xy平面 的面上也是没有切应力的，所 以该截面也是主平面，只是其 上的主应力为零。