三向应力状态简介ppt课件
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§2.4 三向应力状态分析简介
章 称为该点的主坐标系。
应力
主坐标系中的三个轴称
应变 为主轴。分别记为 1、2、3
分析 及应
轴。
力应
变关
在主轴坐标系中切取的
系
单元体为主单元体。
讲
在主单元体上，应力的
义 表示最为简单，如图所示。
3 3
z
O y 1
x 1
2 2
3
BRY 静水应力状态
(1) 若三个主应力中，有两个主应力数值相等，即特征
材
x xy
xz
料 力
yx y yz 0 (2.23)
学 B
zx
zy z
第 此式为关于 的三次代数方程，其三个实数根按代数值大小
2 章
排列即为三个主应力 1 2 3 ，对应于每个主应力 i ( i
= 1, 2, 3 )，以下方程组确定了其主方向 [nxi , nyi , nzi ]T ( i = 1,
2
(2.27)
2 一种特殊的三向应力状态
章
工程实际中，构件的某点处于
应力 一种特殊的三向应力状态，即一个
应变 分析
主应力及相应主方向已知的情况，
及应 力应
如图所示。
变关 系
此时，可在与已知主应力方向垂直
的平面内，按平面应力状态的分析
y y y z
x
z
x
x
讲 方法求得该点的另两个主应力及相 义 应主方向。
对应于该点平行于主轴 1 的所有截面；由
S2
1
圆周上各点就
和 3 确定的
2 S3 圆周上各点就对应于该点平行于主轴 2 的所有截面。
章
(c) 该点与任一主轴不平行的斜截面的正应力和切应力
第九章应力状态(3,4,5)分解
s min
2 2
2 t x
解：
s 2 50MPa s 1 s 2 50MPa
s 3 50MPa
t max s1 s 3
2 50MPa
[例9-14]求图示应力状态的主应力和最大 剪应力（应力单位为MPa）。
s max
解：
s min
s x s y
§9-3 空间应力状态的概念
当一点处的三个主应力都不等于零时，称该点 处的应力状态为空间应力状态(三向应力状态)；钢 轨在轮轨触点处就处于空间应力状态(图a)。
空间应力状态最一 般的表现形式如图所 示；正应力sx、sy、sz 的下角标表示其作用 面，切应力txy、txz、tyx、 tyz、tzx、tzy的第一个下角标表示其作用面，第二个 下角标表示切应力的方向。
现在来导出一般空 间应力状态(图a)下的广 义胡克定律。因为在线 弹性,小变形条件下可以 应用叠加原理，故知x方 向的线应变与正应力之 间的关系为
s y sz 1 ex s x s y s z E E E E 同理有 1 1 e y s y s x s z ，e z s z s x s y E E sx
图中所示的正应力和切应力均为正的，即正应力以拉应 力为正。如果某作用面的外法线是沿着坐标轴的正向，则该 面上的切应力分量就以沿坐标轴正向时为正，相反，如果某 截面上的外法线是沿着坐标轴的负向，则该面上的切应力分 量就以沿坐标轴负向时为正。这样剪应力互等定理的表达式 就可不加负号了。
最一般表现形式的空间应力状态中有9个应力 分量，但根据切应力互等定理有txy＝tyx，tyz＝tzy ， txz＝tzx，因而独立的应力分量为6个，即sx、sy、sz、 tyx、tzy、tzx。
2 2
2 t x
解：
s 2 50MPa s 1 s 2 50MPa
s 3 50MPa
t max s1 s 3
2 50MPa
[例9-14]求图示应力状态的主应力和最大 剪应力（应力单位为MPa）。
s max
解：
s min
s x s y
§9-3 空间应力状态的概念
当一点处的三个主应力都不等于零时，称该点 处的应力状态为空间应力状态(三向应力状态)；钢 轨在轮轨触点处就处于空间应力状态(图a)。
空间应力状态最一 般的表现形式如图所 示；正应力sx、sy、sz 的下角标表示其作用 面，切应力txy、txz、tyx、 tyz、tzx、tzy的第一个下角标表示其作用面，第二个 下角标表示切应力的方向。
现在来导出一般空 间应力状态(图a)下的广 义胡克定律。因为在线 弹性,小变形条件下可以 应用叠加原理，故知x方 向的线应变与正应力之 间的关系为
s y sz 1 ex s x s y s z E E E E 同理有 1 1 e y s y s x s z ，e z s z s x s y E E sx
图中所示的正应力和切应力均为正的，即正应力以拉应 力为正。如果某作用面的外法线是沿着坐标轴的正向，则该 面上的切应力分量就以沿坐标轴正向时为正，相反，如果某 截面上的外法线是沿着坐标轴的负向，则该面上的切应力分 量就以沿坐标轴负向时为正。这样剪应力互等定理的表达式 就可不加负号了。
最一般表现形式的空间应力状态中有9个应力 分量，但根据切应力互等定理有txy＝tyx，tyz＝tzy ， txz＝tzx，因而独立的应力分量为6个，即sx、sy、sz、 tyx、tzy、tzx。
三向应力状态简介
动力应力状态
动力应力状态是指岩体在受 到周期性或非周期性的外力 作用时，其内部应力不断发
生变化的状态。
动力应力状态通常由地震、 车辆振动、机器振动等动态 因素引起，其特点是各向应 力随时间变化，岩体可能发
生动态变形或破坏。
在动力应力状态下，岩体内 部应力的分布和大小均随时 间变化，需要采取相应的减 震、隔震措施以减小岩体的 动态响应。
发展多尺度、跨层次的理论模型
结合微观、细观和宏观尺度，研究三向应力状态下材料在不同尺度上的响应和演化规律。
探索复杂环境因素对三向应力状态的影响
考虑温度、湿度、化学环境等复杂因素，建立更为真实的理论模型，以模拟实际工程中 的复杂应力状态。
实验技术的发展
开发高精度、高分辨率的实验测试技术
发展新型传感器和测量方法，提高对三向应力状态的测量精度和可靠性。
03 三向应力状态的影响因素
地质构造
地质构造是影响三向应力状态的重要 因素之一。地壳中的板块运动、断层 活动、褶皱等地质构造过程会导致岩 层中应力的变化，从而影响三向应力 状态。
不同地区的地质构造特征不同，因此 三向应力状态也会存在差异。例如， 在板块边界、断裂带等地区，岩层中 的应力通常较高，而在盆地、平原等 地区则较低。
03
在地下工程中，三向应力状态可用于分析隧道、地下洞室等结构的稳定性，预 测结构变形和破坏的可能性。
石油工程
石油工程是研究石油和天然气的勘探 、开发和生产的科学，三向应力状态 在石油工程中具有重要应用。在石油 工程中，三向应力状态是指地层中的 岩石在三个方向的应力作用下处于平 衡状态。
在石油工程中，三向应力状态可用于 分析地层的稳定性、预测地层破裂的 可能性以及评估地层压力。例如，在 钻井工程中，三向应力状态可用于分 析井壁的稳定性，预测井壁坍塌的可 能性。
三向应力状态
2
2
min
例7-1 试求中所示单元体的主应力和最大剪应力。 （1）求主应力
x 10MPa, y 30MPa, x 20MPa max x + y x - y 2 + x 2 2 min
10 + 30 10 - 30 + 202 2 2 + 42.4MPa（ 拉 应 力 ） - 2.4MPa（ 压 应 力 ）
2 2
a 0对应 max
x + y
2
a 0 + 90 对应 min
x + y
2
三、最大和最小剪应力
d a 0 da
2
x - y
2
cos 2a - 2 xy sin 2a 0
x - y tg 2a 2 xy
max
x - y 2 + + xy 2 x - y 2 - 2 + xy
3
a 0 12143'
3
（2）求最大剪应力
1 42.4 2 0 MPa - 2.4 3
1
(a)
max
1 - 3
2
22 .4 MPa
3、 纯剪切应力状态
- 2 x tg 2a 0 - x - y
a0 135
五、不等于零的情况。
二向应力状态：三对主应力中有两对主应力不等
于零的情况。
三向应力状态：三对主应力皆不等于零的情况。
7-2 平面应力状态分析—解析法
一、斜截面上的应力
已知：单元体 x，y，xyyx， a 研究与z轴平行的任一斜截面c e上的应力。 符号规则： q 角：从x轴正方向反时针转至斜截面的 外法线方向为正，反之为负。 正应力：拉为正，压为负。 剪应力：使微元体或其局部产生顺时针方 向转动趋势者为正，反之为负。
2
min
例7-1 试求中所示单元体的主应力和最大剪应力。 （1）求主应力
x 10MPa, y 30MPa, x 20MPa max x + y x - y 2 + x 2 2 min
10 + 30 10 - 30 + 202 2 2 + 42.4MPa（ 拉 应 力 ） - 2.4MPa（ 压 应 力 ）
2 2
a 0对应 max
x + y
2
a 0 + 90 对应 min
x + y
2
三、最大和最小剪应力
d a 0 da
2
x - y
2
cos 2a - 2 xy sin 2a 0
x - y tg 2a 2 xy
max
x - y 2 + + xy 2 x - y 2 - 2 + xy
3
a 0 12143'
3
（2）求最大剪应力
1 42.4 2 0 MPa - 2.4 3
1
(a)
max
1 - 3
2
22 .4 MPa
3、 纯剪切应力状态
- 2 x tg 2a 0 - x - y
a0 135
五、不等于零的情况。
二向应力状态：三对主应力中有两对主应力不等
于零的情况。
三向应力状态：三对主应力皆不等于零的情况。
7-2 平面应力状态分析—解析法
一、斜截面上的应力
已知：单元体 x，y，xyyx， a 研究与z轴平行的任一斜截面c e上的应力。 符号规则： q 角：从x轴正方向反时针转至斜截面的 外法线方向为正，反之为负。 正应力：拉为正，压为负。 剪应力：使微元体或其局部产生顺时针方 向转动趋势者为正，反之为负。
第十章-三向应力状态简介(材料力学课件)
应力与许用拉应力之比 [ ] 0.5 [ ]
• 用第四强度理论可得出：塑性材料的许用剪
应力与许用拉应力之比 [ ] 0.577 [ ]
例：填空题。
石料在单向压缩时会沿压力作用方向的纵 截面裂开，这与第 二 强度理论的论述基本 一致。
例：填空题。
一球体在外表面受均布压力p = 1 MPa 作用，则在球心处的主应力 1 = －1 MPa， 2 = －1 MPa， 3 = －1 MPa。
1.最大拉应力理论（第一强度理论） • 它假定：无论材料内各点的应力状态如何，
只要有一点的主应力σ1 达到单向拉伸断裂时 的极限应力σu，材料即破坏。
• 在单向拉伸时，极限应力 σu =σb
• 失效条件可写为 σ1 ≥ σb
[ ] b
n
• 第一强度强度条件： 1 [ ]
试验证明，这一理论与铸铁、岩石、砼、 陶瓷、玻璃等脆性材料的拉断试验结果相符， 这些材料在轴向拉伸时的断裂破坏发生于拉应 力最大的横截面上。脆性材料的扭转破坏，也 是沿拉应力最大的斜面发生断裂，这些都与最 大拉应力理论相符，但这个理论没有考虑其它 两个主应力的影响。
V 2EA Al 2E 2
CL10TU40
变形比能：
u 1
2
u
1 2
1
1
1 2
2
2
1
2
3
3
2
1 3
变形比能：
u
1 2
1
1
1
2
2
2
1
2
3
3
• 用第四强度理论可得出：塑性材料的许用剪
应力与许用拉应力之比 [ ] 0.577 [ ]
例：填空题。
石料在单向压缩时会沿压力作用方向的纵 截面裂开，这与第 二 强度理论的论述基本 一致。
例：填空题。
一球体在外表面受均布压力p = 1 MPa 作用，则在球心处的主应力 1 = －1 MPa， 2 = －1 MPa， 3 = －1 MPa。
1.最大拉应力理论（第一强度理论） • 它假定：无论材料内各点的应力状态如何，
只要有一点的主应力σ1 达到单向拉伸断裂时 的极限应力σu，材料即破坏。
• 在单向拉伸时，极限应力 σu =σb
• 失效条件可写为 σ1 ≥ σb
[ ] b
n
• 第一强度强度条件： 1 [ ]
试验证明，这一理论与铸铁、岩石、砼、 陶瓷、玻璃等脆性材料的拉断试验结果相符， 这些材料在轴向拉伸时的断裂破坏发生于拉应 力最大的横截面上。脆性材料的扭转破坏，也 是沿拉应力最大的斜面发生断裂，这些都与最 大拉应力理论相符，但这个理论没有考虑其它 两个主应力的影响。
V 2EA Al 2E 2
CL10TU40
变形比能：
u 1
2
u
1 2
1
1
1 2
2
2
1
2
3
3
2
1 3
变形比能：
u
1 2
1
1
1
2
2
2
1
2
3
3
第八章2应力应变状态分析ppt课件
y
面的法线 应力圆的半径
Ox
t n D( s , t
2
C
x
两面夹角 两半径夹角2 ；
A(sx ,txy) s
且转向一致。
O
B(sy ,tyx)
四、在应力圆上标出极值应力
t
t max
x
21
A(sx ,txy)
OC
s3 s2
20 s1 s
B(sy ,tyx)
t m in
s s
1 3
OCR半径
s
x
s
2
y
s
x
s
2
y
s
in2
t
xy
c
os2
Ox
sx
y
sy
s
ttxy
Ox
对上述方程消去参数（2），得：
n s
s
x
s
2
y
2
t 2
s
x
s
2
y
2
t
2 xy
此方程曲线为圆—应力圆（或莫尔圆，
t 由德国工程师：Otto Mohr引入）
sy
n 二、应力圆的画法
s
sx
t txy
y
Ox
t n D( s , t
2
低碳钢:s s 240 MPa;t s 200 MPa
低碳钢
灰口铸铁:s Lb 98~280MPa s yb640~960MPa;tb198~300MPa
铸铁
§9–3 平面应力状态分析——图解法
sy
一、应力圆（ Stress Circle）
sx
s
s
x
s
2
第九章三向应力状态(6,7,8)
1 2 2 2 1 2 2 3 3 1 2 这个理论比第三强度理论更符合已有的一些 平面应力状态下的试验结果，但在工程实践中多 半采用计算较为简便的第三强度理论。
(5) 强度理论的相当应力
上述四个强度理论所建立的强度条件可统一写 作如下形式：
影响材料的脆性和塑性的因素很多，例如低温能提 高脆性，高温一般能提高塑性； 在高速动载荷作用下 脆性提高，在低速静载荷作用下保持塑性。 无论是塑性材料或脆性材料：
在三向拉应力接近相等的情况下，都以断裂的形式破坏， 所以应采用最大拉应力理论；
在三向压应力接近相等的情况下，都可以引起塑性变形， 所以应该采用第三或第四强度理论。
于是，第四强度理论的屈服判据为 vd vdu
1 vd ( 1 2 ) 2 ( 2 3 ) 2 ( 3 1 ) 2 6E
对于由单轴拉伸试验可测定屈服极限s的材料，注 意到试验中1＝ s， 2＝3＝0，而相应的形状改 变能密度的极限值为 1 vdu 2 s2 6E 故屈服判据可写为
1 1 E 1 （ 2 3） 1 2 （ 3 1） 2 E 3 1 3 （ 1 2） E
1 2 2 2 v 1 2 3 2 ( 1 2 2 3 3 1 ) 2E
1 1 2 2 2 1 2 2 3 3 1 2 s2 62 1 2 2 3 3 1 s 2 此式中，1、2、3是构成危险点处的三个主应力， 相应的强度条件则为
§9-7 强度理论及其相当应力
一、强度理论的概念
(5) 强度理论的相当应力
上述四个强度理论所建立的强度条件可统一写 作如下形式：
影响材料的脆性和塑性的因素很多，例如低温能提 高脆性，高温一般能提高塑性； 在高速动载荷作用下 脆性提高，在低速静载荷作用下保持塑性。 无论是塑性材料或脆性材料：
在三向拉应力接近相等的情况下，都以断裂的形式破坏， 所以应采用最大拉应力理论；
在三向压应力接近相等的情况下，都可以引起塑性变形， 所以应该采用第三或第四强度理论。
于是，第四强度理论的屈服判据为 vd vdu
1 vd ( 1 2 ) 2 ( 2 3 ) 2 ( 3 1 ) 2 6E
对于由单轴拉伸试验可测定屈服极限s的材料，注 意到试验中1＝ s， 2＝3＝0，而相应的形状改 变能密度的极限值为 1 vdu 2 s2 6E 故屈服判据可写为
1 1 E 1 （ 2 3） 1 2 （ 3 1） 2 E 3 1 3 （ 1 2） E
1 2 2 2 v 1 2 3 2 ( 1 2 2 3 3 1 ) 2E
1 1 2 2 2 1 2 2 3 3 1 2 s2 62 1 2 2 3 3 1 s 2 此式中，1、2、3是构成危险点处的三个主应力， 相应的强度条件则为
§9-7 强度理论及其相当应力
一、强度理论的概念
三向应力
z
s z s 30 s 120 ) （
我们应该把X，Y，Z理解 成任意三个垂直的方向
特例（主单元体）
s
2
s3
s1
s
2
s1
1 2 3
1 E 1 E 1 E (s 1 s 2 ) (s s 1 )
s1
1 2 3
1 E 1 E 1 E (s 1 0 )
xy
2 xy
x y
例： 已知一点在某一平面内的 1、 2、 3、方向上的应变 1、
2、 3，三个线应变，求该面内的主应变。
解：由
x cos i y sin i
2 2
i
xy
sin i cos i
i =1,2,3这三个方程求出 x， y， x y；然后在求主应变。
2
co s 2
xy
2
sin 2
x y
2
sin 2
y
xy
2
co s 2
2 s x s t
2
s
s x s
s x s
2
y
cos 2 t xy sin 2
y
sin 2 t xy cos 2
二、应变分析图解法——应变圆（ Strain Circle）
1） x1 方 向 的 线 应 变 ； .沿 2）x1 y 1角 的 剪 应 变 。 .
dx
f ( x , y , z , xy , ) g ( x , y , z , xy , )
y1
y
x1
dy
三向应力状态简介
变形比能： 1 u 2
2
1 1 1 u 1 1 2 2 3 3 2 2 2
1 3
变形比能： 1 1 1 u 1 1 2 2 3 3 2 2 2
1 2 2 1 2 2 3 2 ( 1 2 2 3 3 1 ) 2E 1
例：求图示应力状态的主应力和最大剪应力
（应力单位为MPa）。
解： 1 50MPa
2 50MPa 3 50MPa max 1 3
2 50MPa
CL10TU33
例：求图示应力状态的主应力和最大剪应力
（应力单位为MPa）。
CL10TU34
解：
120 40 2 2
3(1 2 ) 2 1 2 2 m ( 1 2 3 ) uv 2E 6E
u f u uv
12 2 2 2 m ( 1 2 ) ( 2 3 ) ( 3 1 ) 6E
m
1 2 3
3
3 ( 1 2 ) 1 2 3 m 变形比能 = 体积改变比能 + 形状改变比能 E 3 K u = u + u
v
f CL10TU41
1 2 2 u 1 2 2 3 2 ( 1 2 2 3 3 1 ) 2E
1 式中：
E 1 体积弹性模量 K 3 (12 2 ) 2 （ 3 1 ） E 1 2 3 m 1 3 3 （ 1 2 ） 3 E 当 05 . 时， 0
2
3 1
1 3
三向应力状态简介4广义胡克定律5
为什么脆性材料扭转时沿45º 螺旋面断开？
三、应力状态的研究方法
取单元体 1、单元体特征 单元体的尺寸无限小，
2
1 3 2
3 1
每个面上应力均匀分布
任意一对平行平面上的应力相等 2、主单元体 各侧面上切应力均为零的单元体
3、主平面 4、主应力 说明:
切应力为零的截面 主平面上的正应力
重要结论：
(1) 同一面上不同点的应力各不相同;
(2) 同一点不同方向面上的应力也是各不相同
一点的应力状态
过一点不同方位面上应力的总和，称为这一点的应力 状态。
二、研究应力状态的目的
1. 解决复杂应力状态下的强度计算问题 2. 有助于理解和解释某些破坏现象 例如
为什么塑性材料拉伸时会出现滑移线？
(2)当x<y 时 ， 0 是x与min之间的夹角
3. 最大切应力
令
x y
2 x y 2
x y
2
cos 2 x sin 2
sin 2 x cos 2
x y d 2[ cos 2 x sin 2 ] 0 d 2
F
t
0
dA ( x dAcos )cos
( x dA cos )sin ( y dA sin )sin ( y dA sin )cos 0
化简以上两个平衡方程最后得
x y
2 x y 2
x y
2
cos 2 x sin 2
sin 2 x cos 2
不难看出
90 x y
即两相互垂直面上的正应力之和保持一个常数
三、应力状态的研究方法
取单元体 1、单元体特征 单元体的尺寸无限小，
2
1 3 2
3 1
每个面上应力均匀分布
任意一对平行平面上的应力相等 2、主单元体 各侧面上切应力均为零的单元体
3、主平面 4、主应力 说明:
切应力为零的截面 主平面上的正应力
重要结论：
(1) 同一面上不同点的应力各不相同;
(2) 同一点不同方向面上的应力也是各不相同
一点的应力状态
过一点不同方位面上应力的总和，称为这一点的应力 状态。
二、研究应力状态的目的
1. 解决复杂应力状态下的强度计算问题 2. 有助于理解和解释某些破坏现象 例如
为什么塑性材料拉伸时会出现滑移线？
(2)当x<y 时 ， 0 是x与min之间的夹角
3. 最大切应力
令
x y
2 x y 2
x y
2
cos 2 x sin 2
sin 2 x cos 2
x y d 2[ cos 2 x sin 2 ] 0 d 2
F
t
0
dA ( x dAcos )cos
( x dA cos )sin ( y dA sin )sin ( y dA sin )cos 0
化简以上两个平衡方程最后得
x y
2 x y 2
x y
2
cos 2 x sin 2
sin 2 x cos 2
不难看出
90 x y
即两相互垂直面上的正应力之和保持一个常数
第九章应力状态(3,4,5)
E
广义虎克定律： 3. 广义虎克定律：
σ2
σ1 σ3
当 个 应 同 作 时 三 主 力 时 用 ：
1 ε1 = [σ1 − µ（ 2 + σ 3）] σ E 1 另两个方向 ε2 = [σ2 − µ（ 3 +σ1 ] σ ） E 1 ] ε3 = [σ3 − µ（ 1 +σ2） σ E
CL10TU30
一.斜方向的应变 设 件 一 处 应 构 内 点 的 ε ε γ 变 x、 y和 xy皆 已 为 知 。 求 α和 α 量 现 ε γ
伸长的线应变和使直 角减小的剪应变规定 为正。 为正。
α
CL10TU27
1. 斜方向应力
σ x +σ y σ x −σ y σ α α + cos 2 −τ x sin 2 α= 2 2 σ −σ y τα = x sin 2 +τ x cos 2 α α 2 1 1 π π σ π = (σx +σ y ) + (σx −σ y ) cos 2(α + ) −τ x sin 2(α + ) α+ 2 2 2 2 2
σ2 σ 3
σ1 σ3 σ 2 σ1
τ
σ3
σ2
σ σ1
这样， 这样，单元体上与主应力之一平行的各个 斜截面上的正应力和剪应力， 斜截面上的正应力和剪应力，可由三个应力圆 圆周上各点的坐标来表示。 圆周上各点的坐标来表示。
τ
σ3
σ2
σ1
σ
至于与三个主方向都不平行的任意斜截面， 至于与三个主方向都不平行的任意斜截面， 弹性力学中已证明，其应力σ 弹性力学中已证明，其应力 n和τn可由图中阴 影面内某点的坐标来表示。 影面内某点的坐标来表示。
广义虎克定律： 3. 广义虎克定律：
σ2
σ1 σ3
当 个 应 同 作 时 三 主 力 时 用 ：
1 ε1 = [σ1 − µ（ 2 + σ 3）] σ E 1 另两个方向 ε2 = [σ2 − µ（ 3 +σ1 ] σ ） E 1 ] ε3 = [σ3 − µ（ 1 +σ2） σ E
CL10TU30
一.斜方向的应变 设 件 一 处 应 构 内 点 的 ε ε γ 变 x、 y和 xy皆 已 为 知 。 求 α和 α 量 现 ε γ
伸长的线应变和使直 角减小的剪应变规定 为正。 为正。
α
CL10TU27
1. 斜方向应力
σ x +σ y σ x −σ y σ α α + cos 2 −τ x sin 2 α= 2 2 σ −σ y τα = x sin 2 +τ x cos 2 α α 2 1 1 π π σ π = (σx +σ y ) + (σx −σ y ) cos 2(α + ) −τ x sin 2(α + ) α+ 2 2 2 2 2
σ2 σ 3
σ1 σ3 σ 2 σ1
τ
σ3
σ2
σ σ1
这样， 这样，单元体上与主应力之一平行的各个 斜截面上的正应力和剪应力， 斜截面上的正应力和剪应力，可由三个应力圆 圆周上各点的坐标来表示。 圆周上各点的坐标来表示。
τ
σ3
σ2
σ1
σ
至于与三个主方向都不平行的任意斜截面， 至于与三个主方向都不平行的任意斜截面， 弹性力学中已证明，其应力σ 弹性力学中已证明，其应力 n和τn可由图中阴 影面内某点的坐标来表示。 影面内某点的坐标来表示。
连续介质力学第三章(分析“应力”文档)共110张PPT
一点的应变状态可用二阶张量的形式来表示，称为 应变张量，用表示，即：
x xy xz
ij
y
yz
=
(对称)
z
x
1 2
xy
y
(对称 )
u
x
1 2
u y
v x
1 2
u z
w x
=
v y
1 2
v z
w y
(对称)
w
z
1
2 1
2
xz yz
z
◆ 几何方程：
x
u x
；
y
v y
性体变，从而出现奇异屈服面。
⑩.平衡（或运动）微分方程
◆ 平衡微分方程：
x
x
yx
y
zx
z
F
x 0
2u t2
xy
x
y
y
zy
z
F
y
0
2v t2
xz
x
yz
y
z
z
F
z 0
2w t2
ij'j Fi 0
◆ 一个客观的弹性力学问题，在物体体内任意一点的 应力分量和体力分量必定满足这组方程。
xxyssii n n xyycco o s sq q00sci on s xy
(xyq0)ctg (xyq0) tg
yxtan
左边界：据圣文南原理和平衡的原理得：
Fx 0 , Fy 0 , M0 0 ,
h
hxdy 0
h
hxydy P0
h
h x ydy M 0
h xdy 0
理论上可证明：当一点的应力状态确定时，经推导 必可求出三个实根，即为主应力，且主应力彼此正交。
x xy xz
ij
y
yz
=
(对称)
z
x
1 2
xy
y
(对称 )
u
x
1 2
u y
v x
1 2
u z
w x
=
v y
1 2
v z
w y
(对称)
w
z
1
2 1
2
xz yz
z
◆ 几何方程：
x
u x
；
y
v y
性体变，从而出现奇异屈服面。
⑩.平衡（或运动）微分方程
◆ 平衡微分方程：
x
x
yx
y
zx
z
F
x 0
2u t2
xy
x
y
y
zy
z
F
y
0
2v t2
xz
x
yz
y
z
z
F
z 0
2w t2
ij'j Fi 0
◆ 一个客观的弹性力学问题，在物体体内任意一点的 应力分量和体力分量必定满足这组方程。
xxyssii n n xyycco o s sq q00sci on s xy
(xyq0)ctg (xyq0) tg
yxtan
左边界：据圣文南原理和平衡的原理得：
Fx 0 , Fy 0 , M0 0 ,
h
hxdy 0
h
hxydy P0
h
h x ydy M 0
h xdy 0
理论上可证明：当一点的应力状态确定时，经推导 必可求出三个实根，即为主应力，且主应力彼此正交。
三向应力
2
x y
2
x y
2
s in 2
xy
c o s 2
2
x y
2
s in 2
至此，完成了应变规律的研究，即：
2
c o s 2
xy
s in 2
(A) (B)
2
x y
2
xy
c o s 2
2
2
x y
2
x y
*
*
xy
sin
2
显 然 ， ( )即 为 直 角 x 1 y 1角 度 改 变 ， 而 这 一 角 度 改 变 也 就 是 剪 应 变 。 所 以
*
2 ( x y ) c o s s in
xy
s in
2
将上式略作改变便可以写为
1 2 3
y
(s 1 s 3 )
3
30
E
s 3
(s
2
s 1 )
30
1 E
s 30 s 120 s z ) （
30
x
120
1 E
1 E
s 120 s 30 s z ) （
z
微分线段的线应变为
d (l ) ds
xy
d x s in
x d x co s
ds
y d y sin
应力状态图和应变状态图
3
2
1 约定： 1 2 3
应力状态图和应变状态图
一、应力状态图
主应力表示的应力状态
可能的主应力状态
6.在各种受力情况下，可能的主应力状态图共有九种：
一种零应力状态、二种线性应力状态、三种平面应力状态、四种立
体应力状态。
应力状态图和应变状态图
二、塑性变形体积不变定律
1.定律的应用：它可以应用于计算毛料尺寸，也可以用于塑性理论的各种计算，并用来判断应变状态。
z
z
zx zy
xz yz
x x
xy
yx
y y
应力状态图和应变状态图
一、应力状态图
3.主平面:只有正应力而无剪应 力存在的坐标面称为主平面。
4.点的主应力状态图:是表示所 研究的点，在各主轴方向上，有无主 应力及其主应力性质的定性图形。
5.主应力性质:是指拉或压应力， 通常规定，拉应力为正，其箭头向外； 压应力为负，其箭头指向内。
主应变状态图
2.根据塑性变形体积不变定律方程可得如下结论
（1）主应变状态图只存在三种形式。
（2）无论何种应变状态，总有一个主应变的符号与其他两个主应变
的符号相反，且其绝对值最大。
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应力状态图和应变状态图
1
应力状态图
2
塑性变形体积不变定律
3
最小阻力定律
4
应变状态图
应力状态图和应变状态图
一、应力状态图
1.点的应力状态:是指物体内的 任意一个质点附近不同方位上所承受 的应力情况。
（实心截面）
T
Ip
应力状态图和应变状态图
一、应力状态图
2.应力状态图:在立方体的三个 互相垂直的截面上，用箭头定性地表 示有无应力及应力方向的图形，称为 应力状态图。
第八章3应力应变状态分析ppt课件
t x -60MPa, = 30
x
+x 2
+ 2
y+y
+x
-
2
x
y-2cosy2co-st2x si-n
t2x
sin
2
11020M2MPaPa
tt
x
- xy
2
-sin2y
2
+stinx
c2os 2+
t
2x2c.0oMsP2a
22.0MPa
max min
max
min
x
x++
y
y
22
x -x
x - 2t x
y
1、 1 + 90, 它们确定两个互相垂直的
平面，分别作用着最大和最小剪应力
t max
t min
x
-
2
y
2
+
t
2 x
由：
tan 2 0
-
2t x x -
y
tan 2 1
x - 2t x
y
tan 2 1
-1
tan 2 0
-ctg 2 0
2 1 2 0 + 90 即 1 0 + 45
Ft 0
x
t
t xy A
t yx
y
法向的平衡
A
Fn 0
A cos
A sin
A
-
( A cos) cos
x
+t
x
xy(
A
cos) sin
+tyx ( A sin) cos
t xy
- ( A sin) sin 0
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3 50MPa
max
1 3
2
50MPa
CL10TU33
例：求图示应力状态的主应力和最大剪应力 （应力单位为MPa）。
CL10TU34
解：
1 120 40
2
2
120 40 2 2
302
130 MPa
30
3 30MPa
max
1 3
2
80MPa
§10-5 广义胡克定律
u 1 2E
2 1
2 2
2 3
2( 1 2 2 3 3 1)
uv
3(1 2)
2E
2 m
1 2
6E
(
1
2
3)2
u f u uv
1 62E
( 1
1
2 )2
( m
2 m
3)2
(
3 1)2 1
m
3
m
3 m
§10-7 强度理论的概念
max [ ] max [ ]
3
2
1
至于与三个主方向都不平行的任意斜截面， 弹性力学中已证明，其应力σn和τn可由图中阴 影面内某点的坐标来表示。
3
2
1
• 在三向应力状态情况下：
2
max 1
min 3
1
max
1
3
2
3
• τmax 作用在与σ2平行且与σ1和σ3的方向成45°
角的平面上，以τ1，3表示
CL10TU31
3
1 E
3 （ 1 2 ）
对于二向应力状态：
1
1 E
( 1
2)
2
1 E
( 2
1 )
3 E ( 1 2 )
2 1
CL10TU30
下面考虑体积变化：
V0 a b c
V1 a(1 1) b(1 2 ) c(1 3 ) 2 a b c (1 1 2 3 )
3
1
1 1
3 2
3
2
3
2
1
同理，在平行于 σ2 的各个斜截面上，其 应力对应于由主应力 σ1 和 σ3 所画的应力圆圆 周上各点的坐标。
2
3
1
1
3 2
3
2
1
在平行于 σ1 的各个斜截面上，其应力对应 于由主应力 σ2 和 σ3 所画的应力圆圆周上各点 的坐标。
2
3
1
1
3 2
3
2
1
这样，单元体上与主应力之一平行的各个 斜截面上的正应力和剪应力，可由三个应力圆 圆周上各点的坐标来表示。
2.最大伸长线应变理论（第二强度理论）
• 它假定，无论材料内各点的应变状态如何， 只要有一点的最大伸长线应变ε1达到单向拉 伸断裂时应变的极限值 εu，材料即破坏。
• 所以发生脆性断裂的条件是 ε1 ≥ εu • 若材料直到脆性断裂都是在线弹性范围内工
作，则
1
1 E
1 （ 2 3 ）
,
u
u
E
b
E
• 由此导出失效条件的应力表达式为：
1 ( 2 3 ) b
[ ] b
n • 第二强度条件： 1 ( 2 3 ) [ ]
煤、石料或砼等材料在轴向压缩试验时，如 端部无摩擦，试件将沿垂直于压力的方向发生 断裂，这一方向就是最大伸长线应变的方向， 这与第二强度理论的结果相近。
CL10TU50
二、关于屈服的强度理论
• 1.最大剪应力理论（第三强度理论）
• 它假定，无论材料内各点的应力状态如何， 只要有一点的最大剪应力τmax达到单向拉伸 屈服剪应力τS时，材料就在该处出现明显塑 性变形或屈服。
单位体积的体积改变为:
V1 V0 V0
1 2 3
b 1
3
c
a
也称为体积应变。
CL10TU30
1
2
3
1 2
E
( 1
2
3)
3(1 2) 1 2 3 m
式当中Km：03.(51E213时1E2，EEE1113)2
1
3
（
2
K 3
）
体2 积 弹（性模3量 1）
3
3 （ 1 2 ）
纵向应变：
E
横向应变：
E
CL10TU35
下面计算沿 1方向的应变：
1引起的应变为
1
1
E
2
2 、 3引起的应变为
1
2
E
1
3
E
1 3
当三个主应力同时作用时：
1
1 E
1 （ 2 3）
CL10TU30
广义胡克定律：
Hale Waihona Puke 1 E1（
2
）
3
2
1 E
2
（
3
）
1
例：求图示应力状态的主应力和最大剪应力 （应力单位为MPa）。
CL10TU32
解：
1 30 20
3
2
30
2
20
2
402
52.2
MPa
42.2
2 50MPa
max
1
3
2
47.2MPa
例：求图示应力状态的主应力和最大剪应力 （应力单位为MPa）。
解： 1 50MPa
2 50MPa
流动破坏 材料破坏的形式主要有两类：
断裂破坏
§10-8 常用的四种强度理论
材料破坏的基本形式有两种：流动、断裂 相应地，强度理论也可分为两类：
一类是关于脆性断裂的强度理论； 另一类是关于塑性屈服的强度理论。 一、关于脆断的强度理论
1.最大拉应力理论（第一强度理论） • 它假定：无论材料内各点的应力状态如何，
只要有一点的主应力σ1 达到单向拉伸断裂时 的极限应力σu，材料即破坏。
• 在单向拉伸时，极限应力 σu =σb
• 失效条件可写为 σ1 ≥ σb
[ ] b
n
• 第一强度强度条件： 1 [ ]
试验证明，这一理论与铸铁、岩石、砼、 陶瓷、玻璃等脆性材料的拉断试验结果相符， 这些材料在轴向拉伸时的断裂破坏发生于拉应 力最大的横截面上。脆性材料的扭转破坏，也 是沿拉应力最大的斜面发生断裂，这些都与最 大拉应力理论相符，但这个理论没有考虑其它 两个主应力的影响。
1 2E
121
122 E
2 3
2( 1
1 （ 2
2 2 3
3）
3 1)
2
1 E
2
（
3
）
1
3
1 E
3 （ 1 2 ）
2 1
m m
2 m 1 m
3
m
3 m
m
1
2
3
3
变形3比(1能 =2体)积改1变比能2 +形状3 改 变比m 能
u E= uv 3 +
uK f CL10TU41
0
§10-6 复杂应力状态下的变形比能
P
拉压变形能：
U 1 P l 1 P P l P2l
2
2 EA 2EA
变形比能：
P
l l
uU
P2l
2
1
V 2EA Al 2E 2
CL10TU40
变形比能：
u 1
2
u
1 2
1
1
1 2
2
2
1
2
3
3
2
1 3
变形比能：
u
1 2
1
1
1
2
2
2
1
2
3
3
§10-4 三向应力状态简介
主单元体：六个平面都是主平面
2
1 3
若三个主应力已知，求任意斜截面上的应CL力10T:U30
首先分析平行于主应力之一（例如σ3）的 各斜截面上的应力。
σ3 对斜截面上的应力没有影响。这些斜截 面上的应力对应于由主应力 σ1 和 σ2 所画的应 力圆圆周上各点的坐标。
2
3