工程力学强度理论

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170
7.70
0
所以,此容器不满足第三强度理论。不安全。
强度理论例题
例3:钢铁材料 160MPa
123
试:校核如图塑性材料的应力单元体的强度。
64.6
解:方法一:(1)求主应力
单位:MPa
max min
x 2
x 2
2
2 x
123 2
123
2
2
64.62
61.5 89.19
2、比较能说明问题的是下面的实验:用钢、铜、镍等塑性
金属制成薄壁管,让它受内压力q和外拉力P的共同作用,
得到一个二向应力状态。实验时调整P 和q ,可得到σ1、
σ2 、 σ3不同组合。
1
P
P
2
3、结论:第三强度理论计算的结果与试验结果相差约达 10%~ 15%。而用第四强度理论计算的结果与实验误差约在 5%以内。第三强度偏安全(工业设计、化工)、第四强度 偏实际、经济(钢结构)。
(2)混凝土压块三向受压,不但不破坏反而压得更紧。
P




' ''
' ''
力 状
'''
'''
'''
'''

'' '
'' ' ' '' '''
§9.1 强度理论的概念
(3)带槽钢制圆截面杆受单向拉伸,发生脆性断裂
' '
' ''
'''
'''
'' '
§9.1 强度理论的概念
(3)第四强度理论:
123
r4
1 2
1
2
2
2
3
2
3
1
2
1 2
150.69
0
2
0
27.692
27.69
150.69
2

64.6
单位:MPa
160MPa
166.27MPa 160MPa 166.27 160 100% 3.92% 5% ,可以采用。
160
1 150.69MPa 2 0 3 -27.69MPa
(7)强度理论:
认为无论是单向应力状态还是复杂应力状态,材料破坏 都是由某一特定因素引起的,从而可利用单向应力状态下的 试验结果,建立复杂应力状态的强度条件。这种关于材料破 坏的学说称为强度理论 (Strength Theory) 。
(8)两类强度理论
第一类强度理论(以脆 性断裂破坏为标志—— 断裂准则)
4
2 x
r3 1 3 2
x
2
2
2 x
1 3
x
2
x
2
2
2 x
r4
1 2
1
2
2
2
3
2
3
1
2
r4
2 x
3
2 x
同样的应力状态在计算相当应力时第三强度理论比第 四强度理论计算结果大,相对安全。
探讨:
§9.3 屈服准则
1、第三和第四强度理论哪个理论更符合实际情况呢?人们 曾通过试验来验证它们符合实际情况的程度。
表:四个强度理论的相当应力表达式
强度理论的分类及名称
相当应力表达式
第1强度理论
σ σ 第一类强度理论 —最大拉应 力理论
r1
1
(脆断破坏的 理论)
第2强度理论
—最大拉线 r 2 1 2 3
应变理论
第3强度理论 —最大剪应
第二类强度理论 力理论
σr3 σ1 σ3
2 x
4
2 x
40kN4/0mkN/m
5505k5N0kN 550kN
40kN/m
242040 240
之一
2020 20 808000800 202020
A A
A
C
C
710kN 710kN
711m0CkN 1m
710
1m
6m 6m
三、复杂应力状态下强度准则的建立
1、失效准则:材料进入极限状态的判别条件。 2、准则的建立
(1)材料若处于单向应力状态,通过实验直接测到极限应力σu
失效准则: u
(2)复杂受力状态下依据部分实验结果,采用判断推理的方法, 提出一些假说,推测材料破坏原因,从而建立强度条件。
1
P
P
2
利用单向的实验结果来建立复杂应力状态的强度条件
理论。1773年杜奎特(C.Duguet)提出了最大剪应力理论,当 时钢材广泛应用。
1、破坏原因:由无于论微材元料内处的于最什大么切应应力力状达态到,只了要某发一生极屈限服值,都是
2、断裂条件:
3、强度条件: 1 3
S
n
或 r3
4、适用范围:塑性材料,如低碳钢等,较好解释了工程上
的破坏问题,在工程上广泛应用
过大引起破坏的论述,是第二强度理论的萌芽(1682年)。
1、 破坏原因:无论材料处于什么应力状态,只要发生脆
性断裂,都是由于微元内的最大拉应变(线变形)达到简单拉
伸时的破坏伸长应变数值。
2、断裂条件:
1
u
b
E
1
E
v E
(
2
3)
b
E
3、强度条件: 1 v(2 3) 或r2
4、适用范围: 少数的脆性材料的某些应力状态 5、其它:很少的实验证实它比第一强度理论更符合实际情况
(屈服失效的 理论)
第4强度理论
—形状改变 σ r4 =
比能理论
1 2
σ 1
-
σ2
2
+σ2
-
σ3
2
+σ3
-
σ1
2
2 x
3
2 x
拓展:强度理论的选用原则
1、在三向拉应力状态下,不论是脆性或塑性材料,均发生
脆性断裂,宜采用最大拉应力理论(第一强度理论)。
2、脆性材料:(1)在二向拉伸应力状态下及二向拉伸-压 缩应力状态且拉应力较大的情况下,应采用最大拉应力理论; (2)在二向拉伸-压缩应力状态且压应力较大的情况下,应采 用最大应变理论;(3)在复杂应力状态的最大、最小拉应力
§9.3 屈服准则
二、形状改变比能理论[书上叫“畸变能理论”](第
四强度理论,胡勃——米塞斯假说。麦克斯威尔最早提出了最 大畸变能理论,但这是后来人们在他的书信出版后才知道的。)
1、破坏原因:无论材料处于什么应力状态,只要发生屈服,都
是由于微元的最大形状改变比能达到极限值。
2、断裂条件:
单拉实验测得:
第二类强度理论(以塑 性屈服破坏为标志—— 屈服准则)
§9.2 断裂准则
一 、最大拉应力理论(第一强度理论,库仑—莫尔强度理论。
1638年由伽俐略提出,当时只有铸铁、水泥等脆性材料 )
1、破坏原因:材料失效的原因是由于材料内部的最大拉应
力引起的,无论应力状态如何,只要拉应力达到某一限值σb, 材料断裂。
3、强度条件:
uf
1 2v 6E
(1
2 )2
( 2
3)2
(3
1)2
1 2
1
2
2
2
3
2
3
1
2
S
n
或 r4
4、适用范围:对塑性材料,此理论比第三强度理论更符合试
验结果,也比其它计算结果经济,在工程中得到了广泛应用。
§9.3 屈服准则
5、第三、四强度理论的另一种表达式
r3
2 x
极限应力或失效应力σu: σs、 σb
(3)材料失效形式除了与材料的脆性和塑性有关 外,还与材料所处的应力状态有关。
单向应力状态
三向应力状态
低碳钢 拉伸→塑性流动 大理石 压缩→脆性断裂
拉伸→脆性断裂 压缩→塑性流动
应力
(4)导致材料失效的因素 应变 ----与受力有关
变形能
§9.1 强度理论的概念
P
P 450
A 0.12
103
6.37MPa
AA
T 16 7000 35.7MPa Wt 0.13
max min
2
( )2 2
2
6.37 2
( 6.37 )2 2
35.72
39MPa 32MPa
139MPa, 20, 332MPa 1 故,安全。
拓展
§9.2 断裂准则
y
A x
源自文库
x
E 1 v2
( x
v y )
120..132 (1.880.37.37)10794.4MPa
y
E 1 v2
( y
v x )
2.1
10.32
(7.370.31.88)107
183.1MPa
1183 .1MPa, 294.4MPa, 30
r3 1 3 183.1
r3
183 .1170
单元体,求主应力。 4、强度分析:选择适当的强度理论,计算相当应力,然
后进行强度计算。
强度理论例题
例2 薄壁圆筒受最大内压时,测得x=1.8810-4, y=7.3710-4,
已知钢的E=210GPa,[]=170MPa,泊松比v=0.3,试用第
三强度理论校核其强度。 解:由广义虎克定律得:
yA x
塑性屈服(Yield):出现屈 服现象或产生显著的塑性变 形, 由剪应力、变形能引起
脆性断裂(Rupture):未产生 明显塑性变形而突然断裂。由 最大拉应力或最大拉应变引起
破坏断面粒 子较光滑
断面较 粗糙
低碳钢拉伸
铸铁扭转
§9.1 强度理论的概念
(2)极限状态或失效状态:材料开始断裂或屈服的状态
拓展
§9.2 断裂准则
1 v(2 3) 或r2
当混凝土块受压面上加润滑剂时,为什么破坏是沿纵向产生裂纹?
最大拉应变理论能很好地解释象混凝土块这样的脆性材料 受轴向压缩时,发生沿纵向产生裂纹的破坏现象。
因为这正是拉应变的方向!
§9.3 屈服准则
一、最大剪应力理论(第三强度理论,屈加斯——圣文南
1934~
1991年建立统一强度理论。
1994年提出统一弹塑性本构关系。
1997年建立平面应变问题统一滑移线场理论。
2001年建立空间轴对称问题统一特征线场理论
上述理论已为国内外一些实验所验证并得到广泛的应用。
强度理论计算的步骤:
1、外力分析:判变形,计算反力、截面几何性质等。 2、内力分析:画内力图,判可能的危险面。 3、应力分析:画危险面应力分布图,判危险点并画出
二、材料的两种失效形式
1、结构的失效(Failure): 工程结构由于各种原因丧失其正常工作能力的现象。
如:出现较大的位移、不可能恢复变形、配合面磨损、点
蚀、弯折或断裂。
被动齿断裂
广东佛山九江大桥断裂
2007年6月15日凌晨5:10
主动齿剥落
§9.1 强度理论的概念
2、材料强度失效: 材料因强度不足而失效。 (1)材料强度失效的两种形式:
2、破坏原因: 最大拉应力达到极限值
3、断裂条件:
3、强度条件:
或 r1
4、适用范围: 少数的脆性材料,如铸铁
§9.2 断裂准则
例1 直径为d=0.1m的圆杆受力如图,T=7kNm,P=50kN, 为铸铁构
件,[]=40MPa,试用第一强度理论校核杆的强度。
A P
T
T
解:危险点A的应力状态如图:
§9.1 强度理论的概念
(3)相当应力状态:
复杂应力状态根据同等安全原则,按照一定的条件,代之 以单向应力状态,称为相当应力状态。
(4)相当应力σr(Equivalent Stress)
相当应力状态的作用应力。
(5)失效准则: u
(6)失效准则研究模式
σ2
σ3
σ1
σr
σr σu
σu
§9.1 强度理论的概念
例题分析
§9-1 强度理论的概念
一、引言
1、回顾杆件基本变形下的强度条件: 危险面上危险
点的应力小于
正应力强度条件:
许用值
σbs
=
Pbs Αbs
[σbs ]
剪应力强度条件:
2、危险面上既具有正应力又具有剪应力的
点是否危险如何判断?
展望
§9.1 强度理论的概念
3、简单应力强度的缺陷,无法解释:
(1)手捏鸡蛋为什么不容易破坏
第九章 强度理论
目录
第九章强度理论第1讲(总第15讲)
教学内容: 强度理论的概念,断裂准则,屈服准则。
教学要求: 1、理解强度理论的概念; 2、理解断裂准则,掌握屈服准则
重点: 屈服准则及应用
难点: 强度理论应用
第1讲目录
第九章 强度理论
§ 9.1 强度理论的概念 § 9.2 断裂准则 § 9.3 屈服准则
分别为拉、压时,由于材料的许用拉、压应力不等,宜采用莫 尔强度理论。
3、塑性材料(除三向拉伸外),宜采用畸变能理论( 第四强度理论)和最大切应力理论(第三强度理论)。
4、三向压缩状态下,无论是塑性和脆性材料,均采用畸 变能理论。
统一强度理论
主要成果:
1961年提出双剪屈服准则。
俞茂宏
1985年提出广义双剪强度理论。
方法二:
第三强度理论: r3
2 x
4
2 x
1232 464.682 178.39MPa
第四强度理论: r4
2 x
3
2 x
1232 3 64.682 166.28MPa
强度理论例题
例4 图示工字钢截面简支梁,许用应力为[σ]=170MPa ,
[τ]=100MPa 。试校核梁的强度。
550kN 550kN 550kN
150.69MPa -27.69MPa
1 150 .69MPa 2 0 3 -27.69MPa
(2)第三强度理论:
r3 1 3 150.69 (27.69) 178.38MPa 160MPa 178.38 160 100% 11.48% 10% ,不能用。
160
强度理论例题
强度条件
或 r1
最大拉应力理论对脆性材料受拉伸而引起的破坏情况比较符 合。例如铸铁杆受轴向拉伸时,主要沿横截面拉断;又如铸 铁受纯扭转时,沿45o斜截面断裂。因为该方向拉应力最大。
τ
σ x
这个理论没有考虑另外两个主应力σ2、 σ3的影响。
§9.2 断裂准则
二、最大拉应变理论(第二强度理论)马里奥特关于变形
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