材料力学第八章解读
《材料力学》课程讲解课件第八章组合变形
强度条件（简单应力状态）——
max
对有棱角的截面，最大的正应力发生在棱角点处，且处于单向应力状态。
max
N A
M zmax Wz
M ymax Wy
x
对于无棱角的截面如何进行强度计算——
1、确定中性轴的位置；
y
F z
M z F ey M y F ez
ez F ey z
y
zk yk z
y
x
1、荷载的分解
F
Fy F cos
Fz F sin
z
2、任意横截面任意点的“σ”
x
F
y
（1）内力： M z (x) Fy x F cos x
M y (x) Fz x F sin x
（2）应力：
Mz k
M z yk Iz
My k
M y zk Iy
（应力的 “＋”、“－” 由变形判断）
F
1， 首先将斜弯曲分解
为两个平面弯曲的叠加 Fy F cos
z
L2
L2
Fz F sin
z
2， 确定两个平面弯曲的最大弯矩
y
Mz
Fy L 4
M
y
Fz L 4
3， 计算最大正应力并校核强度
max
My Wy
Mz Wz
217.8MPa
查表： Wy 692.2cm3
4， 讨论 0
y
Wz 70.758cm3
的直径为d3，用第四强度理论设计的直径为d4，则d3 ___＝__ d4。
（填“＞”、“＜”或“＝”）
因受拉弯组合变形的杆件，危险点上只有正应力，而无切应力，
r3 1 3 2 4 2
r4
材料力学：第八章-应力应变状态分析
正负符号规定:
切应力 t － 使微体沿顺时针 旋转为正 方位角 a － 以 x 轴为始边、逆时针旋转 为正
斜截面应力公式推导 设α斜截面面积为dA, 则eb侧面和bf 底面面积分别为dAcosα, dAsinα
由于tx 与 ty 数值相等，同时
sa+90 ,ta+90
E
sa+90 ,ta+90
结论: 所画圆确为所求应力圆
应力圆的绘制与应用3
应力圆的绘制
已知 sx , tx , sy ,
画相应应力圆
t
先确定D, E两点位置, 过此二点画圆即为应力圆
Ds x ,t x , E s y ,t y
t
C OE
s 2 , 0
s 1 , 0
应力圆绘制 作D, E连线中垂线,与x轴相交即为应力圆圆心
tb sb
t
sa
O
C
ta
D
sa ,ta
t
s
E
sb ,tb
O
D
sa ,ta
C
s
E
sb ,tb
由|DC|=|CE|,可得sC值:
sC
s
2 β
+
t
2 β
s
2 α
+
t
2 α
2 sα sβ
点、面对应关系
转向相同, 转角加倍 互垂截面, 对应同一直径两端
应变状态
构件内一点处沿所有方位的应变总况或集合, 称为该点处的 应变状态
研究方法
环绕研究点切取微体, 因微体边长趋于零, 微体趋于所研究 的点, 故通常通过微体, 研究一点处的应力与应变状态
材料力学-第8章应力状态与强度理论
第8章 应力状态与强度理论及其工程应用
强度理论概述
关于脆性断裂的强度理论
第8章 应力状态与强度理论及其工程应用
关于脆性断裂的强度理论
零件或构件在载荷作用下，没有明显的破坏 前兆（例如明显的塑性变形）而发生突然破坏的 现 象 ， 称 为 断 裂 失 效 （ failure by fracture or rupture）。
Mechanics of materials
材料力学
材料力学
第 8章
基础篇之八
应力状态与强度理论 及其工程应用(B)
第8章 应力状态与强度理论及其工程应用
什么是“失效”；怎样从众多的失效现象中寻找失效 规律；假设失效的共同原因，从而利用简单拉伸实验结果， 建立一般应力状态的失效判据，以及相应的设计准则，以 保证所设计的工程构件或工程结构不发生失效，并且具有 一定的安全裕度。这些就是本章将要涉及的主要问题。
2 1 3
max 1 ( 1 0)
= b
o max b
失效判据 强度条件
1 b
1
b
nb
第8章 应力状态与强度理论及其工程应用
关于脆性断裂
第二强度理论又称为最大拉应变准则（maximum tensile strain criterion），它也是关于无裂纹脆性材 料构件的断裂失效的理论。
第8章 应力状态与强度理论及其工程应用
关于脆性断裂的强度理论
根据第二强度理论，无论材料处于什么应力状态， 只要发生脆性断裂，其共同原因都是由于微元的最大 拉应变达到了某个共同的极限值。
max
o max
(1 0)
第8章 应力状态与强度理论及其工程应用
材料力学第八章-弯曲变形
L
A
L
解：建立静定基 确定超静定次数 用反力代替多余约束 得新结构 —— 静定基
或
q0
A
B L RB
32
q0 A L B RB
几何方程——变形协调方程
f B f Bq f BRB 0
物理方程
=
A B RB q0 A B
qL RB L f Bq ; f BRB 8EI 3EI
A A 铰连接
P
C D
C
D
B
A点：f A 0, A 0
B点： f B左 f B右
C点： f C左 f C右 C左 C右
D点：f D 0
21
边界条件、连续条件应用举例
P
弯矩图分二段，
共积分常数 需4个边界条件 和连续条件
A B
C
(+)
A点： A 0 B点： f B左 f B右 , C点：f C 0
解：载荷分解如图
=
P A B
查梁的简单载荷变形表，
得到变形
Pa PA 4 EI
q B
2
Pa f PC 6 EI
3
+
A
qa qA 3EI
3
5qL f qC 24 EI24
4
P
A
C a a
q B
Pa PA 4 EI
qa 3 qA 3EI
2
Pa 3 f PC 6 EI
Differential Equation of beam deformation 1 M ( x) 已知曲率为 EI z x
M>0
材料力学第八章
D2 E2 O2
某实际应力状态：与 包络线相切，1>3， 3 1 有正负。 E3O3 O1O3 D3O3 D1O1 OO1 OO3 E2O2 O1O2 D2O2 D1O1 OO1 OO2 1 3 [ c ] [ t ] D3O3 D2O2 D1O1 2 2 2 1 3 [ c ] [ t ] OO3 OO2 OO1 2 2 2
最大拉应力1，与应力状态无关； 1．断裂原因： 2．强度准则： 1 u / nb 1 [ ] 断裂判据： 1 u 1 b 3．u由单向拉伸断裂条件确定： u b nb [ ] 4．应用情况：符合脆性材料的多向拉断试验，或 压应力不超过拉应力情况，如铸铁单向拉伸和 扭转；不能用于无拉应力的应力状态。
1．屈服原因： 形状改变比能uf，与应力状态无关；
2．强度准则：
1 uf ufu / ns ( 1 2 )2 ( 2 3 )2 ( 3 1 )2 [ ] 2
屈服判据：
1 uf ufu ( 1 2 )2 ( 2 3 )2 ( 3 1 )2 s 2
4．应用情况： 符合表面润滑石料的轴压破坏，某些 脆性材料压应力很大时的双向拉压状态。
§8-2
断裂准则
一、最大切应力理论(第三强度理论，Tresca准则) 不论材料处于何种应力状态，引起材料屈服的 原因是最大切应力max达到共同极限值s。
1．屈服原因： 最大切应力max，与应力状态无关； 2．强度准则： max s / ns 1 3 [ ]
[t]、[c]：许可拉、压应力； [ t ] 1 3 [ t ] 如[t]=[c]，退化为最大切 [ c ] 应力准则。
材料力学笔记(第八章)
材料力学（土）笔记第八章 组合变形及连接部分的计算1．概 述工程实际中，构件在荷载作用下往往发生两种或两种以上的基本变形若几种变形所对应的应力（变形）属于同一数量级，则构件的变形成为组合变形对于组合变形下的构件，在线弹性、小变形条件下，可按构件的原始形状和尺寸进行计算 可先将荷载简化为符合基本变形外力作用条件的外力系分别计算构件在每一种基本变形下的内力、应力或变形利用叠加原理，综合考虑各基本变形的组合情况以确定构件的危险截面、危险点的位置及危险点的应力状态，并据此进行强度计算 若构件的组合变形超过了线弹性范围，或虽在线弹性范围内但变形较大则不能按其初始形状或尺寸进行计算，不能用叠加原理工程实际中，经常需要将构件相互连接铆钉、螺栓、键等起连接作用的部件，统称为连接件连接件（或构件连接处）的变形往往比较复杂，而其本身尺寸都比较小在工程设计中，通常按照连接的破坏可能性采用既能反映受力的基本特征，又能简化计算的假设，计算其名义应力然后根据直接试验的结果，确定其相应的许用应力，来进行强度计算这种简化计算的方法，称为工程实用计算法2．两相互垂直平面内的弯曲对于横截面具有对称轴的梁当横向外力或外力偶作用在梁的纵向对称面内时，梁发生对称弯曲 这是，梁变形后的轴线是一条位于外力所在平面内的平面曲线碰到双对称截面梁在水平和垂直两纵向对称平面内同时承受横向外力的作用情况这时梁分别在水平纵对称面（Oxz 平面）和铅垂纵对称面（Oxy 平面）内发生对称弯曲 在梁的任意横截面m-m 上，由1F 和2F 引起的弯矩值依次为1y M F x = 和 2()z M F x a =-梁的任一横截面m-m 上任一点(,)C y z 处与弯矩y M 和z M 相应的正应力分别为'yyM z I σ= 和 ''z z M y I σ=- 由叠加原理，在1F 和2F 同时作用下，截面m-m 上C 点处的正应力为 '''y z y z M M z y I I σσσ=+=-式中y I 和z I 分别为横截面对于两对称轴y 和z 的惯性矩y M 和z M 分别是截面上位于水平和铅垂对称平面内的弯矩且其力矩矢量分别与y 轴和z 轴的正向相一致在具体计算中，也可先不考虑弯矩和坐标的正负号，以其绝对值代入然后根据梁在荷载分别作用下的变形情况，判断由其引起该点处正应力的正负号为确定横截面上最大正应力点的位置，需求截面上中性轴的位置由于中性轴上各点处的正应力均为零，令0y 、0z 代表中性轴上任一点的坐标则由上式可得中性轴方程000yz yzM M z y I I -=由上式可见，中性轴是一条通过横截面形心的直线其与y 轴的夹角为θ，且tan tan y y z I I z M y M I I θϕ==⨯= 对于圆形、正方形等y z ，有由于梁各横截面上的合成弯矩M 所在平面的方位一般不相同所以，虽然每一截面的挠度都发生在该截面的合成弯矩所在平面内梁的挠曲线一般仍是一条空间曲线梁的挠曲线方程仍应分别按两垂直平面内的弯曲来计算，不能直接用合成弯矩计算 确定中性轴位置后，作平行于中性轴的两条直线，分别与横截面周边相切于两点该两点即分别为横截面上拉应力和压应力为最大的点对于工程中常用的矩形、工字型等截面梁其横截面都有都有两个互相垂直的对称轴，且截面的周边具有棱角故横截面上的最大正应力必发生在截面的棱角处于是，可根据梁的变形情况，直接确定截面上最大拉、压应力点的位置，无需定出中性轴 在确定了梁的危险截面和危险点的位置，并算出危险点处的最大正应力之后由于危险点处于单轴应力状态，可按正应力强度条件计算横截面上的切应力，对于一般实体截面梁，其数值较小，可不必考虑3．拉伸（压缩）与弯曲3.1 横向力与轴向力共同作用等直杆受横向力和轴向力共同作用时，杆将发生弯曲与拉伸（压缩）组合变形对于弯曲刚度EI 较大的杆，由于横向力引起的挠度与横截面的尺寸相比很小因此，由轴向力在相应挠度上引起的弯矩可略去不计可分别计算由横向力和轴向力引起的杆横截面上的正应力按叠加原理求其代数和，即得在组合变形下，杆横截面上的正应力max ,max N t t b F M A Wσσσ=+=+ 当材料的许用拉应力和许用压应力不相等时杆内的最大拉应力和最大压应力必须分别满足杆件的拉、压强度条件对于弯曲刚度EI 较小的杆件，在压缩和弯曲组合变形下轴向压力引起的附加弯矩较大，且其转向与横向力引起的弯矩相同因此不能按杆的原始形状来计算，叠加原理也不再适用3.2 偏心拉伸（压缩）作用在直杆上的外力，当其作用线与杆的轴线平行但不重合时，将引起偏心拉伸或偏心压缩 横截面具有两对称轴的等直杆承受矩截面形心为e （称为偏心距）的偏心拉力F 为例 先将作用在杆端截面上A 点处的拉力F 向截面形心1O 点简化得到轴向拉力F 和力偶矩Fe ，将力偶矩分解为ey M 和ez Msin ey F M Fe Fz α==cos ez F M Fe Fy α==式中，坐标轴y 、z 为截面的两个对称轴F y 、F z 为偏心拉力F 作用点（A 点）的坐标于是的得到一个包含轴向拉力和两个在纵对称面内的力偶的静力等效力系此力系将分别使杆发生轴向拉伸和在两相互垂直的纵对称面内的纯弯曲当杆的弯曲刚度较大时，同样可按叠加原理求解在上述力系作用下任一横截面n-n 上的任一点(,)C y z 处相应于轴力N F F =和两个弯矩的正应力，由叠加原理，的C 点处的正应力F F y zFz z Fy y F A I I σ⨯⨯=++ 利用惯性矩与惯性半径间的关系 2y yI A i =⨯，2z z I A i =⨯ 式子可改写为22(1)FF y zz z y y F A i i σ=++ 上式是一个平面方程，表明正应力在横截面上按线性规律变化应力平面与横截面相交的直线（沿该直线0σ=）就是中性轴令0y 、0z 代表中性轴上任一点的坐标，代入即得中性轴方程002210F F y z z y z y i i ++= 在偏心拉伸（压缩）情况下，中性轴是一条不通过截面形心的直线为定出中性轴的位置，可利用其在y 、z 两轴上的截距y a 和z a在上式中，令00z =，相应的0y 即为截距y a ，而令00y =，相应的0z 即为截距z a 由此求得2z y F i a y =-，2y z Fi a z =- A 在第一象限内，F y 、F z 都为正值，则y a 、z a 均为负值即中性轴与外力作用点分别处于截面形心的相对两侧对于周边无棱角的截面，可作两条与中性轴平行的直线与横截面的周边相切两切点即为横街面上最大拉应力和最大压应力所在的危险点将危险点的坐标代入公式即可求得最大拉应力和最大压应力对于周边具有棱角的截面，其危险点必定在截面的棱角处，并可根据杆件的变形来确定 最大拉应力,max t σ和最大压应力,max c σ，其值为,max ,max t F F c yz Fz Fy F A W W σσ⎫⎪=±±⎬⎪⎭ 式子对箱型、工字形等具有棱角的截面都适用当外力的偏心距（F y 、F z ）较小时，中性轴可能不与横截面相交即横截面就可能不出现与轴力异号的应力由于危险点仍处于单轴应力状态，可按正应力的强度条件进行计算3.3 截面核心如前所述，当偏心轴向力F 的偏心距较小时，杆横截面上就可能不出现异号应力 因此当偏心压力F 的偏心距较小时，杆的横截面上可能不出现拉应力外力作用点离形心越近，中性轴距形心就越远当外力作用点位于截面形心附近的一个区域内时，就可以保证中性轴不与横截面相交，这个区域就称为截面核心当外力作用在截面核心的边界上时相对应的中性轴正好与截面的周边相切，利用这一关系就可确定截面核心的边界为确定任意形状截面的截面核心边界，可将与截面周边相切的任一直线视作中性轴 在y 和z 形心主惯性轴上的截距分别为1y a 和1z a可确定与该中性轴对应的外力作用点1按上述方法求得与其对应的截面核心边界上的点2、3、…的坐标连接这些点所得到的一条封闭曲线，即为所求截面核心的边界该边界曲线所包围的带阴影线的区域，即为截面核心圆截面对于圆心O 时极对称的，因此，截面核心的边界对于圆心也是极对称的为一圆心为O 的圆作一条与圆截面周边相切于A 点的直线，将其视为中性轴取OA 为y 轴，于是，该中性轴在y 和z 形心主惯性轴上的截距为1/2y a d =， 1z a =∞圆截面的222/16y z i i d ==，将其代入公式即得与其对应的截面核心边界上点1的坐标2211/16/28z y y i d d a d ρ=-=-=-，2110y z z i a ρ=-= 从而可知，截面核心边界是一个以O 为圆心，/8d 为半径的圆对于边长为b h ⨯的矩形截面，两对称轴y 和z 为截面的形心主惯性轴将与AB 向切的直线①视作中性轴，其在y 和z 轴上的截距分别为，矩形截面2212yb i =，2212z h i = 将上式代入，即得中性轴①对应的截面核心边界点上点1的坐标为2211/12/26z y y i h h a h ρ=-=-=-, 2110y z z i a ρ=-= 同理，分别将与矩形边界相切的直线②、③、④视作中性轴可得对应的截面核心边界上点2、3、4的坐标从而得到了截面核心边界上的4个点当中性轴从截面的一个侧边绕截面的顶点旋转到其相邻边时 将得到一系列通过边界点B 但斜率不同的中性轴而B 点的坐标(,)B B y z 是一系列中性轴共有的 将其代入中性轴方程，经改写后得2222110F F B B B B F F y z y z z y z y z y z y i i i i ++=++= 上式中，B y 、B z 为常数 因此该式就可看作时表示外力作用点坐标(,)F F y z 间关系的直线方程即当中性轴绕B 点旋转时，相应的外力作用点移动的轨迹是一条连接点1、2的直线将1、2、3、4四点中相邻的两点连以直线，即得矩形截面的截面核心边界截面核心为位于截面中央的菱形对于具有棱角的截面，均可按照上述方法确定其截面核心对于周边有凹进部分的截面（例如槽型或T 字型截面等）在确定截面核心边界时，应该注意不能取与凹进部分的周边相切的直线作为中性轴，因为这种直线显然约横截面相交4．扭转与弯曲一般的传动轴通常发生扭转与弯曲组合变形讨论杆件发生扭转与弯曲组合变形时的强度计算直径为d 的等直圆杆AB ，A 端固定，B 端具有与AB 成直角的刚臂，并受铅垂力F 作用，将F 简化为一作用于杆端截面形心的横向力F 和一作用于杆端的力偶矩e M Fa = 杆AB 将发生弯曲与扭转组合变形分别作杆的弯矩图和扭矩图，可见杆的危险截面为固定端截面，内力分量分别为M Fl =， e T M Fa ==由弯曲和扭转的应力变化规律可知危险截面上的最大弯曲正应力σ发生在铅垂直径的上、下两端点对于许用拉应力，压应力相等的塑性材料来说，该两点的危险程度相同 研究任一点，围绕该点分别用横截面、径向纵截面和切向纵截面截取单元体 该点应力状态如图所示，可见该点处于平面应力状态，其三个主应力为132σσσ⎫=⎬⎭ 20σ= 对于塑性材料制成的杆件，选用第三或第四强度理论来建立强度条件用第三、第四强度理论，将上述各应力代入向相应的应力表达式求得相当应力后，即可根据材料的许用应力[]σ来建立强度条件，对杆进行强度计算 其中弯曲正应力/M W σ=，扭转切应力/p T W τ=，对于圆截面杆2p W W =截面周边各点处弯曲正应力的数值和正负号都将随着轴的转动而交替变化这种应力称为交变应力，交变应力下工作的构件另有相应的计算准则5．连接件的实用计算法5.1 剪切的实用计算设两块钢板用螺栓连接后承受拉力F螺栓在两侧面上分别收到大小相等、反向相反、作用线相距很近的两组分布力系的作用 螺栓在这样的作用下，将沿两侧外力之间，并与外力作用线平行的截面m-m 发生相对错动称为剪切面应用截面法，可得剪切面上的内力，即剪力s F在剪切实用计算中，假设剪切面上各点处的切应力相等 于是剪切面上的名义切应力为S sF A τ=式中s A 为剪切面面积，s F 为剪切面上的剪力 通过试验得到剪切破坏时材料的极限切应力u τ，除以安全因数，得许用应力[]τ 剪切强度表示为[]S sF A ττ=≤ 名义切应力并不反映剪切面上切应力的精确理论值只是剪切平面上的平均切应力但对于低碳钢等塑性材料材料制成的连接件，变形较大而临近破坏时剪切面上的切应力将逐渐趋于均匀而且满足剪切强度条件式，不至于发生剪切破坏，从而满足工程需要对于大多数的连接件来说，剪切变形及剪切强度时主要的5.2 挤压的实用计算螺栓连接中，在螺栓与钢板相互接触的侧面上，将发生彼此间的局部承压现象，称为挤压 在接触面上的压力，称为挤压力，并记为bs F挤压力可根据被连接件所受的外力，由静力平衡条件求得当挤压力过大时，可能引起螺栓压扁或钢板在孔缘压皱，从而导致连接松动失效在挤压实用计算中，假设名义挤压应力的计算式为bs bs bsF A σ= 式中，bs F 为接触面上的挤压力；bs A 为计算挤压面面积当接触面为圆柱面时，计算挤压面面积bs A 取为实际接触面在直径平面上的投影面积 理论表明，这类圆柱状连接件与钢板孔壁间接触面上的理论挤压应力沿圆柱的变化情况如图 计算所得的名义挤压应力与接触面中点处的最大理论挤压应力值相近当连接件与被连接构件的接触面为平面时，计算挤压面面积即为实际接触面的面积 通过试验，按名义挤压应力公式得到的材料的极限挤压应力，除以安全因数确定许用挤压应力[]bs σ，则挤压强度条件可表达为[]bs bs bs bsF A σσ=≤ 注意，挤压应力是在连接件和被连接件之间相互作用的当两者材料不同时，应校核其中许用挤压应力较低的材料的挤压强度6．铆钉连接的计算铆钉连接在建筑结构中被广泛采用铆接的方式主要有搭接、单盖板对接和双盖板对接三种搭接和单盖板对接中的铆钉具有一个剪切面（称为单剪）双盖板对接中的铆钉具有两个剪切面（称为双剪）6.1 铆钉组承受横向荷载在搭接和单盖板对接中，由铆钉的受力可见铆钉（或钢板）显然将发生弯曲在铆钉组连接中，在弹性变形阶段两端铆钉的受力与中间铆钉的受力并不完全相同 为简化计算，并考虑到连接在破坏前将发生塑性变形，在铆钉计算中假设①不论铆接的方式如如何，均不考虑弯曲的影响②若外力的作用线通过铆钉组横截面的形心，且同一组内各铆钉的材料与直径均相同，则每个铆钉的受力相等 按照上述假设，即可得每个铆钉的受力1F 为1F F n= 式中，n 为铆钉组中的铆钉数求得每个铆钉的受力1F 后，即可分别校核其剪切强度和挤压强度被连接件由于铆钉孔的削弱，其拉伸强度应以最弱截面（轴力较大，截面积较小）为依据 不考虑集中应力的影响对于销钉或螺栓连接，其分析计算方法与铆钉连接相同6.2 铆钉组承受扭转荷载承受扭转荷载的铆钉组，由于被连接件（钢板）的转动趋势每一铆钉的受力将不再相同令铆钉组横截面形心为O 点 假设钢板的变形不计，可视为刚体于是，每一铆钉的平均切应变与该铆钉截面中心至O 点的距离成正比，其方向垂直于该点与O 点的连线由合力矩定理，每一铆钉上的力对O 点力矩的代数和等于钢板所受的扭转力偶矩e M ，即 e i i M Fe Fa ==∑式中，i F 为铆钉i 所受的力；i a 为该铆钉截面中心至铆钉组截面形心的距离对于承受偏心横向荷载的铆钉组可将偏心荷载F 向铆钉组截面形心O 简化得到一个通过O 点的荷载F 和一个绕O 点旋转的扭转力偶矩e M Fe =若同一铆钉组中每一铆钉的材料和直径均相同则可分别计算由力F 引起的力'i F 和由转矩e M 引起的力''i F铆钉i 的受力为'i F 和''i F 的矢量和求得铆钉i 的受力i F 后，可分别校核受力最大的铆钉的剪切强度和挤压强度。
材料力学第8章组合变形
MB
M
2 yB
M
2 zB
(364 N m)2 (1000N m)2 1064N m
•由Mz图和My图可知， B截面上的总弯矩最大， 并且由扭矩图可见B截 面上的扭矩与CD段其 它横截面上相同，TB ＝-1000 N·m，于是判 定横截面B为危险截面。
3. 根据MB和TB按第四强度理论建立的强度条件为
Wp
r4
M 2 0.75T 2
W
300N.m 1400N
300N.m
1500N 200
150
300N.m
128.6N.m
120N.m
（2）作内力图
危险截面E 左处
T 300N.m
M
M
2 y
M
2 z
176N.m
（3）由强度条件设计d
r3
M2 T2 W
W d 3
32
32 M 2 T 2
第8章 组合变形
8.1 组合变形和叠加原理 8.2 拉伸或压缩与弯曲的组合 8.3 偏心压缩和截面核心 8.4 扭转与弯曲的组合 8.5 组合变形的普遍情况
8.1 组合变形和叠加原理
组合变形——实际构件由外力所引起的变形包含两种或两 种以上的基本变形。如压力框架、烟囱、传动轴、有吊车 的立柱。 叠加原理——如果内力、应力、变形等与外力成线性关系， 则在小变形条件下，复杂受力情况下组合变形构件的内力， 应力，变形等力学响应可以分成几个基本变形单独受力情 况下相应力学响应的叠加，且与各单独受力的加载次序无 关。 前提条件：
即 亦即 于是得
r4
M 2 0.75T 2 [ ]
W
•请同学们按
照第三强度理 (1064 N m)2 0.75(1000 N m)2 100106 Pa W
材料力学第08章 动载荷与交变应力
x
r Ag r Aa
x
FNd FNst d Kd K d st A A
st为静荷载下绳索中的静应力
强度条件为 d K d st [ ]
P
P P a g
△d表示动变形 △st表示静变形
当材料中的应力不超过比 例极限时荷载与变形成正比
m
FNst
m
FNd
rAg
x
rAg rAa
2 st 42st 8h st 2h d st (1 1 ) 2 st 2h d st ( 1 1 ) K d st
2
st
2h 为动荷因数 其中 K d 1 1
st
Fd d Kd P st
Fd K d P
第八章
动载荷与交变应力
中北大学理学院力学系
第一节 第二节 第三节 第四节
概述 构件受加速度作用时的动应力 构件受冲击时的动应力计算 疲劳破坏及其特点
第五节
第六节 第七节
材料的持久极限
影响构件持久极限的因素 构件疲劳强度计算
总结与讨论
第一节 概述
一、基本概念
1、静荷载:荷载由零缓慢增长至最终值,然后保持不变.构件内各 质点加速度很小,可略去不计. 2、动荷载: 荷载作用过程中随时间快速变化,或其本身不稳定 （包括大小、方向）,构件内各质点加速度较大. 3、交变应力：构件内的应力随时间作交替变化。 4、疲劳失效：构件长期在交变应力作用下，虽然最大工作应力 远低于材料的屈服极限，且无明显的塑性变形，却往往发生突 然断裂。
（The point changes his location periodically with time under an unchangeable load）
材料力学-第八章截面核心
1
几何法
通过数学方法计算复杂非圆形截面的核心位置，可以使用几何法来近似计算。
2
面积法
根据材料的面积分布，在考虑不同区域的面积权重的基础上，进行非圆形截面核心的准确定 位。
3
数值模拟
借助计算机模拟和有限元分析等数值方法，可以更精确地计算非圆形截面的核心位置。
直线和曲线截面核心的计算方法
直线截面核心
对于直线截面，可以通过几何方法或面积法计算截 面核心的位置。
曲线截面核心
对于曲线形状的截面，可以借助数学公式和数值模 拟等方法来确定截面核心的位置。
截面核心的应用和意义
准确计算和确定截面核心的位置对于结构设计、受力分析、以及结构的稳定 性和承载能力评估等方面具有重要意义。它是设计和分析工作的基础。
截面核心在结构设计中的作用
确定结构的静力特征
截面核心的位置能够帮助确 定结构的受力情况和承载能 力，为结构设计提供准确依 据。材料力Fra bibliotek-第八章截面核 心
欢迎来到材料力学第八章的世界！本章将探讨截面核心的基本概念、计算方 法、应用意义，以及在结构设计中的作用。
截面核心的基本概念
截面核心是指截面图形的几何中心点，对于各种结构的计算和分析具有重要意义。通过准确计算截面核心的位 置，可以确定结构的受力情况和性能。
非圆形截面核心的计算方法
案例二
利用截面核心的计算方法，解决 了高层建筑结构的稳定性问题， 确保了建筑的安全性。
案例三
在截面核心的指导下，优化了钢 结构的设计方案，实现了结构的 轻量化和高效化。
2 复杂几何形状的处理
对于复杂几何形状的截面，可以借助计算机辅助设计软件和有限元分析等工具来求解截 面核心的位置。
材料力学第8章梁的位移分析与刚度设计
梁的刚度设计的方法
梁的刚度设计可以采用多种方法，包括链接刚度法、等位弯矩法和等位剪力 法。这些方法根据不同的设计要求和结构特点选择使用。
• 链接刚度法：根据梁的端部连接方式和约束条件，计算刚度。 • 等位弯矩法：根据梁结构的弯矩分布，确定刚度。 • 等位剪力法：根据梁结构的剪力分布，确定刚度。
梁的刚度设计的实例分析
材料力学第8章梁的位移 分析与刚度设计
欢迎来到材料力学第8章的学习，今天我们将讨论梁的位移分析和刚度设计。 通过深入了解这些内容，您将掌握梁的变形规律和如何设计具有所需刚度的 梁结构。
梁的位移分析的目的
梁的位移分析旨在确定在给定荷载下梁结构的变形和位移。这有助于评估结 构的稳定性和合理性。
梁的位移分析方法
梁的位移分析可以使用多种方法进行，包括三公式法、超柔度法和部分均布 荷载法。每种方法都有其适用的情况。
• 三公式法：适用于较简单的力学模型。 • 超柔度法：适用于复杂的结构和不规则荷载。 • 部分均布荷载法：适用于均布荷载作用下的梁结构。
梁的刚度设计的原理
梁的刚度设计的原理是通过合理的截面设计和荷载分配来提供所需的结构刚 度。刚度设计旨在确保结构在服役荷载下具有合适的刚度和稳定性。
梁的位移分析与刚度设计的相关工程实例
最后，我们将探讨一些实际工程案例，展示梁的位移分析和刚度设计在真实项目中的应用。通过这些实例，您 将பைடு நூலகம்好地理解梁结构设计的挑战和解决方案。
让我们通过一些实例分析来加深对梁刚度设计的理解。使用不同的方法，我 们将设计和评估具有所需刚度的梁结构，并探讨设计选项的优劣。
梁的刚度设计的注意事项
在进行梁的刚度设计时，需要注意以下几点： • 合理的截面选择：选择适当的截面形状和尺寸，以满足刚度要求。 • 约束条件的考虑：考虑梁的端部约束条件对刚度的影响。 • 侧刚度的满足：确保梁在侧向荷载作用下具有足够的刚度。 • 梁的稳定性分析：分析梁结构的稳定性，确保其在设计荷载下不会失稳。
材料力学第八章材料的摩擦与磨损性能
表面波纹度会减少零件实际支承表面面积，在 动配合中会引起零件磨损的加剧。
图8-3 表面波纹度示意图
3）表面粗糙度 （Surface Roughness） 微观几何形状误差，常以表面粗糙度来表示，该
参数有一维、二维和三维的形貌参数。 一维形貌通常用表面轮廓曲线的高度参数来表示。
式(8-如12选)可取得σ：m=H/3作为出现塑性变形的条件，代入
E
(
)1/2
0.78
HR 4
（8-13）
考虑到接触时，从完全弹性接触过渡到完全塑性 接触并非瞬时完成，需要有一个过程，可引入无量纲 的塑性指数 Q E ( )1/2 ，并认为：
HR
* 当塑性指数Q＜0.6（小于0.78，是因为接触面上的
（3）轮廓支承长度率tp 它是指在取样长度L内，一平 行于中线的线与轮廓相截后得到的各段截线长度之和
与取样长度L之比(图8-7)。p为轮廓最高峰点至截线间
的距离。
tP
abcd L
（8-5）
图8-7 轮廓支承长度曲线
（4）幅度分布 在取样长度L内，离中线z处作两条相 距为Δz并平行于中线的线，在两平行线内轮廓线段 的水平方向长度为a、b、c、d、…。a、b、c、d、… 的总和Lz与取样长度L的百分比称为该轮廓线在z处的 幅度密度。
（1）轮廓微观不平度的平均间距Sm，指在取样长度L 内轮廓在中线mm上含一个轮廓峰和相邻轮廓谷的中 线长度的算术平均值。
Sm
1 n
n i1
pmi
图8-5 轮廓微观不平度的平均间距
（2）轮廓单峰平均间距S，指在取样长度L内轮廓的
材料力学第八章 河海sxf
①对荷载进行分解或简化，使得杆件在每一组 荷载作用下只产生一种基本变形；
②计算每一组荷载单独作用下的应力和变形；
③由叠加原理求出杆件在组合变形下的应力和 变形。
小变形
计算按杆件原始形状和尺寸
工程中的杆件或构件由几部分连接而成
在连接部位，起连接作用的部件 连接件
铆钉
螺栓
销钉
榫
焊接
键
杆件安全：
① 杆件整体安全；
q
B l
P261 例8-1
2
qz
①计算最大应力
A 危险截面：跨中截面
q
B
1
危险点：1（最大拉）、2（最大压）
q
qy
q
qy q cosq 715 .5 N/ m
qz q sinq 357.8 N/m
M
z max
1 8
qyl
2
804.9 N m M ymax
对称弯曲
Iy＝Iz 的梁，只要横向力过截面形心，梁只产生对称弯曲。
中性轴将横截面分成二 个区：拉应力区和压应力区
中 性 轴
scmax ＝－ (
Mz Wz
＋
My )
Wy
stmax
＝
M
(
cosj
Iz
ymax ＋
sinj
Iy zmax )＝
Mz Wz
＋
My Wy
z
中性轴
y
横截面有凸角： 最大应力发生在角点上，根据
t =？
cosj
sinj
＝M (－ y ＋ z )
Iz
Iy
t 存在，但实体截面梁不考虑。
二、中性轴的位置、最大正应力
s
cosj
材料力学课件 第八章应力状态与强度理论
单向应力状态（Unidirectional State of Stress）： 一个主应力不为零的应力状态。
x B x
zx
xz
x
x
A
§8–2 平面应力状态下的应力分析
y
y
y
xy x
等价 y
x
xy
x z
Ox
一、解析法
30
x
y
2
sin 2
x cos2
80 (40) sin(2 30 ) 60 cos(2 30 ) 2
21.96MPa
确定主平面方位，将单元体已知应力代入 8.3，得
20 45
tan 20
2 x x y
2 (60) 80 (40)
1
0 22.5
0 即为最大主应力1 与 x 轴的夹角。主应力为
x
各侧面上剪应力均为零的单元体。
z
z
2
3
主平面(Principal Plane)：
剪应力为零的截面。 x
主应力(Principal Stress ）：
主平面上的正应力。
1
主应力排列规定：按代数值大小，
1 2 3
三向应力状态（ Three—Dimensional State of Stress）： 三个主应力都不为零的应力状态。
解：由于主应力1 ，2 ，3 与主应变1 ，2 ，3 一一对应，故由已知数据可知，
已知点处于平面应力状态且 2 0 。由广义胡克定律
1
1 E
(1
3 )
3
1 E
( 3
1)
联立上式
材料力学 第八章 应力状态分析
Page 9
第八章 例 求图示 ， 已知 x 80 MPa
x 60 MPa
应力状态分析
y 30 MPa
210
60 80 30
解：
x y x y cos2 x sin2 2 2
80 30 80 30 cos60 (-60)sin60 104.46MPa 2 2
单位：MPa
x y
2
sin2 x cos2
80 30 sin60 60 cos60 =8.35MPa 2
问 可取何值
150 ;
30（x轴向左）
Page10
第八章
应力状态分析
§8-3
一、应力圆
应力圆
应力转轴公式 x y x y cos2 x sin2
a 点处: 纯剪切；c , d 点处: 单向应力； b 点处:
, 联合作用
复杂应力状态下，如何 建立强度条件 ？
分别满足 ? 做实验的工作量与难度 ?
Page 5
第八章
应力状态分析
建立复杂应力状态强度条件的研究思路：
材料物质点应力状况· 应力微体 材料失效机理 •应力状态 通过构件内一点，所作各微截面的 应力状况，称为该点处的应力状态 •应变状态 构件内一点在各个不同方位的应 变状况，称为该点处的应变状态
min
2
x tan2 x y max x y 0 2 x y CF OC CA x min 2 2 2 x x FD max x y 2 tan 0 CK x 2 x min max y BF min
建筑力学之材料力学第8章(华南理工)
3. 主应力的计算公式
= + cos 2 - x sin 2 2 2 2 x - y x - y 2 x - y 主 = x = sin 2 + x cos 2 2 2 2
x + y x - y
主 =
⑵ 扭转
主 = x , 主 = x 因此有: 1 =主 = x , 2 =0, 3 =主 = x
⑶ 弯曲 从受弯杆件中截取单元体, 该点的两个 主应力为:
主 =
x
2 + x , (该主应力为正值) 2 2 2
x
2
x + y x - y
§8-3 主应力和极值切应力 一、主应力 1. 主应力的概念 当某截面上的切应力等于零时, 将该截面称为主平面, 即切应 力等于零的截面称为主平面。主平面上的正应力则称为主应力。 2. 主平面的位置 设主平面的方位角为α0, 则根据主平面的定义有: x - y 2 x tan 20 = sin 20 + x cos 20 =0 x y 2 由三角函数知: tan 2(0 +90)=tan20
2
例8-4 图示矩形截面简支梁, 在梁的1-1截面处, 从1、2、3、 4、5各点截取五个单元体, 其中, 点1和点5位于上、下边缘, 点3 位于h/2处。试画出每个单元体上的应力情况, 并注明其方向。
§8-6 空间应力状态下任一点的主应力和最大切应力 空间应力状态下, 同样存在主平面与主 应力, 其概念与平面应力状态完全相同, 即 切应力等于零的平面为主平面, 主平面上的 正应力为主应力. 任一点均存在三个主应力 且三个主应力所在的主平面相互垂直, 三个 主应力具有以下关系:
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应力和应变分析 强度理论
8.1 应力状态的概念
问题的提出
塑性材料拉伸时为什么会出现滑移线？ 脆性材料扭转时为什么沿45º螺旋面断开？
§ 8.1 应力状态的概念
1.直杆拉伸
k
F
k
k
F
{F p cos cos2
p sin
p
k
cos sin sin 2
2
直杆拉伸应力分析结果表明：即使同一点 不同方向面上的应力也是各不相同的。
z
z
zx zy
xz yz
xy
yx
y y
3
2
主应 力
主平
1
面
主平面： = 0 的平面
主应力：主平面上的正应力
主应力排序：12 3
应力状态的概念
3.应力状态的讨论
三向应力状态
二向（平面）应力状态 单向应力状态
应力状态的概念
4、正负号规则
x
x
正 应 力
x
拉为正
x
压为负
应力状态的概念
4、正负号规则
xy cos 2
1.34 MPa
(顺时针)
二、图解法（应力圆）
x
y
2
x y cos 2 2
xy sin 2
x
y
2
sin
2
x
cos 2
各式平方后相加
2
2
x
y
2
x
y
2
2
2
xy
圆心
(
x
2
y
,
0)
圆的半径： R
( x y )2 2
2 xy
上式在应力坐标系 中为一圆，称为应力圆(莫尔圆)
1、应力圆的画法
无论材料处于什么应力状态,只要发生屈服,都是由于微 元的形状改变比能达到一个共同的极限值。
屈服条件 强度条件
y y yx
x
xy
x x
y
B
O
yxx
C
D‘
y
x
D
xy
A
2、应力圆的意义
圆周上任意一点的横坐标和纵坐标分别代表单元体某 一相应平面的正应力和切应力
应力圆上任意两点间的圆弧所对应圆心角,等于该两点所代表
的截面的外法线夹角的两倍,两个角度的转向是相同的.
y y y
x
x
B0
2
x x
A0
y
§ 8-3 二向应力状态分析
二向应力状态分析
y
yx
x
xy
x
y
主应力如何确定?
§ 8-3 二向应力状态分析
y
yx
x
xy
x
y
解析
一、解析法
略去推导过程
x
yx xy
应力转换方程
x
y
2
y
x
2
y cos2
- xy sin 2
x y sin2 2
xy cos 2
§ 8-3 二向应力状态分析
练习：已知单元体的应力状态如图所示（应力单位为MPa ）， 试用解析法求出主应力的大小
y
30 40
40 60 x
二向应力状态分析
所以，最大和最小正应力分别为：
所
y
在
平
面
互 相
max, min 是除0之外的两个主应力
垂
直
主应力按代数值排序：σ1 σ2 σ3
§ 8-3 二向应力状态分析
知识点回顾 1、二向应力状态中已知某一截面上的应力，求 与已知截面成一定角度的截面上的应力。 解析法 图解法 2、二向应力状态中主应力的求解
强度条件 1 ( 2 3) [ ]
3. 最大切应力理论（第三强度理论）
无论材料处于什么应力状态,只要发生屈服,都是由于微元内的 最大切应力达到了某一共同的极限值。
三向应力状态下
max (1 3) / 2
得屈服条件
3. 最大切应力理论（第三强度理论）
强度条件
1 3
4. 畸变能密度理论（第四强度理论）
2. 最大伸长拉应变理论（第二强度理论）
无论材料处于什么应力状态,只要产生脆性断裂,都是由于微 元内的最大伸长线应变达到了一个共同的极限值。
断裂破坏条件
b
1E
由广义胡克定律
1 [ 1 ( 2 3 )]/ E 得： 1 ( 2 3 ) b
2. 最大伸长拉应变理论（第二强度理论）
塑性材料拉伸时为什么会出现滑移线？ 脆性材料扭转时为什么沿45º螺旋面断开？
应力状态的概念
F
F
一
A
个
F
σ
σ
例
子
σ
α
F
α
τα
τ α
应力状态的概念
2.一点应力状态的描述
过一点不同方向面上应力 的集合，称之为这一点的 应力状态。
z
单元体 （微元）
dx , dy , dz 0 x
y
应力状态的概念
x x
2、切应力的极值
同理对公式中的 求导
得
y
§ 8-3 二向应力状态分析
试求（1）主应力；（2）最大切应力
y 30MPa
30
20MPa
30 20MPa
解（1）由单元体可知：
x 20MPa ; y 30MPa ; xy 20MPa
x
max
x
y
min
2
2
x
y
2
2
xy
30MPa
20 30 ( 20 30)2 (20)2
2
2
37 MPa
- 27
1 37MPa ; 2 0 ; 3 27MPa
§ 8-3 二向应力状态分析
y 30MPa
30
20MPa
最大切应力
x
30 20MPa
30MPa
1
max
( x y )2 2
2 xy
( 20 30)2 ( 20)2 32MPa 2
3
强度理论概述
一、概述 材料破坏形式
x'y'
xy
剪 应力
使单元体或其局部 顺时针方向转动为正； 反之为负。
yx
应力状态的概念
4、正负号规则
方位角： 角
由 x正向逆时针转到x'正向者
。 为正；反之为负
y' y
x'
x
思考
应力状态的概念
求主应力
50MPa
50MPa
100MPa
100MPa 1
2
50MPa
3 0
100MPa 50MPa 1 2 0 100MPa 3
三、正应力和切应力的极值
x
y
2
x
2
y cos2
- xy sin 2
1、正应力极值 则有：
x y sin2 2
d d
tan 2 0
此时的切应力如何？
0
xy cos 2
0
2 xy
x
y
0
§ 8-3 二向应力状态分析
tan 2 0
2 xy x
y
所以，最大和最小正应力分别
为：
所
y
在
平
面
互
相
垂
直
主应力按代数值排序：σ1 σ2 σ3
脆性断裂 塑性屈服
max [ ],
max [ ]
σy
yz
zy
z
yx xy
σx
zx xz
y
x
z
四种强度理论
1. 最大拉应力理论（第一强度理论）
无论材料处于什么应力状态,只要产生脆性断裂,都是由于微 元内的最大拉应力达到了一个共同的极限值。
断裂破坏条件 1 b
强度条件 1
求如图单元体中 3的0斜截面上的应力
10MPa
解：按应力和夹角的符号规定，有：
y
30MPa
20MPa
n
3300
30
x
330
10MPa
30
x 10MPa xy 20MPa
y 30MPa 30
代入应力转换方程：
x
y
2
x
2
y cos2
- xy sin 2
2.32 MPa
(实际方向为受压)
30MPa
30
x y sin2 2