工程力学-第10章-A.ppt

《工程力学-第10章-A.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程力学-第10章-A.ppt（160页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、第二篇 材料力学,工程力学(静力学与材料力学),应力状态与强度理论 及其工程应用,第二篇 材料力学,工程力学 ( 静力学与材料力学),第10章,返回总目录,前面几章中，分别讨论了拉伸、压缩、弯曲与扭转时杆件的强度问题，这些强度问题的共同特点：一是危险截面上的危险点只承受正应力或剪应力；二是都需要通过实验直接确定失效时的极限应力，并以此为依据建立强度设计准则。,工程上还有一些构件或结构，其横截面上的一些点同时承受正应力与剪应力。在这种情形下，怎样建立强度条件？强度条件中的危险应力如何确定？,为了解决这些问题，一方面需要引入应力状态的概念，另一方面还要研究不同的应力状态下构件的破坏规律，寻找破坏的

2、共同原因。,前面几章的分析结果表明，除了轴向拉伸与压缩外，杆件横截面上不同点的应力是不相同的。本章还将证明，过同一点的不同方向面上的应力，一般情形下也是不相同的。,第10章 应力状态与强度理论及其工程应用,在复杂载荷作用下，危险点的应力状态大都比较复杂。复杂应力状态种类繁多，不可能一一通过实验确定失效时的极限应力。因而，必须研究在各种不同的复杂应力状态下，强度失效的共同规律，假定失效的共同原因，从而有可能利用单向拉伸的实验结果，建立复杂受力时的失效判据与设计准则。,本章将首先介绍应力状态的基本概念、过一点任意方向面上的应力以及这些应力的极大值和极小值；在此基础上，建立复杂应力状态下的强度条件；

3、作为工程应用实例，最后将介绍承受弯曲与扭转共同作用圆轴以及薄壁容器的强度问题。,所谓应力状态（stress-state），是指过一点不同方向面上应力的总称。,第10章 应力状态与强度理论及其工程应用, 应力状态的基本概念, 平面应力状态任意方向面上的应力, 应力圆及其应用, 结论与讨论(1), 应力状态中的主应力与最大剪应力, 广义胡克定律, 应变能与应变能密度, 承受内压薄壁容器的应力状态,第10章 应力状态与强度理论及其工程应用, 应力状态的基本概念,返回首页,返回总目录,第10章 应力状态与强度理论及其工程应用, 应力状态的基本概念, 应力状态概述, 描述一点应力状态的基本方法,请看下列

4、实验现象：, 低碳钢和铸铁的拉伸实验, 低碳钢和铸铁的扭转实验,问题的提出, 应力状态概述, 应力状态的基本概念,低碳钢拉伸实验,韧性材料拉伸时为什么会出现滑移线？,铸铁拉伸实验, 应力状态的基本概念,为什么脆性材料扭转时沿45螺旋面断开？,低碳钢扭转实验,铸铁扭转实验, 应力状态的基本概念,受力之前,表面的正方形,受拉后，正方形变成了矩形，直角没有改变。, 应力状态的基本概念,受力之前,表面斜置的正方形,受力之前,在其表面画一斜置的正方形；受拉后，正方形变成了菱形。,这表明：拉杆的斜截面上存在剪应力。, 应力状态的基本概念,受扭之前，圆轴表面为正圆。,这表明，轴扭转时，其斜截面上存在着正应力

5、。,受扭后，变为一斜置椭圆，长轴方向伸长，短轴方向缩短。这是为什么？, 应力状态的基本概念,拉中有剪,根据微元的局部平衡, 应力状态的基本概念,剪中有拉,根据微元的局部平衡, 应力状态的基本概念,不仅横截面上存在应力，斜截面上也存在应力；不仅要研究横截面上的应力，而且也要研究斜截面上的应力。, 应力状态的基本概念, 应力的点的概念 应力的面的概念 应力状态的概念,关于应力概念的深化, 应力状态概述, 应力状态的基本概念,横截面上的正应力分布,横截面上正应力分析和剪应力分析的结果表明：同一面上不同点的应力各不相同，此即应力的点的概念。,横截面上的剪应力分布, 应力状态的基本概念,微元平衡分析结果

6、表明：即使同一点不同方向面上的应力也是各不相同的，此即应力的面的概念。, 应力状态的基本概念,应 力,指明,过一点、在不同方向面上应力的集合，称之为这一点的应力状态（State of the Stresses of a Given Point）。, 应力状态的基本概念,应力状态分析（analysis of stress-state）是用平衡的方法，分析过一点、在不同方向面上的应力以及这些应力之间的相互关系，并确定这些应力中的极大值和极小值以及它们的作用面。,与前几章中所采用的平衡方法不同的是，应力状态分析时的平衡对象既不是整体杆或某一段杆，也不是微段杆或其一部分，而是三个方向尺度均为小量的微元

7、局部。,此外，本章中除了采用平衡方法导出过一点所有方向面上应力的解析表达式，还将采用与平衡解析式相比拟的方法，作为分析和思考问题的一种手段，快速而有效地处理一些较为复杂的问题，从而避免死背硬记繁琐的解析公式。,应力状态分析方法, 应力状态概述, 应力状态的基本概念,微元及其各面上一点应力状态的描述,微元（Element）, 描述一点应力状态的基本方法, 应力状态的基本概念, 应力状态的基本概念, 应力状态的基本概念,单向应力状态 ( One Dimensional State of Stresses ),纯剪应力状态 ( Shearing State of Stresses ), 应力状态的基

8、本概念,三向应力状态,平面应力状态, 应力状态的基本概念,例 题 1, 应力状态的基本概念, 应力状态的基本概念,例题2, 应力状态的基本概念,S平面,例题2, 应力状态的基本概念, 应力状态的基本概念, 平面应力状态 任意方向面上的应力,第10章 应力状态与强度理论及其工程应用,返回首页,返回总目录, 方向角与应力分量的正负号约定, 微元的局部平衡, 平面应力状态中任意方向面上的 正应力与剪应力, 平面应力状态任意方向面上的应力,拉为正,压为负,正应力, 方向角与应力分量的正负号约定, 平面应力状态任意方向面上的应力,使微元或其局部顺时针方向转动为正；反之为负。,剪应力, 平面应力状态任意方

9、向面上的应力,方向角q,由 x正向反时针转到x正向者为正；反之为负。, 平面应力状态任意方向面上的应力, 微元的局部平衡, 平衡对象, 平衡方程, 参加平衡的量,用 斜截面截取的微 元局部,应力乘以其作用的 面积, 微元的局部平衡, 平面应力状态任意方向面上的应力, 平面应力状态任意方向面上的应力, 平面应力状态任意方向面上的应力,利用三角倍角公式，根据上述平衡方程式，可以得到计算平面应力状态中任意方向面上正应力与剪应力的表达式：, 平面应力状态中任意方向面上的正应力与剪应力, 平面应力状态任意方向面上的应力,例 题 1,分析轴向拉伸杆件的最大剪应力的作用面，说明低碳钢拉伸时发生屈服的主要原因

10、。,杆件承受轴向拉伸时，其上任意一点均为单向应力状态。,根据平面应力状态任意斜截面上的正应力和剪应力公式, 平面应力状态任意方向面上的应力,根据平面应力状态任意斜截面上的正应力和剪应力公式,在本例的情形下，y0，yx0。, 平面应力状态任意方向面上的应力,根据这一结果，当45时，斜截面上既有正应力又有剪应力，其值分别为,不难看出，在所有的方向面中，45斜截面上的正应力不是最大值，而剪应力却是最大值。,这表明，轴向拉伸时最大剪应力发生在与轴线夹45角的斜面上，这正是低碳钢试样拉伸至屈服时表面出现滑移线的方向。因此，可以认为屈服是由最大剪应力引起的。, 平面应力状态任意方向面上的应力,例 题 2,

11、分析圆轴扭转时最大剪应力的作用面，说明铸铁圆试样扭转破坏的主要原因。,圆轴扭转时，其上任意一点的应力状态为纯剪应力状态。,根据平面应力状态任意斜截面上的正应力和剪应力公式, 平面应力状态任意方向面上的应力,根据平面应力状态任意斜截面上的正应力和剪应力公式,在本例的情形下，xy0 。, 平面应力状态任意方向面上的应力,可以看出，当45或45时，斜截面上只有正应力没有剪应力。45时(自x轴逆时针方向转过45)，拉应力最大；45时(自x轴顺时针方向转过45)，压应力最大 ：,进行铸铁圆试样扭转实验时，正是沿着最大拉应力作用面（即45螺旋面）断开的。因此，可以认为这种脆性破坏是由最大拉应力引起的。,

12、平面应力状态任意方向面上的应力, 应力状态中的主应力 与最大剪应力,第10章 应力状态与强度理论及其工程应用,返回首页,返回总目录, 主平面、主应力与主方向, 平面应力状态的三个主应力, 面内最大剪应力, 过一点所有方向面中的最大剪应力, 应力状态中的主应力与最大剪应力, 主平面、主应力与主方向,剪应力0的方向面，称为主平面（principal plane），其方向角用p表示，其正应力为主应力，法线方向为主方向。, 应力状态中的主应力与最大剪应力,将上式对 求一次导数，并令其等于零，有,由此解出的角度,角度 与P 具有完全一致的形式。这表明，主应力具有极值的性质，即当坐标系绕z轴(垂直于xy坐

13、标面)旋转时，主应力为所有坐标系中正应力的极值。, 应力状态中的主应力与最大剪应力,根据剪应力成对定理，当一对方向面为主平面时，另一对与之垂直的方向面(P/2)，其上之剪应力也等于零，因而也是主平面，其上之正应力也是主应力。, 应力状态中的主应力与最大剪应力,需要指出的是，对于平面应力状态，平行于xy坐标面的平面，其上既没有正应力，也没有剪应力作用，这种平面也是主平面。这一主平面上的主应力等于零。, 应力状态中的主应力与最大剪应力, 平面应力状态的三个主应力, 应力状态中的主应力与最大剪应力,以后将按三个主应力代数值由大到小顺序排列，并分别用,表示，即, 应力状态中的主应力与最大剪应力,根据主

14、应力的大小与方向可以确定材料何时发生失效或破坏，确定失效或破坏的形式。因此，可以说主应力是反映应力状态本质的特征量。, 应力状态中的主应力与最大剪应力,x-y坐标系,x-y坐标系,xp-yp坐标系,因此，同一点的应力状态可以有无穷多种表达形式。在无穷多种表达形式中有没有一种简单的、但又能反映一点应力状态本质的表达形式？, 应力状态中的主应力与最大剪应力,根据上述结果，原来用x、y、xy和yx表示的应力状态，现在可以用主应力表示。,显然，用主应力表示的应力状态要比用一般应力分量表示的应力状态简单。用主应力表示一点处的应力状态可以说明某些应力状态表面上是不同的，但实质是相同的，即其主应力和主方向都

15、相同。, 应力状态中的主应力与最大剪应力,由此得出另一特征角，用s表示,对求一次导数，并令其等于零，得到,与正应力相类似，不同方向面上的剪应力亦随着坐标的旋转而变化，因而剪应力亦可能存在极值为求此极值，将, 面内最大剪应力, 应力状态中的主应力与最大剪应力,得到 的极值,需要特别指出的是，上述剪应力极值仅对垂直于xy坐标面的方向面而言，因而称为面内最大剪应力（maximum shearing stresses in plane）与面内最小剪应力。二者不一定是过一点的所有方向面中剪应力的最大和最小值。, 面内最大剪应力, 应力状态中的主应力与最大剪应力,为确定过一点的所有方向面上的最大剪应力，可

16、以将平面应力状态视为有三个主应力（1、2、3）作用的应力状态的特殊情形，即三个主应力中有一个等于零。,考察微元三对面上分别作用着三个主应力（123 0）的应力状态。, 过一点所有方向面中的最大剪应力, 应力状态中的主应力与最大剪应力,考察微元三对面上分别作用着三个主应力（1230）的应力状态。, 过一点所有方向面中的最大剪应力, 应力状态中的主应力与最大剪应力,x=3,y=2，xy0,这就是组方向面内的最大剪应力。,在平行于主应力1方向的任意方向面上，正应力和剪应力都与1无关。因此，当研究平行于1的这一组方向面上的应力时，所研究的应力状态可视为一平面应力状态：, 应力状态中的主应力与最大剪应力

17、,在平行于主应力2方向的任意方向面上，正应力和剪应力都与2无关。因此，当研究平行于2的这一组方向面上的应力时，所研究的应力状态可视为一平面应力状态：,x=1,y=3，xy0。,这就是组方向面内的最大剪应力。, 应力状态中的主应力与最大剪应力,x=1,y=2，xy0。,在平行于主应力3方向的任意方向面上，正应力和剪应力都与3无关。因此，当研究平行于3的这一组方向面上的应力时，所研究的应力状态可视为一平面应力状态：,这就是组方向面内的最大剪应力。, 应力状态中的主应力与最大剪应力,一点应力状态中的最大剪应力，必然是上述三者中最大的，即, 过一点所有方向面中的最大剪应力, 应力状态中的主应力与最大剪

18、应力,例 题 3,薄壁圆管受扭转和拉伸同时作用（如图所示）。已知圆管的平均直径D50 mm，壁厚2 mm。外加力偶的力偶矩Me600 Nm，轴向载荷FP20 kN。薄壁管截面的扭转截面系数可近似取为,求：1圆管表面上过D点与圆管母线夹角为30的斜截 面上的应力； 2. D点主应力和最大剪应力。, 应力状态中的主应力与最大剪应力,解：1取微元，确定微元各个面上的应力,围绕D点用横截面、纵截面和圆柱面截取微元。,利用拉伸和圆轴扭转时横截面上的正应力和剪应力公式计算微元各面上的应力：, 应力状态中的主应力与最大剪应力,解：1取微元，确定微元各个面上的应力,利用拉伸和圆轴扭转时横截面上的正应力和剪应力

19、公式计算微元各面上的应力：, 应力状态中的主应力与最大剪应力,解：2 求斜截面上的应力,在本例中有： x63.7 MPa，y0， xy一76.4 MPa，120。, 应力状态中的主应力与最大剪应力,解：2 求斜截面上的应力,在本例中有： x63.7 MPa，y0， xy一76.4 MPa，120。, 应力状态中的主应力与最大剪应力,解：3确定主应力与最大剪应力, 应力状态中的主应力与最大剪应力,解：3确定主应力与最大剪应力,根据主应力代数值大小顺序排列，D点的三个主应力为,D点的最大剪应力为, 应力状态中的主应力与最大剪应力,例 题 4,已知:应力状态如图所示。,解：1.确定主应力,应用平面应

20、力状态主应力公式,试求：1写出主应力1、2、3的表达式； 2若已知x63.7 MPa，xy=76.4 MPa，当坐标轴x、y反时针方向 旋转=120后至x、y ，求: x、xy 。, 应力状态中的主应力与最大剪应力,解：1.确定主应力,应用平面应力状态主应力公式,因为y0，所以有,又因为是平面应力状态，故有, 应力状态中的主应力与最大剪应力,于是，根据123的排列顺序，得, 应力状态中的主应力与最大剪应力,解：2.计算方向面法线旋转后的应力分量,将已知数据x63.7 MPa，y0，xyyx=76.4 MPa，=120等代入任意方向面上应力分量的表达式 ，求得：, 应力状态中的主应力与最大剪应力

21、,已知: 三向应力状态如图所示，图中应力的单位为MPa。,例 题 5,试求：主应力及微元内的最大剪应力。, 应力状态中的主应力与最大剪应力,故微元上平行于 的方向面上的应力值与 无关。因此，当确定这一组方向面上的应力，以及这一组方向面中的主应力 和 时，可以将所给的应力状态视为平面应力状态。,解：所给的应力状态中有一个主应力是已知的，即, 应力状态中的主应力与最大剪应力,这与例题1中的平面应力状态相类似。于是，例题1中所得到的主应力 和 公式可直接应用,解：所给的应力状态中有一个主应力是已知的，即, 应力状态中的主应力与最大剪应力,本例中 x=20 Mpa，xy=40 MPa。据此，求得, 应

22、力状态中的主应力与最大剪应力,根据123的排列顺序，可以写出,微元内的最大剪应力, 应力状态中的主应力与最大剪应力, 应力圆及其应用,第10章 应力状态与强度理论及其工程应用,返回首页,返回总目录, 应力圆方程, 应力圆的画法, 应力圆的应用, 应力圆及其应用, 三向应力状态的应力圆, 应力圆方程, 应力圆及其应用, 应力圆及其应用,二倍角对应半径转过的角度是方向面法线旋转角度的两倍。,转向对应半径旋转方向与方向面法线旋转方向一致；,点面对应应力圆上某一点的坐标值对应着微元某一方向面上的正应力和剪应力；, 应力圆的画法, 应力圆及其应用,点面对应, 应力圆及其应用,转向对应,二倍角对应, 应力

23、圆及其应用,二倍角对应半径转过的角度是方向面法线旋转角度的两倍。,转向对应半径旋转方向与方向面法线旋转方向一致；,点面对应应力圆上某一点的坐标值对应着微元某一方向面上的正应力和剪应力；, 应力圆的画法, 应力圆及其应用, 应力圆及其应用,再将上述过程重复一次, 应力圆及其应用,在应用过程中，应当将应力圆作为思考、分析问题的工具，而不是计算工具。, 应力圆的应用, 应力圆及其应用,B,E, 应力圆及其应用, 应力圆及其应用,轴向拉伸时45方向面上既有正应力又有剪应力，但正应力不是最大值，剪应力却最大。, 应力圆及其应用,B,E,D,A, 应力圆及其应用, 应力圆及其应用,在纯剪应力状态下，45

24、方向面上只有正应力没有剪应 力，而且正应力为最大值。, 应力圆及其应用,A,D,主平面（principal plane）：t = 0, 与应力圆上和横轴交点对应的面。,b,e,2qp, 应力圆及其应用,主应力（principal stresses）：主平面上的正应力。, 应力圆及其应用,有几个主应力？, 应力圆及其应用,应力圆在坐标轴 的右侧，因而和均为正值。这种情形不具有普遍性。当x0或在其他条件下，应力圆也可能在坐标轴 的左侧，或者与坐标轴 相交，因此和也有可能为负值，或者一正一负。, 应力圆及其应用,主应力（principal stresses）：主平面上的正应力。, 应力圆及其应用,有

25、几个主应力？, 应力圆及其应用,有几个主应力？, 应力圆及其应用,主应力排序 s1 s2 s3, 应力圆及其应用,对应应力圆上的最高点的面上剪应力最大，称为“ 面内最大剪应力” （maximum shearing stress in plane）。, 应力圆及其应用, 三向应力状态的应力圆,考察微元三对面上分别作用着三个主应力（1230）的应力状态。, 应力圆及其应用,由s2 、 s3可作出应力圆 I, 三向应力状态的应力圆, 应力圆及其应用,由s1 、 s3可作出应力圆II,I, 应力圆及其应用,II,I,由s1 、 s2可作出应力圆 III, 应力圆及其应用,s1,II,I,s3,III,

26、s2,微元任意方向面上的应力对应着三个应力圆之间某一点的坐标。, 应力圆及其应用,平面应力状态作为三向应力状态的特例, 应力圆及其应用,例 题 6,tmax,求：平面应力状态的主应力1、2 、 3和最大切应 力tmax。, 应力圆及其应用,例 题 7,求：平面应力状态的主应力1、2 、 3和最大剪应力tmax。, 应力圆及其应用,例 题 8,求：平面应力状态的主应力1、2 、 3和 最大切应力tmax。, 应力圆及其应用, 广义胡克定律,第10章 应力状态与强度理论及其工程应用,返回首页,返回总目录,横向变形与泊松比, 泊松比, 广义胡克定律, 广义胡克定律,第7章 应力状态与强度理论及其工程

27、应用,三向应力状态的广义胡克定律叠加法, 广义胡克定律,第7章 应力状态与强度理论及其工程应用,对于平面应力状态，广义胡克定律为, 广义胡克定律,第7章 应力状态与强度理论及其工程应用,这表明，对于各向同性材料，三个弹性常数中，只有两个是独立的。, 各向同性材料各弹性常数之间的关系, 广义胡克定律,第7章 应力状态与强度理论及其工程应用, 承受内压薄壁容器的应力状态,第10章 应力状态与强度理论及其工程应用,返回首页,返回总目录,sm = ?,st = ?, 承受内压薄壁容器的应力状态, 承受内压薄壁容器的应力状态, 承受内压薄壁容器的应力状态, 承受内压薄壁容器的应力状态,例 题 6,为测量

28、容器所承受的内压力值，在容器表面用电阻应变片测得环向应变。若已知容器平均直径D500 mm，壁厚10 mm，容器材料的E210 GPa，0.25。,试求：容器所受的内压力。, 承受内压薄壁容器的应力状态,解：容器表面各点均承受二向拉伸应力状态。所测得的环向应变不仅与环向应力有关，而且与纵向应力有关。根据广义胡克定律，就有, 承受内压薄壁容器的应力状态, 应变能与应变能密度,第10章 应力状态与强度理论及其工程应用,返回首页,返回总目录, 总应变能密度, 体积改变能密度与畸变能密度, 应变能与应变能密度,微元应变能(strain energy),力的作用点所产生的位移, 总应变能密度, 应变能与

29、应变能密度,dW =,力在位移上所做的功转变为微元的应变能,=dV, 应变能与应变能密度,应变能密度(strain-energy density), 应变能与应变能密度,+,将一般应力状态分解为两种特殊情形, 体积改变能密度与畸变能密度, 应变能与应变能密度, 应变能与应变能密度, 应变能与应变能密度,V为体积改变能密度（strain-energy density corresponding to the change of volume）, 应变能与应变能密度,d为畸变能密度 (strain-energy density corresponding to the distortion), 应

30、变能与应变能密度,不改变形状，但改变体积, 应变能与应变能密度, 应变能与应变能密度, 应变能与应变能密度, 结论与讨论(1),第10章 应力状态与强度理论及其工程应用,返回首页,返回总目录, 关于应力状态的几点重要结论, 平衡方法是分析应力状态最重要、 最基本的方法, 怎样将应力圆作为思考和分析问题的 重要工具，求解复杂的应力状态问题, 关于应力状态的不同的表示方法, 正确应用广义胡克定律, 注意区分两种最大剪应力, 结论与讨论(1), 关于应力状态的几点重要结论, 结论与讨论(1),应力的点的概念; 应力的面的概念; 应力状态的概念.,变形体力学 基 础, 结论与讨论(1), 平衡方法是分

31、析应力状态 最重要、最基本的方法, 结论与讨论(1),关于A点的应力状态有多种答案，请用平衡的概念分析哪一种是正确的？, 结论与讨论(1), 论证AA截面将不再保持平面。, 论证AA截面上 必然存在剪应力，而 且是非均匀分布的；, 结论与讨论(1), 怎样将应力圆作为思考和分析问题的 重要工具，求解复杂的应力状态问题, 结论与讨论(1),怎样确定C点处的主应力, 结论与讨论(1), 关于应力状态的不同的表示方法, 结论与讨论(1),请分析图示四种应力状态中，哪几种是等价的?, 结论与讨论(1), 注意区分两种最大剪应力, 结论与讨论(1),注意区分面内最大剪应力与所有方向面中的最大剪应力 一点处的最大剪应力, 结论与讨论(1),最大剪应力, 结论与讨论(1), 正确应用广义胡克定律, 结论与讨论(1),请判断下列论述的正确性：, 有应力一定有应变, 有应力不一定有应变, 有应变不一定有应力, 有应变一定有应力, 结论与讨论(1),某一方向的正应变不仅与这一方向的正应力有关。,承受内压的容器，怎样从表面一点处某一方向的正应变推知其所受之内压，或间接测试其壁厚。, 结论与讨论(1),谢 谢 大 家,返回首页,返回总目录,