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1、主讲老师：张恒文,工程力学(1),(11),2019年5月7日,返回总目录,第二篇 弹性静力学,工程力学(1),第二篇 弹性静力学,第11章 强度失效分析与设计准则,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。这些是本章将要涉及的主要问题。,第11章 强度失效分析与设计准则,失效的类型很多，本章主要讨论静载荷作用下的强度失效。,失效与材料的力学行为密切相关，因此研究失效必须通过实验研究材料的力学行为。,实验是重要的，但到目前为
2、止，人类所进行的材料力学行为与失效实验是很有限的。怎样利用有限的实验结果建立多种情形下的失效判据与设计准则，这是本章的重点。,第11章 强度失效分析与设计准则, 构件失效概念与失效分类, 强度失效判据与设计准则概述, 屈服准则, 断裂准则, 强度失效判据与设计准则的应用, 结论与讨论,第11章 强度失效分析与设计准则, 构件失效概念与失效分类,返回,返回总目录,失效由于材料的力学行为而使 构件丧失正常功能的现象., 构件失效概念与失效分类,失效由于材料的力学行为而使 构件丧失正常功能的现象., 构件失效概念与失效分类,失效分类, 强度失效(Failure by Lost Strength) 由
3、于断裂(Rupture)或屈服(Yield)引起的失效, 构件失效概念与失效分类, 强度失效, 构件失效概念与失效分类,失效分类, 刚度失效(Failure by Lost Rigidity) 由于过量的弹性变形引起的失效., 构件失效概念与失效分类, 刚度失效, 构件失效概念与失效分类,失效分类, 屈曲失效(Failure by Buckling,Failure by Lost Stability)由于平衡构形的 突然转变而引起的失效., 构件失效概念与失效分类, 屈曲失效, 构件失效概念与失效分类, 疲劳失效 (Failure by Fatigue)由于交变应力的作用, 初始裂纹不断扩展而
4、引起的脆性断裂., 蠕变失效 (Failure by Creep)在一定的温度和应力下, 应变随着时间的增加而增加,最终导致构件失效., 构件失效概念与失效分类, 松弛失效(Failure by Relaxation)在一定的温度下,应变保持不变,应力随着时间增加而降低,从而导致构件失效., 构件失效概念与失效分类,失效分类,强度失效 刚度失效 屈曲失效 疲劳失效 蠕变失效 松弛失效, 构件失效概念与失效分类,第11章 强度失效分析与设计准则, 强度失效判据与设计准则概述,返回,返回总目录,难 点 应力状态的多样性 试验的复杂性 不可能性与可能性, 强度失效判据与设计准则概述, 逐一由试验建立
5、失效判据的不可能性；, 对于相同的失效形式建立失效原因假说的可能性；, 利用拉伸试验的结果建立复杂应力状态下的失效判据。, 建立失效判据的途径及其可能性, 强度失效判据与设计准则概述, 两种强度失效形式, 屈 服, 断 裂,无裂纹体,含裂纹体, 强度失效判据与设计准则概述, 屈服准则 最大切应力准则 形状改变比能准则 断裂准则 无裂纹体的断裂准则最大拉应力准则 应用举例, 强度失效判据与设计准则概述,第11章 强度失效分析与设计准则, 屈服准则,返回,返回总目录, 屈服准则, 最大切应力准则, 畸变能密度准则, 屈服准则, 最大切应力准则, 最大切应力准则 (Trescas Criterion
6、), 屈服准则, 最大切应力准则,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。, 屈服准则, 最大切应力准则, 最大切应力准则 (Trescas Criterion),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。,失效判据,设计准则, 屈服准则, 最大切应力准则, 屈服准则, 畸变能密度准则, 形状改变比能准则(Misess Criterion), 屈服准则, 畸变能密度准则,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了一个共同的极限值。, 屈服准则, 畸变能密度准则, 形状
7、改变比能准则(Misess Criterion),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了一个共同的极限值。, 形状改变比能准则,失效判据,设计准则, 屈服准则, 畸变能密度准则,第11章 强度失效分析与设计准则, 断裂准则,返回,返回总目录, 断裂准则, 断裂失效的三种类型, 最大拉应力准则, 断裂准则, 断裂失效的三种类型, 断裂准则, 断裂失效的三种类型,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）。工程上常见的断裂失效主要有三种类型。,
8、断裂准则, 断裂失效的三种类型, 无裂纹结构或构件的突然断裂。由脆性材料制成的零件或构件在绝大多数受力情形下大都发生突然断裂，例如受拉的铸铁零部件、混凝土构件等的断裂。, 具有裂纹（crack）构件的突然断裂。这类断裂不限于发生在脆性材料制成的零件或构件，它经常发生在由韧性材料制成的、由于各种原因而具有初始裂纹的零件或构件。, 构件的疲劳断裂（fatigue fracture）。构件在交变应力作用下，即使是韧性材料，当经历一定次数的交变应力作用之后也会发生脆性断裂。,第一类和第三类断裂问题属于本书讨论的范围；第二类断裂问题属于断裂力学（fracture mechanics）研究领域。本节主要介
9、绍关于第一类断裂的判据与准则。疲劳断裂问题将在本书以后的专章中讨论。, 断裂准则, 最大拉应力准则, 无裂纹体的断裂准则最大拉应力准则 (Maximum Tensile-Stress Criterion),无论材料处于什么应力状态,只要生脆性断裂,都是由于微元内的最大拉应力达到了一个共同的极限值。, 断裂准则, 最大拉应力准则, 断裂准则, 最大拉应力准则, 无裂纹体的断裂准则最大拉应力准则 (Maximum Tensile-Stress Criterion),无论材料处于什么应力状态,只要生脆性断裂,都是由于微元内的最大拉应力达到了一个共同的极限值。,失效判据,设计准则, 断裂准则, 最大拉
10、应力准则, 无裂纹体的断裂准则最大拉应力准则 (Maximum Tensile-Stress Criterion),无论材料处于什么应力状态,只要生脆性断裂,都是由于微元内的最大拉应力达到了一个共同的极限值。, 带裂纹体的断裂准则线性断裂力学准则, 裂纹尖端的应力集中, 韧性材料脆性断裂, 断裂准则, 带裂纹体的断裂准则, 线性断裂力学判据 KI=KIC KI应力强度因子 KIC断裂韧性(由实验确定), 经典准则不再适用 应力集中区域内材料处于三向拉伸应力状态材料由韧性向脆性转变, 断裂准则, 带裂纹体的断裂准则,第11章 强度失效分析与设计准则, 强度失效判据与设计准则的应用,返回,返回总目
11、录, 关于计算应力与应力强度,将设计准则中直接与许用应力比较的量, 称之为计算应力ri 或应力强度 Si,(最大拉应力准则),(最大切应力准则),(形状改变比能准则), 强度失效判据与设计准则的应用,例 题 1,已知 ：铸铁构件上危险 点的应力状态。 铸铁拉伸许用应 力 =30MPa。 试校核: 该点的强度。, 强度失效判据与设计准则的应用,解：首先根据材料和应力状态确定失效形式，选择设计准则。,脆性断裂，最大拉应力 准则,max= 1 ,其次确定主应力, 例 题 1, 强度失效判据与设计准则的应用,解：其次确定主应力, 例 题 1, 强度失效判据与设计准则的应用, 例 题 1, 强度失效判据
12、与设计准则的应用,解：最后应用强度设计准则校核强度,129.28MPa, 23.72MPa, 30,max= 1 29.28MPa = 30MPa,结论：危险点的强度是安全的。,已知： 和 试写出:最大切应力准则和形状改变能密度准则的表达式。,例 题 2, 强度失效判据与设计准则的应用, 例 题 2, 强度失效判据与设计准则的应用,解：确定主应力, 例 题 2, 强度失效判据与设计准则的应用,对于最大切应力准则,对于形状改变比能准则,解：建立强度设计准则表达式,第11章 强度失效分析与设计准则, 结论与讨论,返回,返回总目录, 结论与讨论, 关于强度失效的几点结论, 关于失效准则的应用, 关于
13、安全因数的确定, 结论与讨论, 关于强度失效的几点结论, 关于失效的几点结论(1),要区分一点失效与构件失效,应力均匀分布时，一点失效即构件失效, 结论与讨论, 关于强度失效的几点结论, 关于失效的几点结论(1),要区分一点失效与构件失效, 结论与讨论, 关于强度失效的几点结论,应力非均匀分布时，一点失效并不意味着构件失效。, 关于失效的结论(1),要区分一点失效与构件失效,应力非均匀分布时，一点失效并不意味着构件失效。, 结论与讨论, 关于强度失效的几点结论,要区分构件失效与结构失效, 结论与讨论, 关于强度失效的几点结论, 关于失效的结论(2),对于静定结构，其中的一个构件失效将导致结构失
14、效.,要区分构件失效与结构失效, 结论与讨论, 关于强度失效的几点结论, 关于失效的结论(2),等于超静定结构，其中的某一构件失效并不意味着结构失效。,要注意强度失效不仅与应力大小有关，而且与应力状态有关 。,韧性材料,脆性材料,脆性断裂,塑性变形, 结论与讨论, 关于强度失效的几点结论, 关于失效的结论(3), 结论与讨论, 关于失效准则的应用,要注意不同设计准则的适用范围, 结论与讨论, 关于失效准则的应用, 对于大多数韧性材料在一般应力状态下发生塑 性屈服；, 对于大多数脆性材料在一般应力状态下发生脆 性断裂；, 要注意例外。,要注意强度设计的全过程, 结论与讨论, 关于失效准则的应用,
15、 设计准则并不包括强度设计的全过程，只是在确定了危险点及其应力状态之后的计算过程。因此，在对构件或零部件进行强度计算时，要根据强度设计步骤进行。特别要注意的是，在复杂受力形式下，要正确确定危险点以及危险点的应力状态，并根据可能的失效形式选择合适的设计准则。这一问题将在下一章作详尽的讨论。, 结论与讨论, 关于安全因数的确定, 结论与讨论, 关于安全因数的确定,根据不同工程部门对结构和构件的要求，正确选择安全因数是重要的工程任务。绝大多数情形下都是由工业部门以至国家规定的。选择安全因数的总原则是既安全又经济。具体选择时需要考虑以下几方面：, 结论与讨论, 关于安全因数的确定, 材料性能方面的差异
16、 冶炼、加工过程中成分和强度都会有微小差异。, 在结构或机器的使用期限内加载的次数 绝大多数结构和机器在“服役”期都要经历着多次“启动（加载）运行（载荷维持不变）停车（卸载）”的过程。材料的强度将随着加载、卸载次数的增加而减小。, 设计时所考虑的或者将来可能承受的荷载类型 绝大多数情形下，设计载荷很难是精确已知的，只能是工程估算的结果。此外，使用场合的变化或变更，也会引起实际载荷的变化。动载荷、循环载荷以及冲击载荷作用，安全因数要稍大些。, 结论与讨论, 关于安全因数的确定, 可能发生的失效形式 脆性材料失效（断裂）前没有明显的预兆，而是突然发生的。韧性材料失效时有明显的变形，在失效前有预兆，能知道超载的存在。前一种情形下，一般取较大的安全因数；后一种情形下安全因数较小。, 分析方法的不精确性 所有工程设计方法，都以一定的简化假定作基础，由此得到的计算应力只是实际应力的近似。方法精度越高，安全因数越小。, 由于保养不善或其他自然因素引起的损伤 对于在腐蚀或锈蚀等难以控制甚至难以发现的条件下工作的构件，安全因数要偏大。,第11章作业,115, 1113, 1114, 1115,谢 谢 大 家,返回总目录,返回,