应力状态分析强度理论组合变形培训课件.ppt
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1、除轴向拉伸与压缩外,杆件横截面上不同点的应力是不相同的除轴向拉伸与压缩外,杆件横截面上不同点的应力是不相同的;以及这些应力的极大值和极小值。以及这些应力的极大值和极小值。是指过一点不同方向面上应力的总称。是指过一点不同方向面上应力的总称。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;应力状态应力状态介绍应力状态的基本概念介绍应力状态的基本概念,描述一点应力状态的基本方法,描述一点应力状态的基本方法,分析过一点任意方向面上的应力分析过一点任意方向面上的应力;分析方法分析方法:基于平衡原理的解析方法基于平衡原理的解析方法;主要内容主要内容
2、概述概述 内力图内力图 应力分布规律应力分布规律危险面;危险面;危险点(位于危险面上)危险点(位于危险面上)危险方位危险方位 回顾回顾:1轴向拉轴向拉/压:压:轴力N AN2扭转扭转:扭矩T pIT3弯曲:弯曲:弯矩M zIyM NTM 单独的弯曲、轴向拉伸会算应力,会校核!单独的弯曲、轴向拉伸会算应力,会校核!1234弯曲弯曲+轴向拉伸,怎么办轴向拉伸,怎么办两个问题:两个问题:应力叠加应力叠加强度标准强度标准(实心截面)(实心截面)pIT应力的点应力的点应力的面应力的面圆轴扭转横截面上的正应力分布横截面上的正应力分布Mz同一面上不同点的应力各不相同,同一面上不同点的应力各不相同,结果表明:
3、结果表明:即即应力的点的概念应力的点的概念。zIyM 轴向拉压轴向拉压同一横截面上各点应力相等:同一横截面上各点应力相等:AFFF同一点在斜截面上时:同一点在斜截面上时:2cos2sin2 x y x yx xyxx y x 两种材料的拉伸试验两种材料的拉伸试验两种材料的扭转试验两种材料的扭转试验v目的:v 研究过一点的各个面上的应力情况,找到过该点的最大应力(正应力,切应力),以及其平面方位。微元及其各面上的应力来描述一点的应力状态。微元及其各面上的应力来描述一点的应力状态。B、相对面上的应力等值、反向、共线、相对面上的应力等值、反向、共线;、一点、一点微元(单元体,有结构;不同于数学点),
4、微元(单元体,有结构;不同于数学点),正六面体正六面体dx、dy、dz0;、应力、应力六面体上各个面均有应力六面体上各个面均有应力 iii、状态、状态由于单元体无穷小,故认为:由于单元体无穷小,故认为:A、应力在单元体各个面上均匀分布;、应力在单元体各个面上均匀分布;yxz x y z xy yx yz zy zx xzx y yx xy xyxyyxx yx xy一点的应力状态一点的应力状态v主平面:单元体中剪应力等于零的平面。主应力:主平面上的正应力。主应力:主平面上的正应力。主方向:主平面的法线方向。主方向:主平面的法线方向。主单元体:在单元体各侧面只有正应力而无剪应力主单元体:在单元体
5、各侧面只有正应力而无剪应力常用术语常用术语123321约定:约定:AF0270MPa5MPaMPa700532170MPa1003MPaMPaMPa100703321MPaMPa7005321MPaMPa7005321MPaMPaMPa100703321MPaMPaMPa1007033210;3210,321应力状态的分类应力状态的分类 单向应力状态单向应力状态:三个主应力中,只有一个主应力不等于零的情况。三个主应力中,只有一个主应力不等于零的情况。二向应力状态:二向应力状态:三个主应力中有两个主应力不等于零的情况。三个主应力中有两个主应力不等于零的情况。三向应力状态三向应力状态:三个主应力皆
6、不等于零的情况。三个主应力皆不等于零的情况。123123第二节第二节 平面应力状态分析平面应力状态分析xxxxxyyxyxyxxy xyx y yx xyx xxyyxyxyx y yx xy截取微元体截取微元体dAsindAcosdA0yF0 xF微元体平衡微元体平衡x xxyyxydAsindAcosdA0nF0tF0 xF xy y yxdA x 平衡方程平衡方程 cos)cos(dAx ydA(sin)sin 0dA +dA(cos)sinxy+dA(sin)cosyxyxxy由切应力互等原理2y2xsincossin2cos+xy0 yF xy y yxdA x 平衡方程平衡方程 d
7、A xdA(cos)sin xydA(cos)cos+ydA(sin)cos+yxdA(sin)sin 0yxxy由切应力互等原理cossinsincoscossiny22x+yxxy)sin(coscossin)(22yx+xy2y2xsincossin2cos+xy)sin(coscossin)(22yx+xyx xxyyxy22cos1cos2+22cos-1sin22sincossin222cos12sin2cos21yx+xy)22cos122cos1(2sin)(21yx+xysin2cos222xyyxyx+cos2sin22xyyx+MPaxyyxyx352sin2cos)(2
8、1)(21+MPaxyyx6.602cos2sin)(21+MPax70MPay700 xy30、7070MPaab3010MPa,30MPaxy 20MPa,20MPa,xyyx cos2sin222xyxyxy+3010301030cos6020sin6022+sin2cos22xyxy+301030sin6020cos60 2+MPa10MPa30MPa20MPa20030例题2.求斜面ab上的正应力和切应力yx解:ab303003017.32MPa 27.32MPa 研究构件受力破坏的时候,最关心应力最大的平面sin2cos222xyyxyx+cos2sin22xyyx+正应力的极值正
9、应力的极值0cos2sin22)(2ddxyyx+yxxy22cos2sin2tan0002 00+;=00cos2sin22xyyx+02sin02cos 0 xy0yxyxsin2cos222+0 xy0yxcos2sin22+22)2(2xyyxyx+09000+maxmin1和和 确定两个互相垂直的平面,一个确定两个互相垂直的平面,一个是最大正应力是最大正应力所在的平面,另一个是最小正应力所在的平所在的平面,另一个是最小正应力所在的平面。这两个平面都是主平面。面。这两个平面都是主平面。O090+0(1)xyxmax(2)0yxxy220tan0 minmax2xy2yxyx)2(2+s
10、in2cos222xyyxyx+321cos2sin22xyyx+0sin22cos2ddxyyx)(xyyx221tan2 11+xyyx221tancos2sin22xyyx+22)2(xyyx+minmax2minmaxmaxminmax2xy2yxyx)2(2+例例5-2:分析拉伸时低碳钢试件出现滑移线的原因分析拉伸时低碳钢试件出现滑移线的原因v任取一个单元体,分析其应力状态。v求主应力。v求最大切应力及其与横截面之间的夹角45。v结论:低碳钢一类塑性材料抗剪切能力低于抗拉能力。cos2sin22xyyx+sin2cos222xyyxyx+xyx y yx xy00 xyy,)(cos
11、2121x+得:=0时正应力最大 00 xyy,sin221x得:=45时切应力最大xmaxx21maxAFNx例题例题5-:讨论圆轴扭转时的应力状态,并分析铸铁试件受扭时的破坏现象。:讨论圆轴扭转时的应力状态,并分析铸铁试件受扭时的破坏现象。M0 xyxy解:(1)圆轴扭转时,在横截面的边缘处切应力最大,其值为yxtWM2max2min22xyxyxy+yx022tan200 xyxy 045135 或(2)求主应力()求主平面132013 45圆周扭转时最大正应力发生在与轴线成45角的斜截面上,为拉应力。对铸铁一类脆性材料而言,其抗拉强度较低,因此,铸铁受扭时将沿与轴线成45角的螺旋面被拉
12、断。2=90或270 MPa70MPa50AaqL取代数值较大的为 ,x0 xMPay70MPaxy505070yxMPayx50MPaMPaxyyxyx96264)(21)2122minmax+(,MPaMPa96,0,26321故 5.1175.27429.122tan00或yxxy5.2701为 所在平面。试求试求(1 1)斜面上的应力;斜面上的应力;(2 2)主应力、主平面;)主应力、主平面;(3 3)绘出主应力单元体。)绘出主应力单元体。y x xy。30MPa,60 xMPa,30 xy,MPa40y已知已知(1 1)斜面上的应力斜面上的应力2sin2cos22xyyxyx+)60
13、sin(30)60cos(2406024060+MPa02.92cos2sin2xyyx+)60cos(30)60sin(24060+MPa3.58y x xy 30 MPa,60 xMPa,30 xy,MPa40y(2 2)主应力、主平面)主应力、主平面2yx+xyyx22)2(+maxMPa3.682yx+xyyx22)2(+minMPa3.48MPa3.48,0MPa,3.68321y x xy MPa,60 xMPa,30 xy,MPa40y主平面的方位:主平面的方位:yxxytg2206.0406060+,5.1505.105905.150+y x xy 代入代入 表达式可知表达式可
14、知 主应力主应力 方向:方向:15.150主应力主应力 方向:方向:3 5.1050MPa,60 xMPa,30 xy,MPa40y(3 3)主应力单元体:)主应力单元体:y x xy 5.1513P例题650507070(1)垂直方向等于零的应力是代数值较大的应力,故取轴的方向垂直向上0 xMPay7050 xyMPaMPayx50解:xy2max2min22xyxyxy+220(70)0(70)(50)22+2696MPaMPa2a0MP(2)求主应力1a26MP3a96MP 022(50)tan21.4290(70)xyxy ()求主平面027.5117.5或50507070 x27.5
15、13三向应力状态的三向应力状态的最大剪应力:最大剪应力:231maxMPaMPaMPa51,31,60321例:MPa5.552)51(60231max 第三节第三节 三向应力状态简介三向应力状态简介 广义胡克定律广义胡克定律三向应力状态的最大三向应力状态的最大正应力和最小正应力:正应力和最小正应力:3min1max且与且与2平行平行1.1.基本变形的胡克定律基本变形的胡克定律ExxExxyxyx1 1)轴向拉压胡克定律)轴向拉压胡克定律横向线应变横向线应变2 2)纯剪切胡克定律)纯剪切胡克定律 G 纵向线应变纵向线应变2 2、三向应力状态的广义胡克定律、三向应力状态的广义胡克定律231321
16、32111-1+EEEE1231E1E2E3叠加法叠加法=+沿沿 方向的主应变方向的主应变123132111+E13221+E21331+E0 xy0yz0zx沿三方向的主应变沿三方向的主应变)(1zyxxE +Gxyxy 3 3、广义胡克定律的一般形式、广义胡克定律的一般形式)(1xzyyE +)(1yxzzE +Gyzyz Gzxzx x y z xy yx yz zy zx xz1xxyE1yyxEzxyE+xy y x 第四节第四节 强度理论强度理论v一、强度理论的概念 v 单向应力状态可通过试验建立强度条件 nAN0max,二、材料的两种破坏形式v脆断破坏v屈服破坏v三向拉应力的塑性
17、材料发生脆性断裂v三向压应力的脆性材料有时也发生明显的塑性变形三、四个基本的强度理论v一类是解释材料断裂破坏的强度理论,有最大拉应力理论和最大伸长线应变理论;v另一类是解释材料流动破坏的强度理论,最大切应力理论和形状改变比能理论(畸变能密度理论)。1、最大拉应力理论(第一强度理论)v在十七世纪提出,针对建筑材料v只要最大拉应力达到材料的极限值,材料就发生脆性断裂破坏。v破坏条件:b1强度条件:1用于受拉应力的某些脆性材料,铸铁、石料、混凝土 没有考虑其它两个主应力的影响,也不适用于三向压缩应力状态。2、最大伸长线应变理论(第二强度理论)v最大伸长线应变达到材料的极限值,材料就发生脆性断裂破坏。
18、满足虎克定律。v破坏条件:E11强度条件:32111+E解释石料、混凝土等脆性材料在压缩时的破坏情况。+3213、最大剪应力理论(第三强度理论)v最大剪应力达到极限值,材料就发生屈服破坏。v破坏条件:0max强度条件:强度条件:200虽然没考虑虽然没考虑2,但能较好地解释塑性屈服,在工程中,但能较好地解释塑性屈服,在工程中得到广泛的应用。得到广泛的应用。31231max4、形状改变比能理论(第四强度理论)v变形体单位体积内所积蓄变形能称变形比能,包括形状改变比能和体积改变比能。v畸变能密度:213232221202+)(21323222161+Euf单向拉伸下相对单向拉伸下相对0 的畸变能密度
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