七、 材料力學(xué)強(qiáng)度失效與設(shè)計準(zhǔn)則

1、第第7 7章章 強(qiáng)度失效分析與設(shè)計準(zhǔn)則強(qiáng)度失效分析與設(shè)計準(zhǔn)則 1、失效的概念與分類失效的概念與分類 2、強(qiáng)度失效判據(jù)與設(shè)計準(zhǔn)則概述、強(qiáng)度失效判據(jù)與設(shè)計準(zhǔn)則概述 3、屈服準(zhǔn)則、屈服準(zhǔn)則 4、斷裂準(zhǔn)則、斷裂準(zhǔn)則 5、強(qiáng)度失效判據(jù)與設(shè)計準(zhǔn)則的應(yīng)用、強(qiáng)度失效判據(jù)與設(shè)計準(zhǔn)則的應(yīng)用 6、結(jié)論與討論、結(jié)論與討論強(qiáng)度失效強(qiáng)度失效失效的概念與分類失效的概念與分類1、強(qiáng)度失效強(qiáng)度失效 由于材料斷裂或屈服引由于材料斷裂或屈服引起的失效起的失效失效的概念與分類失效的概念與分類2、剛度失效剛度失效 由于材料過量的彈性變由于材料過量的彈性變形引起的失效形引起的失效.剛度失效剛度失效失效的概念與分類失效的概念與分類屈曲失效

2、屈曲失效3、屈曲失效、屈曲失效由于平衡構(gòu)由于平衡構(gòu)形的突然轉(zhuǎn)形的突然轉(zhuǎn)變而引起的變而引起的失效失效.失效的概念與分類失效的概念與分類 4、疲勞失效疲勞失效 由于交變應(yīng)由于交變應(yīng)力的作用力的作用,初初始裂紋始裂紋不斷不斷擴(kuò)展而引起擴(kuò)展而引起的脆性斷裂的脆性斷裂.疲勞失效疲勞失效5、蠕變失效蠕變失效 在一定高的溫度和應(yīng)力下，應(yīng)變隨著時間的增加而在一定高的溫度和應(yīng)力下，應(yīng)變隨著時間的增加而增加增加,最終導(dǎo)致構(gòu)件失效。如低碳鋼最終導(dǎo)致構(gòu)件失效。如低碳鋼失效的概念與分類失效的概念與分類6、松弛失效松弛失效在一定的溫度下在一定的溫度下,應(yīng)變保持不變應(yīng)變保持不變,應(yīng)力隨著時間增加而應(yīng)力隨著時間增加而降低降低

3、,從而導(dǎo)致構(gòu)件失效。如有色金屬、有機(jī)材料從而導(dǎo)致構(gòu)件失效。如有色金屬、有機(jī)材料 由于工程構(gòu)件應(yīng)力狀態(tài)的多樣性，我們應(yīng)用拉伸、彎曲、由于工程構(gòu)件應(yīng)力狀態(tài)的多樣性，我們應(yīng)用拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)簡單變形的強(qiáng)度準(zhǔn)則來解決所有問題是不夠的。扭轉(zhuǎn)簡單變形的強(qiáng)度準(zhǔn)則來解決所有問題是不夠的。 對于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)僅僅通過對于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)僅僅通過試驗建立相關(guān)強(qiáng)度準(zhǔn)則也是不試驗建立相關(guān)強(qiáng)度準(zhǔn)則也是不可行的，因為材料的應(yīng)力狀態(tài)如主應(yīng)力的大小、比值不盡相同?？尚械?，因為材料的應(yīng)力狀態(tài)如主應(yīng)力的大小、比值不盡相同。 在有限的實驗結(jié)果和工程實踐的經(jīng)驗總結(jié)的基礎(chǔ)上，人們在有限的實驗結(jié)果和工程實踐的經(jīng)驗總結(jié)的基礎(chǔ)上，人們對失效的現(xiàn)象

4、歸納，對失效原因進(jìn)行假設(shè)，認(rèn)為對失效的現(xiàn)象歸納，對失效原因進(jìn)行假設(shè)，認(rèn)為 材料在外力作材料在外力作用下發(fā)生屈服和斷裂兩種形式強(qiáng)度失效。用下發(fā)生屈服和斷裂兩種形式強(qiáng)度失效。即無論何種應(yīng)力狀態(tài)，即無論何種應(yīng)力狀態(tài)，只要失效形式相同，便具有相同的失效原因。只要失效形式相同，便具有相同的失效原因。從而建立材料在從而建立材料在一般應(yīng)力狀態(tài)下失效判據(jù)，與相應(yīng)的設(shè)計準(zhǔn)則。一般應(yīng)力狀態(tài)下失效判據(jù)，與相應(yīng)的設(shè)計準(zhǔn)則。 屈服失效準(zhǔn)則和斷裂失效準(zhǔn)則能較好的解決強(qiáng)度失效問題。屈服失效準(zhǔn)則和斷裂失效準(zhǔn)則能較好的解決強(qiáng)度失效問題。 強(qiáng)度失效判據(jù)與設(shè)計準(zhǔn)則概述強(qiáng)度失效判據(jù)與設(shè)計準(zhǔn)則概述屈服準(zhǔn)則屈服準(zhǔn)則 (適應(yīng)于塑性材料，如

5、低碳鋼、合金鋼等適應(yīng)于塑性材料，如低碳鋼、合金鋼等)1、最大切應(yīng)力準(zhǔn)則、最大切應(yīng)力準(zhǔn)則 無論材料處于何種應(yīng)力狀態(tài)，只要發(fā)生屈服，無論材料處于何種應(yīng)力狀態(tài)，只要發(fā)生屈服，其共同原因都是由于微元內(nèi)的最大切應(yīng)力其共同原因都是由于微元內(nèi)的最大切應(yīng)力max達(dá)到達(dá)到某個共同的極限值某個共同的極限值max。即：即： 1 - 3 最大切應(yīng)力理論由庫侖最大切應(yīng)力理論由庫侖1773初步提出，特雷斯卡初步提出，特雷斯卡1864確立。確立。幾種常用的強(qiáng)度設(shè)計準(zhǔn)則幾種常用的強(qiáng)度設(shè)計準(zhǔn)則 313131max-;22ss2、形狀改變能密度準(zhǔn)則、形狀改變能密度準(zhǔn)則 無論材料處于何種應(yīng)力狀態(tài)，只要發(fā)生屈服，無論材料處于何種應(yīng)力

6、狀態(tài)，只要發(fā)生屈服，其共同原因都是由于微元內(nèi)的畸變能密度其共同原因都是由于微元內(nèi)的畸變能密度d 達(dá)到某達(dá)到某個共同的極限值個共同的極限值d。即：。即：畸變能密度準(zhǔn)則由米澤斯畸變能密度準(zhǔn)則由米澤斯1913提出。提出。幾種常用的強(qiáng)度設(shè)計準(zhǔn)則幾種常用的強(qiáng)度設(shè)計準(zhǔn)則 213232221-21）（）（）（斷裂準(zhǔn)則斷裂準(zhǔn)則 （適應(yīng)于脆性材料，如鑄鐵、陶瓷等）（適應(yīng)于脆性材料，如鑄鐵、陶瓷等）（無裂紋體的斷裂準(zhǔn)則）（無裂紋體的斷裂準(zhǔn)則） 最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則 無論材料處于何種應(yīng)力狀態(tài)，只要發(fā)生脆性斷裂，其共同無論材料處于何種應(yīng)力狀態(tài)，只要發(fā)生脆性斷裂，其共同原因都是由于微元內(nèi)的最大拉應(yīng)力原因都是由于

7、微元內(nèi)的最大拉應(yīng)力1 達(dá)到某個共同的極限值達(dá)到某個共同的極限值1。即：即： 1 = b nb最大拉應(yīng)力理最早由蘭金提出最大正應(yīng)力理論后修改成最大拉最大拉應(yīng)力理最早由蘭金提出最大正應(yīng)力理論后修改成最大拉應(yīng)力理論。應(yīng)力理論。注意這里的強(qiáng)度判據(jù)是最大拉應(yīng)力，若無拉應(yīng)力則不斷裂。注意這里的強(qiáng)度判據(jù)是最大拉應(yīng)力，若無拉應(yīng)力則不斷裂。 幾種常用的強(qiáng)度設(shè)計準(zhǔn)則幾種常用的強(qiáng)度設(shè)計準(zhǔn)則 要注意不同設(shè)計準(zhǔn)則的適用范圍要注意不同設(shè)計準(zhǔn)則的適用范圍 上述設(shè)計準(zhǔn)則只適用于某種確定的失效形式。因此正確選上述設(shè)計準(zhǔn)則只適用于某種確定的失效形式。因此正確選用設(shè)計準(zhǔn)則是非常重要的，首先判斷失效形式，其次判斷應(yīng)力用設(shè)計準(zhǔn)則是非常

8、重要的，首先判斷失效形式，其次判斷應(yīng)力狀態(tài)。狀態(tài)。 關(guān)于計算應(yīng)力與應(yīng)力強(qiáng)度關(guān)于計算應(yīng)力與應(yīng)力強(qiáng)度將設(shè)計準(zhǔn)則中直接與許用應(yīng)力將設(shè)計準(zhǔn)則中直接與許用應(yīng)力比較的量比較的量,稱之為計算應(yīng)力稱之為計算應(yīng)力ri 或應(yīng)力強(qiáng)度或應(yīng)力強(qiáng)度 Si 2132322214r)()()(21)(4s(最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則)(最大切應(yīng)力準(zhǔn)則最大切應(yīng)力準(zhǔn)則)(形狀改變比能準(zhǔn)則形狀改變比能準(zhǔn)則) 313r)(3s 11r)(1s例例 題題 1已知鑄鐵構(gòu)件上危險點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)如已知鑄鐵構(gòu)件上危險點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)如圖。鑄鐵拉伸許用應(yīng)力圖。鑄鐵拉伸許用應(yīng)力 =30 MPa。試校核該點(diǎn)的強(qiáng)度。試校核該點(diǎn)的強(qiáng)度。強(qiáng)度失效判據(jù)與設(shè)計準(zhǔn)

9、則應(yīng)用強(qiáng)度失效判據(jù)與設(shè)計準(zhǔn)則應(yīng)用解：解：1、鑄鐵材料受拉應(yīng)力失效形、鑄鐵材料受拉應(yīng)力失效形式為脆性斷裂，選擇最大拉應(yīng)力準(zhǔn)式為脆性斷裂，選擇最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則則 max= 1 2、確定主應(yīng)力，由應(yīng)力圓、確定主應(yīng)力，由應(yīng)力圓得得:1=29.28; 2=3.72; 3=0;強(qiáng)度失效判據(jù)與設(shè)計準(zhǔn)則應(yīng)用強(qiáng)度失效判據(jù)與設(shè)計準(zhǔn)則應(yīng)用C=16.5xy11R=12.781=29.28 max = 1 = 30 MPa結(jié)論：構(gòu)件強(qiáng)度是安全的。結(jié)論：構(gòu)件強(qiáng)度是安全的。y (23;11)x (10; -11) 低碳鋼構(gòu)件的危險點(diǎn)處應(yīng)力狀態(tài)如低碳鋼構(gòu)件的危險點(diǎn)處應(yīng)力狀態(tài)如圖，已知圖，已知 和和 。試寫出試寫出:最大切應(yīng)力準(zhǔn)

10、則和形狀改最大切應(yīng)力準(zhǔn)則和形狀改變能密度準(zhǔn)則的表達(dá)式。變能密度準(zhǔn)則的表達(dá)式。例例 題題 2強(qiáng)度失效分析與設(shè)計準(zhǔn)則強(qiáng)度失效分析與設(shè)計準(zhǔn)則解：解：1、由應(yīng)力圓確定主應(yīng)力、由應(yīng)力圓確定主應(yīng)力強(qiáng)度失效判據(jù)與設(shè)計準(zhǔn)則應(yīng)用強(qiáng)度失效判據(jù)與設(shè)計準(zhǔn)則應(yīng)用221)5 . 0(5 . 0223)5 . 0(5 . 002C=0.522)5.0(R2、最大切應(yīng)力準(zhǔn)則、最大切應(yīng)力準(zhǔn)則2231r343、形狀改變比能準(zhǔn)則、形狀改變比能準(zhǔn)則213232221r421223y(0;-)x(;)13yx例例 題題 3、P187習(xí)題習(xí)題7-6(1):對于圖示平面應(yīng)對于圖示平面應(yīng)力狀態(tài)，力狀態(tài)，x=40MPa;y=40MPa;xy=

11、60MPa;試按最大切應(yīng)力準(zhǔn)則和畸變能密度準(zhǔn)則計試按最大切應(yīng)力準(zhǔn)則和畸變能密度準(zhǔn)則計算其應(yīng)力。算其應(yīng)力。強(qiáng)度失效判據(jù)與設(shè)計準(zhǔn)則的應(yīng)用強(qiáng)度失效判據(jù)與設(shè)計準(zhǔn)則的應(yīng)用xyxy解：解：1、如圖用應(yīng)力圓求主應(yīng)力：、如圖用應(yīng)力圓求主應(yīng)力： 1 = 100MPa; 3 = -20MPa; 2 = 0; 2、最大切應(yīng)力準(zhǔn)則的計算應(yīng)力：、最大切應(yīng)力準(zhǔn)則的計算應(yīng)力： r3 = 3 - 1 = 120MPa; 3、畸變能密度準(zhǔn)則的計算應(yīng)力：、畸變能密度準(zhǔn)則的計算應(yīng)力： =111.4MPa強(qiáng)度失效判據(jù)與設(shè)計準(zhǔn)則的應(yīng)用強(qiáng)度失效判據(jù)與設(shè)計準(zhǔn)則的應(yīng)用xyxyyxC=400213232221r42113R=60y(40;-6

12、0)x(40;60)應(yīng)力單位（應(yīng)力單位（MPa）例例 題題 4、P187習(xí)題習(xí)題7-7（1）鋼制零件上危險點(diǎn)的平面應(yīng)力狀態(tài)如圖鋼制零件上危險點(diǎn)的平面應(yīng)力狀態(tài)如圖所示。已知材料的屈服應(yīng)力所示。已知材料的屈服應(yīng)力s=330MPa。試按最大切應(yīng)力準(zhǔn)則確定試按最大切應(yīng)力準(zhǔn)則確定0=207MPa時時是否發(fā)生屈服，并計算不屈服時的安全是否發(fā)生屈服，并計算不屈服時的安全系數(shù)。系數(shù)。強(qiáng)度失效判據(jù)與設(shè)計準(zhǔn)則的應(yīng)用強(qiáng)度失效判據(jù)與設(shè)計準(zhǔn)則的應(yīng)用103MPa00應(yīng)力單位（應(yīng)力單位（MPa）解：解：1、如圖用應(yīng)力圓求主應(yīng)力：、如圖用應(yīng)力圓求主應(yīng)力： 1 = 0； 2 = -104MPa; 3 = -310MPa; 2、

13、按照最大切應(yīng)力準(zhǔn)則：、按照最大切應(yīng)力準(zhǔn)則： r3 = 1 - 3 = 310MPas =330MPa; 零件不發(fā)生屈服。零件不發(fā)生屈服。 3、由最大切應(yīng)力準(zhǔn)則計算安全因數(shù)：、由最大切應(yīng)力準(zhǔn)則計算安全因數(shù)： r3 = s / ns ns s / r3 = 330 / 310 = 1.065;強(qiáng)度失效判據(jù)與設(shè)計準(zhǔn)則的應(yīng)用強(qiáng)度失效判據(jù)與設(shè)計準(zhǔn)則的應(yīng)用103-207-207C=2070X(-207;103)y(-207;-103)3= -3102= -104R= 103xy應(yīng)力單位（應(yīng)力單位（MPa）例例 題題 5、P188 習(xí)題習(xí)題7-10 鋁合金制成鋁合金制成的零件上某一點(diǎn)處的平面應(yīng)力狀態(tài)如的零件

14、上某一點(diǎn)處的平面應(yīng)力狀態(tài)如圖所示，其屈服應(yīng)力圖所示，其屈服應(yīng)力s = 280MPa。試按試按最大切應(yīng)力準(zhǔn)則確定最大切應(yīng)力準(zhǔn)則確定:（1）屈服時）屈服時y 的代數(shù)值；的代數(shù)值；（2）安全因數(shù)為）安全因數(shù)為1.2時時y 的值。的值。強(qiáng)度失效判據(jù)與設(shè)計準(zhǔn)則的應(yīng)用強(qiáng)度失效判據(jù)與設(shè)計準(zhǔn)則的應(yīng)用10080yyx應(yīng)力單位（應(yīng)力單位（MPa）解：解：1、如圖用應(yīng)力圓求主應(yīng)力：、如圖用應(yīng)力圓求主應(yīng)力： C = 80+(y-80) /2 ; R=100 +(+(y -80)/)/2 1=C+R有問題！有問題！強(qiáng)度失效判據(jù)與設(shè)計準(zhǔn)則的應(yīng)用強(qiáng)度失效判據(jù)與設(shè)計準(zhǔn)則的應(yīng)用10080yyxx(80;-100)y(y;100

15、)CR應(yīng)力單位（應(yīng)力單位（MPa）例例 題題 3強(qiáng)度失效判據(jù)與設(shè)計準(zhǔn)則的應(yīng)用強(qiáng)度失效判據(jù)與設(shè)計準(zhǔn)則的應(yīng)用結(jié)論與討論結(jié)論與討論1、工程中強(qiáng)度失效準(zhǔn)則的應(yīng)用要按照設(shè)計規(guī)范進(jìn)行。、工程中強(qiáng)度失效準(zhǔn)則的應(yīng)用要按照設(shè)計規(guī)范進(jìn)行。強(qiáng)度失效分析與設(shè)計準(zhǔn)則強(qiáng)度失效分析與設(shè)計準(zhǔn)則課外練習(xí)：課外練習(xí)： 7-5, 7-6（2）, 7-7（2）7-9, 2、要區(qū)分一點(diǎn)要區(qū)分一點(diǎn)失效與構(gòu)失效與構(gòu) 件失效；件失效；一點(diǎn)一點(diǎn)失效即構(gòu)件失效失效即構(gòu)件失效一點(diǎn)一點(diǎn)失效并不意味構(gòu)件失效失效并不意味構(gòu)件失效3、要區(qū)分強(qiáng)度、要區(qū)分強(qiáng)度失效與失效與剛度失效、穩(wěn)定失效的剛度失效、穩(wěn)定失效的區(qū)別區(qū)別強(qiáng)度可能強(qiáng)度可能失效剛度不一定失效失效剛度不一定失效剛剛度可能度可能失效失效強(qiáng)強(qiáng)度不一定失效度不一定失效FP4、要注意強(qiáng)度、