b第10講 2失效分析與設計準則

工程構件的

失效分析與設計準則第十講二張宇主講工程構件的失效分析與設計準則

引論—工程中的強度、剛度和穩(wěn)定性問題復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則

三個強度理論應用舉例結論與討論張宇主講引論

工程中的強度、剛度和穩(wěn)定性問題工程構件的失效分析與設計準則張宇主講強度問題

強度—不因發(fā)生斷裂或塑性變形而失效

強度失效—由于斷裂(rupture)或屈服(yield)引起的失效工程構件的失效分析與設計準則張宇主講

工程中的強度問題EraoftheExploration

張宇主講

工程中的強度問題張宇主講選擇題圖示矩形截面直桿，右端固定，左端在桿的對稱平面內作用有集中力偶M。關于固定端處橫截面A-A上的內力分布，有四種答案，根據(jù)彈性體的特點，下列答案中合理的是（）

工程中的強度問題張宇主講制作暖氣片的材料灰口鑄鐵的顯微組織球墨鑄鐵的顯微組織張宇主講長江三峽工程

工程中的強度問題張宇主講核反應堆結構

工程中的強度問題張宇主講（講義10－1）

選擇題：厚壁玻璃杯注入沸水時，其內、外壁任一點處的應力狀態(tài)（）。

A分別是單向拉伸和單向壓縮

B分別是單向壓縮和單向拉伸

C均是單向壓縮

D均是單向拉伸

工程中的強度問題張宇主講（講義10－1）

選擇題：厚壁玻璃杯注入沸水時，其內、外壁任一點處的應力狀態(tài)（）。

A分別是單向拉伸和單向壓縮

B分別是單向壓縮和單向拉伸

C均是單向壓縮

D均是單向拉伸

如果杯子破裂（斷裂），應該從外壁開始。

工程中的強度問題張宇主講剛度問題

剛度—不因發(fā)生過大的彈性變形而失效剛度失效—由于過大的彈性變形引起的失效工程構件的失效分析與設計準則張宇主講

工程中的剛度問題張宇主講

工程中的剛度問題張宇主講SpaceShuttleDiscovery

工程中的剛度問題張宇主講

工程中的剛度問題海灣大橋YokohamaBaybridge

張宇主講

工程中的剛度問題橋面結構張宇主講橋面結構問題橋面設計的很厚行不行？橋面設計的很薄行不行？

工程中的剛度問題張宇主講

工程中的剛度問題張宇主講高剛度的橋面結構剛度問題

工程中的剛度問題張宇主講穩(wěn)定性問題

穩(wěn)定性—不因發(fā)生平衡形式的突然改變而失效屈曲失效—由于平衡形式的突然改變引起的失效張宇主講

工程中的穩(wěn)定性問題張宇主講桁架中的壓桿

工程中的穩(wěn)定性問題張宇主講高壓輸電線路保持相間距離的受壓構件

工程中的穩(wěn)定性問題張宇主講

工程中的穩(wěn)定性問題張宇主講“Suchfailurescanbecatastrophicandleadtoalargelossoflifeaswellasmajoreconomicloss”

工程中的穩(wěn)定性問題張宇主講失效分類強度失效剛度失效屈曲失效等張宇主講復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講請注意！關鍵是要建立復雜應力狀態(tài)下強度失效判據(jù)與設計準則的思路

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講

難點

應力狀態(tài)的多樣性

試驗的復雜性

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講

難點應力狀態(tài)的多樣性

s1s2s3

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講

難點試驗的復雜性

s1s2s3

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講重要思路不可能性與可能性

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講由于應力狀態(tài)的多樣性和實驗的復雜性逐一由試驗建立失效判據(jù)是不可能的重要思路不可能性

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講通過有限的實驗尋找構件失效的相同的形式就可以利用最簡單的試驗的結果建立復雜應力狀態(tài)下的失效判據(jù)和設計準則★重要思路★可能性對這個相同形式進行假說，假設對同一個失效形式，其失效原因是相同的張宇主講我們已經(jīng)知道，某個隨機事件在一次試驗中是否發(fā)生帶有偶然性，但大量試驗中，它的發(fā)生具有統(tǒng)計規(guī)律性，于是，就可以通過大量（近似為無窮多次）的重復試驗，去尋找這個客觀存在的規(guī)律。隨機事件統(tǒng)計規(guī)律性的應用張宇主講不可能性可能性隨機事件統(tǒng)計規(guī)律性的應用不可能性：由于各種條件的制約，不可能每個問題都經(jīng)過大量試驗來得出結論，這是現(xiàn)實問題。張宇主講通過簡單的有限的試驗尋找事件發(fā)生的共同的規(guī)律就可以用簡單有限的試驗去發(fā)現(xiàn)并利用好規(guī)律性?！镏匾枷搿飳@個共同規(guī)律進行假說和分析張宇主講1999－70. Theauthorimpliesthattheresultsofscientificresearch________.[A]maynotbeasprofitableastheyareexpected[B]canbemeasuredindollarsandcents[C]relyonconformitytoastandardpattern[D]aremostlyunderestimatedbymanagement張宇主講2001－65. Fromparagraph4wecaninferthat________.[A]theincreasingconcentrationiscertaintohurtconsumers[B]WorldComservesasagoodexampleofbothbenefitsandcosts[C]thecostsoftheglobalizationprocessareenormous[D]theStandardOiltrustmighthavethreatenedcompetition張宇主講2005－34. Cartwrightseemstosuggestthat________.[A]wakingupintimeisessentialtotheriddingofbaddreams[B]visualizingbaddreamshelpsbringthemundercontrol[C]dreamsshouldbelefttotheirnaturalprogression[D]dreamingmaynotentirelybelongtotheunconscious張宇主講2007－27. WhatcanbeinferredaboutintelligencetestingfromParagraph3?[A]PeoplenolongeruseIQscoresasanindicatorofintelligence.[B]MoreversionsofIQtestsarenowavailableontheInternet.[C]Thetestcontentsandformatsforadultsandchildrenmaybedifferent.[D]Scientistshavedefinedtheimportantelementsofhumanintelligence.張宇主講2007－29. Wecanconcludefromthelastparagraphthat[A]testscoresmaynotbereliableindicatorsofone’sability.[B]IQscoresandSATresultsarehighlycorrelated.[C]testinginvolvesalotofguesswork.[D]traditionaltestareoutofdate.張宇主講通過有限的簡單試驗，我們發(fā)現(xiàn)了一個共同的規(guī)律——委婉中庸：正確答案，尤其是所謂的推理問題，往往含有委婉的，可能性的，不絕對的詞語。這時就可以做原因分析：正確答案畢竟是對原文的解釋，體會命題人的心理（博弈的思想）。張宇主講練習2002－43. Itcanbeinferredfromthetextthatpublicservices________.[A]havebenefitedmanypeople[B]arethefocusofpublicattention[C]areaninappropriatesubjectforhumor[D]haveoftenbeenthelaughingstock張宇主講練習2004－54. Whycanmanypeoplesee“silverlinings”totheeconomicslowdown?[A]Theywouldbenefitincertainways.[B]Thestockmarketshowssignsofrecovery.[C]Suchaslowdownusuallyprecedesaboom.[D]Thepurchasingpowerwouldbeenhanced.張宇主講閱讀理解方法總結邏輯關系：如果A能推出B，則選。。。在遇到兩個非常接近的答案時，最后用邏輯性作出的判別。張宇主講2003－43. Thephrase“makingthebiggestsplash”(line1,paragraph3)mostprobablymeans________.[A]causingthebiggesttrouble[B]exertingthegreatesteffort[C]achievingthegreatestsuccess[D]enjoyingthewidestpopularity張宇主講2003－44. Itcanbelearnedfromparagraph4that________.[A]Straitford’spredictionaboutUkrainehasprovedtrue[B]Straitfordguaranteesthetruthfulnessofitsinformation[C]Straitford’sbusinessischaracterizedbyunpredictability[D]Straitfordisabletoprovidefairlyreliableinformation張宇主講2007－22. Theword“mania”(Line4,Paragraph2)mostprobablymeans[A]fun.[B]craze.[C]hysteria.[D]excitement.張宇主講過程：一、尋找相同的失效形式二、利用最簡單的試驗的結果三、建立復雜應力狀態(tài)下的失效判據(jù)和設計準則

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講兩種強度失效形式(1)屈服(2)斷裂一、尋找相同的失效形式

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講

單向應力狀態(tài)下材料的失效判據(jù)韌性材料脆性材料max=bmax=s二、利用最簡單的試驗的結果

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講補充內容

拉伸與壓縮時材料的

力學性質

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講材料的拉伸實驗應力應變圖低碳鋼的拉伸實驗標準試件標距，通常取或

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講1.彈性階段oab彈性變形：外力卸去后能夠恢復的變形塑性變形（永久變形）：外力卸去后不能恢復的變形

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講這一階段可分為：斜直線Oa和微彎曲線ab。比例極限彈性極限

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講屈服極限2.屈服階段bc上屈服極限下屈服極限

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講 表面磨光的試件，屈服時可在試件表面看見與軸線大致成45°傾角的條紋。這是由于材料內部晶格之間相對滑移而形成的，稱為滑移線。因為在45°的斜截面上剪應力最大。

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講強化階段的變形絕大部分是塑性變形3.強化階段cd強度極限

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講4.

頸縮階段de

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講比例極限σp

屈服極限σs強度極限σb其中σs和σb是衡量材料強度的重要指標張宇主講延伸率:

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講截面收縮率:

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講冷作硬化現(xiàn)象經(jīng)過退火后可消除卸載定律：冷作硬化材料在卸載時應力與應變成直線關系張宇主講沒有屈服現(xiàn)象和頸縮現(xiàn)象,只能測出其拉伸強度極限灰口鑄鐵的

拉伸實驗張宇主講應力集中的概念CL3TU10開有圓孔的板條帶有切口的板條因桿件外形突然變化而引起局部應力急劇增大的現(xiàn)象，稱為應力集中張宇主講：發(fā)生應力集中的截面上的最大應力理論應力集中系數(shù)：：同一截面上按凈面積算出的平均應力張宇主講許用應力安全系數(shù)的選擇許用應力就是桿件實際應力允許達到的最高限度張宇主講對于塑性材料

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講對于脆性材料

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講三個強度理論與應用舉例三、建立復雜應力狀態(tài)下的失效判據(jù)和設計準則

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講

屈服準則

最大切應力準則

形狀改變能密度準則

斷裂準則

無裂紋體的斷裂準則—最大拉應力準則

應用舉例

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講

屈服準則(CriteriaofYield)

最大切應力準則

(Tresca’sCriterion)

無論材料處于什么應力狀態(tài),只要發(fā)生屈服,都是由于微元內的最大切應力達到了某一共同的極限值。

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講

最大切應力準則

(Tresca’sCriterion)

無論材料處于什么應力狀態(tài),只要發(fā)生屈服,都是由于微元內的最大切應力達到了某一共同的極限值。123=s

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講123=s

最大切應力準則設計準則失效判據(jù)

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講

形狀改變能密度準則(Mises’sCriterion)

無論材料處于什么應力狀態(tài),只要發(fā)生屈服,都是由于微元的形狀改變能密度達到了一個共同的極限值。

屈服準則(CriteriaofYield)

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講

形狀改變能密度準則123=s

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講

形狀改變比能準則失效判據(jù)設計準則

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講

斷裂準則(CriteriaofFracture)

無裂紋體的斷裂準則—最大拉應力準則(MaximumTensile-StressCriterion)

無論材料處于什么應力狀態(tài),只要發(fā)生脆性斷裂,都是由于微元內的最大拉應力達到了一個共同的極限值。

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講123=b

無裂紋體的斷裂準則—最大拉應力準則

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講

無裂紋體的斷裂準則—最大拉應力準則失效判據(jù)設計準則

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講

關于計算應力與應力強度將設計準則中直接與許用應力[σ]比較的量,稱之為計算應力σri或應力強度Si(最大拉應力準則)(最大切應力準則)(形狀改變比能準則)

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講

應用舉例例題1已知：鑄鐵構件上危險點的應力狀態(tài)。鑄鐵拉伸許用應力[]t=30MPa。試校核:

該點的強度。

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講解：首先根據(jù)材料和應力狀態(tài)確定失效形式，選擇設計準則。脆性斷裂，最大拉應力準則max=1[]t其次確定主應力例題1

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講其次確定主應力例題1

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講其次確定主應力1＝29.28MPa,2＝3.72MPa,3＝0max=1<[]=

30MPa結論：強度是安全的。例題1

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講已知：和試寫出:最大切應力準則和形狀改變能密度準則的表達式。例題2

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講解：首先確定主應力例題2

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講例題2對于最大切應力準則對于形狀改變比能準則

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講例3（綜例）No20a工字鋼梁受力如圖，已知材料的許用應力，校核其強度。

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講解：（一）畫梁的剪力圖和彎矩圖危險截面發(fā)生在C、D截面MC=32KN·m

QC=100KN

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講（二）強度校核a．正應力強度校核（K1）點先繪出C截面正應力分布圖和剪應力分布圖。C截面

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講b．切應力強度校核(K2)點C截面正應力和剪應力強度條件均滿足。

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講c．校核腹板和翼板交接處（K3）點的強度。K3點處的復雜應力狀態(tài)，繪出K3點的應力狀態(tài)圖。C截面

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講說明鋼梁在K3點處的相當應力超過許用應力，不能滿足強度要求。必須增大工字鋼的型號，才能滿足鋼梁在K3點處的強度。由于鋼梁為塑性材料，K3點處的強度可由第三或第四強度理論進行校核。

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講

結論與討論

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講關于失效要注意的一個結論關于設計準則的應用梁的強度設計總結與習題課

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講要注意強度失效不僅與應力大小有關而且與應力狀態(tài)有關韌性材料脆性材料脆性斷裂塑性變形

復雜應力狀態(tài)下強度的失效判據(jù)與設計準則張宇主講

關于設計準則的應用

要注意不同設計準則的適用范圍對于大多數(shù)