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1、第12章 强度失效分析与 设计准则,第12章 强度失效分析与设计准则, 失效的概念与分类 建立一般应力状态下强度失效 判据与设计准则的思路 单向应力状态下材料的力学行 为 几种常用的强度设计准则 结论与讨论, 失效的概念与分类,第12章 强度失效分析与设计准则,失效的概念与分类,失效由于材料的力学行为而使 构件丧失正常功能的现象.,第12章 强度失效分析与设计准则,失效由于材料的力学行为而使 构件丧失正常功能的现象.,失效的概念与分类,第12章 强度失效分析与设计准则,失效分类, 强度失效(Failure by Lost Strength) 由于断裂(Rupture)或屈服(Yield)引起的
2、失效,失效的概念与分类,第12章 强度失效分析与设计准则,失效分类, 强度失效(Failure by Lost Strength) 由于断裂(Rupture)或屈服(Yield)引起的失效,失效的概念与分类,第12章 强度失效分析与设计准则,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.,失效的概念与分类,第12章 强度失效分析与设计准则,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.,失效的概念与分类,第12章 强度失效分析与设计准则,失效分类, 屈曲失效(Failure b
3、y Buckling,Failure by Lost Stability)由于平衡构形 的突然转变而引起的失效.,失效的概念与分类,第12章 强度失效分析与设计准则,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.,失效的概念与分类,第12章 强度失效分析与设计准则,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 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
4、终导致构件失效.,失效的概念与分类,第12章 强度失效分析与设计准则,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.,失效的概念与分类,第12章 强度失效分析与设计准则,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,失效的概念与分类,第12章 强度失效分析与设计准则, 建立一般应力状态下 强度失效判据与 设计准则的思路,第12章 强度失效分析与设计准则,建立强度失效判据与 设计准则的思路,难 点 应力状态的多样性 试验的复杂性 不可能性与可能性,第12章 强度失效分析与设计准则,
5、 逐一由试验建立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, 不可能性与可能性,建立强度失效判据与 设计准则的思路,第12章 强度失效分析与设计准则, 两种强度失效形式,(1) 屈 服,(2) 断 裂,无裂纹体,含裂纹体,建立强度失效判据与 设计准则的思路,第12章 强度失效分析与设计准则, 单向应力状态下 材料的力学行为,第12章 强度失效分析与设计准则,单向应力状态下 材料的力学行为, 弹性行为 屈服行为 断裂行为 硬化与软化行为 拉延行为 卸载与重新加载行为, 三种拉伸应力-应变曲线, 单向压缩应力状态下材料
6、的力学行为, 单向应力状态下材料的失效判据,第12章 强度失效分析与设计准则,单向应力状态下 材料的力学行为, 三种拉伸应力应变曲线,脆性材料,第12章 强度失效分析与设计准则,单向应力状态下 材料的力学行为,韧性金属材料, 三种拉伸应力应变曲线,第12章 强度失效分析与设计准则,单向应力状态下 材料的力学行为,聚合物, 三种拉伸应力应变曲线,第12章 强度失效分析与设计准则,单向应力状态下 材料的力学行为,断裂阶段, 三种拉伸应力应变曲线,第12章 强度失效分析与设计准则, 弹性行为,单向应力状态下 材料的力学行为,p 比例极限,e 弹性极限,第12章 强度失效分析与设计准则,单向应力状态下
7、 材料的力学行为, 屈服行为,s 屈服强度,第12章 强度失效分析与设计准则,单向应力状态下 材料的力学行为, 屈服行为,0.2,条件屈服应力 塑性应变 等于0.2 时的应力值,第12章 强度失效分析与设计准则, 硬化与软化行为,单向应力状态下 材料的力学行为,第12章 强度失效分析与设计准则, 断裂行为,单向应力状态下 材料的力学行为,第12章 强度失效分析与设计准则, 断裂行为,单向应力状态下 材料的力学行为,第12章 强度失效分析与设计准则,强度指标(失效应力),韧性材料,oS,脆性材料,ob,韧性指标,单向应力状态下 材料的力学行为,脆性材料,韧性金属材料,延伸率,第12章 强度失效分
8、析与设计准则,单向应力状态下 材料的力学行为, 卸载与重新加载行为,第12章 强度失效分析与设计准则,单向应力状态下 材料的力学行为, 卸载与再加载行为,第12章 强度失效分析与设计准则,单向应力状态下 材料的力学行为, 单向压缩应力状态下 材料的力学行为,第12章 强度失效分析与设计准则,单向应力状态下 材料的力学行为,第12章 强度失效分析与设计准则, 单向压缩应力状态下 材料的力学行为, 单向应力状态下 材料的失效判据,单向应力状态下 材料的力学行为,韧性材料,脆性材料,max= = b,max= = s,第12章 强度失效分析与设计准则,第12章 强度失效分析与设计准则, 屈服准则(C
9、riteria of Yield),偏应力张量及其不变量,基本假设：在静水压力作用下， 应力与应变服从弹性规律，材料 不会屈服。(1=2=3),因此可将应力分成两部分： 一部分是平均正应力，不产生屈服变形； 另一部分是与屈服变形有关的应力。,第一部分是平均正应力：,第二部分是偏应力张量：,或写成,写成张量形式：,偏应力张量是对称张量，它的主轴 方向与主应力方向一致，其主值为：,它们也满足三次代数方程式：,其中：,屈服条件和屈服曲面,简单应力状态（单轴）： 弹性状态极限为s，用屈服点表示,平面应力状态（双轴）： 弹性状态极限为？，可能用屈服曲线表示,复杂（空间）应力状态（三轴）： 弹性状态极限为
10、？，可能用屈服曲面表示,复杂应力状态,1. 假设材料是各向同性的，屈服条件与坐标轴的 选取无关，屈服条件表示为应力不变量的函数：,一般情况：屈服条件用F (ij ) = 0，为空间一个曲面， 当ij位于曲面之内时F0，材料处于弹性阶段，当ij 位于曲面之上时F0，材料开始屈服进入塑性阶段。,简化情况：,2. 假设在静水压力作用下，材料不会屈服， 屈服条件表示为偏应力不变量的函数：,3. 由于J1 = 0，(12)式的变量变为2个， 屈服条件表示为两个偏应力不变量的函数：,主应力空间,对 平面的研究,两个常用的 屈服条件, 屈服准则(Criteria of Yield), 最大切应力准则 (Tr
11、escas 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。,几种常用的强度 设计准则,第12章 强度失效分析与设计准则, 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。,几种常用的强度 设计准则,第12章 强度失效分析与设计准则, 最大切应力准则,设计准则,几种常用的强度 设计准则,第12章 强度失效分析与设计准则,用简单拉伸实验确定，从(8)式：,得到：,用纯剪切实验确定，从(8)式：,在平面应力状态：30, 形状改变比能准则(
12、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。,几种常用的强度 设计准则,第12章 强度失效分析与设计准则, 屈服准则(Criteria of Yield), 形状改变比能准则,几种常用的强度 设计准则,第12章 强度失效分析与设计准则, 形状改变比能准则,失效判据,设计准则,几种常用的强度 设计准则,第12章 强度失效分析与设计准则,几种常用的强度 设计准则, 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 带裂纹体的断裂准则 线性断裂力学准则 莫尔准则 应用举例,第12章
13、 强度失效分析与设计准则, 断裂准则(Criteria of Fracture), 断裂准则(Criteria of Fracture), 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。,几种常用的强度 设计准则,第12章 强度失效分析与设计准则, 无裂纹体的断裂准则最大拉应力准则,几种常用的强度 设计准则,第12章 强度失效分析与设计准则, 无裂纹体的断裂准则最大拉应力准则,失效判据,设计准则,几种常用的强度 设计准则,第12章 强度失效分
14、析与设计准则, 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,几种常用的强度 设计准则,第12章 强度失效分析与设计准则,应力集中,应力集中因数 K=max/ avg,几种常用的强度 设计准则,第12章 强度失效分析与设计准则,应力集中因数 K,几种常用的强度 设计准则,第12章 强度失效分析与设计准则, 裂纹尖端的应力集中,名义应力,，,Singularity,几种常用的强度 设计准则,第12章 强度失效分析与设计准则, 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
15、材料由韧性向脆性转变,几种常用的强度 设计准则,第12章 强度失效分析与设计准则, 莫尔准则(Mohr Criterion),请同学们自学7-6节,几种常用的强度 设计准则,第12章 强度失效分析与设计准则, 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),几种常用的强度 设计准则,第12章 强度失效分析与设计准则, 应用举例,例 题 一,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。,几种常用的强度 设计准则,第12章 强度失效分析与设计准则, 应用举例,例 题 一,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,几种常用的强度 设计准则,第12章 强度失效分析与设计准则, 应用举例,例 题 一,其次确定主应力,几种常用的强度 设计准则,第12章 强度失效分析与设计准则, 应用举例,例 题 一,其次确定主应力,129.28MPa, 23.72
