1、第7章 強度失效分析與設計準則 材料力學 什么是“失效”；怎樣從眾多的失效現象中尋找失效規律；假設失效的共同原因，從而利用簡單拉伸實驗結果，建立一般應力狀態的失效判據，以及相應的設計準則，以保證所設計的工程構件或工程結構不發生失效，并且具有一定的安全裕度。這些是本章將要涉及的主要問題。第7章 強度失效分析與設計準則 失效的類型很多，本章主要討論靜載荷作用下的強度失效。 失效與材料的力學行為密切相關，因此研究失效必須通過實驗研究材料的力學行為。 實驗是重要的，但到目前為止，人類所進行的材料力學行為與失效實驗是很有限的。怎樣利用有限的實驗結果建立多種情形下的失效判據與設計準則，這是本章的重點。 第

2、7章 強度失效分析與設計準則 構件失效概念與失效分類 強度失效判據與設計準則概述 屈服準則 斷裂準則 強度失效判據與設計準則的應用 結論與討論第7章 強度失效分析與設計準則 構件失效概念與失效分類 返回返回總目錄失效由于材料的力學行為而使 構件喪失正常功能的現象. 構件失效概念與失效分類 失效由于材料的力學行為而使 構件喪失正常功能的現象. 構件失效概念與失效分類 失效分類 強度失效(Failure by Lost Strength) 由于斷裂(Rupture)或屈服(Yield)引起的失效 構件失效概念與失效分類 強度失效 構件失效概念與失效分類 失效分類 剛度失效(Failure by L

3、ost Rigidity) 由于過量的彈性變形引起的失效. 構件失效概念與失效分類 剛度失效 構件失效概念與失效分類 失效分類 屈曲失效(Failure by Buckling,Failure by Lost Stability)由于平衡構形的 突然轉變而引起的失效. 構件失效概念與失效分類 屈曲失效 構件失效概念與失效分類 疲勞失效 (Failure by Fatigue)由于交變應力的作用, 初始裂紋不斷擴展而引起的脆性斷裂. 蠕變失效 (Failure by Creep)在一定的溫度和應力下, 應變隨著時間的增加而增加,最終導致構件失效. 構件失效概念與失效分類 松弛失效(Failure

4、 by Relaxation)在一定的溫度下,應變保持不變,應力隨著時間增加而降低,從而導致構件失效. 構件失效概念與失效分類 失效分類強度失效剛度失效屈曲失效疲勞失效蠕變失效松弛失效 構件失效概念與失效分類 第7章 強度失效分析與設計準則 強度失效判據與設計準則概述 返回返回總目錄 難 點 應力狀態的多樣性 試驗的復雜性 不可能性與可能性 強度失效判據與設計準則概述 逐一由試驗建立失效判據的不可能性； 對于相同的失效形式建立失效原因假說的可能性； 利用拉伸試驗的結果建立復雜應力狀態下的失效判據。 建立失效判據的途徑及其可能性 強度失效判據與設計準則概述 兩種強度失效形式 屈 服 斷 裂無裂紋

5、體含裂紋體 強度失效判據與設計準則概述 屈服準則 最大切應力準則 形狀改變比能準則 斷裂準則 無裂紋體的斷裂準則最大拉應力準則 應用舉例 強度失效判據與設計準則概述 第7章 強度失效分析與設計準則 屈服準則 返回返回總目錄 屈服準則 最大切應力準則 畸變能密度準則 屈服準則 最大切應力準則 最大切應力準則 (Trescas Criterion) 屈服準則 最大切應力準則 無論材料處于什么應力狀態,只要發生屈服,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 屈服準則 最大切應力準則 最大切應力準則 (Trescas Criterion) 無論材料處于什么應力狀態,只要發生屈服,

6、都是由于微元內的最大切應力達到了某一共同的極限值。失效判據設計準則 屈服準則 最大切應力準則 123 =s 屈服準則 畸變能密度準則 形狀改變比能準則(Misess Criterion) 屈服準則 畸變能密度準則 無論材料處于什么應力狀態,只要發生屈服,都是由于微元的形狀改變比能達到了一個共同的極限值。 屈服準則 畸變能密度準則 形狀改變比能準則(Misess Criterion) 無論材料處于什么應力狀態,只要發生屈服,都是由于微元的形狀改變比能達到了一個共同的極限值。123 =s 形狀改變比能準則失效判據設計準則 屈服準則 畸變能密度準則 123 =s第7章 強度失效分析與設計準則 斷裂準

7、則 返回返回總目錄 斷裂準則 斷裂失效的三種類型 最大拉應力準則 斷裂準則 斷裂失效的三種類型 斷裂準則 斷裂失效的三種類型 零件或構件在載荷作用下，沒有明顯的破壞前兆（例如明顯的塑性變形）而發生突然破壞的現象，稱為斷裂失效（failure by fracture or rupture）。工程上常見的斷裂失效主要有三種類型。 斷裂準則 斷裂失效的三種類型 無裂紋結構或構件的突然斷裂。由脆性材料制成的零件或構件在絕大多數受力情形下大都發生突然斷裂，例如受拉的鑄鐵零部件、混凝土構件等的斷裂。 具有裂紋（crack）構件的突然斷裂。這類斷裂不限于發生在脆性材料制成的零件或構件，它經常發生在由韌性材料

8、制成的、由于各種原因而具有初始裂紋的零件或構件。 構件的疲勞斷裂（fatigue fracture）。構件在交變應力作用下，即使是韌性材料，當經歷一定次數的交變應力作用之后也會發生脆性斷裂。 第一類和第三類斷裂問題屬于本書討論的范圍；第二類斷裂問題屬于斷裂力學（fracture mechanics）研究領域。本節主要介紹關于第一類斷裂的判據與準則。疲勞斷裂問題將在本書以后的專章中討論。 斷裂準則 最大拉應力準則 無裂紋體的斷裂準則最大拉應力準則 (Maximum Tensile-Stress Criterion) 無論材料處于什么應力狀態,只要生脆性斷裂,都是由于微元內的最大拉應力達到了一個共

9、同的極限值。 斷裂準則 最大拉應力準則 123 = b 斷裂準則 最大拉應力準則 無裂紋體的斷裂準則最大拉應力準則 (Maximum Tensile-Stress Criterion) 無論材料處于什么應力狀態,只要生脆性斷裂,都是由于微元內的最大拉應力達到了一個共同的極限值。 失效判據設計準則 斷裂準則 最大拉應力準則 123 = b 無裂紋體的斷裂準則最大拉應力準則 (Maximum Tensile-Stress Criterion) 無論材料處于什么應力狀態,只要生脆性斷裂,都是由于微元內的最大拉應力達到了一個共同的極限值。 帶裂紋體的斷裂準則線性斷裂力學準則 裂紋尖端的應力集中 韌性材

10、料脆性斷裂 斷裂準則 帶裂紋體的斷裂準則 線性斷裂力學判據 KI=KIC KI應力強度因子 KIC斷裂韌性(由實驗確定) 經典準則不再適用 應力集中區域內材料處于三向拉伸應力狀態材料由韌性向脆性轉變 斷裂準則 帶裂紋體的斷裂準則第7章 強度失效分析與設計準則 強度失效判據與設計準則的應用 返回返回總目錄 關于計算應力與應力強度 將設計準則中直接與許用應力比較的量, 稱之為計算應力ri 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) 強度失效判據與設計準則的應用 例 題 1已知 ：鑄鐵構件上危險 點的應力狀態。 鑄鐵拉伸許用應 力 =30MPa。試校核: 該點的強度。

11、 強度失效判據與設計準則的應用 解：首先根據材料和應力狀態確定失效形式，選擇設計準則。 脆性斷裂，最大拉應力準則 max= 1 其次確定主應力 例 題 1 強度失效判據與設計準則的應用 解：其次確定主應力 例 題 1 強度失效判據與設計準則的應用 例 題 1 強度失效判據與設計準則的應用 解：最后應用強度設計準則校核強度129.28MPa,23.72MPa, 30 max= 1 29.28MPa = 30MPa結論：危險點的強度是安全的。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 強度失效判據與設計準則的應用 例 題 2 強度失效判據與設計準則的應用 解：確定主應

12、力 例 題 2 強度失效判據與設計準則的應用 對于最大切應力準則對于形狀改變比能準則解：建立強度設計準則表達式第7章 強度失效分析與設計準則 結論與討論返回返回總目錄 結論與討論 關于強度失效的幾點結論 關于失效準則的應用 關于安全因數的確定 結論與討論 關于強度失效的幾點結論 關于失效的幾點結論(1)要區分一點失效與構件失效應力均勻分布時，一點失效即構件失效 結論與討論 關于強度失效的幾點結論 關于失效的幾點結論(1)要區分一點失效與構件失效 結論與討論 關于強度失效的幾點結論 應力非均勻分布時，一點失效并不意味著構件失效。 關于失效的結論(1)要區分一點失效與構件失效 應力非均勻分布時，一

13、點失效并不意味著構件失效。 結論與討論 關于強度失效的幾點結論 要區分構件失效與結構失效 結論與討論 關于強度失效的幾點結論 關于失效的結論(2) 對于靜定結構，其中的一個構件失效將導致結構失效.要區分構件失效與結構失效 結論與討論 關于強度失效的幾點結論 關于失效的結論(2) 等于超靜定結構，其中的某一構件失效并不意味著結構失效。 要注意強度失效不僅與應力大小有關，而且與應力狀態有關 。 韌性材料脆性材料脆性斷裂塑性變形 結論與討論 關于強度失效的幾點結論 關于失效的結論(3) 結論與討論 關于失效準則的應用 要注意不同設計準則的適用范圍 結論與討論 關于失效準則的應用 對于大多數韌性材料在

14、一般應力狀態下發生塑 性屈服； 對于大多數脆性材料在一般應力狀態下發生脆 性斷裂； 要注意例外。 要注意強度設計的全過程 結論與討論 關于失效準則的應用 設計準則并不包括強度設計的全過程，只是在確定了危險點及其應力狀態之后的計算過程。因此，在對構件或零部件進行強度計算時，要根據強度設計步驟進行。特別要注意的是，在復雜受力形式下，要正確確定危險點以及危險點的應力狀態，并根據可能的失效形式選擇合適的設計準則。這一問題將在下一章作詳盡的討論。 結論與討論 關于安全因數的確定 結論與討論 關于安全因數的確定 根據不同工程部門對結構和構件的要求，正確選擇安全因數是重要的工程任務。絕大多數情形下都是由工業

15、部門以至國家規定的。選擇安全因數的總原則是既安全又經濟。具體選擇時需要考慮以下幾方面： 結論與討論 關于安全因數的確定 材料性能方面的差異 冶煉、加工過程中成分和強度都會有微小差異。 在結構或機器的使用期限內加載的次數 絕大多數結構和機器在“服役”期都要經歷著多次“啟動（加載）運行（載荷維持不變）停車（卸載）”的過程。材料的強度將隨著加載、卸載次數的增加而減小。 設計時所考慮的或者將來可能承受的荷載類型 絕大多數情形下，設計載荷很難是精確已知的，只能是工程估算的結果。此外，使用場合的變化或變更，也會引起實際載荷的變化。動載荷、循環載荷以及沖擊載荷作用，安全因數要稍大些。 結論與討論 關于安全因數的確定 可能發生的失效形式 脆性材料失效（斷