1、青岛科技大学机电工程学院装控系 化工设备机械基础讲稿 第 7 章1第七章 复杂应力和强度理论本章重点内容及对学生的要求：（1）主平面、主应力以及一点处的应力状态的概念和三种应力状态；（2）构件在二向应力状态下的解析法应力分析；（3）第一、第三和第四强度理论的概念以及相当应力的表达式；（4）弯扭组合的强度计算。第一节 应力状态与二向应力状态分析1、问题的引出（questions）前几章我们讨论构件的拉压、弯曲、剪切与扭转的强度时，计算的是杆横截面上的应力，受力状态比较简单，而当构件内危险点处的应力不是单一的一种应力，或者是过该点的两个相互垂直的截面内都有正应力，我们该怎么处理？（利用教材 Pag
2、e.120 的例子和相关的图形进行说明）2、一点的应力状态（state of stress at a given point）一点处的应力状况就是指构件受力后，过一点有无数的截面，这一点的各个截面上应力情况的集合，称为这点的应力状态。3、单元体常采用围绕所要研究点的周围取出一个微小的正六面体，单元体，在知道了单元体的三个相互垂直的平面上的应力后，单元体上的任一斜截面上的应力都可以通过截面法求出。单元体定义：构件内点的代表物，是包围被研究点的无限小的几何体，常用正六面体。单元体的性质：a、在两个相互平行面上，应力均布；b、在两个相互平行面上，应力相等。如果单元体的截取方法改变，那么单元体上的应力
3、也随之改变（如图 71 所示） ，但是之间存在一定的关系，我们可以从一个单元体上的应力求出另一个与其方位不同的单元体上的应力。此即本节的理论基础。即主要解决从利用静力平衡求得已知应力状态的构件横截面相关的单元体确定主平面的位置和应力状况。图 71 不同方位截取的单元体上的应力 图 72 三个主应力表示一点的应力状态青岛科技大学机电工程学院装控系 化工设备机械基础讲稿 第 7 章24、一点处的应力表达和主平面在单元体上的三个相互垂直的平面上即可能是正应力，剪应力或者二者的组合。 主单元体（the principal body）：各个侧面上的剪切应力均为零的单元体； 主平面（the princip
4、al plane ）：单元体上没有切应力的面称为主平面； 主应力（the principal stress ）：作用在主平面上的正应力，分别用 表示；321, 主应力的大小规定：主平面上没有剪应力，由三对主平面构成的单元体来表示一点的应力状态时，便于各种受力构件的比较，所以截取单元体时，就不任意截取，而是截取由三个主平面构成的单元体，该单元体称为主应力单元，且规定。比较时有正负号的规定。3215、应力状态分类 单向应力状态（Unidirectional State of Stress）：两个主应力为零，例如受轴向拉压的直杆及纯弯曲直梁内各点的应力状况； 平面（二向）应力状态（Plane Sta
5、te of Stress）：一个主应力为零，化工容器器壁各点的应力状态，以及受横力弯曲（剪切弯曲）的梁内除了上下边缘各点以外其他各点的应力状态，受扭的圆轴，除了轴线上各点以外任意点的受力状态； 空间（三向）应力状态（ThreeDimensional State of Stress）：三个主应力均不为零；6、二向应力状态分析（1）斜截面上的应力列平衡方程： 0 nF 0sin)(cos)in(cos)(si)co( dAdAdAdA yyxxxyt cos)i(si)(sin)c(cs)( yyxxxy利用三角函数公式 sincosi2)21(n2青岛科技大学机电工程学院装控系 化工设备机械基础
6、讲稿 第 7 章3并利用剪应力互等定律 可得：xy 2sinco)(21)(21xyyx ssinxy正负号规定： 正应力：拉为正；反之为负； 切应力：使微元顺时针方向转动为正；反之为负； 角：由 x 轴正向逆时针转到斜截面外法线时为正；反之为负。在分析二向应力，可以采取解析法和作图法，教材中给出的是作图法，本讲义主要以介绍解析法为主，作图法留给学生自学。（2）解析法分析二向应力状态确定正应力极值： 2sinco)(21)(21xyyxyx 从上式知，任一斜截面上 和 均为 的函数，故最大正应力和最小正应力所在平面，a有： 02cos2sin)( xyyxd设 时，上式值为零，即：0 02co
7、sin)(0xyyx2cossin2)(2 00xy0yx 即最大及最小正应力所在的平面就是剪应力等于零的平面，也就是主平面。 yxta0由上式可以确定出两个相互垂直的平面，分别为最大正应力和最小正应力所在平面。，2max 421xyyxy 2min 421xyyxyx （3）例题 1：一点处的平面应力状态如图所示。 已知： MPa60x Pa,30xy,MPa0y 。30试求（1） 斜面上的应力；（2）主应力、主平面；（3）绘出主应力单元体。青岛科技大学机电工程学院装控系 化工设备机械基础讲稿 第 7 章4解：（1） 斜面上的应力 2sinco2xyyxyx MPa0.9)6i(30)6s(
8、40620 2cosinxyyx Pa3.58)6cos(3sin4（2）主应力、主平面 2maxyx Pa3.68)2(2xyyxM.4)(inxyyxyx Pa3.8,0MPa,3.68321 主平面的方位： ，6.040 yxtg,5.105.19.0主应力 方向： ；主应力 方向： ，主应力单元体为：35.10（3）图解法的两向应力分析（自学，详见幻灯片）（4）广义虎克定律（不讲推导，只给学生一个简单的印象）广义胡克定律的一般形式：青岛科技大学机电工程学院装控系 化工设备机械基础讲稿 第 7 章5)(1zyxxExzyy )(yzzGxyzGzx（5）在三应力状态下一点的最大剪应力：
9、，作用在与 ， 作用的主平面12max-=13各成 450 角的斜截面上。第二节 强度理论1、 强度理论简介引导学生复习杆件基本变形下的强度条件。在工程实际中，多数构件上的危险点都处于复杂应力状态。在复杂应力状态下，材料的破坏与三个主应力有关。由于三个主应力之间的比例是多种多样的，因此通过许多试验来确定材料在各种应力状态下的极限应力是很困难和不现实的。所以问题的解决是根据一定的试验资料和实践经验，提出关于破坏的假说。 （就像星云学说一样与古埃及金字塔）强度理论（起源于 failure by lost strength）：根据实践中复合受力下构件或材料的破坏现象，对之进行科学分析，寻找导致破坏的
10、主要原因，然后根据某一主要因素，利用简单试验的结果，来建立复杂应力状态下的强度条件。为了建立复杂应力状态下的强度条件，而提出的关于材料破坏原因的假设及计算方法。 强度理论的实质是用来说明材料在复杂应力状态下，在什么条件下发生屈服，在什么条件下发生断裂。（1） 断裂破坏：一般无明显的塑住变形即发生断裂，破坏面比较粗糙，且多发生在最大正应力截面上。例如铸铁受拉伸时在横截面上的断裂及受扭时在与轴线成 450 角的截面上的断裂。（2） 屈服破坏(也叫流动破坏 ) 材料发生显著的塑性变形，以致构件不能正常工作，有的可能发生剪断。例如低碳钢受拉伸时所发生的屈服现象；受扭时发生的屈服及最后剪断的现象，破环面
11、比较平滑，且多发生在最大剪应力截面上。2、 经典强度理论（1）最大拉应力理论（第一强度理论）青岛科技大学机电工程学院装控系 化工设备机械基础讲稿 第 7 章6材料发生断裂的主要因素取决于最大拉应力，是最大拉应力达到极限值，是人们依据早期使用的脆性材料（天然石块、砖块与铸铁）易于断裂提出的，适用于承受拉应力的脆性断裂机理的解释。此理论在 17 世纪就提出，为最早的强度理论，故称为第一强度理论。破坏条件： b1强度条件： n构件危险点的最大拉应力；1极限拉应力，由单拉实验测得。b（2）最大伸长拉应变理论（第二强度理论）无论材料处于什么应力状态,只要发生脆性断裂,都是由于微元内的最大拉应变（线变形）
12、达到简单拉伸时的破坏伸长应变数值。 破坏条件： 即EEb)(132 b)(321强度条件： 1n实验表明：此理论对于一拉一压的二向应力状态的脆性材料的断裂较符合，如铸铁受拉压比第一强度理论更接近实际情况。（3）最大切应力理论（第三强度理论）18 世纪后期，随着人们开始使用钢材等塑性材料，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极限值。破坏条件： s31强度条件： s31n实验表明：此理论对于塑性材料的屈服破坏能够得到较为满意的解释。并能解释材料在三向均压下不发生塑性变形或断裂的事实。 )0(max 未考虑 的影响，试验证实最大影响达 15%。2 不能解释三向
13、均拉下可能发生断裂的现象。（4）形状改变比能理论（第四强度理论）20 世纪初提出：无论材料处于什么应力状态，只要发生屈服，都是由于微元的最大形状改变比能达到一个极限值。破坏条件： 213221 )()()( s强度条件： s213221 n实验表明：对塑性材料，此理论比第三强度理论更符合试验结果，在工程中得到了广泛应用。青岛科技大学机电工程学院装控系 化工设备机械基础讲稿 第 7 章7（5）强度理论的统一表达式： r1,r33,r )(212,r)()(2132214, r（6）小结 对于脆性材料，常发生的是脆性断裂，应采用第一强度理论。对于塑性材料常因塑性流动而失去工作能力，所以多采用第三或
14、第四强度理论。 从第三或第四强度理论的相当应力表达式（式 7-12 和 7-16）中我们可以发现，它们都和主应力的差值有关。这就是说，如果材料是处在三向拉伸应力状态下，假如三个主应力的差值又不随着主应力的增加而增大的话，那么不论是塑性材料还是脆性材料，当主应力增大到一定程度时，都将发生脆性段裂破坏。所以在三向拉伸应力状态下，应采用第一强度理论。 在三向压缩应力状态下，正应力对破坏不起直接作用，但剪应力会随着三个主应力的增加而增大，当剪应力达到一定的程度的时，不管是塑性材料还是脆性材料，都会出现塑性流动或剪断，所以应采用第三或第四强度理论。3、组合变形强度计算构件在组合变形下的应力计算，一般可以
15、用叠加原理来进行。工程上常见的两种组合变形下的强度问题： 弯曲与拉伸或压缩的组合； 扭转和弯曲的组合； 弯曲与拉伸或压缩组合比较简单。下面重点讲解扭转和弯曲的组合；一圆轴左端固定，右端自由(图 7-14a),在自由端的横截面内作用着一个外力偶 m 和一个通过轴心的横向力力 P。力偶 m 使轴发生扭转变形; 而横向力 P 使轴发生弯曲变形。对一般的轴来说由横向力 P 引起的剪力不大，可以忽略不计，这样该圆轴的变形就是扭转和弯曲的组合。图 3 扭弯组合该轴的扭矩图和弯矩图示图 3 (b)、(c)，固定端截面是危险截面，在该截面上作用着扭转剪应力 和弯曲正应力 ，它们均是沿半径线性分布（3d） 。最
16、大剪应力作用在该圆截青岛科技大学机电工程学院装控系 化工设备机械基础讲稿 第 7 章8面的外圆周上，其值为： ，最大弯曲正应力出现在在该截面上，下边缘 和pTM 1C两点处，其值为： ，因此，在此截面上的 和 点同时作用着最大剪应力2CzW1C2和最大正应力，这两点都是危险点，应该根据这两个点中的一个来建立强度条件。按照前述截取单元体原则，截取 点的单元体，在这个单元体的两对平面上所作用的1C正应力和剪应力均属已知，但这两对平面非主平面（图 3） ，因此需要进一步计算主应力。从图 3（e）所示的单元体可见， 点是处于二向应力状态，可以利用应力圆或式（7-14）和式（7-5）求出这两个主应力。从
17、图 7-15 所示的应力圆不难看出，在所求得两个应力中有一个是负值，所以 点处的三个入应力分别为：1C2142023主应力求出来以后，就可以用不同的强度理论来建立强度条件了。对于用塑性材料制成的轴，应该第三或第四强度理论来建立强度条件，如用第三强度理论，则强度条件为： 313r将 、 代入，化简后得： （7-234r17）如果将 和 代入（7-17）式，并注意到实心圆截面的 ，则扭弯组WMpT Wp2合的强度条件就可写成如下形式：（7-WMTTr 2223418）如果用第四强度理论，则强度条件为： 21323214r将前面得到的 、 、 代入，化简后得：123（7-4r青岛科技大学机电工程学院装控系 化工设备机械基础讲稿 第 7 章919）或： （7-WMTr 22475.020）上述的式（7-18）和式（7-20）同样适用于空心圆轴，这时式中的 W 值要用空心截面的抗弯截面模量。【思考题】（1）为什么要讨论“一点处的应力状态”？切取单元体的原则是什么？（2）试写出四种经典强度理论的公式，并比较其适用范围。
