主講老師：張恒文工程力學(xué)(1)(11)2025年10月10日返回總目錄第二篇彈性靜力學(xué)工程力學(xué)(1)第二篇彈性靜力學(xué)第11章強(qiáng)度失效分析與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

什么是“失效”；怎樣從眾多的失效現(xiàn)象中尋找失效規(guī)律；假設(shè)失效的共同原因，從而利用簡(jiǎn)單拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立一般應(yīng)力狀態(tài)的失效判據(jù)，以及相應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，以保證所設(shè)計(jì)的工程構(gòu)件或工程結(jié)構(gòu)不發(fā)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(wèn)題。第11章強(qiáng)度失效分析與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

失效的類(lèi)型很多，本章主要討論靜載荷作用下的強(qiáng)度失效。

失效與材料的力學(xué)行為密切相關(guān)，因此研究失效必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究材料的力學(xué)行為。

實(shí)驗(yàn)是重要的，但到目前為止，人類(lèi)所進(jìn)行的材料力學(xué)行為與失效實(shí)驗(yàn)是很有限的。怎樣利用有限的實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立多種情形下的失效判據(jù)與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，這是本章的重點(diǎn)。第11章強(qiáng)度失效分析與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

構(gòu)件失效概念與失效分類(lèi)返回返回總目錄失效—由于材料的力學(xué)行為而使構(gòu)件喪失正常功能的現(xiàn)象.

構(gòu)件失效概念與失效分類(lèi)失效—由于材料的力學(xué)行為而使構(gòu)件喪失正常功能的現(xiàn)象.

構(gòu)件失效概念與失效分類(lèi)失效分類(lèi)

強(qiáng)度失效(FailurebyLostStrength)—

由于斷裂(Rupture)或屈服(Yield)引起的失效

構(gòu)件失效概念與失效分類(lèi)

強(qiáng)度失效

構(gòu)件失效概念與失效分類(lèi)失效分類(lèi)

剛度失效(FailurebyLostRigidity)—

由于過(guò)量的彈性變形引起的失效.

構(gòu)件失效概念與失效分類(lèi)

剛度失效

構(gòu)件失效概念與失效分類(lèi)失效分類(lèi)

屈曲失效(FailurebyBuckling,FailurebyLostStability)—由于平衡構(gòu)形的突然轉(zhuǎn)變而引起的失效.

構(gòu)件失效概念與失效分類(lèi)

屈曲失效

構(gòu)件失效概念與失效分類(lèi)

疲勞失效

(FailurebyFatigue)—由于交變應(yīng)力的作用,初始裂紋不斷擴(kuò)展而引起的脆性斷裂.

蠕變失效

(FailurebyCreep)—在一定的溫度和應(yīng)力下,

應(yīng)變隨著時(shí)間的增加而增加,最終導(dǎo)致構(gòu)件失效.

構(gòu)件失效概念與失效分類(lèi)

松弛失效(FailurebyRelaxation)—在一定的溫度下,應(yīng)變保持不變,應(yīng)力隨著時(shí)間增加而降低,從而導(dǎo)致構(gòu)件失效.

構(gòu)件失效概念與失效分類(lèi)失效分類(lèi)強(qiáng)度失效剛度失效屈曲失效疲勞失效蠕變失效松弛失效

構(gòu)件失效概念與失效分類(lèi)第11章強(qiáng)度失效分析與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

強(qiáng)度失效判據(jù)與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則概述

返回返回總目錄

難點(diǎn)

應(yīng)力狀態(tài)的多樣性

試驗(yàn)的復(fù)雜性

不可能性與可能性

強(qiáng)度失效判據(jù)與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則概述

逐一由試驗(yàn)建立失效判據(jù)的不可能性；

對(duì)于相同的失效形式建立失效原因假說(shuō)的可能性；

利用拉伸試驗(yàn)的結(jié)果建立復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的失效判據(jù)。

建立失效判據(jù)的途徑及其可能性

強(qiáng)度失效判據(jù)與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則概述

兩種強(qiáng)度失效形式

屈服

斷裂無(wú)裂紋體含裂紋體

強(qiáng)度失效判據(jù)與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則概述

屈服準(zhǔn)則

最大切應(yīng)力準(zhǔn)則

形狀改變比能準(zhǔn)則

斷裂準(zhǔn)則

無(wú)裂紋體的斷裂準(zhǔn)則—最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則

應(yīng)用舉例

強(qiáng)度失效判據(jù)與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則概述

第11章強(qiáng)度失效分析與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

屈服準(zhǔn)則

返回返回總目錄

屈服準(zhǔn)則

最大切應(yīng)力準(zhǔn)則

畸變能密度準(zhǔn)則

屈服準(zhǔn)則

最大切應(yīng)力準(zhǔn)則

最大切應(yīng)力準(zhǔn)則

(Tresca’sCriterion)

屈服準(zhǔn)則

最大切應(yīng)力準(zhǔn)則

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

1

2

3

=

s

屈服準(zhǔn)則

最大切應(yīng)力準(zhǔn)則

最大切應(yīng)力準(zhǔn)則

(Tresca’sCriterion)

無(wú)論材料處于什么應(yīng)力狀態(tài),只要發(fā)生屈服,都是由于微元內(nèi)的最大切應(yīng)力達(dá)到了某一共同的極限值。失效判據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

屈服準(zhǔn)則

最大切應(yīng)力準(zhǔn)則

1

2

3

=

s

屈服準(zhǔn)則

畸變能密度準(zhǔn)則

形狀改變比能準(zhǔn)則(Mises’sCriterion)

屈服準(zhǔn)則

畸變能密度準(zhǔn)則

無(wú)論材料處于什么應(yīng)力狀態(tài),只要發(fā)生屈服,都是由于微元的形狀改變比能達(dá)到了一個(gè)共同的極限值。

屈服準(zhǔn)則

畸變能密度準(zhǔn)則

形狀改變比能準(zhǔn)則(Mises’sCriterion)

無(wú)論材料處于什么應(yīng)力狀態(tài),只要發(fā)生屈服,都是由于微元的形狀改變比能達(dá)到了一個(gè)共同的極限值。

1

2

3

=

s

形狀改變比能準(zhǔn)則失效判據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

屈服準(zhǔn)則

畸變能密度準(zhǔn)則

1

2

3

=

s第11章強(qiáng)度失效分析與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

斷裂準(zhǔn)則返回返回總目錄

斷裂準(zhǔn)則

斷裂失效的三種類(lèi)型

最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則

斷裂準(zhǔn)則

斷裂失效的三種類(lèi)型

斷裂準(zhǔn)則

斷裂失效的三種類(lèi)型

零件或構(gòu)件在載荷作用下，沒(méi)有明顯的破壞前兆（例如明顯的塑性變形）而發(fā)生突然破壞的現(xiàn)象，稱(chēng)為斷裂失效（failurebyfractureorrupture）。工程上常見(jiàn)的斷裂失效主要有三種類(lèi)型。

斷裂準(zhǔn)則

斷裂失效的三種類(lèi)型

無(wú)裂紋結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的突然斷裂。由脆性材料制成的零件或構(gòu)件在絕大多數(shù)受力情形下大都發(fā)生突然斷裂，例如受拉的鑄鐵零部件、混凝土構(gòu)件等的斷裂。

具有裂紋（crack）構(gòu)件的突然斷裂。這類(lèi)斷裂不限于發(fā)生在脆性材料制成的零件或構(gòu)件，它經(jīng)常發(fā)生在由韌性材料制成的、由于各種原因而具有初始裂紋的零件或構(gòu)件。

構(gòu)件的疲勞斷裂（fatiguefracture）。構(gòu)件在交變應(yīng)力作用下，即使是韌性材料，當(dāng)經(jīng)歷一定次數(shù)的交變應(yīng)力作用之后也會(huì)發(fā)生脆性斷裂。

第一類(lèi)和第三類(lèi)斷裂問(wèn)題屬于本書(shū)討論的范圍；第二類(lèi)斷裂問(wèn)題屬于斷裂力學(xué)（fracturemechanics）研究領(lǐng)域。本節(jié)主要介紹關(guān)于第一類(lèi)斷裂的判據(jù)與準(zhǔn)則。疲勞斷裂問(wèn)題將在本書(shū)以后的專(zhuān)章中討論。

斷裂準(zhǔn)則

最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則

無(wú)裂紋體的斷裂準(zhǔn)則—最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則

(MaximumTensile-StressCriterion)

無(wú)論材料處于什么應(yīng)力狀態(tài),只要生脆性斷裂,都是由于微元內(nèi)的最大拉應(yīng)力達(dá)到了一個(gè)共同的極限值。

斷裂準(zhǔn)則

最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則

1

2

3

=

b

斷裂準(zhǔn)則

最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則

無(wú)裂紋體的斷裂準(zhǔn)則—最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則

(MaximumTensile-StressCriterion)

無(wú)論材料處于什么應(yīng)力狀態(tài),只要生脆性斷裂,都是由于微元內(nèi)的最大拉應(yīng)力達(dá)到了一個(gè)共同的極限值。失效判據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

斷裂準(zhǔn)則

最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則

1

2

3

=

b

無(wú)裂紋體的斷裂準(zhǔn)則—最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則

(MaximumTensile-StressCriterion)

無(wú)論材料處于什么應(yīng)力狀態(tài),只要生脆性斷裂,都是由于微元內(nèi)的最大拉應(yīng)力達(dá)到了一個(gè)共同的極限值。

帶裂紋體的斷裂準(zhǔn)則—線性斷裂力學(xué)準(zhǔn)則

裂紋尖端的應(yīng)力集中

韌性材料脆性斷裂

斷裂準(zhǔn)則

帶裂紋體的斷裂準(zhǔn)則

線性斷裂力學(xué)判據(jù)

KI=KIC

KI—應(yīng)力強(qiáng)度因子

KIC—斷裂韌性(由實(shí)驗(yàn)確定)

經(jīng)典準(zhǔn)則不再適用

應(yīng)力集中區(qū)域內(nèi)材料處于三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)材料由韌性向脆性轉(zhuǎn)變

斷裂準(zhǔn)則

帶裂紋體的斷裂準(zhǔn)則第11章強(qiáng)度失效分析與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

強(qiáng)度失效判據(jù)與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的應(yīng)用返回返回總目錄

關(guān)于計(jì)算應(yīng)力與應(yīng)力強(qiáng)度

將設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中直接與許用應(yīng)力[σ]比較的量,稱(chēng)之為計(jì)算應(yīng)力σri或應(yīng)力強(qiáng)度Si(最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則)(最大切應(yīng)力準(zhǔn)則)(形狀改變比能準(zhǔn)則)

強(qiáng)度失效判據(jù)與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的應(yīng)用例題1已知：鑄鐵構(gòu)件上危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。鑄鐵拉伸許用應(yīng)力[

]

=30MPa。試校核:

該點(diǎn)的強(qiáng)度。

強(qiáng)度失效判據(jù)與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的應(yīng)用

解：首先根據(jù)材料和應(yīng)力狀態(tài)確定失效形式，選擇設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

脆性斷裂，最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則

max=

1

[

]

其次確定主應(yīng)力

例題1

強(qiáng)度失效判據(jù)與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的應(yīng)用解：其次確定主應(yīng)力

例題1

強(qiáng)度失效判據(jù)與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的應(yīng)用

例題1

強(qiáng)度失效判據(jù)與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的應(yīng)用解：最后應(yīng)用強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則校核強(qiáng)度

1＝29.28MPa,

2＝3.72MPa,

3＝0

max=

129.28MPa

<[

]

=

30MPa結(jié)論：危險(xiǎn)點(diǎn)的強(qiáng)度是安全的。已知：

和

試寫(xiě)出: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。例題2

強(qiáng)度失效判據(jù)與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的應(yīng)用

例題2

強(qiáng)度失效判據(jù)與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的應(yīng)用解：確定主應(yīng)力

例題2

強(qiáng)度失效判據(jù)與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的應(yīng)用對(duì)于最大切應(yīng)力準(zhǔn)則對(duì)于形狀改變比能準(zhǔn)則解：建立強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則表達(dá)式第11章強(qiáng)度失效分析與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

結(jié)論與討論返回返回總目錄

結(jié)論與討論

關(guān)于強(qiáng)度失效的幾點(diǎn)結(jié)論

關(guān)于失效準(zhǔn)則的應(yīng)用

關(guān)于安全因數(shù)的確定

結(jié)論與討論

關(guān)于強(qiáng)度失效的幾點(diǎn)結(jié)論

關(guān)于失效的幾點(diǎn)結(jié)論(1)要區(qū)分一點(diǎn)失效與構(gòu)件失效應(yīng)力均勻分布時(shí)，一點(diǎn)失效即構(gòu)件失效

結(jié)論與討論

關(guān)于強(qiáng)度失效的幾點(diǎn)結(jié)論

關(guān)于失效的幾點(diǎn)結(jié)論(1)要區(qū)分一點(diǎn)失效與構(gòu)件失效

結(jié)論與討論

關(guān)于強(qiáng)度失效的幾點(diǎn)結(jié)論

應(yīng)力非均勻分布時(shí)，一點(diǎn)失效并不意味著構(gòu)件失效。

關(guān)于失效的結(jié)論(1)要區(qū)分一點(diǎn)失效與構(gòu)件失效

應(yīng)力非均勻分布時(shí)，一點(diǎn)失效并不意味著構(gòu)件失效。

結(jié)論與討論

關(guān)于強(qiáng)度失效的幾點(diǎn)結(jié)論要區(qū)分構(gòu)件失效與結(jié)構(gòu)失效

結(jié)論與討論

關(guān)于強(qiáng)度失效的幾點(diǎn)結(jié)論

關(guān)于失效的結(jié)論(2)

對(duì)于靜定結(jié)構(gòu)，其中的一個(gè)構(gòu)件失效將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效.要區(qū)分構(gòu)件失效與結(jié)構(gòu)失效

結(jié)論與討論

關(guān)于強(qiáng)度失效的幾點(diǎn)結(jié)論

關(guān)于失效的結(jié)論(2)

等于超靜定結(jié)構(gòu)，其中的某一構(gòu)件失效并不意味著結(jié)構(gòu)失效。

要注意強(qiáng)度失效不僅與應(yīng)力大小有關(guān)，而且與應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。

韌性材料脆性材料脆性斷裂塑性變形

結(jié)論與討論

關(guān)于強(qiáng)度失效的幾點(diǎn)結(jié)論

關(guān)于失效的結(jié)論(3)

結(jié)論與討論

關(guān)于失效準(zhǔn)則的應(yīng)用要注意不同設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的適用范圍

結(jié)論與討論

關(guān)于失效準(zhǔn)則的應(yīng)用

對(duì)于大多數(shù)韌性材料在一般應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生塑性屈服；

對(duì)于大多數(shù)脆性材料在一般應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生脆性斷裂；

要注意例外。

要注意強(qiáng)度設(shè)計(jì)的全過(guò)程

結(jié)論與討論

關(guān)于失效準(zhǔn)則的應(yīng)用

設(shè)計(jì)準(zhǔn)則并不包括強(qiáng)度設(shè)計(jì)的全過(guò)程，只是在確定了危險(xiǎn)點(diǎn)及其應(yīng)力狀態(tài)之后的計(jì)算過(guò)程。因此，在對(duì)構(gòu)件或零部件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，要根據(jù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行。特別要注意的是，在復(fù)雜受力形式下，要正確確定危險(xiǎn)點(diǎn)以及危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，并根據(jù)可能的失效形式選擇合適的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。這一問(wèn)題將在下一章作詳盡的討論。

結(jié)論與討論

關(guān)于安全因數(shù)的確定

結(jié)論與討論

關(guān)于安全因數(shù)的確定

根據(jù)不同工程部門(mén)對(duì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的要求，正確選擇安全因數(shù)是重要的工程任務(wù)。絕大多數(shù)情形下都是由工業(yè)部門(mén)以至國(guó)家規(guī)定的。選擇