材料力学强度理论

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1、9强度理论MW1、脆性断裂和塑性屈服脆性断裂:材料无明显的塑性变形即发生断裂，断面较粗糙，且多发生在垂直于最大正 应力的截面上，如铸铁受拉、扭，低温脆断等。塑性屈服:材料破坏前发生显著的塑性变形，破坏断面较光滑，且多发生在最大剪应力 面上，例如低碳钢拉、扭，铸铁压。2、四种强度理论（1）最大拉应力理论（第一强度理论）材料发生脆性断裂的主要因素是最大拉应力达到极限值，即： 1 = 0（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，都是由于最大拉应变（线变形）达到极限值导致的，即： 1 =匕0（3）最大切应力理论（第三强度理论）无论材料处于什么应力状态，只要发

2、生屈服，都是由于最大切应力达到了某一极限值，即:T =T 0max（4）形状改变比能理论（第四强度理论）无论材料处于什么应力状态，只要发生屈服,都是由于单元体的最大形状改变比能达到一个极限值，即：u d = u 0强度准则的统一形式 * 其相当应力：Qr11Q- U（Q +Q ）r2 1233、摩尔强度理论的概念与应用;4、双剪强度理论概念与应用。9.1图9.1所示的两个单元体，已知正应力Q =165MPa，切应力工=110MPa。试求两个单元体的第三、第四强度理论表达式。图9.1解(1)图9.1 (a)所示单元体的为空间应力状态。注意到外法线为y及一y的两 个界面上没有切应力，因而y方向是一

3、个主方向，q是主应力。显然，主应力q对与y轴 平行的斜截面上的应力没有影响，因此在xoz坐标平面内可以按照平面应力状态问题对待。外法线为X、Z轴两对平面上只有切应力T,为纯剪切状态，可知其最大和最小正应力绝对 值均为则图9.1 (a)所示单元体的三个主应力为:Q =Q、Q =T、Q = T123,第三强度理论的相当应力为q (a) =q q =q+t= 165 +110 = 275eq3 13MPa第四强度理论的相当应力为:Q (a)=eq4Q)2+(QQ)2+(QQ)21223312 (Q T)2 + G+T)2 +(T Q)2165 -110 )2 +(2 x 110 )2 + (110

4、-165 )2二 252.0MPa220MPa_-WPao 02(2)图9.1(b)所示单元体，其主应力为=_ 165 J1652 + 4 x 11022 第三强度理论的相当应力为：o( b) o o 220+55 275eq3 1 3 MPa第四强度理论的相当应力为：o ( a )eq4(220.0)2 + (55.0)2 + (55.0 220.0 )2 252.0MPa9.2 一岩石试件的抗压强度为o 140MPa,E=55GPa,卩=0.25,承受三向压缩。己知 试件破坏时的两个主应力分别为o =-1.4MPa和o -2.8MPa，试根据第四强度理论推算12这时的另一个方向的主应力为多

5、少？解设另一个方向的主应力为o ,则根据第四强度理论可得)2 +(o)2 +(o2o 2 + 8.46 39188.24 0解得o 138MPa所以，另一个方向的主应力为-138MPa.9.3薄壁圆筒容器,筒壁材料处于二向应力状态,按第三强度理论建立的强度条件是什么?解 第一强度理论认为最大拉应力 o 是引起材料脆性断裂破坏的主要因素,这一理1论强度条件为o o o；r11第二强度理论认为最大伸长线应变是引起材料脆性断裂破坏的主要因素,其强度条件为o o -y(o +o )o；r1123第三强度理论认为最大切应力 t 是引起材料塑性屈服破坏的主要因素,其强度条件 max为 Q = -Q q;第

6、四强度理论认为另外的两个主应力也影响材料的塑性屈服，其强度条件1-（Q -Q）2 +（Q -Q ）2 +（Q -Q ）2I q；2 L 122331其中，可以直接根据破坏情况不同，来选择强度理论，例如铸铁，砖石与混凝土一类塑性 材料，一般发生脆性断裂破坏，通常采用第一强度理论；而钢材一类塑性材料的破坏形态多 为塑性屈服通常采用第二或第四强度理论。图9.29.4图9.2示的薄壁圆筒受最大内压时，测得*x=1.88x10-4,乞=7.37x10-4，已知钢的 E=210GPa,Q=170MPa，泊松比卩=0.3，试用第三强度理论校核其强度。y1U2y x 1 0.32用第三强度理论Q =Q -Q

7、= 183.1MP aqr3 13a解由广义虎克定律得E2 1Q=市 Cx + 吒）=声（-88 + 03 3 737 x 107 = 944MPaE2 1q =（ + 陋）=（7.37 + 0.3 x 1.88） x 107 = 183.1MPa所以 q = 183.1MPa,Q = 94.4MPa,Q = 0-q因为所以，此容器不满足第三强度理论，不安全。习题解析 I -9.1对于等直杆的截面形状,危险点应力状态及变形形式来说,按第三强度理论建立 的强度条件，贝y Gcy适用于拉伸.压缩屈服极限相M 2 + M 2n lG适用于弯Wr3 13同:G2 + 4P 2 g 适用于单向拉伸或纯剪

8、切:Gr 3r 3扭组合。9.2第一和第二强度理论只适用于脆性材料，第三和第四强度理论只适用于塑性材 料。这种说法是否正确？为什么？答这种说法完全正确因为材料的脆性和塑性不是绝对的例如:大理石这样的材料， 在常温静载下，承受单向压缩时，显示出脆性断裂，但在三向压缩时，却可以有很好的塑性： 有如，象低碳钢这样塑性很好的材料,在低温或很高的加载速度下，却显示出脆性破坏因而, 把塑性材料和脆性材料理解为材料处于塑性状态或脆性状态更为确切些。9.3试用第三强度理论分析图9.3所示四种应力状态中哪种最危险（应力单位为MPa)。图9.3解(a)三个主应力 g = 90MPa, g = 30MPa, g =

9、 lOMPa123按第三强度理论 g - g = 8OMPa13(b) g = 90MPa, g = 0, g = - lOMPa123g -g = 100MPa13(c) g = 90MPa, g = 90MPa, g = 01 2g -g = 90MPa13(d)q -q = 90MPa13所以，四种应力状态中(b)危险。9.4 一脆性材料制成的圆管,内径d=0.lm,外径D=0.15m,承受扭矩Mn=70kNm, 轴向压力P。如材料的拉伸强度极限为lOOMPa,压缩强度极限为25OMPa，试用第一强度 理论确定圆管破坏时的最大压力 P。70 x 103MT 二 nmax Wp解 在扭矩的

10、作用下,圆管产生扭转,横截面上的最大切应力为1(132 MPa一兀d 31 -a 4 丿16P即+1322 100所以q 74.24MPaPq A = 74.24x-兀1D2 -d2)= 728.5kNx,x49.5如图 9.4 所示,在船舶螺旋桨轴的 F-F 截面上,由于主机扭矩引起的切应力T =14.9MPa,由推力引起的压应力oX=-4.2MPa,由螺旋桨等重力引起的最大弯曲正应力Q = 士 22MPa ,试求截面F-F上危险点C的主应力大小及其方位,并求出最大切应力。 x若轴的材料许用应力o=10OMPa，试按第三强度理论校核该轴的强度。图9.4解根据题意可知，Q =4.2一22 =

11、26.2MPa, q = 0 t = 14.9MPaxy , x1、主应力t 2 =13.1 +、13.12 +14.92 = 6.74MPax= 13.1 19.8 = 32.94MPa , q 二 02设最大主应力方位角为 ,即2ttg 2申=Q Qxy=士 = 1.1426.22p是第三象限的角，即2p = 228.7。, p = 114。最大切应力t= 1(Q Q )= 19.84MPamax 2132、按第三强度理论校核(q q )= 39.68MPa Iq= 100MPa强度满足。139.6如图9.5所示，(1)用钢钉联接的薄壁容器，在同样的长度内，纵向的娜钉数比横 向的多一倍,为

12、什么?(2)冬天自来水管会因结冰时受内压而被涨破,显然水管中的冰也受 到同样的反作用力,为何冰不破坏而水管破坏?试解释之。电* + * * fr 常年申图9.5答(1)用截面法可得，薄壁容器横纵向截面上的正应力分别是，横向正应力是纵向 正应力的2倍，往往沿纵向拉裂，因此在同样的长度内，纵向的铆钉数比横向的多一倍。(2)在冬天，水管内水结冰后体积会膨胀，水管与冰之间产生作用力与反作用力，当周向 应变达到最大值时，即达到水管的强度极限时会产生脆性断裂。二 40MPaQ 二-80MPax一T = T9.7如图9.6所示，已知x y(1) 画出单元体的主平面，并求出主应力;(2) 画出切应力为极值的单

13、元体上的应力;(3)若材料是低碳钢，试按第三、四强度理论计算单元体的相当应力。图9.6解主应力t 2 =-8 + 56.6 = 16.56MPa2t 2 = -80 - 56.6 = -96.6MPa2所以 o = 16.56MPa,o = 0, o =96.56MPa123最大主应力方位tg2需=1是第三象限的角，即2p = 225。, p = 112.5。1 ( 16.56-C 96.6)(2)最大切应力t = q -a )= 56.6MPamax 2 1 2 2与最大主应力作用面之夹角为45。，参看下图。q(3) 按第三强度理论计算得单元体的相当应力为QLq -q 二 16.56-(-96.6)= 113.2MPa13按第四强度理论计算得单元体的相当应力为-q ）2 +（a -q ）2 +（a -q ）2122331= 105.9MPa29.8有一发生弯扭组合变形的圆轴，已知其弯矩和扭矩数值相同,M=800Nm,材料的许用应力o=90MPa。试按第三和第四强度理论计算其直径，并比较这两个直径相差多少?、2Ivq 2 + 3t32M将题中已知条件代入得，两个直径相差:5.04-4.93=0.11cm