强失效分析与设计准则
失 效 概 念
构件失效概念与失效分类
构件失效概念与失效分类
构件失效概念与失效分类 强 度 失 效
构件失效概念与失效分类
构件失效概念与失效分类 刚度失效
构件失效概念与失效分类
构件失效概念与失效分类 屈服失效
构件失效概念与失效分类 除上述外，失效还有以下几种类型：
二、失效ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ则的应用
由于构件的强度失效不仅与构件的材料有关， 而且与材料所处的应力状态有关。
因此，应用失效准则时： （1）根据材料力学行为以及所处的应力状态，确定 可能的失效类型（屈服还是断裂）。 （2）根据失效类型（屈服还是断裂），采用相应的 设计准则。
11－5 应用举例
11－5 应用举例
11－5 应用举例
11－5 应用举例
11－5 应用举例
11－5 应用举例
11－5 应用举例
结论与讨论
一、失效的两个结论
结论一：本章所涉及的绝大多数失效为材料 在常温、静载荷作用下的失效行为，并且主 要建立了无裂纹体的失效判据。
结论二：本章所论述的若干失效判据，只适用 金属材料和一部分非金属材料，关于高分子聚 合物、复合材料的失效行为与失效判据，将在 以后的章节中介绍到。
构件失效概念与失效分类
§11-2 强度失效判据与设计准则概述
强度失效判据与设计准则概述
强度失效判据与设计准则概述
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第7章
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11－2 强度失效判据与设计准则
强度失效判据与设计准则
单向应力状态下的设计准则：
11－3 屈服准则
11－3 屈服准则
11－3 屈服准则
11－3 屈服准则
畸变能密度准则 内的畸变能密度
11－3 屈服准则
畸变能密度准则
11－3 屈服准则
畸变能密度准则
11－4 断裂准则
11－4 断裂准则
11－4 断裂准则
11－4 断裂准则
11－4 断裂准则
11－4 断裂准则
11－4 断裂准则
11－4 断裂准则
畸变能密度准则
滚动轴承的受力分析载荷计算失效和计算准则
滚动轴承的受力分析载荷计算失效和计算准则滚动轴承是一种常用的机械元件，它能够在高速旋转的条件下承受并转移载荷。
在设计和应用滚动轴承时，关键的工作之一是进行受力分析和载荷计算，以确保轴承能够正常工作并减少失效的风险。
本文将从受力分析、载荷计算、失效和计算准则几个方面详细介绍滚动轴承。
一、滚动轴承的受力分析滚动轴承受到的力主要有径向力和轴向力两种。
径向力是垂直于轴线的力，它可以分为径向载荷和径向惯性力两部分。
轴向力是平行于轴线的力，它可以分为轴向载荷和轴向惯性力两部分。
受力分析的目的是确定轴承所受的载荷大小和方向，以便选择适当的轴承型号和设计。
二、滚动轴承的载荷计算载荷计算是根据受力分析的结果，确定轴承承受的载荷大小和方向。
在实际应用中，轴承承受的载荷通常包括静载荷和动载荷两部分。
静载荷是指静止条件下轴承所承受的最大力，动载荷是指旋转条件下轴承所承受的最大力。
根据载荷计算的结果，可以选择适当的轴承并确定其使用寿命。
滚动轴承的失效可以分为疲劳失效和磨损失效两种。
疲劳失效是由于载荷作用下轴承材料的疲劳破裂引起的，磨损失效是由于轴承表面的磨损引起的。
根据滚动轴承的失效机理，制定了一系列的计算准则，用于评估轴承的寿命和失效风险。
常用的滚动轴承计算准则包括基本额定寿命、等效动载荷、寿命调整系数和动接触角等。
基本额定寿命是指在特定载荷下，轴承能够连续工作的寿命。
等效动载荷是指在复杂工况下，将径向载荷和轴向载荷转化成等效的径向载荷。
寿命调整系数则考虑了不同工作条件下的调整因素，用于修正基本额定寿命。
动接触角是指滚动元件与外圈之间的接触角度，它可以影响轴承的刚度和额定寿命。
综上所述，滚动轴承的受力分析、载荷计算、失效和计算准则是设计和应用滚动轴承时的重要内容，它们能够帮助我们选择适当的轴承型号、确保轴承的使用寿命并减少失效的风险。
在实际工程中，我们应该根据具体的工作条件和要求，进行合理的受力分析和载荷计算，并遵循相关计算准则，以确保滚动轴承的安全可靠运行。
压力容器设计概述及准则
国家质量监督检验检疫总局特种设备局认证备案，
打印结果中 应有软件程序编号、输入数据和计算结果 等内容。
11
过程设备设计
设计图样
总图
零部件图
总图
包括压力容器名称、类别；设计条件；
必要时应注明压力容器使用年限；
主要受压元件材料牌号及材料要求； 主要特性参数（如容积、换热器换热面积与程数等）；
制造要求；热处理要求；防腐蚀要求；无损检测要求；
33
定因素，引入安全系数，
得到与失效判据相对应 的设计准则。
过程设备设计
压力容器设计时
先确定
最有可能的失效形式
选择
合适的失效叛据和设计准则
确定
适用的设计标准
再按照标准要求
进行设计、校核
34
过程设备设计
4.2.2 强度失效设计准则 强度失效的两种主要形式：
屈服 （在常温、静载作用下） 断裂 弹性失效设计准则 塑性失效设计准则 爆破失效设计准则
37
过程设备设计
（2）形状改变比能准则
形状改变比能失效判据：
1 2 [(σ 1 - σ 2 ) 2 (σ 2 - σ 3 ) 2 (σ 3 - σ 1 ) 2 ] s
第四强度理论：
任意应 力状态
1 2
[(σ1 - σ 2 ) 2 (σ 2 - σ 3 ) 2 (σ 3 - σ 1 ) 2 ] [σ]t
23
过程设备设计
脆性断 裂原因
材料脆性和缺陷。 a. 材料选用不当、焊接与热处理不当使材料 脆化；低温、长期在高温下运行、应变
时效等也会使材料脆化；
b. 压力容器用钢一般韧性较好，但若存在
严重的原始缺陷（如原材料的夹渣、
工程力学(静力学与材料力学)习题及答案 - 设计准则
工程力学（静力学与材料力学）习题第12章 失效分析与设计准则12－ 1 对于建立材料在一般应力状态下的失效判据与设计准则，试选择如下合适的论述。
（A ）逐一进行试验，确定极限应力；（B ）无需进行试验，只需关于失效原因的假说；（C ）需要进行某些试验，无需关于失效原因的假说； （D ）假设失效的共同原因，根据简单试验结果。
正确答案是 。
12－2 对于图示的应力状态（y x σσ>）若为脆性材料，试分析失效可能发生在：（A ）平行于x 轴的平面； （B ）平行于z 轴的平面；（C ）平行于Oyz 坐标面的平面； （D ）平行于Oxy 坐标面的平面。
正确答案是 。
12－3 对于图示的应力状态，若x y σσ=，且为韧性材料，试根据最大切应力准则，失效可能发生在：（A ）平行于y 轴、其法线与x 轴的夹角为45°的平面，或平行于x 轴、其法线与y 轴的夹角为45°的平面内；（B ）仅为平行于y 轴、法线与z 轴的夹角为45°的平面； （C ）仅为平行于z 轴、其法线与x 轴的夹角为45°的平面； （D ）仅为平行于x 轴、其法线与y 轴的夹角为45°的平面。
正确答案是 。
12－4 铸铁处于图示应力状态下，试分析最容易失效的是：（A ）仅图c ；（B ）图a 和图b ； （C ）图a 、b 和图c ； （D ）图a 、b 、c 和图d 。
正确答案是 。
12－5低碳钢处于图示应力状态下，若根据最大切应力准则，试分析最容易失效的是： （A ）仅图d ； （B ）仅图c ； （C ）图c 和图d ； （D ）图a 、b 和图d 。
正确答案是 。
12－6 韧性材料所处应力状态如图所示，根据最大切应力准则，试分析二者同时失效的条件是： （A ）τσ>，3/2στ=； （B ）τσ<，3/4στ=； （C ）τσ=；（D ）τσ>，3/2τσ=。
失效分析与强度准则
VS
详细描述
汽车零件的磨损失效是汽车故障的主要原 因之一，可能导致车辆性能下降和安全事 故。通过磨损失效分析，可以了解汽车零 件的磨损机理和影响因素，为汽车零件的 设计、制造和使用提供优化方案。
案例五：高分子材料的老化失效分析
总结词
高分子材料的老化失效分析主要研究高分子材料在环境因素作用下的性能退化和老化机理。
详细描述
高分子材料的老化失效是一个普遍存在的现象，受到环境因素如温度、湿度、紫外线等的影响。通过老化失效分 析，可以了解高分子材料的老化机理和影响因素，为高分子材料的设计、制造和使用提供科学依据。
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高分子材料的失效分析
01
高分子材料的失效分析主要关注高分子材料的强度、
硬度、韧性、耐热性、耐腐蚀性等方面的变化。
02
高分子材料的失效通常是由于老化、氧化、水解等因
素引起的。
03
高分子材料的失效分析方法包括红外光谱分析、核磁
共振谱分析、热重分析等。
04
结构失效分析
结构失效的分类与原因
断裂失效
由于材料内部存在缺陷或应力集中区 域，导致结构在低于其承载能力的应 力作用下发生断裂。
最大伸长应变准则
该准则认为当最大伸长应 变达到材料的极限伸长应 变时，材料会发生拉伸失 效。
莫尔-库仑准则
该准则认为当剪切应力与 正应力之比达到某一特定 值时，材料会发生剪切失 效。
强度准则的应用场景与限制
应用场景
强度准则广泛应用于工程结构的设计、分析和优化，特别是在材料和结构的承载能力评 估方面。
05
失效分析案例研究
案例一：金属材料疲劳失效分析
总结词
金属材料疲劳失效分析主要研究金属材料在循环载荷作用下的性能退化和最终 断裂过程。
ansys workbench 失效准则
ansys workbench 失效准则（实用版）目录1.ANSYS Workbench 简介2.失效准则的定义与分类3.ANSYS Workbench 中的失效准则4.失效准则在 ANSYS Workbench 中的应用5.结论正文【1.ANSYS Workbench 简介】ANSYS Workbench 是一款由 ANSYS 公司开发的综合性计算机辅助工程（CAE）软件，广泛应用于结构、流体、热传导等多物理场的仿真分析。
通过强大的图形用户界面和参数化设计，用户可以轻松地搭建模型、应用各种分析技术和求解器，以实现对工程设计的快速验证和优化。
【2.失效准则的定义与分类】失效准则，又称为失效模式或失效机理，是指在特定的工况下，材料或结构不能满足设计要求的性能指标，从而导致失效或破坏的规律。
失效准则可以分为以下几类：（1）强度失效准则：材料在应力达到其强度极限时发生失效。
（2）疲劳失效准则：材料在循环载荷作用下，经过一定次数的循环后发生失效。
（3）腐蚀失效准则：材料在腐蚀环境下，由于腐蚀作用导致其性能降低，最终发生失效。
（4）磨损失效准则：材料在摩擦、磨损作用下，表面逐渐损耗，最终导致失效。
（5）断裂失效准则：材料在裂纹扩展过程中，当裂纹长度达到临界值时发生失效。
【3.ANSYS Workbench 中的失效准则】在 ANSYS Workbench 中，失效准则主要应用于结构分析和热分析等领域。
用户可以根据不同的工程背景和需求，选择合适的失效准则进行分析。
以下是 ANSYS Workbench 中常用的失效准则：（1）强度失效准则：在结构分析中，可以使用材料强度极限来判断结构是否失效。
例如，当材料的应力达到其屈服强度或破坏强度时，结构即被认为失效。
（2）疲劳失效准则：在疲劳分析中，可以使用疲劳寿命预测方法来评估结构在循环载荷作用下的失效风险。
例如，当结构在规定的循环次数内发生断裂时，即认为其失效。
（3）腐蚀失效准则：在腐蚀分析中，可以使用腐蚀模型来预测材料在腐蚀环境下的失效程度。
机械设计概论4机械零件的主要失效形式和计算准则一
5、零部件装配工艺性
6、零部件维修工艺性
机械零件设计中的标准化
标准化、系列化、通用化
机械设计
一、传统设计方法
第1 章
机械设计概论
12
1.7 机械设计方法及其新发展 1、理论设计 1）根据使用要求，选择零件的类型和结构。 2）根据机器的工作要求，计算作用在零件上的载荷。 3）选择适当的材料。 4）根据零件工作能力准则，确定零件的主要尺寸
机械设计
第1 章
机械设计概论
2
1.2 机器设计的一般程序 机械设计是一个创新与借鉴相结合的过程，一般程序如下：
计划阶段 方案设计 技术设计 试制、试验、鉴定、生产 信 息 反 馈 、 修 改
技术文件的编制
机械设计
第1 章
机械设计概论
3
减速器设计
机械设计
第1 章
机械设计概论
4
1.3 机械零件设计的基本要求及一般步骤
5）选用高效率设备，减少动力、燃料消耗。
机械设计
3、可靠性要求
第1 章
机械设计概论
1
机器的可靠度（R)：在规定的工作期限内和规定的工 作条件下，无故障完成规定功能的概率。 提高机器可靠度的关键是提高其组成零部件的可靠度 4、劳动保护和环境保护要求 1）操作者的操作安全，减轻操作者的劳动强度 2）改善操作者及机器的环境 5、其它要求 产品的特殊要求、造型要求、清洁能源、材料等
机械设计
第1 章
机械设计概论
6
机械设计
二、设计准则
第1 章
机械设计概论
7
1、强度准则
强度：零件抵抗断裂、塑变、疲劳破坏的能力。 方法： 1） [ ] 或 [ ]
[ ]
材力第7章习题解
∴ = 0，
MPa，
MPa
MPa
2． = 248 MPa；
∴ = 0，
MPa，
MPa
MPa 3． = 290 MPa。
∴ = 0，
MPa，
MPa
MPa
7-13 铝合金制成的零件上某一点处的平面应力状态如图所示，其屈服应力 = 280MPa。试按最大切应 力准则确定。
1．屈服时的 的代数值； 2．安全因数为 1.2 时的 值。 1．解：
1．（a）
（b）
，
2．（a）
（b） 用形状改变比能，相当应力相同。
7-17 薄壁圆柱形锅炉容器的平均直径为 1250mm，最大内压强为 23 个大气压（1 个大气压 0.1MPa）， 在高温下工作时材料的屈服应力 = 182.5MPa。若规定安全因数为 1.8，试按最大切应力准则设计容器的 壁厚。
解：
，
，
习题 7-17 解图
壁厚：
mm
7-18 平均直径 D = 1.8m、壁厚 = 14mm 的圆柱形容器，承受内压作用。若已知容器为钢制，其屈服应力 = 400MPa，要求安全因数 ns = 6.0。试分别应用以下准则确定此容器所能承受的最大内压力。
1．用最大切应力准则； 2．用形状改变比能准则。
①设：
习题 7-13 图
=0
得
= 230 MPa
②设： =0
得
MPa
∴
= 230 MPa 或
MPa
2．解：
， = 168 MPa
或
，
MPa
∴
= 168 MPa 或
MPa
7-16 两种应力状态分别如图 a 和 b 所示，若二者的 、 数值分别相等，且
强度失效分析与设计准则
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
两种强度失效形式
(1) 屈 服
(2) 断 裂
无裂纹体 含裂纹体Fra bibliotek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
则
强度失效分析与设计准
单向应力状态下 材料的力学行为
三种拉伸应力-应变曲线 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 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
三种拉伸应力应变曲线
屈服阶段 断裂阶段 强化阶段 弹性阶段
则
强度失效分析与设计准
单向应力状态下 材料的力学行为
弹性行为
e 弹性极限
p 比例极限
则
强度失效分析与设计准
单向应力状态下 材料的力学行为
屈服行为
s
屈服强度
则
强度失效分析与设计准
单向应力状态下 材料的力学行为
屈服行 为
建立一般应力状态下 强度失效判据与 设计准则的思路
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
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
不可能性与可能性
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
几种常用的强度 设计准则
2
3
= s
1
10 30 s 2 2
失效分析与设计准则
主要讨论
常用工程材料在常温、静载条件下的 力学性能
材料失效分析的基本方法设计准则
第一节 常用工程材料 在轴向拉伸与压缩时的力学性能
构件材料抵抗破坏的能力及其受力后 的变形规律称为材料的力学性能
一、材料的拉伸实验
试件的基本条件
拉伸试件
AAB 、ABC 。
30o
解： (1)计算各杆受力
Q
FX = 0 ; NBCsin30o - NAB = 0 ; NAB = 2cos30o
Q FY = 0 ; NBCcos30o - Q = 0;
Q NBC = cos30o
C Y
B NAB
NBC Q
（2）计算各杆截面面积
AB 杆：NAB
X
AAB
一、许可应力与安全因数 塑性材料 [σ]＝ σs/ ns 脆性材料 [σ]＝ σb/ nb
二、强度失效判据与设计准则
σmax≤ [σ]
当[σ－]≠ [σ＋]时： σ＋max≤ [σ＋]
σ－max≤ [σ－]
第三节 强度失效判据 与设计准则的应用
计 算 步 骤
1. 判断危险截面及危险点、计算危险点处的应 力
d
d
压缩 试件
h L
拉伸
材
低碳钢Q235
压缩
料
铸铁
拉伸
压缩
材料实验机
拉伸
压缩
低碳钢的拉伸
点击画面观看动画
低碳钢拉伸时的应力应变曲线
屈服极限 比例极限
强度极限
锯齿状
单向应力状态下 材 料 的 力 学 性能
弹性阶段 塑性阶段 强化阶段 颈缩阶段
机械零件的强度和设计准则
• 减轻振动的一般措施：
（1）尽量采用对称结构（如花键联接）、减少悬臂长度、缩短中心距等； （2）对转动零件进行平衡，尽量满足动、静平衡条件；（3）采用阻尼 作用消耗引起振动的能量，比如设置滑动轴承的油膜阻尼器、液压缸端部 的阻尼孔等；（4）设置隔振零件，比如加装弹簧、橡胶垫、隔振层等都 具有减振作用。
复习思考题
1、何谓零件的失效？常见形式有哪些？ 2、载荷、应力各如何分类？基本变应力有哪几种？用哪些参数描述变应 力？ 3、如何判断零件受力类型？ 4、两种判断零件强度的方式是什么？ 5、安全系数如何选择？其大小会产生什么影响？ 6、提高零件强度有哪些措施？ 7、表面强度有哪几种？如何计算挤压和磨损强度？ 8、何谓刚度和柔度？刚度不足会产生什么影响？影响刚度的因素有哪些？ 9、根据冲击模型推导解释冲击载荷的危害及如何缓和冲击作用。 10、何谓振动、共振及失稳？稳定性计算的准则是什么？减轻振动的措 施有哪些？ 11、什么是可靠度？
✓静应力是指不随时间变化或变化缓慢的应力，它只能由静载荷产生；
✓变应力是指随时间变化的应力，变应力可由变载荷产生，也能由静载荷产生;
✓变应力可以归纳为三种基本的类型:对称循环变应力、非对称循环变应力、脉动 循环变应力;
✓五个参数中任意取出两个就可以准确地描述一个应力的性质。 。
（1）横坐标以上为拉伸应力， 数值为正，横坐标以下为压缩应 力，数值为负。对于剪切应力， 则可以自行规定一个方向为正值 ，另一个方向为负值。（2）根
•
严格把控质量关，让生产更加有保障 。2020 年12月 上午3时 36分20 .12.200 3:36De cember 20, 2020