第九章三向应力状态(6,7,8)
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应力状态概述二向和三向应力状态的实例二向
2．作应力圆 主应力为 1 , 3 ，并可 确定主平面的法线。
材料力学
第七章
应力和应变分析
3．分析 纯剪切应力状态的两个主应力绝对值相等， 但一为拉应力，另一为压应力。由于铸铁抗拉强度较 低，圆截面铸铁构件扭转时构件将沿倾角为 45º 的螺旋面因拉伸而发生断裂破坏。
材料力学
第七章
2 2
x y
xy
n
材料力学
y a xy
y On D( x , ) a a
a
第七章
n
应力和应变分析
二、应力圆的画法
建立应力坐标系，如下图所 示，（注意选好比例尺） 在坐标系内画出点A( x， xy)和B(y，yx)
x
C O
2a
AB与a 轴的交点C便是圆 A( x , xy) 心。
150°
第七章
应力和应变分析
x y 2 2 1 x y （ ） xy 2 2 2
解法2—解析法：分析——建立坐标系如图
95
60°
y 45MP a yx 25 3MP a xy
25 3
x ?
y O x
60 95MPa 60 25 3MPa
材料力学
第七章
应力和应变分析
应力表示——单元体：
①dx、dy、dz（微小的正六面体） ②单元体某斜截面上的应力就代表了构件内 对应点同方位截面上的应力。
B P
dz
dx
dy
A
C
பைடு நூலகம்
B
D
C
B、C——单向受力，τ ＝0 A——纯剪切， σ ＝0
D
D——既有 σ ，又有τ
应力状态分析
第九章 应力状态分析和强度理论
§9–1 应力状态的概念 §9–2 平面应力状态分析——解析法 §9–3 平面应力状态分析——图解法 §9–4 梁的主应力及其主应力迹线 §9–5 三向应力状态研究——应力圆法 §9–6 平面内的应变分析 §9–7 复杂应力状态下的应力 -- 应变关系
——（广义虎克定律） §9–8 复杂应力状态下的变形比能
c/sin c/cos
xy cos 2 sin 2
3
ixco 2 sysi2 nxsy in co s i 1
3i xs2 i n ys2 in xy c2 o s s2 in i 1
x 2yx 2yco 2 s1 2xsy i2 n
2x 2ysi2n1 2xyco2s
ts ssxx 2 2 ssyyss i2nx 2 styxcyco o22s stxsy i2 n
令 :d d s 0 sx sysi2 n 0 2 txc y 2 o 0 s 0
由此的两个驻点：
01、（012）和两各极值：
tg20
2txy sx sy
s s s s s s t m m ´´a in xx2 y± （ x2 y） 2x 2 y
sy sx
t0 0极值正应力就是主应！力
主面上的正应力。
s1
主应力排列规定：按代数值大小，
s1s2s3
三向应力状态（ Three—Dimensional State of Stress）： 三个主应力都不为零的应力状态。
二向应力状态（Plane State of Stress）： 一个主应力为零的应力状态。
单向应力状态（Unidirectional State of Stress）： 一个主应力不为零的应力状态。
§9–1 应力状态的概念 §9–2 平面应力状态分析——解析法 §9–3 平面应力状态分析——图解法 §9–4 梁的主应力及其主应力迹线 §9–5 三向应力状态研究——应力圆法 §9–6 平面内的应变分析 §9–7 复杂应力状态下的应力 -- 应变关系
——（广义虎克定律） §9–8 复杂应力状态下的变形比能
c/sin c/cos
xy cos 2 sin 2
3
ixco 2 sysi2 nxsy in co s i 1
3i xs2 i n ys2 in xy c2 o s s2 in i 1
x 2yx 2yco 2 s1 2xsy i2 n
2x 2ysi2n1 2xyco2s
ts ssxx 2 2 ssyyss i2nx 2 styxcyco o22s stxsy i2 n
令 :d d s 0 sx sysi2 n 0 2 txc y 2 o 0 s 0
由此的两个驻点：
01、（012）和两各极值：
tg20
2txy sx sy
s s s s s s t m m ´´a in xx2 y± （ x2 y） 2x 2 y
sy sx
t0 0极值正应力就是主应！力
主面上的正应力。
s1
主应力排列规定：按代数值大小，
s1s2s3
三向应力状态（ Three—Dimensional State of Stress）： 三个主应力都不为零的应力状态。
二向应力状态（Plane State of Stress）： 一个主应力为零的应力状态。
单向应力状态（Unidirectional State of Stress）： 一个主应力不为零的应力状态。
三向应力状态
2
2
min
例7-1 试求中所示单元体的主应力和最大剪应力。 （1）求主应力
x 10MPa, y 30MPa, x 20MPa max x + y x - y 2 + x 2 2 min
10 + 30 10 - 30 + 202 2 2 + 42.4MPa（ 拉 应 力 ） - 2.4MPa（ 压 应 力 ）
2 2
a 0对应 max
x + y
2
a 0 + 90 对应 min
x + y
2
三、最大和最小剪应力
d a 0 da
2
x - y
2
cos 2a - 2 xy sin 2a 0
x - y tg 2a 2 xy
max
x - y 2 + + xy 2 x - y 2 - 2 + xy
3
a 0 12143'
3
（2）求最大剪应力
1 42.4 2 0 MPa - 2.4 3
1
(a)
max
1 - 3
2
22 .4 MPa
3、 纯剪切应力状态
- 2 x tg 2a 0 - x - y
a0 135
五、不等于零的情况。
二向应力状态：三对主应力中有两对主应力不等
于零的情况。
三向应力状态：三对主应力皆不等于零的情况。
7-2 平面应力状态分析—解析法
一、斜截面上的应力
已知：单元体 x，y，xyyx， a 研究与z轴平行的任一斜截面c e上的应力。 符号规则： q 角：从x轴正方向反时针转至斜截面的 外法线方向为正，反之为负。 正应力：拉为正，压为负。 剪应力：使微元体或其局部产生顺时针方 向转动趋势者为正，反之为负。
2
min
例7-1 试求中所示单元体的主应力和最大剪应力。 （1）求主应力
x 10MPa, y 30MPa, x 20MPa max x + y x - y 2 + x 2 2 min
10 + 30 10 - 30 + 202 2 2 + 42.4MPa（ 拉 应 力 ） - 2.4MPa（ 压 应 力 ）
2 2
a 0对应 max
x + y
2
a 0 + 90 对应 min
x + y
2
三、最大和最小剪应力
d a 0 da
2
x - y
2
cos 2a - 2 xy sin 2a 0
x - y tg 2a 2 xy
max
x - y 2 + + xy 2 x - y 2 - 2 + xy
3
a 0 12143'
3
（2）求最大剪应力
1 42.4 2 0 MPa - 2.4 3
1
(a)
max
1 - 3
2
22 .4 MPa
3、 纯剪切应力状态
- 2 x tg 2a 0 - x - y
a0 135
五、不等于零的情况。
二向应力状态：三对主应力中有两对主应力不等
于零的情况。
三向应力状态：三对主应力皆不等于零的情况。
7-2 平面应力状态分析—解析法
一、斜截面上的应力
已知：单元体 x，y，xyyx， a 研究与z轴平行的任一斜截面c e上的应力。 符号规则： q 角：从x轴正方向反时针转至斜截面的 外法线方向为正，反之为负。 正应力：拉为正，压为负。 剪应力：使微元体或其局部产生顺时针方 向转动趋势者为正，反之为负。
工程力学第9章 应力状态与强度理论
27
根据广义胡克定律，有
解 （1）m-m 截面的内力为：
（2）m-m 截面上 K 点的应力为：
28
29
30
9.5 强度理论
9.5.1 强度理论的概念 在第7章中介绍了杆件在基本变形情况下的强度计 算，根据杆件横截面上的最大正应力或最大切应力及相 应的试验结果，建立了如下形式的强度条件：
31
32
33
（2）第二强度理论———最大伸长线应变理论
34
（3）第三强度理论———最大切应力理论
35
（4）第四强度理论———最大形状改变比能理论
36
37
（2）校核正应力强度
（3）校核切应力强度
38
（4）按第三强度理论校核 D 点的强度
39
思考题 9.1 某单元体上的应力情况如图9.18所示，已知 σx=σy。试求该点处垂直于纸面的任意斜截面上的正应力、 切应力及主应力，从而可得出什么结论？
6
9.2.1 方位角与应力分量的正负号约定 取平面单元体位于Oxy平面内，如图9.5（a）所示。 已知x面（外法线平行于x轴的面）上的应力σx及τxy，y 面上的应力σy及τyx。根据切应力互等定理，τxy=τyx。现 在为了确定与z轴平行的任意斜截面上的应力，需要首 先对方位角α以及各应力分量的正负号作如下约定：
10
11
9.2.3 平面应力状态下的主应力 与极值切应力由式（9.1）和式（9.2）可知，当σx， σy和τxy已知时，σα和τα将随α的不同而不同，即随斜截面 方位不同，截面上的应力也不同。因而有可能存在某种 方向面，其上之正应力为极值。设α=α0时，σα取极值。 由
12
13
14
15
16
第九章第六节梁弯曲时的应力及强度计算(上课用)
m
V
( Stresses in Beams)
m
m
M
V
m m
只有与剪应力有关的切向内力元素 d V = dA 才能合成剪力
只有与正应力有关的法向内力元素 d FN = dA 才能合成弯矩
剪力V 内力 弯矩M 正应力 剪应力
所以，在梁的横截面上一般
既有 正应力， 又有 剪应力
先观察下列各组图
所以，可作出如下 假设和推断：
1、平面假设：
2.单向受力假设： 各纵向纤维之间互不挤压，纵向纤维均处于单向受拉或受压的状态。 因此梁横截面上只有正应力σ而无剪应力τ
各横向线代表横截面，实验表 明梁的横截面变形后仍为平面。
梁在弯曲变形时，上面部分纵向纤维缩短，下面部分纵向纤维伸长，必 有一层纵向纤维既不伸长也不缩短,保持原来的长度，这一纵向纤维层称为 中性层. 中性层与横截面的交线称为中性轴，中性轴通过截面形心，是一条形心轴。 且与截面纵向对称轴y垂直，将截面分为受拉区及受压区。梁弯曲变形时， 各横截面绕中性轴转动。
(3)横截面上任一点处的剪应力计算公式(推导略)为
V S I zb
Z
V——横截面上的剪力
Iz——整个横截面对中性轴的惯性矩
b——需求剪应力处的横截面宽度 S*Z——横截面上需求剪应力处的水平线 以外(以下或以上)部分面积A*(如图 ）对 中性轴的静矩
V
3V 4 y2 (1 2 ) 2bh h
应力状态按主应力分类：
（1）单向应力状态。在三个相对面上三个 主应力中只有一个主应力不等于零。 （2）双向应力状态。在三个相对面上三个 主应力中有两个主应力不等于零。
（3）三向应力状态。其三个主应力都不等于零。例 如列车车轮与钢轨接触处附近的材料就是处在三向应 力状态下.
三向应力状态简介
例：填空题。
危险点接近于三向均匀受拉的塑性材料，应选用
破坏形式为
。
第一
脆性断裂
强度理论进行计算，因为此时材料的
例：选择题。 纯剪切应力状态下，各向同性材料单元体的体积改变有四种答案：
（A）变大 （B）变小 （C）不变 （D）不确定
123 m
K
例： 圆轴直径为d，材料的弹性模量为E，泊松比为 μ ，为了测得轴端的力偶ｍ之值，但只有一 枚电阻片。 (1) 试设计电阻片粘贴的位置和方向； (2) 若按照你所定的位置和方向，已测得线应
对于二向应力状态：
1 1 E ( 1 2 )
2
1 E
(
2
1)
3 E ( 1 2 )
2 1
CL10TU30
下 面 考 虑 体 积 变 化 ：
V0abc
V 1 a ( 1 1 ) b ( 1 2 ) c ( 1 3 ) 2
a b c ( 1 1 23 )
） ） ）
§10-6 复杂应力状态下的变形比能
拉压变形能：
U1Pl1PPl P2l
2
2 EA 2EA
变形比能：
P
P
l l
uU P2l
2
1
V 2EAAl 2E 2
CL10TU40
变形比能：
u 1
2
u2 1112 1222 133 2
1 3
变形比能：
u21112122 2133
2 1 E 1 2 1 E12 2 13 2 2 （(1 2 2 3 ）23 31 )
强度理论的论述基本一致。
二
例：填空题。
一球体在外表面受均布压力p = 1 MPa作用，则在球心处的主应力 1 =
三向应力
z
s z s 30 s 120 ) （
我们应该把X，Y，Z理解 成任意三个垂直的方向
特例（主单元体）
s
2
s3
s1
s
2
s1
1 2 3
1 E 1 E 1 E (s 1 s 2 ) (s s 1 )
s1
1 2 3
1 E 1 E 1 E (s 1 0 )
xy
2 xy
x y
例： 已知一点在某一平面内的 1、 2、 3、方向上的应变 1、
2、 3，三个线应变，求该面内的主应变。
解：由
x cos i y sin i
2 2
i
xy
sin i cos i
i =1,2,3这三个方程求出 x， y， x y；然后在求主应变。
2
co s 2
xy
2
sin 2
x y
2
sin 2
y
xy
2
co s 2
2 s x s t
2
s
s x s
s x s
2
y
cos 2 t xy sin 2
y
sin 2 t xy cos 2
二、应变分析图解法——应变圆（ Strain Circle）
1） x1 方 向 的 线 应 变 ； .沿 2）x1 y 1角 的 剪 应 变 。 .
dx
f ( x , y , z , xy , ) g ( x , y , z , xy , )
y1
y
x1
dy
应力状态-材料力学 经典
将0值代入，得：
一点的应力状态
x y x - y 2 2 ( ) xy 2 2 x y x - y 2 2 - ( ) xy 2 2
应力状态/应力圆
主应力排序：
12 3
a
o 2
d
c
2qp
1
3 o
应力状态/应力圆
利用应力圆确定主应力
y
D
xy
A
x
a
yx
o B1 d
c
2q p
A 1
x y x - y 2 2 0c cA ( ) xy oA 1 1 2 2 x y x - y 2 2 oB1 0c - cB1 - ( ) xy 2 2 一点的应力状态
x
-
yx
xy
y
即又一次证明了剪应力的互等定理。
一点的应力状态
应力状态/应力圆
三、应 力 圆
（Mohr’s Circle for Stresses）
1、应力圆方程
x y x - y cos 2 - xy sin 2 2 2
5 4
FP 2
S平面
5 4 3 2
1
3
2 1
Mz x1 Wz
FP l Mz 4
2
3
x2
2
1
2
3
一点的应力状态
应力状态/应力状态的概念及其描述
主平面：单元体上剪应力为零的平面
主应力：主平面上的正应力
通过任意的受力构件中任意一点，总可以找到三个
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(0, )
max
min
1 , 2 0, 3
E 2(1 )G
(0, )
1 2 1 1 2 2 2 v ( 1 3 2 1 3 ) 2G 2E E
作业：7-15，16，18
§9-7 强度理论及其相当应力
2＋4 2
第9章
失效分析与设计准则 几种常用的强度
设计准则
应用举例
对于最大剪应力理论 例 题 二
r3=1-3= 2＋4 2
对于形状改变比能理论
r4=
= 2＋3 2
[例9-12]在纯剪切应力状态下：用第三强度理 论和第四强度理论得出塑性材料的许用剪应力 与许用拉应力之比。 解（1）纯剪切应力状态下三个主应力分别为
1 , 2 0, 3
第三强度理论的强度条件为：
[ ] 由此得： 2 剪切强度条件为：
1 3 ( ) 2 [ ]
[ ]
按第三强度理论可求得：[ ] 0.5[ ]
（2）第四强度理论的相当应力：
1 ( 1 2 ) 2 ( 2 3 ) 2 ( 3 1 ) 2 3 2
第四强度理论强度条件
3 [ ]
由此得： [ ]
剪切强度条件为：
3
[ ]
按第四强度理论可求得：[ ] 0.578[ ]
例：填空题。
• 在纯剪切应力状态下：
• 用第三强度理论可得出：塑性材料的许用剪
[ ] 应力与许用拉应力之比 0.5 [ ]
• 用第四强度理论可得出：塑性材料的许用剪
1 2 vu 2 s 6E
v f vu
屈服破坏条件是：
1 2 2 2 ( 1 2 ) ( 2 3 ) ( 3 1 ) s 2
第四强度理论：
1 2 2 2 ( 1 2 ) ( 2 3 ) ( 3 1 ) [ ] 2
[例9-11]已知铸铁构件上危险点的应力状态。铸铁
拉伸许用应力 [] =30MPa。试校核该点的强度。
解：首先根据材料和应力状态确 定破坏形式，选择强度理论。
脆性断裂，最大拉应力理论
max= 1 [] 其次确定主应力
1＝29.28MPa, 2＝3.72MPa, 3＝0
max= 1< [] = 30MPa 结论：强度是安全的。
二. 强度理论的概念
1.对强度理论的要求： （1）能够解释破坏；
（2）能够预言破坏；
（3）形式简单使用方便。
2.建立强度理论的原则：
（1）考虑材料性质；
（2）考虑应力状态的影响；
（3）获得材料性能较容易。
F ( 1 , 1 , 1 , 1, 2 , 23 , 31 ) [ ]
1 ( 2 3 ) b [ ] n 第二强度条件： ( ) [ ] 1 2 3
b
煤、石料或砼等材料在轴向压缩试验时，
如端部无摩擦，试件将沿垂直于压力的方向 发生断裂，这一方向就是最大伸长线应变的 方向，这与第二强度理论的结果相近。
3.最大剪应力理论（第三强度理论） 假设：无论材料内各点的应力状态如何，只 要有一点的最大剪应力τmax达到单向拉伸屈服 剪应力τS时，材料就在该处出现明显塑性变形 或屈服。
[ ] 应力与许用拉应力之比 0.577 [ ]
例：填空题。
石料在单向压缩时会沿压力作用方向的纵 截面裂开，这与第 二 强度理论的论述基本 一致。
例：填空题。
一球体在外表面受均布压力p = 1 MPa 作用，则在球心处的主应力 1 = －1 MPa， 2 = －1 MPa， 3 = －1 MPa。
3、微元体应变比能
dW 1 v 11 2 2 3 3 dxdydz / dxdydz dV 2 1 1 1 2 2 3 3 2
1 1 1 v 11 2 2 3 3 2 2 2 1 1 （ 2 3） 1
E 1 2 （ 3 1） 2 E 3 1 3 （ 1 2） E
1 2 2 2 v 1 2 3 2 ( 1 2 2 3 3 1 ) 2E
变形比能=体积改变比能+形状改变比能ຫໍສະໝຸດ vd v vV2
1 vd ( 1 2 ) 2 ( 2 3 ) 2 ( 3 1 ) 2 6E
m
2 m
1 3
m m
3 m
1 m
[9-10]求证 E 2(1 )G 证明： max min
允许应力由简单拉伸实验得到。
三.几种常用的强度理论
1. 最大拉应力理论（第一强度理论） 假设：无论材料内各点的应力状态如何， 只要有一点的主应力σ1 达到单向拉伸断裂 时的极限应力σu，材料即破坏。 在单向拉伸时，极限应力 σu =σb 失效条件可写为 σ1 ≥ σb
[ ]
b
n
第一强度强度条件： 1 [ ]
假设：无论材料内各点的应变状态如何，只要有一点 的最大伸长线应变ε1达到单向拉伸断裂时应变的极
限值 εu，材料即破坏。
所以发生脆性断裂的条件是 ε1 ≥ εu
若材料直到断裂前全在线弹性范围内工作，则 u b 1 u 1 1 （ 2 3） E E E 由此导出失效条件的应力表达式为：
这个理论和许多塑性材料的试验结 果相符，用此判断碳素钢的屈服失效是 比较准确的。
几种常用的强度理论(1)
1. 第一强度理论
2
3
= b
1
max
1 ( 1 0)
o max
b
几种常用的强度理论(3)
2 3
3. 最大剪应力理论
= s
1
1 3 max 2
第9章
失效分析与设计准则 几种常用的强度
设计准则
应用举例
例题二
已知： 和 试写出最大剪应力 理论和形状改变比 能理论的表达式。
第9章
失效分析与设计准则 几种常用的强度
设计准则
应用举例
例 题 二 解：首先确定主应力 ＋1 2＋4 1＝ 2 2
2
2＝0
3＝ 2
－
1 2
[例]冬天自来水管冻裂而管内冰并未 破裂，其原因是?
冰处于 三向压 应力状态，而水管 处于 二向拉 应力状态
例：填空题。
冬天自来水管冻裂而管内冰并未破裂，
其原因是冰处于 三向压 应力状态，而水管 处于 二向拉 应力状态。
§9-8 莫尔强度理论 [ t ] 1 3 [ t ] [ c ] [ t ] r M 1 3 [ c ]
屈服破坏条件是：
max s
1 3 s max , s 2 2 用应力表示的屈服破坏条件： 1 3 s s [ ] n
第三强度条件：
1 3 [ ]
第三强度理论曾被许多塑性材料的试验结
果所证实，且稍偏于安全。这个理论所提供的 计算式比较简单，故它在工程设计中得到了广 泛的应用。该理论没有考虑中间主应力σ2的影 响，其带来的最大误差不超过15％，而在大多
数情况下远比此为小。
4.形状改变比能理论(第四强度理论)
假设：复杂应力状态下材料的形状改变比能达到单 向拉伸时使材料屈服的形状改变比能时，材料即会 发生屈服。
屈服破坏条件是：
简单拉伸时： 1 s , 2 3 0
1 2 2 2 vf ( 1 2 ) ( 2 3 ) ( 3 1 ) 6E
试验证明，这一理论与铸铁、岩石、砼、
陶瓷、玻璃等脆性材料的拉断试验结果相符，
这些材料在轴向拉伸时的断裂破坏发生于拉
应力最大的横截面上。脆性材料的扭转破坏， 也是沿拉应力最大的斜面发生断裂，这些都 与最大拉应力理论相符，但这个理论没有考 虑其它两个主应力的影响。
2.最大伸长线应变理论（第二强度理论）
一.单参数强度条件的局限性
1.单参数强度条件
max [ ]
max [ ]
2.单参数强度条件的局限性
（1）破坏形式与应力状态有关 铸铁的拉压破坏说明同种材料不 同的受力方式破坏形式不同；
（2）材料的破坏方式与材料性能有关。 铸铁和低碳钢的扭转破坏说明相同的受力方式材料不 同破坏方式不同。 2. 材料破坏的形式 材料破坏的形式主要有两类： 断裂面为主应力作用面的正断-- 脆性破坏 断裂面为主切应力作用面的剪断-- 塑性破坏
r 称为相当应力 r1 1
r [ ]
r 2 1 ( 2 3 ) r3 1 3
1 2 2 2 r 4 ( 1 2 ) ( 2 3 ) ( 3 1 ) 2
一般说来，在常温和静载的条件下，脆性材 料多发生脆性断裂，故通常采用第一、第二强度 理论；塑性材料多发生塑性屈服，故应采用第三、 第四强度理论。 影响材料的脆性和塑性的因素很多，例如低 温能提高脆性，高温一般能提高塑性；在高速动 载荷作用下脆性提高，在低速静载荷作用下保持 塑性。 无论是塑性材料或脆性材料： 在三向拉应力接近相等的情况下，都以断裂的形 式破坏，所以应采用最大拉应力理论； 在三向压应力接近相等的情况下，都可以引起塑 性变形，所以应该采用第三或第四强度理论。
2
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1
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m 1 2 3