失效分析与强度准则
13-3四个强度理论-材料力学
强度计算。
例1 图示几种单元体，分别按第三和第四强度理论 求相当应力（单位MPa)
60
100
（1）
40 100
40
（2）
10
60
30 （3）
例2 直径为d=0.1m的圆杆受力如图,T=7kNm,P=50kN, 为铸铁构
件，[]=40MPa,试用第一强度理论校核杆的强度。
7.7
0
0
所以，此容器不满足第三强度理论。不安全。
第三强度理论（第三相当应力） xd3 1 3
第四强度理论（第四相当应力）
xd 4
1 2
1
2
2
2
3
2
3
1
2
三、强度计算的步骤：
1、外力分析：确定所需的外力。 2、内力分析：画内力图，确定可能的危险面。 3、应力分析：画危险截面应力分布图，确定危险点并画出单元
2
1
2 2
2
3 2
3
1 2
3、实用范围：实用于破坏形式为屈服的构件。
第一、第二强度理论适合于脆性材料； 第三、第四强度理论适合于塑性材料。 1、伽利略1638年提出了第一强度理论； 2、马里奥特1682年提出了第二强度理论；
3、杜奎特（C.Duguet)提出了最大剪应力理论；也有一说是库 伦1773年提出，特雷斯卡1868完善的。
到单向拉伸的强度极限时，构件就发生断裂。
1、破坏判据： 1 b ;( 1 0)
2、强度准则： 1 ; ( 1 0)
3、实用范围：实用于破坏形式为脆断的构件。
lsdyna 失效准则
lsdyna 失效准则摘要：1.lsdyna 失效准则简介2.lsdyna 失效准则的分类3.lsdyna 失效准则的应用领域4.我国在失效准则研究方面的进展5.未来研究方向与挑战正文：lsdyna 失效准则是一种广泛应用于结构动力学分析的失效理论。
失效准则的制定旨在保证结构在各种工况下的安全性能。
本文将对lsdyna 失效准则进行简要介绍，并分析其在不同领域的应用及我国在该领域的研究进展。
1.lsdyna 失效准则简介lsdyna 失效准则起源于美国，是一种基于能量的失效理论。
它通过计算结构的能量变化，判断结构是否失效。
lsdyna 失效准则具有较高的计算精度和较强的适应性，能满足多种工况下的失效分析需求。
2.lsdyna 失效准则的分类lsdyna 失效准则主要分为以下几类：(1) 基于能量的失效准则，如能量释放率法、能量平衡法等。
(2) 基于变分原理的失效准则，如最大势能原理、最小势能原理等。
(3) 基于强度的失效准则，如强度折减法、等效应力法等。
3.lsdyna 失效准则的应用领域lsdyna 失效准则在以下领域得到了广泛应用：(1) 航空航天：用于分析飞行器结构在复杂工况下的安全性能。
(2) 汽车工程：用于评估汽车零部件在碰撞过程中的失效风险。
(3) 土木工程：用于预测桥梁、高楼等结构在风、地震等自然灾害下的抗灾能力。
(4) 机械制造：用于分析机床、起重设备等在极限载荷下的可靠性。
4.我国在失效准则研究方面的进展近年来，我国在失效准则研究方面取得了显著进展。
我国学者在引进、消化、吸收国外先进失效准则的基础上，发展了具有自主知识产权的失效理论。
此外，我国还积极参与国际失效准则标准的制定，为国际失效准则研究做出了贡献。
5.未来研究方向与挑战面对未来，失效准则研究仍然面临诸多挑战。
一方面，随着工程结构的日益复杂，失效准则需要不断优化和完善，以适应各种新型结构的安全分析需求。
另一方面，失效准则研究与计算机科学、材料科学等领域的交叉融合将成为新的研究热点。
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。
第七章 强度失效分析与设计准则
第七章强度失效分析与设计准则————材料力学教案第七章强度失效分析与设计准则什么是"失效"，"材料失效"与"构件失效"或"结构失效"有何区别和联系；怎样从众多的失效现象中寻找失效规律；假设失效的共同原因，从而建立失效判据，以及相应的设计准则，以保证所设计的工程构件或工程结构不发生失效，并且具有一定的安全裕度。
这即为本章将要涉及的主要问题。
失效的类型很多，本章主要讨论受静荷载作用处于单向应力状态与一般应力状态下的材料强度失效。
失效与材料的力学行为密切相关，因此研究失效必须通过实验研究材料的力学行为。
实验是重要的，但到目前为止，人类所进行的材料力学行为与失效实验是很有限的。
怎样利用有限的实验结果建立多种情形下的失效判据与设计准则，这是本章的重点。
§7-1轴向荷载作用下材料的力学行为材料失效1. 应力——应变曲线为研究材料在常温静载作用下的力学行为需将试验材料按照国家标准作成标准试样。
然后，在试验机上进行拉伸试验，试验过程中同时自动记录试样所受的荷载及相应的变形，进而得到自开始加载至试样破断全过程的应力-应变曲线。
应力-应变曲线的形状表征着材料的特定的力学行为，对于不同的材料，应力一应变曲线各不相同，甚至有很大差异。
图7一1a、b分别为脆性和韧性金属材料的应力-应变曲线；图7-1c则为塑料的应力-应变曲线。
根据应力一应变曲线，可以得到表征材料力学行为的若干特征性能。
2. 弹性模量应力一应变曲线上的直线段称为线弹性区。
这一区域内的应力与应变之比称为材料的弹性模量(杨氏模量)，它是应力一应变曲线上直线段的斜率，用E表示。
在应力一应变曲线的非直线段，还可以定义两种模量：切线模量，即曲线在任意应变处的斜率，用E t表示。
割线模量，,即自原点至曲线上对应于任意应变点连线的斜率，用E s表示，如图7一2所示。
切线模量与割线模量统称为工程模量，如图7-2所示。
ansys acp失效准则
ansys acp失效准则在工程设计中，材料的失效准则是很重要的一个方面。
失效准则是用来描述材料在载荷作用下达到破坏的状态，这对于设计师来说是必不可少的信息。
在计算机辅助工程分析（CAE）软件中，ANSYS ACP是一个广泛使用的工具。
在ANSYS ACP中，可以使用不同的失效准则来分析材料在不同载荷下的破坏行为。
本文将介绍一些常见的ANSYS ACP失效准则。
各向同性材料的ACP失效准则对于各向同性材料，常用的失效准则有最大应力、最大应变和范德波尔失效准则。
最大应力失效准则最大应力失效准则是最常用的失效准则之一。
这个准则假定当最大的正（或负）应力达到材料强度时，材料将会失效。
因此，当应力状态满足以下不等式时，材料失效：σmax > σt其中，σmax是材料中最大正应力，σt是材料的张应力屈服强度。
这个失效准则在材料的强度比较明确的情况下，具有较高的可靠性。
其中，εmax是材料中最大应变，εt是材料的拉伸应变屈服强度。
与最大应力失效准则相比，该准则考虑了材料中最大应变，因此通常适用于塑性失效的情况。
范德波尔失效准则哈根-波西效应准则f1(σ1-σ01)2+f2(σ2-σ02)2+f3(σ3-σ03)2 < 1其中，σ1、σ2、σ3是材料中的应力，σ01、σ02、σ03是材料在该方向上的屈服强度，f1、f2、f3是材料的拉伸和压缩强度效应。
特尔伯准则特尔伯准则主要适用于各向异性的塑性材料。
在塑性失效的情况下，当材料中的应力状态满足以下不等式时，材料失效：总结在ANSYS ACP中，选择适当的失效准则对于材料的破坏行为进行分析非常重要。
在选择失效准则时，应该考虑材料性质、载荷类型和力学行为等因素。
常用的失效准则包括最大应力失效准则、最大应变失效准则、范德波尔失效准则、哈根-波西效应准则和特尔伯准则，根据具体情况选择合适的准则进行分析。
材料力学第八章
D2 E2 O2
某实际应力状态：与 包络线相切，1>3， 3 1 有正负。 E3O3 O1O3 D3O3 D1O1 OO1 OO3 E2O2 O1O2 D2O2 D1O1 OO1 OO2 1 3 [ c ] [ t ] D3O3 D2O2 D1O1 2 2 2 1 3 [ c ] [ t ] OO3 OO2 OO1 2 2 2
最大拉应力1，与应力状态无关； 1．断裂原因： 2．强度准则： 1 u / nb 1 [ ] 断裂判据： 1 u 1 b 3．u由单向拉伸断裂条件确定： u b nb [ ] 4．应用情况：符合脆性材料的多向拉断试验，或 压应力不超过拉应力情况，如铸铁单向拉伸和 扭转；不能用于无拉应力的应力状态。
1．屈服原因： 形状改变比能uf，与应力状态无关；
2．强度准则：
1 uf ufu / ns ( 1 2 )2 ( 2 3 )2 ( 3 1 )2 [ ] 2
屈服判据：
1 uf ufu ( 1 2 )2 ( 2 3 )2 ( 3 1 )2 s 2
4．应用情况： 符合表面润滑石料的轴压破坏，某些 脆性材料压应力很大时的双向拉压状态。
§8-2
断裂准则
一、最大切应力理论(第三强度理论，Tresca准则) 不论材料处于何种应力状态，引起材料屈服的 原因是最大切应力max达到共同极限值s。
1．屈服原因： 最大切应力max，与应力状态无关； 2．强度准则： max s / ns 1 3 [ ]
[t]、[c]：许可拉、压应力； [ t ] 1 3 [ t ] 如[t]=[c]，退化为最大切 [ c ] 应力准则。
tsai-hill强度准则
tsai-hill强度准则
Tsai-Hill强度准则是一种航空结构材料有效性测试的常用手段，它首次于1968年由Tsai和Hill提出
它对评估复合材料及其组合材料的界限强度，运行应力和可能失效有高度相关。
根据Tsai-Hill强度准则，弹性强度可以表示为：σ1n=σ11+σ12+σ13等，其中σ1n是单位体积的总应力强度，σ11、σ12和σ13是分别向三个不同方向的应力强度。
Tsai-Hill强度准则是评估航空复合材料结构可行性和运用应力的有效机制。
基于不同应力变形性能数据，可以计算出等效应力和弹性强度，用以预测材料组合失效的可能性，以此判断其是否可以使用。
此外，Tsai-Hill强度准则还提供了一种分析复合材料应力及其定向特性的有效方法。
通过计算多层材料的实际应力及其置信度，可以避免错误的设计和分析。
根据Tsai-Hill强度准则的特点：
可以比较和评估不同的复合材料的应力性能和耐久性，为设计实现安全运行提供有效的理论依据。
在航空工程中，Tsai-Hill强度准则可用于检验复合材料层压结构组合，对于涉及此方面的学术研究和造船工程，此方法都可以大有裨益。
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§7.6强度理论及其相当应力 7.6强度理论及其相当应力
六、强度理论的统一形式
σr ≤ [σ]
相当应力： 相当应力：
σr1 =σ1
σr2 = σ1 −ν(σ2 +σ3 )
σr3 = σ1 −σ3
1 (σ1 −σ2 )2 + (σ2 −σ3 )2 + (σ3 −σ1 )2 σr4 = 2 [σt ] σrM = σ1 − σ3 [σc ]
该理论认为： 该理论认为：最大切应力是引起屈服的主要原因 认为 即认为：无论材料处于什么应力状态，只要最大切应力 即认为：无论材料处于什么应力状态，只要最大切应力 达到单向拉伸屈服时的切应力， 达到单向拉伸屈服时的切应力，材料就会发生 塑性屈服。 塑性屈服。 屈服判据： 屈服判据：
τ max =τ u
< [τ ]
S
* zmax
252 1 252 3 −9 = 120×14×133+ 8.5× × ×10 m = 291×10−6 m3 2 2 2
工字形截面简支梁由三根钢板焊接而成，已知: 例 4 工字形截面简支梁由三根钢板焊接而成，已知: ]=170MPa，[τ]= ， ]=100MPa。试全面校核该梁的强度。 。试全面校核该梁的强度。 [σ]= 120 F F=200kN 解： 3.主应力校核 3.主应力校核
[σt ] σ3 ≤ [σt ] σ1 − [σc ]
当[σt]=[σc]=[σ]时：
σ1 −σ3 ≤ [σ ]
§7.6强度理论及其相当应力 7.6强度理论及其相当应力
五、强度理论的适用范围
第一和第二强度理论： 第一和第二强度理论： 通常适用于脆性破坏 通常适用于脆性破坏
第三和第四强度理论问题：通常适用于塑性破坏 第三和第四强度理论问题：通常适用于塑性破坏 塑性材料三向受拉时, 塑性材料三向受拉时,会发生脆性断裂 脆性材料三向受压时, 脆性材料三向受压时,会发生塑性屈服
vd = vdu
1+ν (σ1 −σ2 )2 + (σ2 −σ3 )2 + (σ3 −σ1 )2 vd = 6E 1+ν vdu = (2σs2 ) 6E
[
]
§7.6强度理论及其相当应力 7.6强度理论及其相当应力
4、形状改变比能准则（第四强度准则） 、形状改变比能准则（第四强度准则）
该准则认为： 该准则认为：形状改变比能是引起屈服的主要原因 认为 即认为：无论材料处于什么应力状态，只要形状改变比 即认为：无论材料处于什么应力状态，只要形状改变比 能达到单向拉伸屈服时形状改变比能极限值， 能达到单向拉伸屈服时形状改变比能极限值， 材料就会发生塑性屈服。 材料就会发生塑性屈服。 屈服判据： 屈服判据：
τmax =τb
上述判据都是建立在试验基础上的
§7.6强度理论及其相当应力 7.6强度理论及其相当应力
二、强度失效的两种形式
对于四种基本变形，已建立了两个强度条件： 对于四种基本变形，已建立了两个强度条件： 强度条件 1.单向应力状态 .
σmax
σmax ≤ [σ ]
ns [σ ] = σb nb
§7.6强度理论及其相当应力 7.6强度理论及其相当应力
三、应用举例
工字形截面简支梁由三根钢板焊接而成，已知: 例 4 工字形截面简支梁由三根钢板焊接而成，已知: ]=170MPa， ]=100MPa。试全面校核该梁的强度。 [σ]=170MPa，[τ]=100MPa。试全面校核该梁的强度。 120 F F=200kN 解： 1.确定危险截面 1.确定危险截面
§7.6强度理论及其相当应力 7.6强度理论及其相当应力
四、几种常见的强度理论
1.最大拉应力理论 . 2.最大伸长线应变理论 . 3.最大切应力理论 . 4.最大形状改变比能理论 .
§7.6强度理论及其相当应力 7.6强度理论及其相当应力
1、最大拉应力理论（第一强度理论） 、最大拉应力理论（第一强度理论）
二、强度失效的两种形式
对于四种基本变形， 即已建立了如下失效判据 失效判据： 对于四种基本变形， 即已建立了如下失效判据： 1.单向应力状态 .
σmax
σmax = σs
σmax = σb
屈服判据 断裂判据 对于塑性材料 对于脆性材料
2.纯剪切应力状态 .
γ τmax
τmax =τs
屈服判据 断裂判据 对于塑性材料 对于脆性材料
σ1
. A
t
σ2
.
D
p
很难用试验方法建立复杂应力状态下的强度失效判据 很难用试验方法建立复杂应力状态下的强度失效判据 试验方法
§7.6强度理论及其相当应力 7.6强度理论及其相当应力
三、强度理论的概念
根据材料的强度失效现象， 强度失效现象 强度理论—— 根据材料的强度失效现象，提出合理的 强度理论 假设，利用简单拉伸的试验结果， 简单拉伸的试验结果 假设，利用简单拉伸的试验结果，建立 复杂应力状态下的强度条件。 复杂应力状态下的强度条件。 强度理论认为：无论是简单应力状态还是复杂应力状 强度理论认为： 同一类型的破坏是由同一因素引起的 的破坏是由同一因素引起的. 态,同一类型的破坏是由同一因素引起的. 引起材料强度失效的因素： 引起材料强度失效的因素： 强度失效的因素 应力、 危险点的应力 应变或 危险点的应力、应变或应变比能
Iz = 70.8×10−6 m4
* F maxSz max τ max = S I zb
14 280 14
8.5 z
A
C 420 2.5m
D 420
B
200kN FS 200kN . M 84kN m
200×103 ×291×10−6 P a = -6 −3 70.8×10 ×8.5×10
P = 96.6M a
Mmax ymax σmax = Iz
3 −3
14 280 14
8.5 z
A
C 420 2.5m
D 420
B
84×10 ×140×10 P a = -6 70.8×10
200kN FS 200kN . M 84kN m
P = 166M a
< [σ ]
3
120×14 8.5×252 2 Iz = 2 12 +133 ×14×120 + 12
ε1 = εu
σu 1 εu = ε1 = [σ1 −ν(σ2 +σ3 )] E E σ1 −ν (σ2 +σ3 ) = σu
强度条件： 强度条件：
σ1 −ν(σ2 +σ3 ) ≤ [σ]
§7.6强度理论及其相当应力 7.6强度理论及其相当应力
3、最大切应力理论（第三强度理论） 、最大切应力理论（第三强度理论）
例5. .
锅炉或其它薄壁圆筒形容器壁上的任一点 锅炉或其它薄壁圆筒形容器壁上的任一点 它薄壁
σ1 = σu
σ1 ≤ [σ]=
σu
nb
§7.6强度理论及其相当应力 7.6强度理论及其相当应力
2、最大伸长线应变理论（第二强度理论） 、最大伸长线应变理论（第二强度理论）
该理论认为： 该理论认为：最大伸长线应变是引起断裂的主要原因 认为 即认为： 无论材料处于什么应力状态，只要最大伸长线 即认为： 无论材料处于什么应力状态，只要最大伸长线 应变达到单向拉伸时的极限应变， 应变达到单向拉伸时的极限应变，材料就会发 脆性断裂。 生脆性断裂。 断裂判据： 断裂判据：
§7.6强度理论及其相当应力 7.6强度理论及其相当应力
二、强度失效的两种形式
塑性屈服 塑性屈服—— 破坏时,有明显的塑性变形 屈服 破坏时,有明显的塑性变形 脆性断裂 脆性断裂—— 破坏时,有无明显的塑性变形 断裂 破坏时,有无明显的塑性变形
§7.6强度理论及其相当应力 7.6强度理论及其相当应力
σs
对于塑性材料 对于脆性材料
2.纯剪切应力状态 .
γ τmax
τmax ≤ [τ ]
ns [τ ] = τb nb
τs
对于塑性材料 对于脆性材料
§7.6强度理论及其相当应力 7.6强度理论及其相当应力
二、强度失效的两种形式
在复杂应力状态下， 在复杂应力状态下，材料的失效形式不仅与每个主 应力的大小有关，还与主应力的组合有关。 应力的大小有关，还与主应力的组合有关。 三个主应力的组合情况是多种多样的 例如： 例如：
[
]
§7.6强度理论及其相当应力 7.6强度理论及其相当应力
特例： 特例： 对于平面应力状态 主应力： 主应力：
σx τx
τy σx τx τy
σ1 σx σx 2 = ± +τ x σ3 2 2 σ2 = 0
2
相当应力： 相当应力：
2 2 σr3 = σx + 4τ x 2 σr 4 = σ x + 3 x τ2
第七章
应力状态和强度理论
§7.6
强度理论及其相当应力
一、失效的概念 二、强度失效的两种形式 三、强度理论的概念
§7.6强度理论及其相当应力 7.6强度理论及其相当应力 强度理论
一、失效的概念
失效(破坏） 失效(破坏）— 构件失去应有承载能力的现象 构件的主要失效形式： 构件的主要失效形式： 强度失效—— 材料的断裂与屈服 强度失效 刚度失效—— 构件产生过大的弹性变形 刚度失效 失稳失效—— 构件平衡状态的改变 失稳失效 疲劳失效—— 构件在交变应力作用下的突然断裂 疲劳失效