工程力学第13章应力状态分析
工程力学---应力状态分析
τα =
ห้องสมุดไป่ตู้
2
sin2α +τ xcos2α
上述关系建立在静力学基础上， 上述关系建立在静力学基础上，故所得结 论既适用于各向同性与线弹性情况， 论既适用于各向同性与线弹性情况，也适 用于各向异性、 用于各向异性、非线弹性与非弹性问题
单辉祖：工程力学 12
应力圆
应力圆原理
σα = σ x +σ y σ x −σ y
17
例 2-2 利用应力圆求截面 m-m 上的应力
解： ：
σ m = −115 MPa
τ m = 35 MPa
18
单辉祖：工程力学
例 2-2 利用应力圆求截面 m-m 上的应力
解： 1. 画应力圆 ： A点对应截面 x, B点对应截面 y 点对应截面 点对应截面 τ 2. 由应力圆求 σm 与 m 顺时针转60 由A点（截面 x ）顺时针转 。至D点（截面 y ） 点 点
解： σ x = −100 MPa τ x = −60 MPa σ y = 50 MPa α = −30o ：
σm =
σ x + σ y σ x −σ y
2 +
τm =
单辉祖：工程力学
σ x −σ y
2
2
cos2α −τ xsin2α = −114.5MPa
sin2α +τ xcos2α = 35.0MPa
(τ ydAsinα)sinα + (σ ydAsinα)cosα = 0
σα = σ xcos2α +σ ysin2α − (τ x +τ y )sinα cosα
τα = (σ x −σ y )sinα cosα +τ xcos2α −τ ysin2α
工程力学中的应力和应变分析
工程力学中的应力和应变分析工程力学是应用力学原理解决工程问题的学科，它研究物体受外力作用下的力学性质。
应力和应变是工程力学中的重要概念，它们对于分析材料的强度和变形特性具有重要意义。
本文将就工程力学中的应力和应变进行详细分析。
一、应力分析应力是指物体单位面积上的内部分子间相互作用力。
根据作用平面的不同，可以分为法向应力和剪切应力两种。
1. 法向应力法向应力是指力作用垂直于物体某一截面上的应力。
根据物体受力状态的不同，可以分为拉应力和压应力两种。
- 拉应力拉应力是指作用于物体截面上的拉力与截面面积的比值。
拉应力的计算公式为：σ = F/A其中，σ表示拉应力，F表示作用力，A表示截面面积。
- 压应力压应力是指作用于物体截面上的压力与截面面积的比值。
压应力的计算公式与拉应力类似。
2. 剪切应力剪切应力是指作用在物体截面上切向方向上的力与截面面积的比值。
剪切应力的计算公式为：τ = F/A其中，τ表示剪切应力，F表示作用力，A表示截面面积。
二、应变分析应变是指物体由于外力的作用而产生的形变程度。
根据变形情况，可以分为线性弹性应变和非线性应变。
1. 线性弹性应变线性弹性应变是指物体在小应力下，应变与应力成正比，且随应力消失而恢复原状的应变现象。
线性弹性应变的计算公式为：ε = ΔL/L其中，ε表示线性弹性应变，ΔL表示物体的长度变化，L表示物体的原始长度。
2. 非线性应变非线性应变是指物体在较大应力下，应变与应力不再呈线性关系的应变现象。
非线性应变的计算公式较为复杂，需要根据具体情况进行分析。
三、应力和应变的关系应力和应变之间存在一定的关系，常用的关系模型有胡克定律和杨氏模量。
1. 胡克定律胡克定律是描述线性弹性材料的应力和应变之间关系的基本模型。
根据胡克定律，拉应力和拉应变之间的关系可以表示为：σ = Eε其中，σ表示拉应力，E表示弹性模量，ε表示拉应变。
2. 杨氏模量杨氏模量是描述材料抵抗拉伸或压缩变形能力的物理量。
工程力学中的杆件和梁的应力分析
工程力学中的杆件和梁的应力分析工程力学是工程学科的重要分支之一，它研究物体在受力作用下的力学性质。
在工程实践中，杆件和梁是常见的结构构件，其应力分析是工程设计和计算的基础。
本文将从杆件和梁的应力分析角度探讨工程力学中的相关知识。
一、杆件的应力分析杆件是一种细长的结构构件，承受轴向力的作用。
在杆件的静力学中，应力是一个重要参数，用于描述杆件内部受力的强度和稳定性。
杆件的应力可以分为正应力和切应力。
1. 正应力正应力是指垂直于杆件截面的作用力在该截面上的单位面积，通常用σ表示。
正应力的计算可以使用公式：σ = F / A其中，F为作用力的大小，A为截面积。
正应力可以分为拉应力和压应力两种情况。
当作用力沿着杆件的轴向，方向与截面的法线方向一致时，称为拉应力。
拉应力是正值，表示杆件受拉的状态。
当作用力沿着杆件的轴向，方向与截面的法线方向相反时，称为压应力。
压应力是负值，表示杆件受压的状态。
2. 切应力切应力是指杆件截面上作用力的切向力与该截面上的单位面积之比，通常用τ表示。
切应力的计算可以使用公式：τ = F / A其中，F为作用力的大小，A为截面积。
切应力主要存在于杆件的连接部分，例如螺纹连接、焊接连接等。
切应力会引起杆件的剪切变形和破坏，需要在设计过程中加以考虑。
二、梁的应力分析梁是一种用于承受弯曲力的结构构件，具有横截面的特点。
在梁的应力分析中，主要考虑的是弯矩和截面弯曲应力。
1. 弯矩弯矩是指作用在梁上的力对其产生的弯曲效应。
在工程实践中，梁通常是直线形状，因此弯矩在横截面上呈现出分布的特点。
弯矩可以通过力学平衡和弹性力学原理进行计算。
弯矩的大小与力的大小和作用点的位置有关，计算公式为：M = F * d其中，M为弯矩，F为作用力的大小，d为作用点到梁的某一端的距离。
2. 截面弯曲应力截面弯曲应力是指由于弯曲效应，在梁的横截面上产生的应力。
截面弯曲应力的大小与弯矩和横截面的几何形状有关，计算可以使用弯曲应力公式进行。
工程力学中的应变与应力分析方法总结和应用研究
工程力学中的应变与应力分析方法总结和应用研究工程力学是一门研究物体在受力作用下的运动和变形规律的学科，应变与应力分析是工程力学中的重要内容。
本文将总结和探讨工程力学中的应变与应力分析方法，并探讨其在实际工程中的应用。
一、应变分析方法应变是物体在受力作用下发生的变形程度的度量。
应变分析方法主要有拉伸应变、剪切应变和体积应变等。
1. 拉伸应变：拉伸应变是指物体在受拉力作用下发生的变形程度。
拉伸应变的计算公式为ε = ΔL / L0，其中ΔL为物体在受拉力作用下的变形长度，L0为物体的初始长度。
拉伸应变的大小与物体的材料性质有关。
2. 剪切应变：剪切应变是指物体在受剪切力作用下发生的变形程度。
剪切应变的计算公式为γ = Δx / h，其中Δx为物体在受剪切力作用下的变形长度，h为物体的高度。
剪切应变的大小与物体的切变模量有关。
3. 体积应变：体积应变是指物体在受力作用下发生的体积变化程度。
体积应变的计算公式为εv = ΔV / V0，其中ΔV为物体在受力作用下的体积变化量，V0为物体的初始体积。
体积应变的大小与物体的体积模量有关。
二、应力分析方法应力是物体内部受力情况的描述，应力分析方法主要有拉应力、剪应力和体应力等。
1. 拉应力：拉应力是指物体在受拉力作用下单位面积上的受力情况。
拉应力的计算公式为σ = F / A，其中F为物体受到的拉力，A为物体的受力面积。
拉应力的大小与物体的弹性模量有关。
2. 剪应力：剪应力是指物体在受剪切力作用下单位面积上的受力情况。
剪应力的计算公式为τ = F / A，其中F为物体受到的剪切力，A为物体的受力面积。
剪应力的大小与物体的剪切模量有关。
3. 体应力：体应力是指物体内部各点上的应力情况。
体应力的计算公式为σ =F / A，其中F为物体受到的力，A为物体的横截面积。
体应力的大小与物体的杨氏模量有关。
三、应变与应力分析方法的应用研究应变与应力分析方法在实际工程中有着广泛的应用。
工程力学-应力状态
sy
n
例1 已知 sx= –100MPa、sy =50MPa 、tx = – 60MPa，a = –30º
cos[2 ( 30)] ( 60)sin[2 ( 30)]
114.5MPa
τ 30
上海应用技术学院
τ T WP
此时不适用基本变形下的强度条件，应同时考虑s 、t 的影响。 又如：受内压容器筒壁
上海应用技术学院
sy
A 筒壁某点A处应力： sx 、sy，为双向受拉状态。 又如：火车车轮与铁轨接触处表层
4
sx
s s
A
s
A点应力：为三向受压状态。 此外：在通过A点不同斜截面上的应力是不同的，将影响到构 件的破坏形式。
s
OC CFcos2 α DFsin2 α σx σy σx σy cos2 α τ x sin2 α σ α 2 2
上海应用技术学院
证明： H点横坐标： OM 纵坐标： MH CD与s 轴夹角为2a0
OM σx σy 2 σx σy 2 cos2 α τ x sin2 α σ α
ty
e
cos2 α τ x sin2 α
b
sy
切线方向上： Σ F 0 τ
τ α d A (σ x d A cos α )sin α ( τ x d A cos α )cos α (σ y d A sin α )cos α ( τ y d A sin α )sin α 0
∴ τ α σ x sin α cos α σ y sin α cos α τ x cos2 α τ y sin 2 α
上海应用技术学院
三维应力状态分析
三维应力状态分析
三维应力状态分析是工程力学中十分重要的一部分，它主要用于研
究物体内部各点的应力状态，并进一步分析物体在外力作用下的变形
和破坏情况。
本文将从应力的定义、三维应力分量、三维应力状态、
应力变换等几个方面展开探讨。
一、应力的定义
应力是描述物体内部单位面积上的力的作用情况的物理量，通常用
符号σ表示。
在三维坐标系下，应力可以分为三个方向上的分量：x方
向的应力σx，y方向的应力σy，z方向的应力σz。
其中，正应力代表
拉伸，负应力代表压缩。
二、三维应力分量
在三维空间中，一个点的应力状态可以用一个三维应力向量来表示，即：
σ = [σx, σy, σz]
三、三维应力状态
3D 应力分析会把其看到的那个body中的应力性质视的非常细致，
大部分的情况都会是标准状态非常好，而且力学方面的注意要细致而
恰当，所有的这些都是房屋抗震的基础；另一方面，首要条件是钢筋
混凝土类造体抗的震能。
四、应力变换
应力在不同坐标系之间的转换是三维应力分析中一个重要的内容。
在工程实践中，通常会遇到需要将应力从一个坐标系转换到另一个坐标系的情况，这时候就需要应力变换的知识来进行分析。
五、结论
通过对三维应力状态分析的讨论，我们可以更好地理解物体内部各点的应力情况，有助于设计和工程实践中的应力分析和结构设计。
希望本文的内容能为相关领域的研究和实践提供一定的参考，同时也欢迎各界同仁对三维应力状态分析进行更深入的研究和探讨。
如何在工程力学中进行应力分析？
如何在工程力学中进行应力分析？在工程力学领域，应力分析是一项至关重要的任务。
它能够帮助工程师了解结构或材料在受到外力作用时内部的受力情况，从而评估其强度、稳定性和可靠性，为设计安全、高效的工程结构提供关键的依据。
那么，如何进行有效的应力分析呢？首先，我们需要明确应力的基本概念。
应力，简单来说，就是单位面积上所承受的内力。
当物体受到外力作用时，内部会产生抵抗这种外力的力，这种力在单位面积上的表现就是应力。
应力的单位通常是帕斯卡（Pa）或兆帕（MPa）。
在实际的工程力学中，进行应力分析的第一步是确定所研究对象的受力情况。
这包括对各种外力的分析，如集中力、分布力、力偶等。
例如，在桥梁设计中，需要考虑车辆的重量产生的集中力，以及风荷载产生的分布力。
为了准确地描述这些外力，我们通常会建立一个力学模型，将复杂的实际情况简化为易于分析的形式。
接下来，选择合适的分析方法是关键。
常见的应力分析方法有理论分析法、实验法和数值模拟法。
理论分析法基于力学的基本原理和公式进行推导和计算。
例如，对于简单形状和受力情况的结构，可以使用材料力学中的公式来计算应力。
比如，对于受拉伸或压缩的直杆，可以通过力除以横截面积来计算正应力；对于受扭转的圆轴，可以通过扭矩除以抗扭截面系数来计算切应力。
然而，这种方法通常只适用于简单的几何形状和受力情况，对于复杂的结构往往难以直接应用。
实验法是通过对实际结构或模型进行物理实验来测量应力。
常见的实验方法包括电测法、光测法等。
电测法是在结构表面粘贴电阻应变片，当结构受力产生变形时，应变片的电阻会发生变化，通过测量电阻的变化可以推算出应变，进而计算出应力。
光测法则利用光的干涉原理，如光弹性法，来观察结构内部的应力分布。
实验法能够直接获取实际结构的应力数据，但往往成本较高，且实验过程可能会对结构造成一定的破坏。
数值模拟法则是借助计算机软件对结构进行建模和分析。
常见的数值方法有有限元法、边界元法等。
有限元法将结构离散成有限个单元，通过求解每个单元的平衡方程，得到整个结构的应力和变形。
应力状态分析和强度理论
03
弹性极限
材料在弹性范围内所能承受的最大应力状态，当超过这一极限时，材料会发生弹性变形。
01
屈服点
当物体受到一定的外力作用时，其内部应力状态会发生变化，当达到某一特定应力状态时，材料会发生屈服现象。
02
强度极限
材料所能承受的最大应力状态，当超过这一极限时，材料会发生断裂。
应力状态对材料强度的影响
形状改变比能准则
04
弹塑性材料的强度分析
屈服条件
屈服条件是描述材料在受力过程中开始进入屈服（即非弹性变形）的应力状态，是材料强度分析的重要依据。
根据不同的材料特性，存在多种屈服条件，如Mohr-Coulomb、Drucker-Prager等。
屈服条件通常以等式或不等式的形式表示，用于确定材料在复杂应力状态下的响应。
最大剪切应力准则
总结词
该准则以形状改变比能作为失效判据，当形状改变比能超过某一极限值时发生失效。
详细描述
形状改变比能准则基于材料在受力过程中吸收能量的能力。当材料在受力过程中吸收的能量超过某一极限值时，材料会发生屈服和塑性变形，导致失效。该准则适用于韧性材料的失效分析，尤其适用于复杂应力状态的失效判断。
高分子材料的强度分析
01
高分子材料的强度分析是工程应用中不可或缺的一环，主要涉及到对高分子材料在不同应力状态下的力学性能进行评估。
02
高分子材料的强度分析通常采用实验方法来获取材料的应力-应变曲线，并根据曲线确定材料的屈服极限、抗拉强度等力学性能指标。
03
高分子材料的强度分析还需要考虑温度、湿度等环境因素的影响，因为高分子材料对环境因素比较敏感。
02
强度理论
总结词
该理论认为最大拉应力是导致材料破坏的主要因素。
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即τmax 、τmin作用面上
1
x
y
2
3.
m m a in x x 2y (x 2y)2x 2
max
max
min
2
例：讨论圆轴扭转时的应力状态，并分析铸铁试件受扭时的 破坏现象。
解：圆轴扭转时横截面边缘处切应力最大
T M
WP WP 作应力状态图
x y 0
x
m m a in x x 2y (x 2y)2x 2
x 2 y x 2 yc o s2 xsin 2
x 2ysin2xcos2
x 2 y x 2 yc o s2 xsin 2
x 2ysin2xcos2
⑴ σx 、τx 是法线与x 轴平行的面上的正应力与切应力，即x
面上的正应力与切应力；σy 、τy 是法线与y 轴平行的面上的正应 力与切应力，即y 面上的正应力与切应力。
单元体任意部分平衡
由截面法和平衡条件可求 得任意方位面上的应力，即 点在任意方位的应力。
二、应力状态的分类
1.主平面 单元体上无切应力的平面。
2.主应力 作用在主平面上的正应力。
3.应力状态的分类 任何点的应力状态总可找到三对互相垂直的主平 面构成的六面体，作用三对主应力，且有：
1 2 3
（按代数值大小排序）
即对于同一点互相垂直面上的正应力之和是常量。
三、最大切应力及其作用平面的位置
求与z 轴平行所有截面上的最大切应力及方位
x 2ysin2xcos2
d 0 d
(xy )c o s 21 2x s in 21 0
解得：
tan21
x y 2x
可确定两个相互垂直
的截面 1,1 90
代入平面应力状态下任意斜截面上切应力表达式
第十三章 应力状态分析 §13-1 引言
一、应力状态的概念
1. 点的应力状态 过受力构件内一点所作各截面上的应力情况，即
过受力构件内一点所有方位面上的应力总体。
2. 一点应力状态的描述 以该点为中心取无限小正六面体（单元体）为研
究对象，单元体三对互相垂直的面上的应力可描述 一点应力状态。
单元体三对面的应力已知 ，单元体平衡
2.
tan20
2x x y
即σmax 、σmin 作用面是互相垂直的面，为α0截面和 α0+90o截面。
3. σmax作用面方位角度α0
x y 0 45o
x y
0 45o
x y
x 0 x 0
0 45o 0 45o
4.
m m a in x x 2y (x 2y)2x 2
m axm inxy
x 63.7MPa y 0 x76.4MPa
主应力作用面的方位角
0 1 2 a r c ta n (x 2 xy) 1 2 a r c tg (2 6 3 7 .6 7 .4 ) 3 5 3 6 .6 .3 9 1 o o
x y
1 3 3 .6 9 o 3 5 6 .3 1 o
解：⑴ 求C 点所在截面的剪力、弯矩 F
FS 2 50kN MFl 25kNm
8 ⑵ 求C 点在横截面上的正应力、切应力
CM Iz y2 2 5 0 0 1 0 6 3 0 0 6 30 0 1 0 1 1 0 2 /3 1 /2 41 .0 4 M P a C 3 2 F b h S(14 h y 2 2)2 2 3 0 0 5 0 6 0 1 0 0 3 1 0 6(1 4 6 0 1 0 5 2 0 2 1 0 1 0 6 6)
01 2arctan(x2xy) 4455oo
圆轴扭转时表面各点σmax所在平面连成倾角为45o的螺旋面， 由于铸铁抗拉强度低，所以试件沿此螺旋面断裂破坏。
例：一薄壁圆筒受扭转和拉伸同时作用如图。已知圆筒的平 均直径d = 50mm，壁厚t = 2mm，外力偶M = 600N·m，拉力F
= 20kN。薄壁管截面的抗扭系数可近似取为WP= πd2t / 2。试用
63.7sin240o(76.4)cos240o 2
10.7M Pa
x 63.7MPa y 0 x76.4MPa
⑶ 求D 点的主应力和主方向及最大切应力
Hale Waihona Puke m m a in x x 2y (x 2y)2x 2
63.7 2
(63.7)2(76.4)2 2
114.6M P a
50.9M
P
a
1 1 1 4 . 6 M P a2 03 5 0 . 9 M P a
D 点最大切应力
m a x1 23 1 1 4 .6 2 ( 5 0 .9 ) 8 2 .7 5 M P a
§13-3 平面应力状态应力分
一、应力圆方程
析的图解法
x 2 y x 2 yc o s2 xsin 2 x 2 y x 2 yc o s2 xsin 2
x 2ysin2xcos2
,τx )和E(σy ,τy )两点
连接DE与横坐标轴交于 C 点，以点C 为圆心、CD 半径作圆
三、应力圆的应用
1. 确定单元体斜截面上的应力
以CD为基线，沿与α角转向相同方向转2α到新半
径CH，则H 点坐标表示截面α的σα、τα 。
H点横坐标
O CCHcos(202)
O C C H c o s 2 0 c o s 2 C H s in 2 0 s in 2
1 1 1 4 . 6 M P a2 03 5 0 . 9 M P a
ca 到σ1 对应点逆时针转过67.5o
1
67.5o 2
33.8o
ca 到σ3 对应点顺时针转过112.5o
3
112.5o 2
56.3o
由应力圆可得
max82.75M Pa
§13-4 复杂应力状态的最大应力
一、三向应力圆
· 三向应力状态 · 二向应力状态 · 单向应力状态
三个主应力都不等于零。 两个主应力不等于零。 只一个主应力不等于零。
§13-2 平面应力状态应力分 析的解析法
一、任意斜截面上的正应力和切应力
Fn 0: F 0:
d A (x d A c o s) s i n (x d A c o s) c o s
1.07M Pa
x 2ysin2xcos2
1.04sin80o0.469cos80o 2
0.59M Pa
二、主应力及主平面位置
求与z 轴平行所有截面上的最大（小）正应力及方位
d d
0 x 2 yx 2 xy 2 ( 2 ys c io n s2 2 0 ) x s x i(n 2 2 c o s2 0)0
(y d A s i n ) c o s (y d A s i n ) s i n 0
d A (x d A c o s) c o s (x d A c o s) s i n
(y d A s i n ) c o s (x d A s i n ) s i n 0
平面应力状态下任意斜截面上应力表达式
D63.7M Pa D76.4MPa
⑵ 作出D点的应力状态图
x 63.7MPa y 0
120o
x 76.4MPa
作应力圆，将ca 沿逆时针转240o 得d 点（或将cb 沿逆时针转60o 得d 点），该点坐标为所求截面的应力
120o 50.3M Pa 120o 10.7MPa
由应力圆可得
⑵ 正应力：拉应力为正，压应力为负；切应力：对单元体 内任意点的矩顺时针为正，反之为负。
⑶ 斜截面角度：从x 轴正向转到斜截面外法线所转过的角度， 逆时针转为正，顺时针转为负。
例：矩形截面简支梁在跨中作用集中力F。已知F =100kN，l = 2m ，b = 200mm ，h = 600mm ，α =40o，求离支座l /4 处截面C点 在斜截面n-n上的应力。
= 20kN。薄壁管截面的抗扭系数可近似取为WP= πd2t / 2。试用
图解法求过点D 指定斜截面上的应力、点的主应力和主方向及 最大切应力。
解：⑴ 求D 点在横截面上的正应力、切应力
D F A N F d t 5 2 0 0 2 1 0 3 1 0 6 6 3 .7 M P a
D W T P d M 2 t/2 2 5 0 2 ( 6 2 0 0 1 )0 9 7 6 .4 M P a
x 2ysin20xcos200
解得：
tan20
2x x y
可确定两个相互垂直
的截面 0,0 90
代入平面应力状态下任意斜截面上正应力表达式，得：
m m a in x x 2y (x 2y)2x 2
1. x 2ysin20xcos200
0 0
即σmax 、σmin 作用面上τ = 0，即α0截面为主平面，σmax、 σmin为主应力。
m mainx
(x
y
2
)2
x2
1.
tan21
x y 2x
tan20
2x x y
即τmax 、τmin 作用面是互相垂直的面，为α1截面和
α1+90o截面，且α1=α0+45o 。
2. (xy )c o s 21 2x s in 21 0
1 x 2 y x 2 yc o s2 1 xsin 2 1
单元体作用三个主应力
1 2 3
平行于主应力σ1 方向的任意斜面 I 上的正应力和切应力与 σ1无关，可由应力圆 I 表示。
x 2ysin2xcos2
2.确定主应力的大小及主平面的方位 A、B点对应的横坐标分别表示对应主平面上的主应力。 ⑴ A、B点对应正应力的极值
m m a in x O C C A x 2y( x 2y)2x 2
⑵ CA、CB夹角为180o，所以两主平面的夹角为90o。