强度结构与应力分析
应力和强度的关系
应力和强度的关系引言：应力和强度是工程力学中重要的概念，它们之间有着密切的关系。
应力是物体内部受到的力对单位面积的作用，而强度则是物体所能承受的最大应力。
本文将从理论和实践两个方面探讨应力和强度的关系，以及它们在工程中的应用。
一、理论分析1. 应力的定义和分类应力是物体内部受到的力对单位面积的作用，通常用σ表示。
根据受力情况的不同，应力可分为拉应力、压应力、剪应力等。
拉应力是指物体受到拉力作用时产生的应力，压应力是指物体受到压力作用时产生的应力，剪应力是指物体受到剪切力作用时产生的应力。
2. 强度的定义和分类强度是物体所能承受的最大应力，通常用S表示。
根据受力情况的不同，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗剪强度等。
抗拉强度是指物体在拉力作用下所能承受的最大应力，抗压强度是指物体在压力作用下所能承受的最大应力，抗剪强度是指物体在剪切力作用下所能承受的最大应力。
3. 应力和强度的关系应力和强度之间存在着直接的关系，即强度是应力的一种度量。
通常情况下，强度应大于应力，以确保物体在受力时不会发生破坏。
当应力超过物体的强度时，物体就会发生破坏。
因此，合理设计和选材能够确保物体在使用过程中具有足够的强度以承受应力的作用。
二、实践应用1. 结构设计中的应力和强度在工程结构设计中，应力和强度是非常重要的考虑因素。
通过合理的结构设计和选材，可以使结构在受力时具有足够的强度以承受应力的作用。
例如，在建筑设计中，需要考虑到风荷载、地震荷载等外部作用力对建筑物的影响，通过计算和模拟分析，可以确定建筑物的应力分布，并选择合适的材料和结构形式，以满足设计要求。
2. 材料选择中的应力和强度在材料选择中，应力和强度是重要的参考指标。
不同材料的强度不同，因此在选择材料时需要考虑应力的作用以及所需的强度。
例如，在机械设计中，需要选择耐磨、耐腐蚀等性能良好的材料，以确保机械设备在使用过程中具有足够的强度以承受应力的作用。
3. 安全评估中的应力和强度在工程实践中，安全评估是必不可少的环节。
钢结构的应力分析
钢结构的应力分析钢结构作为一种常见的建筑结构形式，具有优良的强度和稳定性，被广泛应用于大型工业建筑、桥梁和高层建筑等领域。
在设计和施工过程中，对钢结构的应力进行准确分析和评估，对于确保结构的安全性和可靠性至关重要。
本文将探讨钢结构应力分析的相关内容。
一、引言钢结构的应力分析是建筑设计和结构研究的重要内容之一。
应力分析主要是通过对结构所受外力的计算和分析，确定结构内部各个位置的应力大小和分布情况，进而评估结构在正常工作状态下的强度和稳定性。
二、应力来源钢结构在使用过程中所受的应力来源主要包括以下几个方面：1.自重应力：由结构本身的重力引起，主要是钢材的自重产生的应力。
2.活载应力：包括人员荷载、设备荷载以及储藏物等引起的负荷，其中人员荷载是影响结构稳定性的重要因素。
3.风载应力：建筑物在风力作用下产生的应力，尤其对于高层建筑和大跨度结构更为显著。
4.地震应力：在地震发生时，地震力将会导致结构内部产生巨大的应力，对结构的影响程度较大。
三、应力分析方法钢结构的应力分析目前主要采用两种方法，即数值分析方法和试验分析方法。
1.数值分析方法：借助计算机软件进行模拟计算，根据有限元法或弹性理论等原理，对结构产生的应力进行数值模拟和分析。
数值分析方法具有高效、精确的特点，可以得到较为全面和准确的应力分布结果。
2.试验分析方法：通过在实验室或现场进行物理试验，测量结构受力情况，从而分析结构的应力状态。
试验分析方法可以直接观测和测量结构的应力情况，但相对来说耗时、费力且成本较高。
四、应力分析的意义钢结构的应力分析对于结构的安全性、稳定性和经济性具有重要的意义：1.确保结构的安全性：通过应力分析，可以评估结构在各种设计荷载条件下的抗力情况，确定结构的最大承载力，确保结构在正常工作状态下的安全性。
2.优化结构设计：通过应力分析，可以掌握结构的应力分布情况，进而优化结构的设计方案，减少结构材料的使用量，提高结构的经济性。
材料力学 第07章 应力状态分析与强度理论
sin2a t xy cos2a
18/95
7.2 平面应力状态分析 主应力 7.2.3 主平面的方位及极值正应力 s x s y s x s y sa cos2a t xy sin2a 2 2 s x s y ds a 上式对a 求导 2 sin2a t xy cos2a da 2 s x s y 若a a0时，导数为 0 sin2a 0 t xy cos2a 0 0 2 2t xy tan2a 0 s x s y
7.2.5 应力圆
t
sx
tyx
sy
sx txy sy
D(sx,txy) 1. 确定点 D (s ,t ) x xy
O
D'(sy,tyx)
C
s
2. 确定点D' (sy,tyx) tyx= －txy 3. 连接DD'与s 轴交于点C 4. 以 C 为圆心，CD（CD'） 为半径画圆。
26/95
7.2 平面应力状态分析 主应力 7.2.5 应力圆
sx sy sz
sxs1 100 MPas 2
0 MPas 3 120 MPa
11/95
7.1 一点的应力状态的概念 单向、二向(平面)、三向(空间)应力状态 三个主应力中仅有一个主应力不为零 单向应力状态
s1
s1
F
A
F
12/95
7.1 一点的应力状态的概念 单向、二向(平面)、三向(空间)应力状态
O
D'(sy,tyx)
C sx－ sx sy/2
s
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7.2 平面应力状态分析 主应力 7.2.5 应力圆 利用应力圆确定角a 斜截面上的正应力和切应力
梁的应力和强度计算
梁的应力和强度计算1.梁的基本假设梁的基本假设包括：梁材料是均匀各向同性的，梁截面是平面截面，梁的纵向伸缩变形可以忽略，梁的横向收缩变形可以忽略，梁截面平面保持平直。
2.梁的受力分析在进行梁的应力和强度计算之前，需要对梁的受力进行分析。
常见的梁的受力包括弯曲、剪切和轴向拉压等。
2.1弯曲弯曲是梁的一种主要受力状态，发生在梁受到弯矩作用时。
对于弯曲受力的梁，可以运用梁弯曲理论进行应力和强度计算。
常见的梁弯曲理论包括欧拉-伯努利梁理论和延性梁理论。
2.2剪切剪切是梁的另一种重要受力状态，发生在梁上部分截面受到剪力作用时。
剪切力引起梁截面上的剪应力，可以通过剪切变形理论进行计算。
2.3轴向拉压轴向拉压发生在梁上部分截面受到轴向拉力或压力作用时。
轴向拉力或压力引起梁截面上的轴向应力，可以通过轴向变形理论进行计算。
3.梁的应力分析根据梁的基本假设和受力分析，可以进行梁的应力分析。
梁的应力分析包括黄金区和非黄金区的判断、应力分布的计算和强度设计的确定。
3.1黄金区和非黄金区判断黄金区是指梁截面上应力最大的区域，通常位于材料的纤维处。
在黄金区内，应力达到梁材料的屈服强度。
非黄金区则是指其他区域，应力小于屈服强度。
3.2应力分布计算根据梁的受力和应力分析，可以计算出梁截面上的应力分布。
应力分布的计算可以通过梁的几何形状、外力和边界条件以及材料的性质来确定。
常见的应力分布包括弯曲应力、剪切应力和轴向应力等。
4.梁的强度设计梁的强度设计是根据计算得到的应力分布进行的。
根据材料的强度，可以确定梁的尺寸和形状，以满足梁的极限状态和使用状态的要求。
总结起来，梁的应力和强度计算是梁力学中的基本问题，包括梁的受力分析、应力分布计算和强度设计等内容。
通过合理的计算和设计，可以确保梁的安全和可靠性，提高结构的性能。
风电齿轮箱的应力分析与结构强度验证
风电齿轮箱的应力分析与结构强度验证随着可再生能源的快速发展，风力发电作为清洁能源的一种重要形式在全球范围内得到了广泛应用。
而风电齿轮箱作为风力发电机组的核心部件，承担着传递风能转换为电能的关键任务。
为了保证风电齿轮箱的长期运行和可靠性，应力分析和结构强度验证成为了必要的工作。
风电齿轮箱工作环境复杂，承受的载荷较大。
首先，风力作用于风轮叶片，通过轴承和齿轮传递到齿轮箱内部；其次，齿轮传动过程中产生的接触应力和弯曲应力也会对齿轮箱带来挑战。
因此，对风电齿轮箱进行应力分析和结构强度验证，有助于预测其在实际运行中的工作状态和寿命。
首先，针对风电齿轮箱的应力分析，我们需要建立一个准确的工作模型。
可以采用有限元分析方法，将齿轮箱分割为多个离散单元，对每个单元进行应力计算。
该方法可以考虑材料的非线性特性、载荷的非均匀分布以及连接接头的刚度等因素，从而更全面地描述齿轮箱在实际工况下的应力情况。
应力分析的关键是确定载荷的大小和方向。
风电齿轮箱中的载荷主要包括径向载荷和轴向载荷。
径向载荷是由风轮的叶片受风力作用而产生的，主要作用在齿轮的齿面上。
轴向载荷是由齿轮传递和动力装置产生的，作用在轴上。
对于风电齿轮箱，不同工况下的载荷大小和方向都可能不同，需要根据实际情况进行计算。
在完成应力分析后，还需要对风电齿轮箱的结构强度进行验证。
结构强度验证是通过对齿轮箱内部各部件的应力和变形进行评估，以确定其是否满足设计要求和使用要求。
常用的方法包括极限强度验证和疲劳强度验证。
极限强度验证是通过计算各部件的安全系数，判断其受力情况是否足够安全。
安全系数是指结构的承载能力与实际受力之间的比值，通常要求大于1.2。
通过对齿轮、轴承、壳体等部件进行强度计算和对比，可以确定风电齿轮箱的极限强度是否满足要求。
疲劳强度验证是通过考虑工作载荷的变动和加载历程，预测齿轮箱在使用寿命内的疲劳裂纹情况。
疲劳裂纹会导致齿轮箱的结构损坏和失效，因此对疲劳强度进行验证非常重要。
压力钢管安全鉴定的应力分析与强度计算
压力钢管安全鉴定的应力分析与强度计算压力钢管作为一种用于输送气体或液体的重要管道设备，其安全鉴定对于保障工业生产和人员安全至关重要。
在进行安全鉴定时，应力分析和强度计算是必不可少的步骤。
本文将针对压力钢管的应力分析和强度计算进行探讨。
一、应力分析1.1 弹性应力分析弹性应力分析通过对压力钢管所受力的计算，确定其在工作条件下的应力状态。
弹性应力可以分为轴向应力、周向应力和切向应力。
轴向应力是指压力钢管在管轴方向上受到的拉伸或压缩作用产生的应力。
其计算公式为：σz = (P * D) / (2 * t)其中，σz表示轴向应力，P表示管内的压力，D表示管道的直径，t 表示管壁的厚度。
周向应力是指在管壁厚度方向上产生的应力。
其计算公式为：σθ = (P * D) / (4 * t)切向应力是指在周向应力方向上的切应力。
其计算公式为：τ = (P * D) / (2 * t)1.2 塑性应力分析当压力钢管的应力超过弹性极限时，塑性应力开始发挥作用。
塑性应力分析需要考虑材料的屈服强度、变形硬化指数等因素。
塑性应力的计算涉及到材料的本构关系，常用的本构关系有屈服准则、应变硬化准则等。
根据材料的特性和具体情况，可以选取适合的本构关系进行计算。
二、强度计算2.1 材料的强度计算压力钢管的强度计算主要涉及材料的屈服强度和破坏强度。
屈服强度是指在材料屈服时承受的最大应力，破坏强度是指材料在极限状态下承受的最大应力。
通常采用屈服准则或破坏准则进行强度计算。
常用的屈服准则有von Mises准则、Tresca准则等，常用的破坏准则有最大应力准则、最大应变准则等。
2.2 结构的强度计算压力钢管的结构强度计算需要考虑管道本身的结构特点和外部载荷等因素。
常用的计算方法有弹性理论法、有限元法等。
弹性理论法是一种简化的计算方法，适用于结构相对简单、载荷较小的情况。
有限元法是一种更为精确的计算方法，可以考虑更复杂的结构和不同的载荷条件。
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。
机械设计中的等效应力与强度分析
机械设计中的等效应力与强度分析引言：机械设计是一个复杂而又关键的过程，涉及到材料力学、应力分析和强度计算等多个方面。
其中，等效应力与强度分析是机械设计中不可或缺的一环。
本文将探讨机械设计中的等效应力与强度分析的意义、常用方法和应用。
一、等效应力的意义及计算方法等效应力是机械设计中常用的一种数值表示方法，它能够将复杂的应力状态简化为一个等效的单轴应力。
等效应力的计算有多种方法，常用的有最大剪应力理论、最大应力假设和能量方法等。
最大剪应力理论认为，当材料中的最大剪应力达到或超过材料的屈服强度时，材料就会发生塑性变形。
因此，通过计算材料中的最大剪应力，可以判断材料是否达到破坏条件。
最大应力假设是一种基于材料中心工程力学概念的方法，它认为当应力状态中的最大主应力达到或超过材料的强度时，材料就会发生破坏。
在实际应用中，我们通常将材料的屈服强度作为其强度值。
能量方法则从能量守恒的角度出发，将机械设计中的应力状态看作是材料内外部所储存的弹性势能的分配。
通过计算分配的弹性势能，可以得到等效应力。
二、强度分析与等效应力的关系强度分析是机械设计中的一个重要环节，它能够帮助工程师确定材料是否满足设计要求并预测材料的寿命。
而等效应力则是强度分析的基础，只有准确计算等效应力，才能进行有效的强度分析。
等效应力与强度的关系可以通过材料的强度曲线进行解释。
强度曲线通常是将应力和应变进行绘图，其中等效应力对应着材料的强度。
通过对强度曲线的分析，工程师可以确定材料的强度范围，进而进行强度分析。
强度分析的结果一般会被用于材料的选型和优化设计。
工程师需要根据不同材料的强度参数，结合等效应力的计算结果，选择合适的材料来确保机械系统的稳定运行。
同时，强度分析还可以帮助设计师在预测寿命和安全系数方面提供重要的参考。
三、应用案例：机械结构的强度分析机械结构的强度分析是机械设计中常见的任务之一。
例如，在设计一台起重机时，我们需要对起重机的支撑结构进行强度分析，以确保其能够承受额定负荷的使用条件。
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压力容器结构——典型结构
压力容器结构——典型结构
压 力 容 器 结 构
典 型 结 构
压力容器结构——零部件
筒体 圆柱形筒体是压力容器主要形式，制造容易、安装内件
方便、而且承压能力较好，因此应用最广。圆筒形容器又可 以分为立式容器和卧式容器。
由于容器的筒体不但存在与容器封头、法兰相配的问题， 而且卧式容器的支座标准也是按照容器的公称直径系列制定 的，所以不但管子有公称直径，筒体也制定了公称直径系列。
（ 3 ） 碟 形 封 头 —— 碟 形 封 头 是 由 三 部分组成。第一部分是以半径为Ri 的球面部分，第二部分是以半径为 Di/2的圆筒形部分，第三部分是连 接这两部分的过渡区，其曲率半径 为r,Ri与r均以内表面为基准。
压力容器结构——零部件
（4）球冠形封头——由于封头为一 球面且无过渡区，在连接边缘有 较大边缘应力，要求封头与筒体 联接处采用全焊透结构。
压力容器结构——开孔与补强
图 补强结构
圆筒内的应力
壳体厚度为δ，内半径为R，受气体压力P作用 的壳体。如图所示：
圆筒内的应力
•在圆筒中间沿径线平面 切开为两段（如图）
•在研究的壳体上作用有 外力p（流体压力）
•壳体厚度上存在内力， 单位面积上为应力σφ •在轴线方向作力的平衡
R2p2R
•则可得：
圆筒内的应力
如果控制周向应力 不超过许用应力，即：
pRi
[]t
则可得容器的强度尺寸为：
[pR]ti =2[pD]it
圆筒内的应力
如果控制周向应力 不超过许用应力，即：
pRi
[]t
则可得容器的强度尺寸为：
[pR]ti =2[pD]it
圆筒内的应力
根据第一强度理论，最大主应力（周向应力）小 于等于许用应力，承压容器就是安全的：
pR
2
圆筒内的应力
•在圆筒中间沿轴线平面 切开为两段（如图）
•在研究的壳体上作用有 外力p（流体压力）
•壳体厚度上存在内力， 单位面积上为应力σθ •在轴线方向作力的平衡
2RLp2L
即可得周向应力：
pR
圆筒内的应力
这样便得到了受内压的圆筒体的壳体中的轴向和 周向应力：
pR
2
pR
可以看出周向应力时轴向应力的2倍
压力容器结构——零部件 压力容器为何有时可允许不另行补强
压力容器允许可不另行补强是鉴于以下因素：
容器在设计制造中，由于用户要求，材料代用 等原因，壳体厚度往往超过实际强度的需要。厚度 的增加使最大应力有所降低，实际上容器已被整体 补强了。例如：在选材时受钢板规格的限制，使壁 厚有所增加；或在计算时因焊接系数壁厚增加，而 实际开孔不在焊缝上；还有在设计时采用封头与筒 体等厚或大一点，实际上封头已被补强了。在多数 情况下，接管的壁厚多与实际需要，多余的金属起 到了补强的作用。
（5）锥形封头——锥形封头有无折 边锥形封头 厚度、同直径条件下，平板内产 生的最大弯曲应力是圆筒壁薄膜 应力的20～30倍。但结构简单， 制造方便。
压力容器结构——零部件
3. 支座 支座是用来支承容器重量和用来固定容器的位
置。支座一般分为立式容器支座、卧式容器支座。 立式容器支座分为耳式支座、支承式支座、腿
(2) 接管补强，即在壳壁与接管之间焊上一段厚壁加强管，如图d、e、f。 它的特点是能使所有用来补强的金属材料都直接处在最大应力区域内， 因而能有效地降低开孔周围的应力集中程度。低合金高强度钢制的压力 容器与一般低碳钢相比有较高的缺口敏感性，采用接管补强为好。
(3) 整锻件补强结构如图g、h、I，此结构的优点是补强金属集中于开孔应 力最大的部位，补强后的应力集中系数小。由于焊接接头为对接焊，且 焊接接头及热影响区可以远离最大应力点位置，所以抗疲劳性能好。但 这种结构需要锻件，且机械加工量大，所以一般只用于要求严格的设备。
压力容器结构——零部件
3 开孔补强结构
所谓开孔补强设计，就是指采取适当增加壳体或接管壁厚的方法以降低应 力集中系数。其所涉及的有补强形式、开孔处内、外圆角的大小以及补 强金属量等。
(1) 加强圈是最常见的补强结构，贴焊在壳体与接管连接处，如图a、b、c。 该补强结构简单，制造方便，但加强圈与金属间存在一层静止的气隙， 传热效果差。当两者存在温差时热膨胀差也较大，因而在局部区域内产 生较大的热应力。另外，加强圈较难与壳体形成整体，因而抗疲劳性能 较差。这种补强结构一般用于静压、常温及中、低压容器。
对于用钢板卷焊的筒体，用筒体的内径作为它的公称直 径，其系列尺寸有300、400、500、600…等，如果筒体是用 无缝钢管制作的，用钢管的外径作为筒体的公称直径。
压力容器结构——零部件
封头 （ 1 ） 球 形 封 头 —— 壁 厚 最 薄 ， 用 材
比较节省。
（ 2 ） 椭 圆 形 封 头 —— 椭 圆 形 封 头 纵 剖面的曲线部分是半个椭圆形，直 边段高度为h
式法兰。
压力压容力器容器结结构构————零零部部件件
5. 开孔与开孔补强
通常所用的压力容器，由于各种工艺和结构的 要求，需要在容器上开孔和安装接管，由于开孔去 掉了部分承压金属，不但会削弱容器的器壁的强度， 而且还会因结构连续性受到破坏在开孔附近造成较 高的局部应力集中。这个局部应力峰值很高，达到 基本薄膜应力的3倍，甚至5-6倍。再加上开孔接管 处有时还会受到各种外载荷、温度等影响，并且由 于材质不同，制造上的一些缺陷、检验上的不便等 原因的综合作用，很多失效就会在开孔边缘处发生。 主要表现为疲劳破坏和脆性裂纹，所以必须进行开 孔补强设计。
pRi =pDi []t 2
但是该公式所计算出的最大应力值，与精确值 相比相差较大（大约小23％），将内径换为中径， 计算值与精确值相差减小（约为3.8％）。
式支座和裙式支座。卧式容器多使用鞍式支座。
压力容器结构——零部件 4. 法兰
法兰连接主要优点是密封可靠和足够的强度。 缺点是不能快速拆卸、制造 成本较高。
法兰分类主要有以下方法： （1）按其被连接的部件分为压力容器法兰和管法兰。 （2）按法兰接触面的宽窄可分为窄面法兰和宽面法
兰。 （3）按整体性程度分为整体法兰、松式法兰和任意