工程力学 第11章 强度失效与设计准则
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工程力学简答题一、工程力学范畴内失效的有哪三类?1) 强度失效,就是指构件在外力作用下发生不可恢复的塑性变形或发生断裂。
2)刚度失效,就是指构件在外力作用下产生过量的弹性变形。
3)稳定失效,就是指构件在某种外力作用下,其平衡形式发生突然转变。
二、刚体系统的平衡问题的特点与解法1)整体平衡与局部平衡的概念系统如果整体就是平衡的,则组成系统的每一个局部以及每一个刚体也必然就是平衡的。
2)研究对象有多种选择要选择对的对象,才能解决问题。
3)对刚体系统作受力分析时,要分清内力与外力内力与外力就是相对的,需视选择的研究对象而定。
研究对象以外的物体作用于研究对象上的力称为外力,研究对象内部各部分间的相互作用力称为内力。
内力总就是成对出现,它们大小相等、方向相反、作用在同一直线上。
4)每个刚体上的力系都必须满足平衡条件刚体系统的受力分析过程中,必须严格根据约束的性质确定约束力的方向,使作用在平衡系统整体上的力系与作用在每个刚体上的力系都满足平衡条件。
三、材料的基本假定1)均匀连续性假定假定材料无空隙、均匀地分布于物体所占的整个空间。
根据这一假定,物体内的受力、变形等力学量可以表示为各点坐标的连续函数,从而有利于建立相应的数学模型。
2)各向同性假定假定弹性体在所有方向上均具有相同的物理与力学性能。
根据这一假定,可以用一个参数描写各点在各个方向上的某种力学性能。
3)小变形假定假定物体与外力作用下所产生的变形与物体本身的几何尺寸相比就是很小的。
根据这一假定,当考察变形固体的平衡问题时,一般可以略去变形的影响,因而可以直接应用工程静力学方法。
四、绘制剪力图与弯矩图的两种方法1)绘图法,根据剪力方程与弯矩方程,在与坐标系中首先标出剪力方程与弯矩方程定义域两个端点的剪力值与弯矩值,得到相应的点;然后按照剪力与弯矩方程的类型,绘制出相应的图线,便得到所需要的剪力图与弯矩图。
2)公式法,先在与坐标系中标出控制面上的剪力与弯矩数值,然后应用载荷力度、剪力、弯矩之间的微分关系,确定控制面之间的剪力与弯矩图线的形状,无需首先建立剪力方程与弯矩方程。
第十一章压杆的稳定承受轴向压力的杆,称为压杆。
如前所述,直杆在轴向压力的作用下,发生的是沿轴向的缩短,杆的轴线仍然保持为直线,直至压力增大到由于强度不足而发生屈服或破坏。
直杆在轴向压力的作用下,是否发生屈服或破坏,由强度条件确定,这是我们已熟知的。
然而,对于一些受轴向压力作用的细长杆,在满足强度条件的情况下,却会出现弯曲变形。
杆在轴向载荷作用下发生的弯曲,称为屈曲,构件由屈曲引起的失效,称为失稳(丧失稳定性)。
本章研究细长压杆的稳定。
§11.1 稳定的概念物体的平衡存在有稳定与不稳定的问题。
物体的平衡受到外界干扰后,将会偏离平衡状态。
若在外界的微小干扰消除后,物体能恢复原来的平衡状态,则称该平衡是稳定的;若在外界的微小干扰消除后物体仍不能恢复原来的平衡状态,则称该平衡是不稳定。
如图11.1所示,小球在凹弧面中的平衡是稳定的,因为虚箭头所示的干扰(如微小的力或位移)消除后,小球会回到其原来的平衡位置;反之,小球在凸弧面上的平衡,受到干扰后将不能回复,故其平衡是不稳定的。
(a) 稳定平衡图11.1 稳定平衡与不稳定平衡上述小球是作为未完全约束的刚体讨论的。
对于受到完全约束的变形体,平衡状态也有稳定与不稳定的问题。
如二端铰支的受压直杆,如图11.2(a)所示。
当杆受到水平方向的微小扰动(力或位移)时,杆的轴线将偏离铅垂位置而发生微小的弯曲,如图11.2(b)所示。
若轴向压力F较小,横向的微小扰动消除后,杆的轴线可恢复原来的铅垂平衡位置,即图11.2(a),平衡是稳定的;若轴向压力F足够大,即使微小扰动已消除,在力F 作用下,杆轴线的弯曲挠度也仍将越来越大,如图11.2(c)所示,直至完全丧失承载能力。
在F =F cr 的临界状态下,压杆不能恢复原来的铅垂平衡位置,扰动引起的微小弯曲也不继续增大,保持微弯状态的平衡,如图11.2(b)所示,这是不稳定的平衡。
如前所述,直杆在轴向载荷作用下发生的弯曲称为屈曲,发生了屈曲就意味着构件失去稳定(失稳)。
复合材料失效准则复合材料是由两种或多种不同材料的复合结合而成的材料,具有较好的强度、刚度和重量比等优点。
然而,复合材料在使用过程中也会出现失效现象,为了保证复合材料的可靠性和安全性,需要建立相应的失效准则来预测和评估其失效情况。
复合材料的失效准则主要有以下几种:强度失效准则、疲劳失效准则和断裂失效准则。
强度失效准则是指在复合材料承受外载荷作用下,由于应力达到或超过了材料本身的强度极限而导致失效。
强度失效准则主要分为静力失效准则和动力失效准则两种。
静力失效准则是指在静态载荷作用下,当复合材料中的应力达到或超过其本身的强度极限时,会引发失效现象。
常见的静力失效准则有最大应力准则、最大应变准则和von Mises准则等。
最大应力准则是利用材料本身的强度敏感参数(如材料的最大拉伸强度、最大压缩强度等)来判断材料的失效情况,当应力超过这些强度参数时,材料发生失效。
最大应变准则是通过根据材料的最大应变来判断失效情况,当应变超过材料的最大应变极限时,材料发生失效。
von Mises准则是利用材料的等效应力与材料的强度参数进行比较,当等效应力超过强度参数时,材料发生失效。
动力失效准则是指在动态载荷作用下,由于应力的急剧变化或加载速率的变化而导致的失效。
动力失效准则主要有Johnson-Cook准则、Cockcroft-Latham准则和Chaboche准则等。
这些准则是根据材料的动态力学性能参数来判断材料的失效情况,如动态增强系数、应变硬化指数等。
这些参数是在试验或数值模拟中得到的,通过与材料的动态力学性能进行比较,可以判断材料的失效情况。
疲劳失效准则是指在复合材料中,由于长时间作用的循环载荷引起的失效现象。
疲劳失效准则主要有S-N曲线准则和e-N曲线准则等。
S-N曲线准则是指在不同应力水平下,循环载荷下发生失效的循环次数与应力的关系,通过试验得到的S-N曲线可以用来预测材料的疲劳寿命。
e-N曲线准则是指在不同应变水平下,循环载荷下发生失效的循环次数与应变的关系。
⼯程⼒学简答题⼯程⼒学简答题⼀、⼯程⼒学范畴内失效的有哪三类?1)强度失效,是指构件在外⼒作⽤下发⽣不可恢复的塑性变形或发⽣断裂。
2)刚度失效,是指构件在外⼒作⽤下产⽣过量的弹性变形。
3)稳定失效,是指构件在某种外⼒作⽤下,其平衡形式发⽣突然转变。
⼆、冈⼨体系统的平衡问题的特点与解法1)整体平衡与局部平衡的概念系统如果整体是平衡的,则组成系统的每⼀个局部以及每⼀个刚体也必然是平衡的。
2)研究对象有多种选择要选择对的对象,才能解决问题。
3)对刚体系统作受⼒分析时,要分清内⼒和外⼒内⼒和外⼒是相对的,需视选择的研究对象⽽定。
研究对象以外的物体作⽤于研究对象上的⼒称为外⼒,研究对象内部各部分间的相互作⽤⼒称为内⼒。
内⼒总是成对出现,它们⼤⼩相等、⽅向相反、作⽤在同⼀直线上。
4)每个刚体上的⼒系都必须满⾜平衡条件刚体系统的受⼒分析过程中,必须严格根据约束的性质确定约束⼒的⽅向,使作⽤在平衡系统整体上的⼒系和作⽤在每个刚体上的⼒系都满⾜平衡条件。
三、材料的基本假定1)均匀连续性假定假定材料⽆空隙、均匀地分布于物体所占的整个空间。
根据这⼀假定,物体内的受⼒、变形等⼒学量可以表⽰为各点坐标的连续函数,从⽽有利于建⽴相应的数学模型。
2)各向同性假定假定弹性体在所有⽅向上均具有相同的物理和⼒学性能。
根据这⼀假定,可以⽤⼀个参数描写各点在各个⽅向上的某种⼒学性能。
3)⼩变形假定假定物体与外⼒作⽤下所产⽣的变形与物体本⾝的⼏何尺⼨相⽐是很⼩的。
根据这⼀假定,当考察变形固体的平衡问题时,⼀般可以略去变形的影响,因⽽可以直接应⽤⼯程静⼒学⽅法。
四、绘制剪⼒图和弯矩图的两种⽅法1)绘图法,根据剪⼒⽅程和弯矩⽅程,在⼆'^和际笑坐标系中⾸先标出剪⼒⽅程和弯矩⽅程定义域两个端点的剪⼒值和弯矩值,得到相应的点;然后按照剪⼒和弯矩⽅程的类型,绘制出相应的图线,便得到所需要的剪⼒图和弯矩图。
2)公式法,先在「'和切'坐标系中标出控制⾯上的剪⼒和弯矩数值,然后应⽤载荷⼒度、剪⼒、弯矩之间的微分关系,确定控制⾯之间的剪⼒和弯矩图线的形状,⽆需⾸先建⽴剪⼒⽅程和弯矩⽅程。
《化工设备设计基础》复习1工程力学基础1. 强度:构件抵抗破坏的能力2. 刚度:构件抵抗变形的能力3. 稳定性:构件保持原有平衡形态能力4. 强度性能:抵抗破坏的能力,用σs和σb表示弹性性能:抵抗弹性变形的能力,用E表示塑性性能:塑性变形的能力,用延伸率δ和截面收缩率ψ表示5. 什么叫强度?直杆拉伸或压缩时的强度条件是什么?6. 低碳钢的拉伸试验中,从开始加载至断裂经过哪几个阶段?7. 钢材的机械性能主要包含哪些指标?8. 工程设计中有哪几种常用的强度理论?9. 材料破坏有哪几种主要形式?2化工设备设计1. 内压薄壁圆筒设计1 什么叫强度失效准则?2 什么叫腐蚀余量?腐蚀余量与哪些参数有关?3 为何引入焊缝系数?焊缝系数与哪些参数有关?4 内压薄壁容器设计中,有几种壁厚名称?这些壁厚的含义是什么?这些壁厚之间的大小关系如何?5 水压试验的目的是什么?容器如何进行压力试验?6 如何确定水压试验的试验压力?对立式容器的卧置做水压试验时,其试验压力又如何确定?7 水压试验的强度校核公式2. 外压容器设计1 什么是外压容器?2 什么叫临界压力?临界压力与什么因素有关?3 什么叫计算长度?4 什么叫长圆筒?什么叫短圆筒?5 什么叫失稳?外压容器的稳定性条件是什么?6 设置加强圈的目的是什么?加强圈的类型有哪些?3. 压力容器开孔与接管1 开孔补强的目的是什么?2 等面积补强法的设计原则是什么?3 在内压薄壁圆筒上开一椭圆孔,椭圆孔的长轴应如何放置?为什么?4. 容器零部件标准的选用1 法兰联结结构一般是由哪三个部分组成?2 法兰的公称压力与哪些因素有关?3 鞍座有哪些型式?4 一台卧式容器的鞍座型式如何选择?为什么?5. 化工设备设计的基本要求1 安全可靠:材料的强度高、韧性好;材料与介质相容;结构有足够的刚度和抗失稳能力;密封性能好2 满足过程要求:功能要求;寿命要求(高压容器:20年,塔、反应设备:15年3 综合经济性好:生产效率高、消耗低;结构合理、制造方便、结构紧凑;易于运输和安装4 易于操作、维护和控制:操作简单、可维护性好和可修理性好、便于控制5 优良的环境性能:防污染、防噪声等6. 压力容器的一般分类方法常见的按下列等进行分类1 压力大小2 用途3 受压方式4 制造方法5 壳体结构形式7. 失效的最终表现形式:泄漏、过度变形和断裂。
第11章强度失效分析与设计准则11-1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 D 。
11-2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 C 。
11-3 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 A 。
11-4 承受内压的两端封闭的圆柱状薄壁容器,由脆性材料制成。
试分析因压力过大表面出现裂纹时,裂纹的可能方向是:(A )沿圆柱纵向;(B )沿与圆柱纵向成45°角的方向;(C )沿圆柱环向;(D )沿与圆柱纵向成30°角的方向。
正确答案是 A 。
11-5 构件中危险点的应力状态如图所示。
试选择合适的准则对以下两种情形作强度校核: 1.构件为钢制x σ= 45MPa ,y σ= 135MPa ,z σ= 0,xy τ= 0,拉伸许用应力][σ= 160MPa 。
2.构件材料为铸铁x σ= 20MPa ,y σ= 25MPa ,z σ= 30MPa ,xy τ= 0,][σ= 30MPa 。
解:1.][MPa 135313r σσσσ<=-=强度满足。