基本失效形式
材料力学基本假设给出是研究理想线弹性构件静力学状态下的两度一性(强度、刚度和稳定性),即构件本身是不存在缺陷(不考虑微观裂纹等材料缺陷),且承受的静态荷载作用。(这里仅从材料力学多数教材讲述内容所占篇幅角度,因为部分教材也会介绍断裂力学以及疲劳的一些基础知识)静态荷载条件下,基本失效形式:(塑性)屈服和(脆性)断裂。
弹塑性材料通常是屈服失效,对象破坏前通常出现显著的塑性变形,断面较光滑,多发生在最大剪切应力面上。
脆性材料通常是脆性断裂,对象破坏前无显著塑性变形即发生断裂,断面较粗糙,多发生在最大正应力横截面上。
需要注意的几点就是:弹塑性材料通常以屈服作为其基本失效形式,但并不是所有设计都是如此,即一些设计是允许构件产生屈服(应力超过一定量的屈服极限值)。屈服通常是局部发生的,而这在一些情况下是被允许的。有些屈服可能设计就是为了构件在受到荷载的情况下能够尽可能的产生塑性变形以吸收其外在的影响,“据称”(不是很确定)在汽车一些构件或者骨架设计中,有一些部位已经由原来的“坚不可摧”转变为“塑性屈服”,为的就是尽可能降低对乘员的伤害情况(用以吸收动能)。这种屈服全然是设计如此,是有利的。而有一些设计也是允许屈服的,因为这种局部产生的屈服是不会导致整个产品或者构件的功能性失效,并且如应力集中处的塑性变形会极大的削减应力峰值,一定程度上是增强了可靠性。可能在一些日本的产品设计中安全系数取到1.0会较为常见,而且对整体重量要求比较高的行业或者领域也是会设计的。用一定量的屈服换取产品重量的削减,可能从成本角度考虑是值得的。下面是A6车身用材概要:
韧性材料的失效形式也从来都不是只有屈服这一种,可能要求较高的区域是以屈服前一定的范围作为考量,而相对没那么重要的不仅让它屈服,也是有可能以断裂强度作为失效形式的。
观点:最大拉应力是引起断裂的主要因素,无论是什么应力状态,只要最大拉应力值达到材料性质有关的某一极限值,材料就发生断裂。可用最大拉应力对比单向拉伸断裂强度值,但是无法考虑没有拉伸的情况,如单向压缩或者三向压缩。
材料力学单向拉伸下的铸铁等脆性材料是在最大拉应力面断裂,在扭转状态下也是沿着最大拉应力面断裂(斜截面)
所谓最大拉应力,需要根据不同的对象进行灵活选择,如上图所示的最大主应力和法向应力是用的最多的,并不是软件直接就一个按钮告诉我们最大拉应力是多少了。如在单向拉伸时,其横截面上正应力(法向应力)即为最大拉应力,而横力弯曲的梁结构,其主要承受弯曲作用,上顶附近承受弯曲拉伸,下底附近承受弯曲压缩,这里上顶可以查看沿着轴向其法向应力。而如果是梁单元建立的梁结构,可以通过WB自带的Beam Tool查看单向拉伸状态下的轴向应力(Direct Stress),或者通过通过其它后处理选项直接查看弯曲应力。前面关于梁结构的一些总结比较清晰的打下更进一步学习的基础
最大伸长线应变理论(第二强度理论)
观点:最大伸长线应变是引起断裂的主要因素,无论是什么应力状态,只要最大伸长线应变达到材料性质有关的某一极限值,材料就发生断裂。可用单向拉伸确定这一极限值,如果忽略断裂前微小的塑性变形,即认为断裂前也满足胡克定律,则可以计算出极限状态下最大伸长线应变(断裂极限对应的线应变)。
这一理论不能很好的吻合实际,不做过多介绍(它实际上是与应力状态有关的量,而假设却说任意应力状态下)。可见也可以由主应力建立强度条件,三个主应力对应:
最大切应力理论(第三强度理论:Tresca 屈服准则)
观点:最大切应力是引起屈服的主要因素,无论是什么应力状态,只要最大切应力达到材料性质有关的某一极限值,材料就发生屈服。单向拉伸沿着45°斜截面上存在最大剪切应力,为正横截面上最大正应力的一半。下面两个屈服准则是一样的,第一个准则左侧对应着最大剪切应力。
由公式可知,最大剪应力在数值上可由主应力导出,同样可以使用下面的强度条件
畸变能密度理论(第四强度理论:Von Mises 屈服准则)
观点:畸变能密度是引起屈服的主要因素,无论是什么应力状态,只要畸变能密度达到材料性质有关的某一极限值,材料就发生屈服。
在WB中如下图所示,实质上Von Mises相对来讲并不准确(误差),但是由于它是一个标量(通俗讲,只有大小无方向),而且形式简单,在方程计算出容易得到,所以才会有相当的“知名度”。
该理论重心放在应力状态下,认为不同的应力状态下,同一种材料会有不同的准则去判断。适用于拉压强度不同的材料,下图是极限应力圆,代表着不同的应力状态,实际以单向受拉和单向受压极限应力圆的公切线代替包络线。由σ1和σ3确定的圆代表一种应力状态,包络线以内表示该应力状态安全。
双切应力理论
双切应力理论可能有些人没听过,但是与上面失效理论相比甚至是更出色,由我国学者俞茂宏于1961年提出。通常也称双剪理论或者双剪统一强度理论,不仅适合于弹塑性材料,也适合于脆性材料。既然是双剪切应力,自然是由两个剪切应力来判断。该理论认为,材料的屈服破坏是构件内危险点处两个较大的主切应力之和达到了某一极限值,这一极限值就是材料受单向拉伸发生屈服时两个主切应力之和。
强度条件:
许用应力由屈服极限和安全系数得出,根据上式子可见也是由主应力判断。
总结
四种常见的强度理论是无关任何应力状态,可以对标单向拉伸测试数据,且应用于静应力下的理想构件(不考虑微观材料缺陷)。弹塑性材料以屈服为主要失效形式,最大剪应力导致,注意:最大剪应力不是剪切应力中的最大值。脆性材料以断裂为主要失效形式,最大拉应力导致。上面对材料力学关于强度理论一些基本观点进行了总结,后续会对一些进行比较详细的记录。
注:仅记录学习FEM的一个过程,表达的是个人观点与认识,欢迎一起讨论学习。有疑问可以私,本号没有留言功能,无法互动。本人小白一枚,正在努力的路上