強(qiáng)度的案例
【專業(yè)知識(shí)】高強(qiáng)度螺栓又叫高強(qiáng)度摩擦預(yù)緊螺栓，這些你知道嗎？
高強(qiáng)度螺栓是鋼結(jié)構(gòu)施工中最普遍常見的施工內(nèi)容，所有鋼結(jié)構(gòu)工程師都會(huì)覺得熟悉得不能再熟悉了。然而事實(shí)可能并非如此，今天我們從最基本的概念的入手，帶你重新認(rèn)識(shí)高強(qiáng)度螺栓，可能會(huì)顛覆你最基本的認(rèn)識(shí)。
01 什么是高強(qiáng)度螺栓
高強(qiáng)度螺栓（High-Strength Friction Grip Bolt），英文直譯為：高強(qiáng)度摩擦預(yù)緊螺栓，英文簡(jiǎn)稱：HSFG。可見，我們中文施工中所說(shuō)的高強(qiáng)度螺栓是高強(qiáng)度摩擦預(yù)緊螺栓的簡(jiǎn)稱。在日常溝通中，僅僅是簡(jiǎn)略了“摩擦（Friction）”“預(yù)緊（Grip）”兩個(gè)詞，卻造成了許多工程技術(shù)人員對(duì)高強(qiáng)度螺栓基本定義的理解，產(chǎn)生了誤區(qū)。
誤區(qū)一：材料等級(jí)超過(guò)8.8級(jí)的螺栓，就是“高強(qiáng)度螺栓”？
高強(qiáng)度螺栓和普通螺栓的核心區(qū)別并不在于使用材料的強(qiáng)度，而是受力的形式。本質(zhì)是是否施加預(yù)緊力，并利用靜摩擦力抗剪。
展開 高強(qiáng)度螺栓一定比普通螺栓強(qiáng)度高？
高強(qiáng)度螺栓是鋼結(jié)構(gòu)施工中最普遍常見的施工內(nèi)容，所有鋼結(jié)構(gòu)工程師都會(huì)覺得熟悉得不能再熟悉了。然而事實(shí)可能并非如此，今天我們從最基本的概念的入手，帶你重新認(rèn)識(shí)高強(qiáng)度螺栓，可能會(huì)顛覆你最基本的認(rèn)識(shí)。
一、什么是高強(qiáng)度螺栓
高強(qiáng)度螺栓（High-Strength Friction Grip Bolt），英文直譯為：高強(qiáng)度摩擦預(yù)緊螺栓，英文簡(jiǎn)稱：HSFG。可見，我們中文施工中所說(shuō)的高強(qiáng)度螺栓是高強(qiáng)度摩擦預(yù)緊螺栓的簡(jiǎn)稱。在日常溝通中，僅僅是簡(jiǎn)略了“摩擦（Friction）”“預(yù)緊（Grip）”兩個(gè)詞，卻造成了許多工程技術(shù)人員對(duì)高強(qiáng)度螺栓基本定義的理解，產(chǎn)生了誤區(qū)。
誤區(qū)一：
材料等級(jí)超過(guò)8.8級(jí)的螺栓，就是“高強(qiáng)度螺栓”？
高強(qiáng)度螺栓和普通螺栓的核心區(qū)別并不在于使用材料的強(qiáng)度，而是受力的形式。本質(zhì)是是否施加預(yù)緊力，并利用靜摩擦力抗剪。（1）*
實(shí)際上在英標(biāo)規(guī)范，美標(biāo)規(guī)范中提到的高強(qiáng)度螺栓（HSFG BOLT）只有8.8級(jí)和10.9級(jí)兩種（BS EN 14399 / ASTM-A325&ASTM-490），而普通螺栓卻有包含有4.6，5.6，8.8，10.9，12.9等（BS 3692 11款表2）；由此可見，材料強(qiáng)度高低并不是區(qū)別高強(qiáng)度螺栓與普通螺栓的關(guān)鍵。
二、正確理解“高強(qiáng)”，強(qiáng)在何處
按照GB50017，計(jì)算單個(gè)普通螺栓（B類）8.8級(jí)和高強(qiáng)度螺栓8.8級(jí)抗拉及抗剪強(qiáng)度。
通過(guò)計(jì)算我們可以看到，相同等級(jí)的情況下，普通螺栓的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值都要高于高強(qiáng)度螺栓。（2）*
那么高強(qiáng)度螺栓，“強(qiáng)”在哪里？
為回答這一個(gè)問(wèn)題，必須從兩種螺栓的設(shè)計(jì)工作狀態(tài)入手，研究其彈塑性變形的規(guī)律，并理解到設(shè)計(jì)破壞時(shí)的極限狀態(tài)。
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高強(qiáng)度螺栓是鋼結(jié)構(gòu)施工中最普遍常見的施工內(nèi)容，所有鋼結(jié)構(gòu)工程師都會(huì)覺得熟悉得不能再熟悉了。然而事實(shí)可能并非如此，今天我們從最基本的概念的入手，帶你重新認(rèn)識(shí)高強(qiáng)度螺栓，可能會(huì)顛覆你最基本的認(rèn)識(shí)。
01
什么是高強(qiáng)度螺栓
高強(qiáng)度螺栓（High-Strength Friction Grip Bolt），英文直譯為：高強(qiáng)度摩擦預(yù)緊螺栓，英文簡(jiǎn)稱：HSFG。可見，我們中文施工中所說(shuō)的高強(qiáng)度螺栓是高強(qiáng)度摩擦預(yù)緊螺栓的簡(jiǎn)稱。在日常溝通中，僅僅是簡(jiǎn)略了“摩擦（Friction）”“預(yù)緊（Grip）”兩個(gè)詞，卻造成了許多工程技術(shù)人員對(duì)高強(qiáng)度螺栓基本定義的理解，產(chǎn)生了誤區(qū)。
誤區(qū)一：材料等級(jí)超過(guò)8.8級(jí)的螺栓，就是“高強(qiáng)度螺栓”？
高強(qiáng)度螺栓和普通螺栓的核心區(qū)別并不在于使用材料的強(qiáng)度，而是受力的形式。本質(zhì)是是否施加預(yù)緊力，并利用靜摩擦力抗剪。
實(shí)際上在英標(biāo)規(guī)范，美標(biāo)規(guī)范中提到的高強(qiáng)度螺栓（HSFG BOLT）只有8.8級(jí)和10.9級(jí)兩種（BS EN 14399 / ASTM-A325&ASTM-490），而普通螺栓卻有包含有4.6，5.6，8.8，10.9，12.9等（BS 3692 11款表2）；由此可見，材料強(qiáng)度高低并不是區(qū)別高強(qiáng)度螺栓與普通螺栓的關(guān)鍵。
誤區(qū)二：高強(qiáng)度螺栓的承載能力高于普通螺栓，是為“高強(qiáng)”？
由單個(gè)螺栓的計(jì)算可知，高強(qiáng)度螺栓抗拉和抗剪的設(shè)計(jì)強(qiáng)度均低于普通螺栓。其高強(qiáng)實(shí)質(zhì)是：正常工作時(shí)，節(jié)點(diǎn)不允許發(fā)生任何相對(duì)滑移，即：彈塑性變形小，節(jié)點(diǎn)剛度大。
展開 金屬材料疲勞強(qiáng)度的8大主要影響因素 附疲勞強(qiáng)度徐灝下載
同樣，表面鍍層（如鍍Cr、Ni等）由于鍍層中的裂紋造成的缺口效應(yīng)、鍍層在基體金屬中引起的殘余拉應(yīng)力以及電鍍過(guò)程中氫氣的浸入導(dǎo)到氫脆等原因，使疲勞強(qiáng)度降低。
采用感應(yīng)淬火、表面火焰淬火以及低淬透性鋼的薄殼淬火，均可獲得一定深度的表面硬度化層，并在表層形成有利的殘余壓應(yīng)力，因而也是提高零件疲勞強(qiáng)度的有效方法。
表面滾壓和噴丸等處理，由于能在試樣表面形成一定深度的形變硬化層，同時(shí)使表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，因而也是提高疲勞強(qiáng)度的有效途徑。
下載地址：疲勞強(qiáng)度徐灝
材料的理論斷裂強(qiáng)度 附晶體材料強(qiáng)度與斷裂微觀理論下載
材料力學(xué)低碳鋼拉伸試驗(yàn)中，材料的變形分為四個(gè)階段：彈性階段、屈服流動(dòng)階段、強(qiáng)化階段和徑縮斷裂階段，如圖1，其中當(dāng)材料經(jīng)過(guò)d點(diǎn)后，材料很快發(fā)生斷裂，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力σb即為強(qiáng)度極限。但這只是實(shí)驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象，它與材料的理論斷裂值還有很大的區(qū)別。
假設(shè)材料的斷裂是由于原子間距被拉的太遠(yuǎn)，超過(guò)了極限從而發(fā)生的斷裂。我們知道，原子之間的力與原子間的距離存在一定的關(guān)系，當(dāng)原子靠的特別近的時(shí)候，原子間存在排斥力，當(dāng)原子離的比較遠(yuǎn)的時(shí)候，原子間存在相互吸引力，在某一距離下，原子間的作用力為0，即平衡位置。
現(xiàn)在我們來(lái)考慮原子間的力與應(yīng)力的關(guān)系，根據(jù)應(yīng)力的定義
顯然，曲線上的最大值σm即代表原子間的最大結(jié)合力——理論斷裂強(qiáng)度，即在理論上認(rèn)為材料應(yīng)力超過(guò)σm時(shí)將被拉斷。作為一級(jí)近似，該曲線可用正弦曲線表示。
而實(shí)際上，對(duì)于純鐵的抗拉強(qiáng)度是只有170～270MPa左右，我們熟知的Q235鋼，其抗拉極限為375～460MPa，Q345鋼的抗拉強(qiáng)度約是490-620MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的理論斷裂強(qiáng)度。主要原因在于公式(11)表示的是理想材料的斷裂強(qiáng)度，也就是說(shuō)材料中沒(méi)有任何的缺陷。但這是不可能的，材料在冶金、鑄造、加工等過(guò)程中難免會(huì)產(chǎn)生一些初始缺陷，造成應(yīng)力集中從而大大降低了材料的強(qiáng)度缺陷。
下載地址：晶體材料強(qiáng)度與斷裂微觀理論
展開 強(qiáng)度理論及強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則一般性總結(jié)
失效依據(jù)：
設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：
形狀改變比能是引起材料屈服破壞的因素，歸為剪切型的強(qiáng)度理論，用SEQV表示。比較兩者，SINT比SEQV略為保守。
5莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則
莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則則是以各種狀態(tài)下的材料的破壞實(shí)驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)建立起來(lái)的有一定經(jīng)驗(yàn)行的準(zhǔn)則。該準(zhǔn)則考慮材料拉壓強(qiáng)度不等的情況，可以用與鑄鐵等脆性材料，也可以用于塑性材料，當(dāng)材料拉壓強(qiáng)度相同時(shí)，等效于最大剪應(yīng)力準(zhǔn)則。
結(jié)語(yǔ)
當(dāng)然，不用的行業(yè)有不用的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)具體的工程選用合適的強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則尤為重要。
這里以ANSYS Workbench為例，說(shuō)明各個(gè)強(qiáng)度準(zhǔn)則的適用范圍以及相應(yīng)選用的應(yīng)力工具。
1）三軸拉伸時(shí)，脆性或者塑性材料都會(huì)發(fā)生脆性斷裂，應(yīng)采用最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則，應(yīng)力工具為 Max Tensile Stress.
2）對(duì)于脆性材料，在二軸應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)采用最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則，如果拉壓強(qiáng)度不同，應(yīng)采用莫爾強(qiáng)度準(zhǔn)則，應(yīng)力工具為 Mohr-Coulomb Stress
3）對(duì)于塑性材料，應(yīng)采用形狀改變比能準(zhǔn)則，應(yīng)力工具為 Max Equivalent Stress；或者最大剪應(yīng)力準(zhǔn)則，應(yīng)力工具為Max Shear Stress.
4）在三軸壓縮應(yīng)力狀態(tài)下，對(duì)塑性和脆性材料一般采用形狀改變比能準(zhǔn)則。
展開 基于FKM 規(guī)范的靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度評(píng)估解決方案
靜強(qiáng)度或疲勞強(qiáng)度評(píng)估的選擇。
（6）
報(bào)告生成
基于FKM規(guī)范，進(jìn)行構(gòu)件或焊縫的靜強(qiáng)度或疲勞強(qiáng)度評(píng)估，對(duì)應(yīng)分析的中間數(shù)據(jù)和過(guò)程及結(jié)果數(shù)據(jù)將通過(guò)報(bào)告自動(dòng)生成得到，以供校核和評(píng)審使用。
材料力學(xué)性能解析：屈服強(qiáng)度、強(qiáng)度極限、彈性極限與硬化指數(shù)
屈服強(qiáng)度（Yield Strength）
屈服強(qiáng)度是材料在受力過(guò)程中開始發(fā)生不可逆塑性變形的應(yīng)力值。
這一概念基于材料的彈塑性行為，即在一定的應(yīng)力下，材料會(huì)發(fā)生可逆的塑性變形，而不會(huì)永久性地改變形狀。
通過(guò)拉伸試驗(yàn)，我們可以繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其中屈服強(qiáng)度是曲線上的起點(diǎn)。
數(shù)學(xué)表達(dá)式：
2. 強(qiáng)度極限（Ultimate Strength）
強(qiáng)度極限是材料在極端負(fù)載下所能承受的最大應(yīng)力。
它標(biāo)志著材料的極限強(qiáng)度，即當(dāng)材料達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，將無(wú)法繼續(xù)保持其結(jié)構(gòu)完整。
數(shù)學(xué)表達(dá)式：
3. 材料彈性極限（Elastic Limit）
材料彈性極限是材料在受力后仍能夠恢復(fù)原狀的最大應(yīng)力點(diǎn)。
在這個(gè)點(diǎn)之前，材料遵循胡克定律，即應(yīng)力和應(yīng)變成正比。超過(guò)材料彈性極限后，材料將發(fā)生不可逆的塑性變形。
數(shù)學(xué)表達(dá)式：
4. 材料硬化指數(shù)（Strain Hardening Exponent）
材料硬化指數(shù)描述了材料在塑性變形過(guò)程中硬度的增加程度。它是應(yīng)變硬化率與應(yīng)變的關(guān)系中的指數(shù)。硬化指數(shù)越大，材料在塑性變形后的硬度增加越快。
數(shù)學(xué)表達(dá)式：
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展開 基于Hyperworks二次開發(fā)的液壓支架等強(qiáng)度設(shè)計(jì)
摘 要：針對(duì)液壓支架應(yīng)力分布不均衡、支架大部分板件的強(qiáng)度都沒(méi)有達(dá)到屈服極限等問(wèn)題，提出基于Hyperworks二次開發(fā)的液壓支架等強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法。以典型單元的應(yīng)力強(qiáng)度比標(biāo)準(zhǔn)差最小為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)液壓支架進(jìn)行多工況尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)和疲勞壽命驗(yàn)算，使其在滿足液壓支架設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的前提下，對(duì)原有的模型進(jìn)行等強(qiáng)設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，優(yōu)化后液壓支架主結(jié)構(gòu)件在同種工況下應(yīng)力分布更加均勻，同時(shí)提高了液壓支架的疲勞壽命，為液壓支架的設(shè)計(jì)研究提供理論和數(shù)據(jù)支撐。
關(guān)鍵詞：液壓支架；二次開發(fā)；等強(qiáng)度設(shè)計(jì)；優(yōu)化；疲勞壽命分析
0 前言
液壓支架是煤炭綜采工程中的重要裝置，起到支撐頂板以確保采煤安全的作用，其運(yùn)用在很大程度上提升了采煤效率和機(jī)械化程度。傳統(tǒng)液壓支架為符合強(qiáng)度和剛度要求，通常選取相對(duì)較厚的支架鋼板。為了提高板式液壓支架的性價(jià)比，有必要對(duì)其進(jìn)一步優(yōu)化。本文以兩柱掩護(hù)式液壓支架為研究對(duì)象，基于有限元理論，將液壓支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，開展全工況的等強(qiáng)度優(yōu)化分析。結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)后模型力學(xué)性能和抗疲勞性能提升，有效改善支架應(yīng)力不平均的狀態(tài)，為后續(xù)更換鋼材等級(jí)提供參考依據(jù)，提高產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
1 液壓支架等強(qiáng)設(shè)計(jì)分析方法
液壓支架等強(qiáng)度優(yōu)化分析包含11種工況、2種模型高度，其中10種工況的模型高度一致，若同時(shí)考慮2種模型高度，數(shù)值分析難度較大。本文對(duì)包含工況較多的模型運(yùn)用tcl/tk語(yǔ)言開展基于Hyperworks二次開發(fā)的液壓支架等強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)關(guān)鍵板件開展以應(yīng)力強(qiáng)度比最小為優(yōu)化目標(biāo)的獨(dú)立尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)，求解出各自最佳的尺寸方案，之后對(duì)另一種模型高度進(jìn)行驗(yàn)算，最后應(yīng)用Hyperworks和nCode DesignLife聯(lián)合的方式對(duì)2種模型高度的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算，優(yōu)化過(guò)程如圖1所示。
展開 降雨強(qiáng)度及持時(shí)對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響研究
表2 不同雨量強(qiáng)度下邊坡安全系數(shù)
不同降雨強(qiáng)度下邊坡等效塑性應(yīng)變?cè)茍D，如圖3所示。從圖中可以看出，降雨強(qiáng)度對(duì)邊坡塑性應(yīng)變有一定影響。在降雨強(qiáng)度不同的情況下，邊坡的失穩(wěn)區(qū)域從坡腳發(fā)展到坡頂，并形成連續(xù)近似圓弧的面，可視為滑動(dòng)面。其中，15mm/h雨量強(qiáng)度下的斜坡塑性區(qū)貫穿的情況更為明顯。此外，隨著降雨強(qiáng)度的加大，邊坡最大塑性應(yīng)變也有所提高。例如，降雨強(qiáng)度為15mm/h時(shí)，邊坡可塑性應(yīng)變最大為4.306×10-1,而降雨強(qiáng)度為5和20mm/h時(shí)，邊坡塑性應(yīng)變最大為5.446×10-2和8.394×10-2。
圖2 雨量強(qiáng)度不同的邊坡孔壓分布情況
圖3 不同于下坡雨量強(qiáng)度應(yīng)變示意圖
2.2 降雨持續(xù)時(shí)間對(duì)邊坡滲流的影響
不同降雨持續(xù)時(shí)間情況下，邊坡孔隙水壓分布云圖，如圖4所示。隨著降雨持續(xù)時(shí)間的增加，邊坡孔隙水壓逐漸增大，同時(shí)受降雨持續(xù)時(shí)間影響的還有邊坡最大孔隙水壓。最大孔隙水壓在降雨持續(xù)7h后達(dá)到最大值104.3kPa。降雨持續(xù)24h后，邊坡最大壓孔達(dá)121.3kPa。雨量持續(xù)增加至48h和72h后，坡面最大孔壓也相應(yīng)增加至102.5和104.3kPa。
2.3 降雨持續(xù)時(shí)間對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響
隨著降雨持續(xù)時(shí)間增加，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)也在逐漸降低，見表3。這是由于隨著持續(xù)時(shí)間的增加，總降雨量也相應(yīng)增加，從而導(dǎo)致邊坡周圍的蓄水量越來(lái)越大，土體的孔壓和飽和度也在逐步增大，導(dǎo)致邊坡土體抗剪切強(qiáng)度因降雨入滲影響逐漸減小，極易發(fā)生山體滑坡災(zāi)害。因此，邊坡抗剪切強(qiáng)度會(huì)在降雨持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的情況下顯著降低，從而導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降低更為明顯[8]8]。
表3 與降雨持續(xù)時(shí)間條件下坡面穩(wěn)定系數(shù)不同
降雨強(qiáng)度5mm/h, 降雨持續(xù)48h和72h后邊坡塑性應(yīng)變?cè)茍D，如圖5所示。
展開 高強(qiáng)度螺栓基礎(chǔ)知識(shí)，緊固方法
高強(qiáng)度螺栓是鋼結(jié)構(gòu)施工中最普遍常見的施工內(nèi)容，所有鋼結(jié)構(gòu)工程師都會(huì)覺得熟悉得不能再熟悉了。然而事實(shí)可能并非如此，今天我們從最基本的概念的入手，帶你重新認(rèn)識(shí)高強(qiáng)度螺栓，可能會(huì)顛覆你最基本的認(rèn)識(shí)。
什么是高強(qiáng)度螺栓
高強(qiáng)度螺栓（High-Strength Friction Grip Bolt），英文直譯為：高強(qiáng)度摩擦預(yù)緊螺栓，英文簡(jiǎn)稱：HSFG。可見，我們中文施工中所說(shuō)的高強(qiáng)度螺栓是高強(qiáng)度摩擦預(yù)緊螺栓的簡(jiǎn)稱。在日常溝通中，僅僅是簡(jiǎn)略了“摩擦（Friction）”“預(yù)緊（Grip）”兩個(gè)詞，卻造成了許多工程技術(shù)人員對(duì)高強(qiáng)度螺栓基本定義的理解，產(chǎn)生了誤區(qū)。
誤區(qū)一：材料等級(jí)超過(guò)8.8級(jí)的螺栓，就是“高強(qiáng)度螺栓”？
高強(qiáng)度螺栓和普通螺栓的核心區(qū)別并不在于使用材料的強(qiáng)度，而是受力的形式。本質(zhì)是是否施加預(yù)緊力，并利用靜摩擦力抗剪。
實(shí)際上在英標(biāo)規(guī)范，美標(biāo)規(guī)范中提到的高強(qiáng)度螺栓（HSFG BOLT）只有8.8級(jí)和10.9級(jí)兩種（BS EN 14399 / ASTM-A325&ASTM-490），而普通螺栓卻有包含有4.6，5.6，8.8，10.9，12.9等（BS 3692 11款表2）；由此可見，材料強(qiáng)度高低并不是區(qū)別高強(qiáng)度螺栓與普通螺栓的關(guān)鍵。
誤區(qū)二：高強(qiáng)度螺栓的承載能力高于普通螺栓，是為“高強(qiáng)”？
由單個(gè)螺栓的計(jì)算可知，高強(qiáng)度螺栓抗拉和抗剪的設(shè)計(jì)強(qiáng)度均低于普通螺栓。其高強(qiáng)實(shí)質(zhì)是：正常工作時(shí)，節(jié)點(diǎn)不允許發(fā)生任何相對(duì)滑移，即：彈塑性變形小，節(jié)點(diǎn)剛度大。
可見：在給定設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)荷載的情況下，用高強(qiáng)度螺栓設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)并不一定能節(jié)省螺栓使用數(shù)量，但是其變形小，剛度大，安全儲(chǔ)備高。
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斷裂力學(xué)—有限寬板含雙邊裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算 ￥19.89
第一章 引言
工程分析中材料中的裂紋會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性帶來(lái)很大地影響.歷史上有很多航空航天事故、建筑事故都是由于裂紋引起的斷裂導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，為了檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)是否能夠一般用于判斷裂紋是否延伸地重要判據(jù)就是應(yīng)力強(qiáng)度因子K ( Stress Intensity Factor,SIF).在具體地工程分析中,評(píng)估含裂紋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,只需要計(jì)算含裂紋結(jié)構(gòu)在要求地工況下地裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子K值若K>Kc,則裂紋會(huì)發(fā)生擴(kuò)展,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效.傳統(tǒng)的強(qiáng)度觀點(diǎn)通常把材料視為理想材料即材料是連續(xù)、均勻、各向同性的,但實(shí)際工況中材料很難達(dá)到理想狀態(tài)。為了確保含裂紋構(gòu)件長(zhǎng)期穩(wěn)定地安全運(yùn)行必須對(duì)不可避免存在的裂紋對(duì)構(gòu)件的影響進(jìn)行預(yù)判從而將發(fā)生損失的風(fēng)險(xiǎn)降至最低。在斷裂力學(xué)問(wèn)題的分析中應(yīng)力強(qiáng)度因子人是預(yù)判含裂紋構(gòu)件發(fā)生斷裂和裂紋發(fā)生擴(kuò)展速率的首要判據(jù)司。獲得應(yīng)力強(qiáng)度因子的方法大致上可分為解析法、數(shù)值法和實(shí)驗(yàn)法。有限元數(shù)值法以計(jì)算機(jī)為平臺(tái)利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和強(qiáng)大的建模能力可以解決工程中復(fù)雜的幾何條件和邊界條件下的實(shí)際問(wèn)題而且有限元法不僅局限于線彈性問(wèn)題在研究彈塑性斷裂力學(xué)、疲勞和蠕變裂紋擴(kuò)展速率等問(wèn)題方面也同樣適用已經(jīng)成為獲得應(yīng)力強(qiáng)度因子的主要途徑。
本文以有限寬板含雙邊穿透裂紋為研究對(duì)象，研究在不同載荷
下、不同板寬下、不同板長(zhǎng)下的應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算，并且比較數(shù)值解和解析解，畫出比較圖，分析應(yīng)力強(qiáng)度因子各量的變化趨勢(shì)，并分析誤差產(chǎn)生的原因。
第二章 問(wèn)題描述
斷裂試樣參數(shù)： 彈性模量 E ? 210GPa ，泊松比?? 0.3 。
展開 膠粘強(qiáng)度的分類及檢測(cè)方法
評(píng)價(jià)粘接質(zhì)量最常用的方法就是測(cè)定粘接強(qiáng)度。表征膠粘劑性能往往都要給出強(qiáng)度數(shù)據(jù)，粘接強(qiáng)度是膠粘技術(shù)當(dāng)中一項(xiàng)重要指標(biāo)，對(duì)于選用膠粘劑、研制新膠種、進(jìn)行接頭設(shè)計(jì)、改進(jìn)粘接工藝、正確應(yīng)用膠粘結(jié)構(gòu)很有指導(dǎo)意義。
粘接強(qiáng)度定義
粘接強(qiáng)度是指在外力作用下，使膠粘件中的膠粘劑與被粘物界面或其鄰近處發(fā)生破壞所需要的應(yīng)力，粘接強(qiáng)度又稱為膠接強(qiáng)度。
粘接強(qiáng)度是膠粘體系破壞時(shí)所需要的應(yīng)力，其大小不僅取決于粘合力、膠粘劑的力學(xué)性能、被粘物的性質(zhì)、粘接工藝，而且還與接頭形式、受力情況(種類、大小、方向、頻率)、環(huán)境因素(溫度、濕度、壓力、介質(zhì))和測(cè)試條件、實(shí)驗(yàn)技術(shù)等有關(guān)。由此可見，粘合力只是決定粘接強(qiáng)度的重要因素之一，所以粘接強(qiáng)度和粘合力是兩個(gè)意義完全不同的概念，絕不能混為一談。
粘接接頭的受力形式
粘接接頭在外力作用下膠層所受到的力，可以歸納為剪切、拉伸、不均勻扯離和剝離4種形式。
(1)剪切。外力大小相等、方向相反，基本與粘接面平行，并均勻分布在整個(gè)粘接面上。
(2)拉伸。亦稱均勻扯離，受到方向相反拉力的作用，垂直于粘接面，并均勻分布在整個(gè)粘接面上。
(3)不均勻扯離。也叫劈裂，外力作用的方向雖然也垂直于粘接面，但是分布不均勻。
(4)剝離。外力作用的方向與粘接面成一定角度，基本分布在粘接面的一條直線上上述4種力，在同一膠粘體系中很有可能有幾種力同時(shí)存在，只是何者為主的問(wèn)題。
粘接強(qiáng)度的分類
根據(jù)粘接接頭受力情況不同，粘接強(qiáng)度具體可以分為剪切強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、不均勻扯離強(qiáng)度、剝離強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、抗蠕變強(qiáng)度等。
(1)剪切強(qiáng)度
剪切強(qiáng)度是指粘接件破壞時(shí)，單位粘接面所能承受的剪切力，其單位用兆帕(MPa)表示。
展開 專業(yè)講述“屈服強(qiáng)度”
什么是屈服強(qiáng)度？
當(dāng)外力超過(guò)材料的彈性極限之后，此時(shí)材料會(huì)發(fā)生塑性變形，即卸載之后材料會(huì)保留部分殘余變形。當(dāng)外力繼續(xù)增加達(dá)到一定值之后，就會(huì)出現(xiàn)外力不增加或者減少而試樣仍然繼續(xù)伸長(zhǎng)，表現(xiàn)在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上就是出現(xiàn)平臺(tái)或者鋸齒狀的峰谷，這種現(xiàn)象就稱之為屈服現(xiàn)象。處于平臺(tái)階段的力就是屈服力，試樣屈服時(shí)首次下降前的力稱為上屈服力，不計(jì)瞬時(shí)效應(yīng)的屈服階段的最小力稱為下屈服力。相應(yīng)的強(qiáng)度即為屈服強(qiáng)度、上屈服強(qiáng)度、下屈服強(qiáng)度。
應(yīng)力-應(yīng)變曲線
如何測(cè)定屈服強(qiáng)度？
無(wú)明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料，需測(cè)量其規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度或規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力，而有明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料，則可以測(cè)量其屈服強(qiáng)度、上屈服強(qiáng)度、下屈服強(qiáng)度。一般而言，只測(cè)定下屈服強(qiáng)度。
通常測(cè)定上屈服強(qiáng)度及下屈服強(qiáng)度的方法有兩種：圖示法和指針?lè)ā?1.圖示法
試驗(yàn)時(shí)用自動(dòng)記錄裝置繪制力-夾頭位移圖。要求力軸比例為每mm所代表的應(yīng)力一般小于10N/mm^2，曲線至少要繪制到屈服階段結(jié)束點(diǎn)。在曲線上確定屈服平臺(tái)恒定的力Fe、屈服階段中力首次下降前的最大力Feh或者不到初始瞬時(shí)效應(yīng)的最小力Fel。
屈服強(qiáng)度、上屈服強(qiáng)度、下屈服強(qiáng)度可以按以下公式來(lái)計(jì)算：
屈服強(qiáng)度計(jì)算公式：Re = Fe / So，F(xiàn)e為屈服時(shí)的恒定力。
上屈服強(qiáng)度計(jì)算公式：Reh = Feh / So，F(xiàn)eh為屈服階段中力首次下降前的最大力。
下屈服強(qiáng)度計(jì)算公式：Rel = Fel / So，F(xiàn)el為不到初始瞬時(shí)效應(yīng)的最小力Fel。
2.指針?lè)?試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)測(cè)力度盤的指針首次停止轉(zhuǎn)動(dòng)的恒定力或者指針首次回轉(zhuǎn)前的最大力或者不到初始瞬時(shí)效應(yīng)的最小力，分別對(duì)應(yīng)著屈服強(qiáng)度、上屈服強(qiáng)度、下屈服強(qiáng)度。
上下屈服強(qiáng)度的判定
屈服前的第一個(gè)峰值應(yīng)力判為上屈服強(qiáng)度，不管其后峰值應(yīng)力大小如何。
展開 【材料課堂】疲勞強(qiáng)度的影響因素
此時(shí)應(yīng)力集中系數(shù)就無(wú)法真實(shí)地反映缺口對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響。因此常用疲勞缺口系數(shù)Kf（fatigue notch factor，過(guò)去又被稱為有效應(yīng)力集中系數(shù)）來(lái)更直接地反映疲勞強(qiáng)度的真實(shí)的降低程度。
這里，σw0，σw分別為無(wú)缺口光滑試樣和缺口試樣的疲勞極限。
圖14-4為鋼的應(yīng)力集中系數(shù)Kt與疲勞缺口系數(shù)Kf之間的關(guān)系。由圖可見，對(duì)于低中碳鋼，在應(yīng)力集中系數(shù)小于2～2.5時(shí)Kt與Kf基本相同，但當(dāng)超過(guò)此數(shù)值時(shí)，Kf的增長(zhǎng)速度明顯變慢。而對(duì)于高碳鋼等強(qiáng)度比較高的鋼，Kf隨Kt線性遞增的關(guān)系保持很長(zhǎng)的范圍。由此可知，高強(qiáng)度鋼的疲勞強(qiáng)度對(duì)缺口的敏感性高而低中強(qiáng)度鋼的疲勞強(qiáng)度對(duì)缺口的敏感性較低。
一般情況下，Kf＜Kt，但對(duì)于高碳鋼尖銳缺口，還有可能存在Kt＞Kf的現(xiàn)象。對(duì)于螺栓類零件也存在這種現(xiàn)象，有時(shí)出現(xiàn)Kt為約4左右而Kf為8～10的情況。這主要是因?yàn)槊總€(gè)螺紋所分擔(dān)的載荷不均甚至載荷幾種在某扣螺紋上所致。
對(duì)于光滑材料，通過(guò)表面淬火、表面滲碳、表面氮化等表面熱處理可以有效地提高其疲勞強(qiáng)度。但是對(duì)于缺口材料，這些方法可能變的沒(méi)有效果甚至使疲勞強(qiáng)度反而降低。這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)熱處理使其表面強(qiáng)度提高的同時(shí)，使缺口敏感性也變高的緣故。
圖14-5為高強(qiáng)度鋼和塑性較好的低強(qiáng)度鋼的缺口材料的疲勞強(qiáng)度隨應(yīng)力集中程度的增加而變化的情況。在應(yīng)力集中Kt較小的范圍內(nèi)，高強(qiáng)度鋼的疲勞強(qiáng)度明顯比低強(qiáng)度鋼的高。但隨著應(yīng)力集中系數(shù)的增加，高強(qiáng)度鋼的疲勞強(qiáng)度的降低速度明顯大于低強(qiáng)度鋼者，以致于高強(qiáng)度鋼的疲勞強(qiáng)度與低強(qiáng)度鋼的疲勞強(qiáng)度相差無(wú)幾。
對(duì)于焊接構(gòu)件，由于焊接熱影響區(qū)在許多情況下恰好處于結(jié)構(gòu)性缺口部位或在其附近，加之焊接缺陷、焊接殘余拉應(yīng)力的作用等，使得疲勞強(qiáng)度可能大幅下降幾倍甚至十幾倍。
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