结构力学的一个最重要的任务之一,就是防止设计的结构“失效”。
失效的形式有很多,最常见有:静态失效、疲劳
静态失效
静态失效是指,材料随的载荷超过了“极限强度”。
极限强度本质是一个“应力值”,因此,微观地讲,当材料中某一点处的主应力值大于极限强度时,该点处的材料就已经开始静态失效了。
为什么会有极限强度这种东西?我们学过材料力学的同学了解,材料作拉伸测试可以得到应力应变曲线——
脆性材料(红)和塑性材料(蓝)的拉力试验
图中红线与蓝线分别代表两类材料。“x”符号的位置就表示“极限强度”。
对于脆性材料(红线),应力达到极限强度时,直接断裂,比如玻璃就是典型的脆性材料。
(一般来说,脆性材料都不太抗拉,也就是说极限强度一般不大)
对于塑性材料(蓝线),达到图中所示的屈服极限后,发生较大的形变,但是不断裂,直至达到极限强度才断裂。
关于应力应变曲线,有非常有趣和易于记忆的解读——
理解材料力学:应力应变曲线——自我提升之四大阶段
思考一个有趣的问题:结构中有一点达到了极强强度,是不是结构就一定会失效呢?
也不完全对。许多情况下,某些点发生了断裂,常常是由于装配精度过低,导致该部分“受到了超过它本来所要承担的任务量”,以至于断裂,但其它结构也会顺势补充上来,承担更多的受力。比如钢索桥梁,一根钢索的断裂往往是因为调试失误,将该钢索过分预紧了,而它的断裂并不会导致桥梁倒塌,而是由其它钢索补位。
疲劳
是不是结构不超过极限强度就OK了呢?不仅不是,而且这种想法往往会很危险!
因为结构失效最主要的形式,其它是——“疲劳”!
不仅人容易疲劳,材料也会!
疲劳失效中,很有可能受到的应力都“远小于极限强度”!但是,这个应力可不一般,它是“循环应力”,凡事一上周期性与频率扯上关系就不简单!
循环载荷
材料疲劳三阶段:
在多次循环作用下,材料损伤在微观层面不断发展,直到形成宏观裂纹。
在每次循环中,宏观裂纹都会不断增长,直至达到临界长度。
当出现裂纹的组件无法继续承受峰值载荷时,就会发生断裂。
后面两阶段一般划到“断裂力学”中研究,我们常说的“疲劳”常常仅指第一阶段——小裂纹到大裂纹。
另外,外加载荷可不能保证都是像上面那样规律,还可能是随机性的,这又增加了分析难度。
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