對dx×dy×dz的微小實體,其應力狀態如圖1所示,並且一點的六個應力分量、三個主拉應力、等效應力、應力密度等公式如圖1所示,這些公式在彈性力學中普遍都有介紹(百家號圖文無法輸入公式,因此只能用圖片描述公式,而文本中不得不採用看得懂的方式了)。
而ANSYS實體單元的輸出應力包含了六個應力分量SX、SY、SZ、SXY、SYZ和SXZ,三個主應力S1、S2和S3,以及等效應力SEQV和應力強度SINT等,其對應關係如圖1所示。
強度理論分為兩類,第一類是一脆性斷裂為破壞標誌的,其中包括最大拉應力理論和最大伸長線應變理論;第二類強度理論是以出現塑性屈服或發生顯著塑性變形作為破壞標誌的,其中包括最大切應力理論和形狀改變能密度理論。
最大拉應力理論-第一強度理論。該理論認為最大拉應力σ1是引起材料脆斷破壞的因素,即無論何種應力狀態下,只要構件內一點處的主應力中最大的拉應力σ1達到材料強度極限σb,材料就發生脆性斷裂。因此第一強度理論的斷裂準則是
σ1=σb
考慮安全係數後,就得到以容許應力[σ],因此第一強度理論所建立的強度條件為:
σ1≤[σ]
最大伸長線應變理論-第二強度理論。該理論認為最大伸長線應變是引起材料脆斷破壞的因素,即無論何種應力狀態下,只要構件內一點處的最大伸長線應變ε1達到材料的極限值εb,材料就發生脆斷破壞。因此經過推導後,第二強度理論的斷裂準則是
σ1-μ(σ2+σ3)=σb
以容許應力[σ]表示的第二強度理論所建立的強度條件為:
σ1-μ(σ2+σ3)≤[σ]
最大切應力理論-第三強度理論。該理論認為最大切應力τmax引起材料屈服的因素,即無論何種應力狀態下,只要構件內一點處的最大切應力τmax達到材料屈服時候的極限值τu,材料就發生屈服。因此經過推導後,第三強度理論的屈服準則是(塑性力學中的特雷斯卡(H.Tresca)屈曲準則)
σ1-σ3=σs
同上,第三強度理論的強度條件是
σ1-σ3≤[σ]
形狀改變能密度理論(八面體剪應力理論)-第四強度理論。該理論認為形狀改變能密度是引起屈服的因素,即無論何種應力狀態下,只要構件內一點處的形狀改變能密度達到材料的極限值,該點處的材料就發生屈服。因此經過推導後,第四強度理論的屈服準則是(塑性力學中的馮·米塞斯(Von Mises)屈曲準則)
σe =σs
同上,第四強度理論的強度條件是
σe ≤[σ]
根據這些強度理論,雖然給出了破壞準則或屈服準則,以及強度條件,然而因其適用條件各有不同,因此不能直接用於設計。設計規範也以不同的強度理論為基礎,給出了不同的強度條件,這個必然根據設計規範進行。
但根據有限元計算的應力結果如S1/S2/S3、SEQV和SINT,除個別規範的個別條款外,直接用於規範的強度條件的很少。如《鋼結構設計標準》(GB50017-2017)鑄鋼節點應力的強度條件採用的是SEQV。《鐵路橋梁鋼結構設計規範》還沿用容許應力法,《公路鋼結構橋梁設計規範》已改為極限狀態法。
因此在不依據某個規範,且用SEQV強度條件時,計算時無荷載係數,可以考慮採用容許應力法,如鋼材[σ]= σs/1.7,大致判斷設計的可行性;如有荷載及組合係數,可以採用[σ]=設計強度,進行大致判斷。通過後,再按具體設計規範嚴格校核。