簡(jiǎn)介：焊接結(jié)構(gòu)學(xué),主講教師方洪淵教授,焊接結(jié)構(gòu)學(xué)–緒論,焊接技術(shù)在工業(yè)部門中應(yīng)用的歷史并不長(zhǎng)，但其發(fā)展卻非常迅速。短短的幾十年中，焊接已在許多工業(yè)部門的金屬結(jié)構(gòu)中，如建筑鋼結(jié)構(gòu)，船體，鐵道車輛、壓力容器等幾乎全部取代了鉚接。此外，在機(jī)械制造業(yè)中，以往由整鑄整鍛方法生產(chǎn)的大型毛坯改成了焊接結(jié)構(gòu)，目前，世界主要工業(yè)國(guó)家生產(chǎn)的焊接結(jié)構(gòu)占到鋼產(chǎn)量的45。,緒論–焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),與鉚接、螺栓連接的結(jié)構(gòu)相比較，或者與鑄造鍛造的結(jié)構(gòu)相比較，焊接結(jié)構(gòu)有下列特點(diǎn)（優(yōu)點(diǎn)）1、焊接接頭強(qiáng)度高鉚接、螺栓連接的結(jié)構(gòu)，要在母材上鉆孔，削弱了工作截面，強(qiáng)度下降約20焊接；接頭強(qiáng)度可達(dá)到與母材等強(qiáng)度甚至高于母材強(qiáng)度。,緒論–焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),2、焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活性大，主要表現(xiàn)在①焊接結(jié)構(gòu)的幾何形狀不受限制如鉚、鑄、鍛等方法無(wú)法制造空心結(jié)構(gòu)，焊接則可以；②結(jié)構(gòu)的壁厚不受限制兩被連接構(gòu)件的壁厚可以相差很大，薄厚均可；③結(jié)構(gòu)的外形尺寸不受限制對(duì)大型結(jié)構(gòu)可分段制成部件，現(xiàn)場(chǎng)組焊、鍛、鑄、工藝則不允許；④可利用標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)型材組焊接成所需要結(jié)構(gòu)，段結(jié)構(gòu)重量減輕。焊縫減少；⑤可與其它工藝方法聯(lián)合使用鑄焊鍛焊栓焊沖壓焊接等聯(lián)合的金屬結(jié)構(gòu)；⑥可實(shí)現(xiàn)異種材料的連接同一結(jié)構(gòu)的不同部位可按需要配置不同性能的材料，做到物盡其用。,緒論–焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),3、焊接接頭密封性好氣密性，水密性均優(yōu)于其它方法，特別是在高溫，高壓容器上，只有焊接接頭才是最理想的連接形式。4、焊前準(zhǔn)備工作簡(jiǎn)單由于近年來(lái)數(shù)控精密氣割設(shè)備的發(fā)展，對(duì)于各種厚度或形式狀復(fù)雜的待焊接，不必預(yù)劃線就能直接從板料上切割出來(lái)，一般不用再機(jī)械加工就可投入裝配焊接。,緒論–焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),5、易于結(jié)構(gòu)的變更和改型鑄造鑄型（木型）鍛造開(kāi)模具周期長(zhǎng)、成本高焊接、則快速、簡(jiǎn)便、投資少6、適用于制作大型或重型、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且是單件小批量生產(chǎn)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)大簡(jiǎn)單批量小焊接占優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)小復(fù)雜批量大鑄鍛占優(yōu)勢(shì)7、成品率高一旦出現(xiàn)缺陷，可以修復(fù)、很少產(chǎn)生廢品。,緒論–焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),焊接結(jié)構(gòu)所存在的問(wèn)題（缺點(diǎn)）1、存在較大的焊接應(yīng)力和變形焊接（局部加熱）內(nèi)應(yīng)力變形工藝缺欠承載能力（剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性）下降尺寸精度，尺寸穩(wěn)定性下降校形增加工作量增加成本,緒論–焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),焊接結(jié)構(gòu)所存在的問(wèn)題（缺點(diǎn)）2、對(duì)應(yīng)力集中敏感焊接結(jié)構(gòu)具有整體性，其剛度大，焊縫的布置、數(shù)量和次序等都會(huì)影響到應(yīng)力分布，對(duì)應(yīng)力集中敏感，而應(yīng)力集中是疲勞，脆斷等破壞的起源，因此在焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要妥善處理。,緒論–焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),焊接結(jié)構(gòu)所存在的問(wèn)題（缺點(diǎn)）3、焊接接頭的性能不均勻焊接金屬是由母材料和填充金屬在焊接熱作用下熔合而成的鑄造組織，靠近焊接金屬的母材（近縫區(qū)）受焊接熱的影響，組織和性能發(fā)生變化（謂之熱影響區(qū)），因此，焊接接頭在成分，組織和性能上都是一個(gè)不均勻體，其不均勻程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了鑄、鍛件，這種不均勻性對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，特別是斷裂行為有重要影響。,焊接結(jié)構(gòu)學(xué)–緒論,二、焊接性分析焊接作為一種制造技術(shù)或生產(chǎn)手段，其目的是要獲得具有優(yōu)異的連接質(zhì)量和優(yōu)秀的使用性能的產(chǎn)品（或構(gòu)件）。但是由于焊接過(guò)程的復(fù)雜性和眾多的影響因素、非線性問(wèn)題，瞬時(shí)作用以及溫度的相關(guān)性效應(yīng)等等，使得要正確描述在各種情況下產(chǎn)生的焊接變形和焊接殘余應(yīng)力，準(zhǔn)確把握產(chǎn)品質(zhì)量變得非常困難。在實(shí)際工作中，人們采用焊接性的概念。作為一個(gè)分類系統(tǒng)，它在考慮焊接殘余應(yīng)力和焊接變形的影響方面有一定的意義。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，現(xiàn)在已經(jīng)有可能將焊接性分解為熱學(xué)、力學(xué)，顯微結(jié)構(gòu)等過(guò)程，從而降低了焊接性各種現(xiàn)象的復(fù)雜性。,緒論–焊接性分析,1、構(gòu)件焊接性與焊接冶金課程中介紹的，“材料焊接性”的概念相比，構(gòu)件焊接性含義更廣泛，它可以包含以下幾方面內(nèi)容“材料的焊接適應(yīng)性”、“設(shè)計(jì)的焊接可靠性”和“制造的焊接可行性”。焊接殘余應(yīng)力和焊接變形是焊接性的多要組成部分，它影響到冷、熱裂紋、影響使用性能并妨礙制造過(guò)程。,焊接性的定義,緒論–焊接性分析,2、影響焊接性的因素根據(jù)上述分類，可將影響焊接的因素按下面的方式分類,影響焊接性的因素,與材料有關(guān)的因素,與制造有關(guān)的因素,與設(shè)計(jì)有關(guān)的因素,母材和填充材料的類型化學(xué)成分和顯微組織,結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸、支撐條件和負(fù)載，焊縫類型，厚度和配置,焊接方法、焊速，焊接操作，坡口形狀，焊接順序，多層焊，定位焊。夾緊、預(yù)熱和焊后熱處理。,,,,,,,緒論–焊接性分析,從狹義上來(lái)說(shuō)，焊接性可理解為所需求的強(qiáng)度性能、焊接接頭的強(qiáng)度受到化學(xué)分成或溫度循環(huán)等主要影響因素的支配，而這些因素又受到如焊縫類型，或預(yù)熱溫度等的影響，強(qiáng)度行為可用一些主要的或物理特征值來(lái)描述，而這些特征值又可能涉及另一些次要的或工藝的特征值，下圖為一張僅限于影響強(qiáng)度性能的不完全的可變因素圖，由此，可看出“焊接性”的復(fù)雜性。,緒論–焊接性分析,主要影響因素,主要特征值,合金元素含量相、顯微組織、晶粒尺寸冷卻時(shí)間、奧氏體化時(shí)間退火時(shí)間和溫度板厚、焊縫類型等效應(yīng)力、三軸度焊條藥皮、水分,次要特征值,碳當(dāng)量焊接性指數(shù)脆性指數(shù)裂紋敏感性指數(shù)（脆性）轉(zhuǎn)變溫度,目標(biāo)參數(shù),硬度強(qiáng)度延展性冷列敏感性熱烈敏感性層狀撕裂敏感性回火脆性松弛脆性耐腐蝕性,次要影響因素,焊條類型焊接方法焊接參數(shù)焊縫類型預(yù)熱溫度層數(shù)稀釋率燒穿，夾雜物,,?????????,??,??????,???????,??????,??????,??????,???,???,???,,?,?????,???,化學(xué)成分相變、顯微組織焊接溫度循環(huán)焊后熱處理構(gòu)件形狀負(fù)載條件氫含量,,,,,,,,,,,,,,,影響焊接接頭強(qiáng)度的主要因素,緒論–焊接性分析,焊接過(guò)程涉及到熱學(xué)、力學(xué)、金相學(xué)等多方面知識(shí)，將焊接性分解成溫度場(chǎng)、應(yīng)力和變形場(chǎng)、顯微組織狀態(tài)場(chǎng)，這對(duì)焊接殘余應(yīng)力和焊接變形的數(shù)值分析處理很有價(jià)值。,溫度場(chǎng)、應(yīng)力與變形場(chǎng)及顯微組織狀態(tài)場(chǎng)的分解和相互影響,緒論–焊接性分析,“焊接性”是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，以往對(duì)焊接性的描述多數(shù)為定性的語(yǔ)言描述，已經(jīng)發(fā)展了一些實(shí)驗(yàn)方法，可以針對(duì)某一具體情況或特定的性能參數(shù)來(lái)定量描述，但全面，宏觀上對(duì)焊接性進(jìn)行定量描述卻十分復(fù)雜，也十分困難。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)和數(shù)值模擬技術(shù)的進(jìn)步，將焊接性分解成溫度場(chǎng)，應(yīng)力和變形場(chǎng)和顯微組織狀態(tài)場(chǎng)、這對(duì)于定量分析焊接問(wèn)題具有重要意義。,顯微組織轉(zhuǎn)變的影響,緒論–本課程的內(nèi)容和范圍,從前述內(nèi)容可以看出，焊接結(jié)構(gòu)的性能和質(zhì)量問(wèn)題涉及到三個(gè)主要方面，即熱場(chǎng)（溫度場(chǎng)），應(yīng)力和變形場(chǎng)以及顯微組織狀態(tài)場(chǎng)，其對(duì)應(yīng)的基本理論分別為熱學(xué)（傳熱學(xué)、）、力學(xué)（流體力學(xué)、材料力學(xué)、彈塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)）和金相學(xué)（金屬學(xué)、冶金學(xué)、金屬力學(xué)性能等）。關(guān)于顯微組織狀態(tài)場(chǎng)的問(wèn)題，重點(diǎn)在焊接冶金學(xué)中解決，關(guān)于應(yīng)力和變形場(chǎng)以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等問(wèn)題則是本課程的主要內(nèi)容。而熱場(chǎng)問(wèn)題，由于沒(méi)有安排專門的課程來(lái)介紹，而其又是焊接過(guò)程的重要基礎(chǔ)，因此，在本學(xué)課程中一并解決，因此，本課程的主體思路為焊接過(guò)程加熱應(yīng)力變形接頭性能結(jié)構(gòu)特征焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)品（實(shí)例分析）,第一章焊接熱過(guò)程,,第一章焊接熱過(guò)程,除冷壓焊等極個(gè)別的特例之外，其它焊接過(guò)程都需要加熱，即熱過(guò)程是伴隨焊接過(guò)程始終的，甚至在焊接前和焊后也仍然存在熱過(guò)程的問(wèn)題，如工件在焊前進(jìn)行預(yù)熱和焊接之后進(jìn)行的冷卻和熱處理等過(guò)程。因此，熱過(guò)程在決定焊接質(zhì)量和提高焊接生產(chǎn)率等方面具有重要意義。焊接的熱過(guò)程是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，從30年代由羅塞舍爾和雷卡林開(kāi)始進(jìn)行了系統(tǒng)研究，到目前，已取得很大進(jìn)展，但尚未得到圓滿解決。這一問(wèn)題的復(fù)雜性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面,第一章焊接熱過(guò)程,①焊接熱過(guò)程的局部性或不均勻性與熱處理工藝不同，多數(shù)焊接過(guò)程都是局部進(jìn)行加熱的，只有在熱源直接作用下的區(qū)域受到加熱，有熱量輸入，其它區(qū)域則存在熱量損耗，（舉例電弧焊、電阻焊等），受熱區(qū)域的金屬熔化，形成焊接熔池，這正是引起殘余應(yīng)力和變形的根源。②焊接熱源的相對(duì)運(yùn)動(dòng)由于焊接熱源相對(duì)于工件的位置在不斷發(fā)生變化，這就造成了焊接熱過(guò)程的不穩(wěn)定性。,第一章焊接熱過(guò)程,③焊接熱過(guò)程的瞬時(shí)性（非穩(wěn)態(tài)性）由于金屬材料中熱的傳播速度很快，焊接將必到用高度集中的熱源，這種熱源可以在極短的瞬間內(nèi)將大量的熱量由熱源傳遞給工件，這就造成了焊接熱過(guò)程的時(shí)變性和非穩(wěn)態(tài)特性，例如，在最不利的情況下，構(gòu)件的初始溫度可達(dá)到40℃，（在哈爾濱冬天的室外），而焊接熔池的最高溫度可以達(dá)到金屬汽化的溫度（鋼的沸點(diǎn)為3000℃），而熔池的形成是在很短時(shí)間內(nèi)完成的，因此其加熱速度之快，常可以達(dá)到1500℃/S以上。,第一章焊接熱過(guò)程,由以上幾點(diǎn)可以看出焊接的熱過(guò)程是十分復(fù)雜的問(wèn)題，這給分析研究工作帶來(lái)了許多困難，但是如果我們能夠了解和掌握焊接熱過(guò)程的基本規(guī)律，能夠準(zhǔn)確知道工件任一位置在任一時(shí)刻的狀態(tài)和溫度，則對(duì)控制焊接質(zhì)量，調(diào)整焊接工藝參數(shù)，清除焊接應(yīng)力，減小焊接變形，預(yù)測(cè)接頭性能等方面均具有重的意義。,第一章焊接熱過(guò)程,到目前為止，世界上許多國(guó)家的焊接工作者對(duì)焊接熱過(guò)程進(jìn)行了大量的系統(tǒng)的研究工作，但距離上述要求還存在著差距，這主要是因?yàn)樵诮鉀Q一些復(fù)雜的焊接傳熱問(wèn)題時(shí)間不得不提出一些數(shù)學(xué)上的假設(shè)和推導(dǎo)，這一方面的經(jīng)典工作是由前蘇聯(lián)的雷卡林完成的，雷卡林的工作對(duì)一些相對(duì)簡(jiǎn)單的情況給出一些解析解，但其結(jié)果常存在很大偏差，有時(shí)偏差量常?？梢赃_(dá)到100，近期有限元理論和數(shù)值分析技術(shù)的發(fā)展，使一些復(fù)雜問(wèn)題的計(jì)算得以進(jìn)行，因而使計(jì)算模型的建立可以更接近實(shí)際情況，準(zhǔn)確程度也明顯提高，但仍沒(méi)有達(dá)到完全實(shí)用化的程度，并且許多復(fù)雜的理論問(wèn)題也未得到很好的解決，因此，焊接熱過(guò)程目前仍然是國(guó)際焊接界研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。,第一章焊接熱過(guò)程,本章以最常規(guī)的MIG焊為例來(lái)討論焊接熱源，熱場(chǎng)、流場(chǎng)的基本規(guī)律和焊接熱過(guò)程的計(jì)算方法，以及焊接熱循環(huán)的有關(guān)問(wèn)題，目的是為討論焊接冶金、應(yīng)力、變形、熱影響區(qū)等建立基礎(chǔ)。,第一章焊接熱過(guò)程,第一節(jié)基本概念和基本原理第二節(jié)整體溫度場(chǎng)第三節(jié)焊接熱循環(huán)第四節(jié)對(duì)熔化區(qū)域的局部熱作用,第一節(jié)基本概念和基本原理,一、電弧焊熱過(guò)程概述首先，我們來(lái)分析一下最典型的焊接過(guò)程MIG焊接時(shí)都有哪些因素會(huì)影響到熱過(guò)程。1、產(chǎn)熱機(jī)構(gòu)電弧熱焊接過(guò)程中熱量的最主要的來(lái)源，利用氣體介質(zhì)中的放電過(guò)程來(lái)產(chǎn)生熱量，來(lái)熔化焊絲和加熱工件；電阻熱焊接電流過(guò)焊絲和工件時(shí)，將產(chǎn)生熱量；相變潛熱母材和焊絲發(fā)生熔化時(shí)將產(chǎn)生相變潛熱；變形熱構(gòu)件變形時(shí)將產(chǎn)生變形熱,第一節(jié)基本概念和基本原理,一、電弧焊熱過(guò)程概述2、散熱機(jī)構(gòu)環(huán)境散熱處于高溫的工件和焊絲向周圍介質(zhì)散失熱量；飛濺散熱飛濺除發(fā)生質(zhì)量損失之外，同時(shí)也伴有熱量損失。,第一節(jié)基本概念和基本原理,一、電弧焊熱過(guò)程概述3、熱量傳遞方式熱傳導(dǎo)工件和焊絲中高溫區(qū)域的熱量將向低溫區(qū)域傳導(dǎo)；對(duì)流換熱焊接熔池內(nèi)部，由于各處溫度不同，加上電弧的沖擊作用產(chǎn)生強(qiáng)迫對(duì)流，工件表面處，周圍氣體介質(zhì)流過(guò)時(shí)帶走熱量；輻射換熱電弧本身處于極高溫度，將向周圍的低溫物體發(fā)生輻射，并傳遞熱量；熱焓遷移（1）具有高溫的熔滴從焊絲向母材遷移，在傳質(zhì)同時(shí)傳熱；（2）飛濺從熔池向四周飛散，同時(shí)傳質(zhì)傳熱。,第一節(jié)基本概念和基本原理,從上述分析可以看出，要分析焊接熱過(guò)程，我們要處理幾方面的問(wèn)題熱源即熱量的來(lái)源；其產(chǎn)熱的機(jī)構(gòu)，性質(zhì)、分布、效率等。熱量傳輸方式涉及到傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射等等傳質(zhì)問(wèn)題流體流動(dòng)（在熔池內(nèi)、環(huán)境氣體、飛濺）相變問(wèn)題潛熱、熱物理參數(shù)變化位移問(wèn)題熱源與工件相對(duì)位置變化、工件變形等。力學(xué)問(wèn)題；電弧力、重力、等離子流力、熱應(yīng)力、拘束力、相變應(yīng)力等。綜上，可見(jiàn)焊接熱過(guò)程是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，涉及到多學(xué)科的知識(shí)，因此，在求解這一問(wèn)題將要對(duì)各方面的知識(shí)加以綜合利用。,第一節(jié)基本概念和基本原理,二、焊接熱源一般來(lái)說(shuō)，必須由外界提供相應(yīng)的能量才能實(shí)現(xiàn)基本的焊接過(guò)程，也就是說(shuō)有能源的存在是實(shí)現(xiàn)焊接的基本條件。到目前為止，實(shí)現(xiàn)金屬焊接所需要的能量從基本性質(zhì)來(lái)看，包括有電能，機(jī)械能、光輻射能和化學(xué)能等。,第一節(jié)基本概念和基本原理焊接熱源,1、焊接熱源的類型及特征（1）電弧焊熱源電弧焊時(shí)，熱量產(chǎn)生于陽(yáng)極與陰極斑點(diǎn)之間氣體柱（弧柱、熱等離子體）的放電過(guò)程。焊接過(guò)程采用的是直接弧，陽(yáng)極斑點(diǎn)和陰極斑點(diǎn)直接加熱母材和焊絲（或電極材料）。電弧柱產(chǎn)生的輻射和對(duì)流（氣流效應(yīng)）傳熱和電極斑點(diǎn)產(chǎn)生的輻射傳熱也起輔助作用。等離子弧焊時(shí)，應(yīng)用非直接弧，也就是電弧是間接加熱被焊工件。直接弧主要作用陰、陽(yáng)極斑點(diǎn)直接加熱母材和焊絲；輔助作用弧柱產(chǎn)生的輻射、對(duì)流，電極斑點(diǎn)產(chǎn)生的輻射等。間接弧主要依靠輻射和對(duì)流加熱。,第一節(jié)基本概念和基本原理焊接熱源,1、焊接熱源的類型及特征（2）氣體火焰焊接熱源氣焊時(shí)，乙炔C2H2在純氧O2中部分燃燒，在環(huán)繞焰心的還原區(qū)形成一氧化碳CO和氫H2，然后在外焰區(qū)與空中的氧作用，完全燃燒形成二氧化碳CO2和水H2O蒸氣，焰流以高速?zèng)_擊焊接區(qū)表面，通過(guò)對(duì)流和輻射加熱工件。,第一節(jié)基本概念和基本原理焊接熱源,1、焊接熱源的類型及特征（3）電阻焊熱源包括電阻點(diǎn)焊（如凸焊，縫焊、點(diǎn)焊等）、電阻對(duì)焊（壓力對(duì)焊、閃光對(duì)焊）及電渣焊。電阻點(diǎn)焊和電阻對(duì)焊時(shí)，最初起主要作用的是被焊構(gòu)件間（和與電極表面間）接觸區(qū)域的接觸電阻，導(dǎo)致表面加熱，表面局部熔化后，接觸電阻減弱甚至消失，（閃光對(duì)焊時(shí)，由于工件反復(fù)分離，使接觸電阻得以保持），此后，起主要產(chǎn)熱作用的是取決于電流密度的體積加熱。在通過(guò)傳導(dǎo)或感應(yīng)傳遞能量的高頻電阻焊時(shí)，由于集膚效應(yīng)和傳輸電阻，首先使極薄的表面層被加熱；電渣焊時(shí)，熔融而導(dǎo)電的渣池被電阻熱加熱，并熔化母材和連續(xù)給進(jìn)的焊絲。,第一節(jié)基本概念和基本原理焊接熱源,1、焊接熱源的類型及特征（4）摩擦焊磨擦焊時(shí)，相對(duì)旋轉(zhuǎn)的表面被摩擦加熱，去除不純材料層，最后在軸向加壓及焊件在略低于熔點(diǎn)的溫度下連接起來(lái)。攪拌摩擦焊是由于摩擦熱和變形熱來(lái)提高工件的溫度和塑性變形能力，并在壓力下形成接頭。振動(dòng)焊接（超聲波）時(shí)，利用了高頻率的摩擦效應(yīng)，但其溫度遠(yuǎn)低于材料熔化溫度。,第一節(jié)基本概念和基本原理焊接熱源,1、焊接熱源的類型及特征（5）電子束焊接在電子束焊時(shí)，電子（由熱陰極發(fā)射，電子透鏡聚焦）被大約10ΜM厚的表面層吸收，并產(chǎn)生熱量。當(dāng)電子束功率密度足夠大時(shí)，焊件表面被熔化，最后導(dǎo)致形成很深的穿透型蒸氣毛細(xì)孔，其周圍是熔化的金屬，并由此進(jìn)行加熱焊接。,第一節(jié)基本概念和基本原理焊接熱源,1、焊接熱源的類型及特征（6）激光焊接聚焦的激光束直接照射焊接區(qū)域，并被大約05ΜM厚的表面層吸收。如果功率密度足夠大，可以象電子束一樣形成毛化毛細(xì)管。作為實(shí)際焊接熱源，激光散焦時(shí)，通過(guò)熱傳導(dǎo)傳遞熱量到焊件內(nèi)部。,第一節(jié)基本概念和基本原理焊接熱源,1、焊接熱源的類型及特征（7）鋁熱劑焊接這種方未能主要用于鋼軌焊接，熔池通過(guò)鋁粉和金屬氧化物的化學(xué)（放熱）反應(yīng)而使工件被加熱并形成熔池，反應(yīng)后形成鋁的氧化物（熔渣），填充金屬和熱量都是在反應(yīng)區(qū)體積內(nèi)產(chǎn)生的。從上述各種焊接熱源來(lái)看，有些熱量產(chǎn)生于表面（必須通過(guò)傳導(dǎo)將其傳送至工件內(nèi)部），有些產(chǎn)生于材料內(nèi)部。由于構(gòu)件及其坡口的幾何尺寸不同，和焊接熱源的可調(diào)節(jié)將性等方面的差異，在實(shí)際應(yīng)用中有各種變化。,第一節(jié)基本概念和基本原理焊接熱源,各種焊接熱源的主要特征,第一節(jié)基本概念和基本原理焊接熱源,2、焊接熱源的有效熱功率（熱效率）焊接熱源對(duì)焊接溫度場(chǎng)（熱場(chǎng)、流場(chǎng)）的影響主要表現(xiàn)在熱輸入?yún)?shù)上熱輸入瞬時(shí)熱源采用熱量QJ連續(xù)熱源采用熱流量QJ/S由于在焊接過(guò)程中所產(chǎn)生的熱量并非全部用于加熱工件，而是有一部分熱量損失于周同介質(zhì)和飛濺，因此，熱源也存在一個(gè)熱效率問(wèn)題。熱效率（或稱功率系數(shù)量）?H＜1,第一節(jié)基本概念和基本原理焊接熱源,2、焊接熱源的有效熱功率（熱效率）電弧焊時(shí)，一般可將電弧看成是無(wú)感的純電阻，則全部電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽溆行峁β蕿槠渲蠶為電弧的有效熱功率J/SU為電弧電壓VI為電弧電流A?H為功率系數(shù)R為電弧的歐姆電阻ΩIEFF為有效電流A（交流情況下，用瞬時(shí)積分得出的有效值）,第一節(jié)基本概念和基本原理焊接熱源,2、焊接熱源的有效熱功率（熱效率）氣焊時(shí)，以乙炔的消耗量VAC為基本參數(shù)，有效熱功率為電阻焊（點(diǎn)焊和壓焊）時(shí)，其有效能量為其歐姆電阻R、有效電流IEFF和電流持續(xù)時(shí)間TC的乘積?？p焊時(shí)焊縫速度VMM/S,常用單位長(zhǎng)度焊縫的熱輸入QWJ/MM來(lái)替代單位時(shí)間的熱輸入Q，這樣比較方便。此外，根據(jù)不同的焊接方法，還可以用單位質(zhì)量熔敷金屬的熱量QM代替Q和QW。,第一節(jié)基本概念和基本原理焊接熱源,2、焊接熱源的有效熱功率（熱效率）在一定條件下，?H是常數(shù)，其主要取決于焊接方法，焊接規(guī)范和焊接材料的種類。下表給出了鋼和鋁常用焊接方法的熱功率數(shù)據(jù)。鋼和鋁常用熔焊方法的熱功率數(shù)據(jù),第一節(jié)基本概念和基本原理,三、傳熱基本定律熱傳導(dǎo)定律金屬材料焊接時(shí)，局部集中的隨時(shí)間變化的熱輸入，以高速度傳播到構(gòu)件的邊遠(yuǎn)部分。在多數(shù)情況下，輸入和對(duì)流在熱輸入過(guò)程中，也起著重要的作用，因而也是構(gòu)件表面熱熱損失的主要因素。熱傳導(dǎo)問(wèn)題由傅立葉定律來(lái)描述物體等溫面上的熱流密度QJ/MM2S與垂直于該處等溫面的負(fù)溫度梯度成正比，與熱導(dǎo)率?成正比其中?熱導(dǎo)率J/MM?S?K?T/?N溫度梯度K/MM,第一節(jié)基本概念和基本原理傳熱定律,對(duì)流傳熱定律在氣體和流體中熱的傳播主要借助于物質(zhì)微粒，的運(yùn)動(dòng)，如果這種運(yùn)動(dòng)僅僅由于溫度差引起的密度差而造成的，則產(chǎn)生自然對(duì)流，如果依靠外力來(lái)維持這種運(yùn)動(dòng)，則產(chǎn)行強(qiáng)迫對(duì)流（如電弧和火焰的吹力效應(yīng)）。由牛頓定律，某一與流動(dòng)的氣體或液體接觸的固體的表面微元，其熱流密度QC與對(duì)流換熱系數(shù)?CJ/MM?S?K和固體表面溫度與氣體或液體的溫度之差（TT0）成正比其中T固體表面強(qiáng)度；T0氣體或液體溫度。,第一節(jié)基本概念和基本原理傳熱定律,輻射傳熱定律加熱體的輻射傳熱是一種空間的電磁波輻射過(guò)程，可以穿過(guò)透明體，被不透光的物體吸收后又轉(zhuǎn)變成熱能，因此，任何物體間均處于相互熱交換狀態(tài)。根據(jù)斯蒂芬波爾茲曼定律受熱物體單位時(shí)間內(nèi)單位面積上的輻射熱量，即其熱流密度QR與其表面溫度為4次方成正比其中C0567?1014J/MM2SK,適用于絕對(duì)黑體?＜1為黑度系數(shù)吸收率。對(duì)于拋光后的金屬表面，?0204,對(duì)于粗糙、被氧化的鋼材表面，?0609,黑度隨溫度的增加而增加，在熔化溫度的范圍內(nèi)，?090095。,第一節(jié)基本概念和基本原理傳熱定律,輻射傳熱定律在重要的焊接條件下，相對(duì)比較小的物體（溫度為T）在相對(duì)較寬闊的環(huán)境中（溫度為T0）冷卻，通過(guò)熱輻射（和對(duì)流相比，高溫下熱輻射占主要地位）發(fā)生的熱量損失按下式計(jì)算作為上式的線性化近似其中?R為輻射換熱系數(shù)J/MM2SK，其在很大程度上取決于T和T0。,第一節(jié)基本概念和基本原理,四、導(dǎo)熱微分方程對(duì)于均勻且各向同性的連續(xù)體介質(zhì)，并且其材料特征值與溫度無(wú)關(guān)時(shí)，在能量守恒原理的基礎(chǔ)上，可得到下面的熱傳導(dǎo)微分方程式其中?熱傳導(dǎo)系數(shù)J/MMSK；C質(zhì)量比熱容J/GK；?密度G/MM3；QV單位體積逸出或消耗的熱能；?QV/?T內(nèi)熱源強(qiáng)度。定義熱擴(kuò)散系數(shù)A?/C?，并引入拉普拉斯算子?2，則上式簡(jiǎn)化為,第一節(jié)基本概念和基本原理導(dǎo)熱微分方程,導(dǎo)熱微分方程的邊界條件常分為三類（1）已知邊界上的強(qiáng)度值即（2）已知邊界上的熱流密度分布，即（3）已知邊界上物體與周圍介質(zhì)間的熱交換，即當(dāng)邊界與外界無(wú)熱交換即絕熱條件時(shí)，?T/?N0其中N邊界表面外法線方向；QS單位面積上的外部輸入熱流?表面換熱系數(shù)??C?R,包括輻射和對(duì)流換熱）；T周圍介質(zhì)溫度。,第一節(jié)基本概念和基本原理,五、焊接熔池計(jì)算的三維數(shù)學(xué)模型在此，建立運(yùn)動(dòng)電弧用下三維TIG焊接池件的流體力學(xué)狀態(tài)和傳熱過(guò)程的數(shù)值分析的模型，電弧熱量使被焊金屬熔化并形成熔池，電弧以恒定的速度U0沿X方向移動(dòng)。根據(jù)溫度分布，熔池分為前后兩部分，在熔池前部，輸入熱量大于散失的熱量，所以，隨著電弧的移動(dòng)，金屬不斷熔化；在熔池后部，散失的熱量大于輸入的熱量，所以發(fā)生凝固。在熔池內(nèi)部則因自然對(duì)流、電磁力和表面張力等的驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生流體對(duì)流。,第一節(jié)基本概念和基本原理焊接熔池計(jì)算的三維數(shù)學(xué)模型,控制方程組在固定坐標(biāo)系（?，Y，Z）中，熱能方程為其中?密度；C比熱容；?導(dǎo)熱系數(shù)；T溫度；T時(shí)間；U、V、W分別為X、Y、Z，方向上的速度分量。上式的求解區(qū)域包括液態(tài)熔池和其周圍的固態(tài)金屬，在整個(gè)計(jì)算區(qū)域內(nèi)，是一個(gè)對(duì)流與導(dǎo)熱的問(wèn)題，由于在固體中流體的流速為零，所以在實(shí)際固體中就轉(zhuǎn)化為純導(dǎo)熱問(wèn)題，上式就還原成導(dǎo)熱微分方程。,第一節(jié)基本概念和基本原理焊接熔池計(jì)算的三維數(shù)學(xué)模型,控制方程組考慮到熱源是一個(gè)熱流密度為QR且以恒速運(yùn)動(dòng)的電弧，在此進(jìn)行坐標(biāo)變換，將X?U0T代入上式，就可以將固定坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為以熱源中心為坐標(biāo)原點(diǎn)的移動(dòng)坐標(biāo)。其中，X為電弧移動(dòng)方向上的點(diǎn)到熱源中心的距離。此時(shí)上式為熱能方程，表示系統(tǒng)滿足能量守恒。,第一節(jié)基本概念和基本原理焊接熔池計(jì)算的三維數(shù)學(xué)模型,控制方程組對(duì)于熔池中的流體應(yīng)滿足動(dòng)量守恒，即滿足動(dòng)量方程；其中Μ流體黏度；P流體壓力；X、Y、Z體積力在X、Y、Z方向上的分量。,第一節(jié)基本概念和基本原理焊接熔池計(jì)算的三維數(shù)學(xué)模型,控制方程組此外，流場(chǎng)還應(yīng)滿足一個(gè)附加的約束條件，即流體是連續(xù)和不可壓續(xù)的，也就是說(shuō)需滿足連續(xù)性方程上述熱能方程，動(dòng)量方程和連續(xù)性方程的就構(gòu)成了焊接熔池問(wèn)題求解的控制方程組，求解的結(jié)果應(yīng)同時(shí)滿足上述方程。,第一節(jié)基本概念和基本原理焊接熔池計(jì)算的三維數(shù)學(xué)模型,體積力動(dòng)量方程中出現(xiàn)了X、Y、Z三個(gè)體積力分量，電弧焊接熔池中的體積力包括電磁力和自然對(duì)流項(xiàng)，體積力為其中J電流強(qiáng)度B磁感應(yīng)強(qiáng)度；?體積膨脹系數(shù)；G重力加速度；△T溫差。在X、Y、Z三個(gè)方面的分量分別為,第一節(jié)基本概念和基本原理焊接熔池計(jì)算的三維數(shù)學(xué)模型,邊界條件熱能方程的邊界條件為當(dāng)Z0（電弧覆蓋區(qū)域），有熱流QR向工件輸入熱量其中I焊接電流；U焊接電壓；??Q熱流分布函數(shù)；R距電弧中心的距離；?H熱效率。當(dāng)ZL、Z0上下表面的其它部分），通過(guò)對(duì)流和輻射向環(huán)境放熱，此時(shí)在固液界面上，TTM，TM為材料熔點(diǎn)。當(dāng)Y0，表示要求解的溫度場(chǎng)關(guān)于中心平面XY對(duì)稱，則,第一節(jié)基本概念和基本原理焊接熔池計(jì)算的三維數(shù)學(xué)模型,邊界條件動(dòng)量方程和連續(xù)性方程的邊界條件在固體中和固液相界面上，在熔池表面上，,第一節(jié)基本概念和基本原理焊接熔池計(jì)算的三維數(shù)學(xué)模型,由上述控制方程組和邊界條件就構(gòu)成了描述焊接熔池的數(shù)學(xué)模型，求解此模型，就可以確定工件上各點(diǎn)的溫度和熔池中流體的狀態(tài)。但由于方程的復(fù)雜性，沒(méi)有辦法求出解析解，所以只能用數(shù)值方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得這種復(fù)雜問(wèn)題的求解已成為可能。,第一節(jié)基本概念和基本原理,構(gòu)件幾何尺寸的簡(jiǎn)化在進(jìn)行函數(shù)解析求解時(shí)，將有關(guān)的幾何尺寸和熱輸入方式簡(jiǎn)化，作為分析模型的一部分，是絕對(duì)必要的，這可以使最后的公式更為簡(jiǎn)單。而在有限元求解時(shí)，原則上允許考點(diǎn)幾乎任何復(fù)雜的情況，但實(shí)際上要受到問(wèn)題的復(fù)雜程度和計(jì)算資源的限制。根據(jù)構(gòu)件的幾何形狀，引入三種基本的幾何形體，半無(wú)限擴(kuò)展的立方體（半無(wú)限體），無(wú)限擴(kuò)展的板（無(wú)限大板），和無(wú)限擴(kuò)展的桿（無(wú)限長(zhǎng)桿）。,第一節(jié)基本概念和基本原理幾何尺寸的簡(jiǎn)化,半無(wú)限體熱源作用于立方體表面的中心，為三維傳熱，半無(wú)限體可以作為厚板的模型。板厚度越大越得合這種模型。,第一節(jié)基本概念和基本原理幾何尺寸的簡(jiǎn)化,無(wú)限大板認(rèn)為沿板厚度方向上沒(méi)有溫度梯度，即認(rèn)為是二維傳熱，熱流密度在板厚度上為常數(shù)，作用于板中心的熱源功率在板厚度方向上也是常數(shù)，這一模型適用于薄板，板越薄吻合的越好。無(wú)限長(zhǎng)桿可將其看成是一維傳熱,在桿的橫截面上的熱功率為常數(shù)，這種假設(shè)可用于求解焊絲上的熱場(chǎng)。,第一節(jié)基本概念和基本原理幾何尺寸的簡(jiǎn)化,用簡(jiǎn)化的無(wú)限擴(kuò)展體來(lái)代替有限尺寸，在許多情況下是合理的。特別是在構(gòu)件相應(yīng)方向上的尺寸越大，熱傳播周期（加熱和冷卻）越短，熱擴(kuò)散率越低，研究的區(qū)域離熱源越遠(yuǎn)，及傳熱系數(shù)越大時(shí)，效果越好。但當(dāng)構(gòu)件的幾何尺寸與這種無(wú)限擴(kuò)展體存在較大偏差時(shí)，將會(huì)帶來(lái)很大偏差，甚至產(chǎn)生不可解決的矛盾。,第一節(jié)基本概念和基本原理熱源模型,熱源空間尺寸形狀的簡(jiǎn)化點(diǎn)熱源作用于半無(wú)限體或立方體表面層,可模擬立方體或厚板的堆焊,熱量向X、Y、Z三個(gè)方向傳播。線熱源將熱源看成是沿板最方向一條線，在厚度方向
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簡(jiǎn)介：材料力學(xué)I,§7許用應(yīng)力與軸向強(qiáng)度條件,?失效與許用應(yīng)力?軸向拉壓強(qiáng)度條件?例題,拉壓桿件的應(yīng)力最大正應(yīng)力發(fā)生在橫截面最大剪應(yīng)力發(fā)生在與軸線夾角為450的斜截面對(duì)于具體的材料，材料所能承受的最大應(yīng)力是有限度的，不能超過(guò)某一確定值。應(yīng)力超過(guò)此值，材料就要被破壞。,?失效與許用應(yīng)力,,斷裂與屈服，相應(yīng)極限應(yīng)力,構(gòu)件工作應(yīng)力的最大容許值,N?1安全因數(shù),靜荷失效,許用應(yīng)力,安全系數(shù)①外力的準(zhǔn)確性②理論的近似性③制造工藝引起材料力學(xué)性能分散性,安全系數(shù)的確定要依據(jù)構(gòu)件的材料和功能而定（見(jiàn)相應(yīng)的規(guī)范設(shè)計(jì)要求），本質(zhì)上講，它是一個(gè)與材料無(wú)關(guān)的量,安全系數(shù)塑性材料NNS1522脆性材料NNB35,?軸向拉壓強(qiáng)度條件,,保證拉壓桿不致因強(qiáng)度不夠而破壞的條件,校核強(qiáng)度知桿外力、A與S，檢查桿能否安全工作截面設(shè)計(jì)知桿外力與S，確定橫截面面積,確定承載能力知桿A與S，確定桿能承受的FN,MAX,常見(jiàn)強(qiáng)度問(wèn)題類型,強(qiáng)度條件,變截面變軸力拉壓桿,等截面拉壓桿,例5已知A1A2100MM2，S1200MPA，S2150MPA,,?例題,試求載荷F的許用值F,固定鉸鏈,解1軸力分析,2確定F,,分別建立兩桿強(qiáng)度條件,2桿強(qiáng)度有富裕,可見(jiàn)當(dāng)外載荷,可減小2桿面積，使,構(gòu)件應(yīng)力同時(shí)達(dá)到各自的許用應(yīng)力結(jié)構(gòu)等強(qiáng)，重量最輕,,例6已知L，H，F(xiàn)（0厚度T，討論環(huán)內(nèi)的應(yīng)力。,構(gòu)件作等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)應(yīng)力環(huán)內(nèi)任意一點(diǎn)有向心加速度AN，設(shè)圓環(huán)的橫截面積為A，單位體積的重量為G。,單位長(zhǎng)度上的慣性力,平衡方程,圓截面上的應(yīng)力為,則強(qiáng)度條件可以寫為,§8連接部分的強(qiáng)度計(jì)算,?連接實(shí)例?剪切與剪切強(qiáng)度條件?擠壓與擠壓強(qiáng)度條件?例題,?連接實(shí)例,,,連接部分的強(qiáng)度計(jì)算,連接處破壞可能方式,?剪斷連接件與連接板,?擠壓破壞鉚釘、連接件與連接板,?連接板拉斷,剪切擠壓,剪切實(shí)用計(jì)算,以鉚釘聯(lián)接為例說(shuō)明各種接件的剪切強(qiáng)度的計(jì)算方法,鉚釘在工作時(shí)，其兩側(cè)受到等值反向的擠壓力F的作用，他們相距很小當(dāng)力F增大到一定值時(shí)，鉚釘將沿受剪面被剪斷,剪切實(shí)用計(jì)算,利用截面法，將鉚釘沿受剪面假想的截開(kāi)，則截面上必有內(nèi)力FS，稱之為剪力。并且FSF實(shí)際剪切面應(yīng)力分布比較復(fù)雜實(shí)際計(jì)算中，假定切應(yīng)力在受剪面上均勻分布。如果截面面積為A，則名義切應(yīng)力為,剪切實(shí)用計(jì)算,設(shè)材料的許用切應(yīng)力為T，為保證鉚釘安全工作，名義切應(yīng)力T應(yīng)滿足,許用切應(yīng)力T可表示為TB為材料的名義剪切強(qiáng)度極限，N為安全系數(shù),剪切分析受剪面的確定,單剪切,剪切分析受剪面的確定,雙剪切,?剪切與剪切強(qiáng)度條件,,耳片銷釘,以類似方法分析,?剪切與剪切強(qiáng)度條件,－剪切強(qiáng)度條件,T許用切應(yīng)力,假設(shè)剪切面上的切應(yīng)力均勻分布,,?擠壓與擠壓強(qiáng)度條件,擠壓破壞在接觸區(qū)的局部范圍內(nèi)，產(chǎn)生顯著塑性變形,擠壓應(yīng)力擠壓面上的應(yīng)力,,擠壓面連接件間的相互擠壓接觸面,幾個(gè)概念,擠壓破壞實(shí)例,擠壓強(qiáng)度條件,SBS許用擠壓應(yīng)力,最大擠壓應(yīng)力,DD數(shù)值上等于受壓圓柱面在相應(yīng)徑向平面上的投影面積,例7已知D2MM，B15MM，D4MM，T100MPA，SBS300MPA，S160MPA試求F,?例題,,解1破壞形式分析,2許用載荷F,?,?,?,例8已知F80KN,D10MM,B80MM,D16MM,T100MPA,SBS300MPA,S160MPA試校核接頭強(qiáng)度,解1接頭受力分析,當(dāng)各鉚釘?shù)牟牧吓c直徑均相同，且外力作用線在鉚釘群剪切面上的投影，通過(guò)鉚釘群剪切面形心時(shí)，通常即認(rèn)為各鉚釘剪切面上的剪力相等,2強(qiáng)度校核,剪切強(qiáng)度,擠壓強(qiáng)度,拉伸強(qiáng)度,EXAMPLE,例齒輪用平鍵與軸連結(jié)，已知軸的直徑為D70MM，鍵的尺寸B?H?L20?12?100MM，傳遞最大力矩T2KN?M，鍵的T60MPA，SBS100MPA，校核鍵的強(qiáng)度。,EXAMPLE,剪切面上的切應(yīng)力為,解由?M00得剪切面上的剪力,EXAMPLE,故平鍵滿足強(qiáng)度要求。,擠壓面上的擠壓力為FBSFS，擠壓應(yīng)力為,EXAMPLEROCKERARM,EXAMPLEROCKERARM,剪切強(qiáng)度條件,軸銷處力系合成,EXAMPLEROCKERARM,擠壓強(qiáng)度條件,為充分利用材料，切應(yīng)力和擠壓應(yīng)力應(yīng)滿足,謝謝,
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簡(jiǎn)介：土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)安徽理工大學(xué)資源與環(huán)境工程系,第五章土體中的應(yīng)力計(jì)算,概述地基中的自重應(yīng)力計(jì)算地基中的附加應(yīng)力基底壓力計(jì)算有效應(yīng)力原理應(yīng)力路徑,,概述,強(qiáng)度問(wèn)題,變形問(wèn)題,地基中的應(yīng)力狀態(tài),,,應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,,土力學(xué)中應(yīng)力符號(hào)的規(guī)定,應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,自重應(yīng)力,附加應(yīng)力,基底壓力計(jì)算,有效應(yīng)力原理,建筑物修建以后，建筑物重量等外荷載在地基中引起的應(yīng)力，所謂的“附加”是指在原來(lái)自重應(yīng)力基礎(chǔ)上增加的壓力。,建筑物修建以前，地基中由土體本身的有效重量所產(chǎn)生的應(yīng)力。,,概述,一、應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系的假定,1、關(guān)于連續(xù)介質(zhì)問(wèn)題彈性理論要求受力體是連續(xù)介質(zhì)。而土是由三相物質(zhì)組成的碎散顆粒集合體，不是連續(xù)介質(zhì)。,2、關(guān)于線彈性體問(wèn)題理想彈性體的應(yīng)力與應(yīng)變成正比直線關(guān)系，且應(yīng)力卸除后變形可以完全恢復(fù)。,3、關(guān)于均質(zhì)、等向問(wèn)題理想彈性體應(yīng)是均質(zhì)的各向同性體。而天然地基往往是由成層土組成，為非均質(zhì)各向異性體。為此進(jìn)行假設(shè)，天然地基作為均質(zhì)的各向同性體。,1一般應(yīng)力狀態(tài)三維問(wèn)題,概述,二、地基中常見(jiàn)的應(yīng)力狀態(tài),,應(yīng)變條件,應(yīng)力條件,獨(dú)立變量,,,,,,,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,概述,二、地基中常見(jiàn)的應(yīng)力狀態(tài),軸對(duì)稱三維問(wèn)題,概述,二、地基中常見(jiàn)的應(yīng)力狀態(tài),2二維應(yīng)變狀態(tài)（平面應(yīng)變狀態(tài)）,應(yīng)變條件,應(yīng)力條件,獨(dú)立變量,,,,,,,0,0,0,0,0,0,0,0,0,應(yīng)變條件,應(yīng)力條件,獨(dú)立變量,,,,,,,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,K0側(cè)壓力系數(shù),概述,二、地基中常見(jiàn)的應(yīng)力狀態(tài),3側(cè)限應(yīng)力狀態(tài),,,,,,,,,,,材料力學(xué),,,,,土力學(xué),正應(yīng)力,剪應(yīng)力,拉為正壓為負(fù),順時(shí)針為正逆時(shí)針為負(fù),壓為正拉為負(fù),逆時(shí)針為正順時(shí)針為負(fù),摩爾圓應(yīng)力分析,概述,三、土力學(xué)中應(yīng)力符號(hào)的規(guī)定,地基中的自重應(yīng)力計(jì)算,一、豎向自重應(yīng)力,,,,,,土體中任意深度處的豎向自重應(yīng)力等于單位面積上土柱的有效重量,地基中的自重應(yīng)力計(jì)算,一、豎向自重應(yīng)力,注意,若計(jì)算點(diǎn)在地下水位以下，由于水對(duì)土體有浮力作用，則水下部分土柱的有效重量應(yīng)采用土的浮容重或飽和容重計(jì)算；1當(dāng)位于地下水位以下的土為砂土?xí)r，土中水為自由水，計(jì)算時(shí)用浮容重。2當(dāng)位于地下水位以下的土為堅(jiān)硬粘土?xí)r，在飽和堅(jiān)硬粘土中只含有結(jié)合水，計(jì)算自重應(yīng)力時(shí)應(yīng)采用飽和容重。3水下粘土，當(dāng)IL≥1時(shí)，用浮容重。4如果是介乎砂土和堅(jiān)硬粘土之間的土，則要按具體情況分析選用適當(dāng)?shù)娜葜亍?二、成層土的自重應(yīng)力計(jì)算,說(shuō)明1地下水位以上土層采用天然重度，地下水位以下土層采用浮重度2非均質(zhì)土中自重應(yīng)力沿深度呈折線分布,?1H1,?1H1?2H2,?1H1?2H2??3H3,地基中的自重應(yīng)力計(jì)算,三、水平向自重應(yīng)力,,,靜止側(cè)壓力系數(shù),地基中的自重應(yīng)力計(jì)算,地基中的附加應(yīng)力,條形基底受水平均布荷載作用時(shí)的附加應(yīng)力,條形基底受豎直均布荷載作用時(shí)的附加應(yīng)力,條形基底受豎直三角形分布荷載作用時(shí)的附加應(yīng)力,豎直線荷載作用下的附加應(yīng)力,矩形基底受水平均布荷載作用時(shí)角點(diǎn)下的豎向附加應(yīng)力,矩形基底受豎直三角形分布荷載作用時(shí)角點(diǎn)以下的豎向附加應(yīng)力,矩形基底受豎直均布荷載作用時(shí)角點(diǎn)下的豎向附加應(yīng)力,豎直集中力作用下的附加應(yīng)力,空間問(wèn)題條件下的附加應(yīng)力,平面問(wèn)題條件下的附加應(yīng)力,附加應(yīng)力,,,地基中的附加應(yīng)力,一豎直集中力作用下的附加應(yīng)力計(jì)算－布辛內(nèi)斯克公式,,P,,,,,,M,X,Y,Z,R,R,,Β,M’,（P；X,Y,Z；R,Α,Β,,Α,,地基中的附加應(yīng)力,,法國(guó)著名物理家和數(shù)學(xué)家，對(duì)數(shù)學(xué)物理、流體力學(xué)和固體力學(xué)都有貢獻(xiàn)。,VALENTINJOSEPHBOUSSINESQ18421929,地基中的附加應(yīng)力,一豎直集中力作用下的附加應(yīng)力計(jì)算－布辛內(nèi)斯克公式,,,,查P72表3－1,,集中力作用下的應(yīng)力分布系數(shù),地基中的附加應(yīng)力,,051015202530R/Z,05040302010,K,特點(diǎn),1ΣZ與Α無(wú)關(guān)，應(yīng)力呈軸對(duì)稱分布,2ΣZΤZYΤZXZYX,合力過(guò)原點(diǎn)，與R同向,一、豎直集中力作用下的附加應(yīng)力計(jì)算,地基中的附加應(yīng)力,一豎直集中力作用下的附加應(yīng)力計(jì)算－布辛內(nèi)斯克公式,特點(diǎn),,3P作用線上，R0,K3/2Π）,Z0,ΣZ→∞，Z→∞，ΣZ0,4在某一水平面上ZCONST，R0,K最大，R↑，K減小，ΣZ減小,5在某一圓柱面上RCONST，Z0,ΣZ0，Z↑，ΣZ先增加后減小,6ΣZ等值線－應(yīng)力泡,應(yīng)力泡,,,,,,,,,,,,,,,,,,P,,P,01P,005P,002P,001P,地基中的附加應(yīng)力,一豎直集中力作用下的附加應(yīng)力計(jì)算－布辛內(nèi)斯克公式,疊加原理,由幾個(gè)外力共同作用時(shí)所引起的某一參數(shù)（內(nèi)力、應(yīng)力或位移），等于每個(gè)外力單獨(dú)作用時(shí)所引起的該參數(shù)值的代數(shù)和,,兩個(gè)集中力作用下ΣZ的疊加,地基中的附加應(yīng)力,二、矩形基底受豎直均布荷載作用時(shí)角點(diǎn)下的豎向附加應(yīng)力,,,,,,,1角點(diǎn)下的垂直附加應(yīng)力B氏解的應(yīng)用,,矩形豎直向均布荷載角點(diǎn)下的應(yīng)力分布系數(shù)KS,查P75表32,P,（3－11）74頁(yè),,M,ML/B,NZ/B,地基中的附加應(yīng)力,二、矩形基底受豎直均布荷載作用時(shí)角點(diǎn)下的豎向附加應(yīng)力,2任意點(diǎn)的垂直附加應(yīng)力角點(diǎn)法,A矩形面積內(nèi),,,,,,,,B矩形面積外,,兩種情況,荷載與應(yīng)力間滿足線性關(guān)系,疊加原理,角點(diǎn)下垂直附加應(yīng)力的計(jì)算公式,地基中任意點(diǎn)的附加應(yīng)力,角點(diǎn)法,,,,地基中的附加應(yīng)力,三、矩形基底受豎直三角形分布荷載作用時(shí)角點(diǎn)以下的豎向附加應(yīng)力,,,,,,,,矩形面積豎直三角分布荷載角點(diǎn)下的應(yīng)力分布系數(shù),查P78表33,PT,,M,地基中的附加應(yīng)力,四、矩形基底受水平均布荷載作用時(shí)角點(diǎn)下的豎向附加應(yīng)力,,,,,角點(diǎn)下的垂直附加應(yīng)力C氏解的應(yīng)用,矩形面積作用水平均布荷載時(shí)角點(diǎn)下的應(yīng)力分布系數(shù),,,,,PH,,,,,,,查P80表34,地基中的附加應(yīng)力,五、豎直線荷載作用下的附加應(yīng)力（平面）,條形基礎(chǔ),,理想情況,,實(shí)際情況,PDY布辛涅斯克解,地基中的附加應(yīng)力,五、豎直線荷載作用下的附加應(yīng)力（平面）,注意（1）在荷載作用點(diǎn)處，即XZO點(diǎn)，應(yīng)力值為無(wú)窮大，（ΣX,ΣZ,ΤZX→∞）→應(yīng)力集中→EZEX（2）當(dāng)X0時(shí)，ΣXΤZX0，而ΣZΣZMAX→應(yīng)力集中→EZEX（3）ΣZ值離Z軸愈遠(yuǎn)，其值越??；水平位置越深，應(yīng)力也愈小地基土中應(yīng)力的擴(kuò)散現(xiàn)象。,地基中的附加應(yīng)力,,均布荷載情況,三角形荷載情況,,地基中的附加應(yīng)力,,水平分布荷載情況,KHZ條形基底豎向附加應(yīng)力系數(shù),為M,N的函數(shù)，其中MX/B，NZ/B，可查P85表得到,總結(jié)對(duì)于條形基礎(chǔ)地基附加應(yīng)力計(jì)算同樣可以采用角點(diǎn)法，利用疊加原理，進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算中應(yīng)注意不同分布情況的附加應(yīng)力系數(shù)所對(duì)應(yīng)的附加應(yīng)力系數(shù)表格不同，查表計(jì)算時(shí)應(yīng)該注意,地基中的附加應(yīng)力,“土壩（堤）壩身的自重應(yīng)力和壩基中的附加應(yīng)力”和“感應(yīng)圖法求附加應(yīng)力”自學(xué),基底壓力計(jì)算,基底壓力建筑物上部結(jié)構(gòu)荷載和基礎(chǔ)自重通過(guò)基礎(chǔ)傳遞給地基，作用于基礎(chǔ)底面?zhèn)髦恋鼗膯挝幻娣e壓力,基底壓力計(jì)算,影響基底壓力的因素基礎(chǔ)的形狀、大小、剛度，埋置深度，基礎(chǔ)上作用荷載的性質(zhì)（中心、偏心、傾斜等）及大小、地基土性質(zhì),基底壓力計(jì)算,一、中心荷載作用下的基底壓力,若是條形基礎(chǔ)，F(xiàn),G取單位長(zhǎng)度基底面積計(jì)算,G?GAD,取室內(nèi)外平均埋深計(jì)算,基底壓力計(jì)算,二、偏心荷載作用下的基底壓力,作用于基礎(chǔ)底面形心上的力矩MFG?E,基礎(chǔ)底面的抵抗矩；矩形截面WBL2/6,基底壓力計(jì)算,討論,當(dāng)E0，基底壓力呈梯形分布,當(dāng)EL/6時(shí)，PMAX0，PMIN0，基底壓力呈三角形分布,當(dāng)EL/6時(shí)，PMAX0，PMIN0，基底出現(xiàn)拉應(yīng)力，基底壓力重分布,基底壓力計(jì)算,基底壓力重分布,偏心荷載作用在基底壓力分布圖形的形心上,,基底壓力計(jì)算,,,,,,,,,,P,PV,PH,傾斜偏心荷載,分解為豎直向和水平向荷載，水平荷載引起的基底水平應(yīng)力視為均勻分布。,有效應(yīng)力原理,1飽和土中的應(yīng)力形態(tài),,,,,,PS,PSV,A,A,一有效應(yīng)力原理的基本概念,,PS,A,AW,AS,土單元的斷面積,顆粒接觸點(diǎn)的面積,孔隙水的斷面積,AA斷面通過(guò)土顆粒的接觸點(diǎn),,有效應(yīng)力Σ’,,,AA斷面豎向力平衡,,,U孔隙水壓力,,有效應(yīng)力原理,一有效應(yīng)力原理的基本概念,2飽和土的有效應(yīng)力原理,（1）飽和土體內(nèi)任一平面上受到的總應(yīng)力可分為兩部分Σ’和U，并且,（2）土的變形與強(qiáng)度都只取決于有效應(yīng)力,一般地，,有效應(yīng)力,總應(yīng)力已知或易知,孔隙水壓測(cè)定或算定,通常,,,,有效應(yīng)力原理及其意義,或,（1）,（2）土的變形和強(qiáng)度取決于有效應(yīng)力而不是總應(yīng)力。,（TERZAGHI，1923）,,有效應(yīng)力原理,1925年，土力學(xué),KARLVONTERZAGHI18831963,土力學(xué)之父,1943年，理論土力學(xué),有效應(yīng)力原理,自重應(yīng)力情況（側(cè)限應(yīng)變條件）,二飽和土中孔隙水壓力和有效應(yīng)力的計(jì)算,1靜水條件,地下水位,海洋土,毛細(xì)飽和區(qū),2穩(wěn)定滲流條件,2附加應(yīng)力情況,1單向壓縮應(yīng)力狀態(tài),2等向壓縮應(yīng)力狀態(tài),3偏差應(yīng)力狀態(tài),有效應(yīng)力原理,,,,,,1自重應(yīng)力情況,二飽和土中孔隙水壓力和有效應(yīng)力的計(jì)算,1靜水條件,地下水位,地下水位下降引起Σ’增大的部分,,,,,,Σ’ΣU,UΓWH2,,,,,UΓWH2,Σ’ΣUΓH1ΓSATH2ΓWH2ΓH1ΓSATΓWH2ΓH1?！疕2,地下水位下降會(huì)引起Σ’增大，土?xí)a(chǎn)生壓縮，這是城市抽水引起地面沉降的一個(gè)主要原因。,有效應(yīng)力原理,,,,,毛細(xì)飽和區(qū),1靜水條件,1自重應(yīng)力情況,二飽和土中孔隙水壓力和有效應(yīng)力的計(jì)算,,毛細(xì)飽和區(qū),,,,,,,,,,,總應(yīng)力,孔隙水壓力,有效應(yīng)力,＝,－,,,有效應(yīng)力原理,,,,H,,,ΔH,,砂層，承壓水,,,,粘土層ΓSAT,,,,H,,,ΔH,,砂層，排水,,,ΓSAT,,2穩(wěn)定滲流條件,1自重應(yīng)力情況,二飽和土中孔隙水壓力和有效應(yīng)力的計(jì)算,向上滲流,向下滲流,有效應(yīng)力原理,土水整體分析,,,A,向上滲流,向下滲流,1自重應(yīng)力情況,二飽和土中孔隙水壓力和有效應(yīng)力的計(jì)算,,,,,滲流壓密,滲透壓力,有效應(yīng)力原理,取土骨架為隔離體,,A,向上滲流,向下滲流,1自重應(yīng)力情況,二飽和土中孔隙水壓力和有效應(yīng)力的計(jì)算,自重應(yīng)力,滲透力,滲透力產(chǎn)生的應(yīng)力,滲透力產(chǎn)生有效應(yīng)力,有效應(yīng)力原理,,1側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)及一維滲流固結(jié),2附加應(yīng)力作用情況,物理模型,,鋼筒側(cè)限條件彈簧土骨架水體孔隙水帶孔活塞排水頂面活塞小孔滲透性大小,初始狀態(tài),,邊界條件,滲透固結(jié)過(guò)程,二飽和土中孔隙水壓力和有效應(yīng)力的計(jì)算,,,,,,P,一般方程,,有效應(yīng)力原理,1側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)及一維滲流固結(jié),2附加應(yīng)力作用情況,二飽和土中孔隙水壓力和有效應(yīng)力的計(jì)算,,P,,,P,附加應(yīng)力ΣZP超靜孔壓UΣZP有效應(yīng)力Σ’Z0,滲透固結(jié)過(guò)程,附加應(yīng)力ΣZP超靜孔壓U0,附加應(yīng)力ΣZP超靜孔壓U0有效應(yīng)力Σ’ZP,有效應(yīng)力原理,“孔壓系數(shù)”和“應(yīng)力路徑”自學(xué),
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上傳時(shí)間：2024-01-05
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