结构失效概述

文摘 2024-10-14 07:20 安徽

任一结构都需要根据工况和设计的要求，使其具有特定的功能或完成指定的动作。但在某些条件下，例如结构承受过大的外载荷或过高的温度或过高的酸碱度下，结构会丧失它们应有的功能和作用，即结构失效。为此，结构工程师必须研究清楚结构各种可能的失效形式，然后分析建立起合适的失效准则，以便对各种失效形式做准确地预测和控制。

失效的形式多种多样，受结构的材料、加载方式、应力状态和应力水平、工作环境等等因素影响。所以，为了能够确定结构的具体失效形式，需要研究结构对特定载荷的响应以及应力水平方向。

结构失效形式主要表现为，强度失效、刚度失效、屈曲失效（失稳）、冲击失效、疲劳失效、蠕变失效以及松弛失效等。ANSYS均有对应的失效准则来针对性地分析这些问题。

1、强度失效

强度失效的方式主要是屈服与断裂（破坏）。

1）屈服

材料的应力超过其屈服强度时，材料将发生塑性变形。这种变形是不可逆的，结构可能会失去其初始形状，导致功能失效。

采用弹塑性分析，通过有限元模型计算出结构的应力分布，并与材料的屈服准则（如冯·米塞斯屈服准则，Von Mises，形状改变比能准则）进行比较，判断是否发生屈服。

2）断裂（破坏）

材料内部的裂纹或缺陷在应力作用下扩展，最终导致结构完全断裂。典型的断裂失效包括脆性断裂和延性破坏。

可以使用断裂力学方法，结合有限元分析中的应力强度因子或J积分法（弹塑性断裂力学的基本方法）来预测裂纹扩展和结构破坏情况。

2、刚度失效

结构在使用过程中，由于刚度不足而导致无法承载设计载荷，产生过大的变形，最终失去其正常的功能。通常出现在对变形控制要求较高的结构中。

刚度失效并不意味着结构的材料发生了屈服或破坏，而是指结构由于刚度不足导致的服务性能下降或丧失。结构在应力水平低于屈服强度的情况下可能已经失效。

隐式、显式分析，静态、动态分析等均可用于分析刚度问题。

3、屈曲失效（失稳）

屈曲通常发生在受压构件上，当压力超过临界屈曲载荷时，结构突然失去稳定性，导致整体或局部的弯曲或失稳。如特征值屈曲分析流程。

常用的分析方法是线性屈曲分析和非线性屈曲分析。前者用于预测初始屈曲临界载荷，后者则能捕捉屈曲后的大变形行为。

4、冲击失效

由于突然的动态载荷或冲击（高能量释放，如爆炸、撞击等）导致结构局部或整体破坏。材料可能出现局部断裂或大范围损坏。

通常使用动态有限元分析（如显式动力学分析）来模拟冲击过程中的应力波传播、变形和破坏。本质上也是是刚度、强度问题。

5、疲劳失效

在循环交变荷载作用下，材料的疲劳强度逐渐下降，最终导致突然断裂。这种失效通常发生在使用周期较长的结构中，如桥梁、飞机翼等。

通过疲劳分析计算出结构在不同应力循环下的疲劳寿命，预测材料的疲劳断裂位置和寿命。

6、蠕变失效

材料在长时间的恒定应力和高温作用下，会继续变形，发生应变增大。长期的蠕变可能导致材料失效。

使用蠕变分析，通过时间依赖的应力应变关系预测材料的蠕变变形和失效。蠕变分析主要使用经验公式或基于材料实验结果的本构模型来预测蠕变特性。

7、应力松弛

松弛是指在恒定应变条件下，材料随着时间的推移应力逐渐减小的现象。它通常发生在某种构件被固定在一个特定位置（应变不变）的情况下，最初的应力较大，随后应力会随时间下降，达到某种平衡状态。

松弛分析通常依赖于时间依赖的应力松弛实验数据，通过建立应力-时间的关系模型（如Maxwell模型）进行应力随时间变化的预测。

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