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屈服条件内容精要

24天前浏览21
美国实验物理学家Bridgman,以高温和高压下的物质研究而著称,为此被授予1946年诺贝尔物理学奖。Bridgman对金属材料做了大量的静水压力试验,实验最大压力达到15000个大气压,结果表明体积应变基本符合弹性规律,也就是说塑性变形和静水压力无关,偏应力才会导致材料屈服。

由Bridgman实验可知,屈服面在应力空间是与静水压力线相平行的柱面。

应力空间的原点对应零应力状态,零应力状态材料是安全的,因此屈服面是包括原点在内的。

屈服面是外凸的,若是内凹的,就产生了一个方向加载时材料的多次初始屈服,这是不可能存在的,因此屈服面必须是外凸的。

对于各向同性材料,交换应力坐标轴不影响变形性质,因此,三个应力坐标轴在偏平面上的投影轴把偏平面等分为6个角形区,即屈服线是对称的6段线。

如果材料没有初始的包辛格效应,此时拉压屈服应力绝对值相同,因此应力关于原点对称,再考虑是各向同性材料的性质,此时又有三条对称轴,这三条对称轴分别是应力轴的垂直线。

至此,各向同性的没有初始包辛格效应的材料,其π平面上的屈服线是包含原点在内的外凸的由12段相同线组成的封闭线。屈服线的具体形状由实验确定,实验时只需测试Lode角在30°以内变化的屈服点即可,将这些屈服点连起来就是屈服线。

剔除球应力后的偏应力张量,第一不变量为零,即静水压力是零,它和屈服是没有关系的。有关系的是第二不变量和第三不变量。第二不变量反映剪应力特征的大小,而第三不变量不仅反映剪应力特征,而且反映力的方位。

最简单的屈服条件就是只考虑剪应力强度,当剪应力强度达到一定数值时材料屈服,屈服线在π平面上是一个圆,在主应力空间,屈服面是等截面的柱面。圆这种屈服线是连续光滑的,数学处理上方便,而且无论用主应力还是一般应力状态表示屈服条件都很方便使用。缺点是屈服线的非线性,计算上略繁琐。这个屈服条件就是Mises屈服条件,又称三剪应力屈服条件,实验证明是最精确的。

还有两个常用的屈服条件,这就是最大剪应力屈服条件(单剪应力屈服条件)和最大偏应力屈服条件(双剪应力屈服条件)。这两个条件在偏平面上都是分段线性的正六边形,它们分别是Mises圆的上限和下限。如果已知主应力的大小关系,应用这两个条件都是很方便的,而一般应力状态的屈服判定就很繁琐了。虽然这两个屈服条件不仅考虑了剪应力强度,而且考虑了力的方位影响,但实验证明却是误差较大的,加上正六边形的分段光滑性,数学处理也有困难,只有已知主应力相对大小关系时才方便应用。

历史上的屈服条件证明实验有两种,分别是薄壁管的拉和内压的联合作用,以及薄壁管的拉和扭的联合作用。采用薄壁管,这使管中任一点的应力尽量相同,便于实验验证。

前面介绍了常见的屈服函数。如何应用这些屈服函数呢?

比如,受内压的封闭薄壁圆筒,分析任一点的应力状态,各应力分量已知后,计算主应力和主偏应力,以及剪应力特征的那些不变量中的任意一个量,当这些量的组合值达到一定数值时该点就会屈服。

因此,要确定某结构的安全承载力范围,首先确定材料屈服满足的屈服函数是什么,然后确定在外荷载作用下任一点的应力/应变分量,找出最危险的点并计算这一点的应力/应变水平,最后用屈服条件判定该点是否安全。

以上讨论了初始屈服函数。如果材料是理想塑性的,初始屈服函数就是后继屈服函数。如果考虑强化,则后继屈服函数就是一个随时变化的函数,屈服函数不仅与应力/应变有关,还与塑性变形历史有关。历史上后继屈服函数也是经过实验验证的。

后继屈服函数又称加载面,即在此面上,应力水平继续增大,就会产生新的塑性应变。加载面函数影响因素有两部分,一部分是应力/应变,一部分是塑性变形的历史,这两部分是有关联的,称此关联为一致性条件塑性变形历史可用塑性应变强度或塑性功来表示。

强化分为两种类型,简单的强化模型是等向强化模型,即一个方向的强化使其它方向也同等的强化。

复杂的强化模型是随动强化模型,这也是实验验证更合理的模型。此时加载面的中心是变化的,常见的变化规律有线性随动强化模型和Ziegler模型,还有更复杂的Armstrong模型。

考虑强化的后继屈服函数,如何应用呢?这里举一个简单的例子。

线性强化的薄壁圆管,先进行扭转实验,卸载后测得残余应变。若对此管再进行拉伸试验,求后继拉伸时的屈服应力。

首先选择屈服函数,比如假定材料屈服满足Mises函数。再考虑强化模型,比如选择等向强化模型时,线性强化材料的拉伸应力应变曲线是确定的,根据扭转时的应力计算塑性应变强度,而卸载不影响塑性应变强度,将其带入拉伸的应力应变关系,即可以得到后继屈服应力了。

若采用随动强化模型,写出σij形式的后继屈服函数,再把拉伸的应力分量带入,即可求出后继屈服应力了。

从这个例题可以看出,Mises屈服函数有各种表达形式,因此应用方便。若用其它两个屈服函数,则要求出主应力后才方便判定屈服。

至此介绍了一点弹性范围确定的三种方法:最大剪应力函数、最大偏应力函数和剪应力强度函数。

已知了一点弹性范围,当应力达到弹性边界时,此时卸载,应力应变关系符合增量型的胡克定律;而如果继续加载,应力和应变关系如何呢?这将是下一讲的内容。

    

来源:力学AI有限元
非线性材料试验
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首次发布时间:2025-06-27
最近编辑:24天前
力学AI有限元
硕士 | 结构工程师 模拟仿真狂热爱好者
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