Поверхность текучести — это пятимерная поверхность в шестимерном пространстве напряжений . Поверхность текучести обычно выпуклая , а напряженное состояние внутри поверхности текучести упругое. Когда напряженное состояние лежит на поверхности, говорят, что материал достиг своего предела текучести , и говорят, что материал стал пластичным . Дальнейшая деформация материала приводит к тому, что напряженное состояние остается на поверхности текучести, даже если форма и размер поверхности могут изменяться по мере развития пластической деформации. Это происходит потому, что напряженные состояния, которые лежат вне поверхности текучести, недопустимы в пластичности, независимой от скорости , хотя и не в некоторых моделях вязкопластичности . [1]
Поверхность текучести обычно выражается в терминах (и визуализируется в) трехмерного главного пространства напряжений ( ), двух- или трехмерного пространства, охватываемого инвариантами напряжений ( ) или версии трехмерного пространства напряжений Хейга–Вестергаарда . Таким образом, мы можем записать уравнение поверхности текучести (то есть функцию текучести) в формах:
где главные напряжения.
где — первый главный инвариант напряжения Коши, а — второй и третий главные инварианты девиаторной части напряжения Коши.
где — масштабированные версии и , а — функция .
где — масштабированные версии и , а — угол напряжения [2] или угол Лоде [3]
Инварианты, используемые для описания поверхностей текучести
Первый главный инвариант ( ) напряжения Коши ( ), а также второй и третий главные инварианты ( ) девиаторной части ( ) напряжения Коши определяются как:
где ( ) — главные значения , ( ) — главные значения , и
где — единичная матрица.
Связанный набор величин ( ), обычно используется для описания поверхностей текучести для связных фрикционных материалов, таких как камни, почвы и керамика. Они определяются как
где - эквивалентное напряжение . Однако возможность отрицательных значений и результирующей мнимой величины делает использование этих величин на практике проблематичным.
Другой связанный набор широко используемых инвариантов — ( ), которые описывают цилиндрическую систему координат ( координаты Хейга–Вестергаарда ). Они определяются как:
Плоскость также называется плоскостью Рендули . Угол называется углом напряжения, величина иногда называется параметром Лоде [4] [5] [6] а соотношение между и было впервые дано Новожиловым В.В. в 1951 г., [7] см. также [8]
Главные напряжения и координаты Хейга–Вестергаарда связаны соотношением
В литературе можно найти иное определение угла Лоде: [9]
в этом случае упорядоченные главные напряжения (где ) связаны соотношением [10]
Примеры поверхностей текучести
В технике известно несколько различных поверхностей текучести, наиболее популярные из которых перечислены ниже.
Поверхность текучести Треска
Критерий текучести Трески считается работой Анри Трески . [11] Он также известен как теория максимального напряжения сдвига (MSST) и критерий Трески–Геста [12] (TG). В терминах главных напряжений критерий Трески выражается как
Где - предел текучести при сдвиге, а - предел текучести при растяжении.
На рисунке 1 показана поверхность текучести Трески–Геста в трехмерном пространстве главных напряжений. Это призма с шестью сторонами и бесконечной длиной. Это означает, что материал остается упругим, когда все три главных напряжения примерно равны ( гидростатическое давление ), независимо от того, насколько он сжат или растянут. Однако, когда одно из главных напряжений становится меньше (или больше) других, материал подвергается сдвигу. В таких ситуациях, если касательное напряжение достигает предела текучести, то материал входит в пластическую область. На рисунке 2 показана поверхность текучести Трески–Геста в двумерном пространстве напряжений, это поперечное сечение призмы вдоль плоскости.
поверхность текучести фон Мизеса
Критерий текучести фон Мизеса выражается в главных напряжениях как
где - предел текучести при одноосном растяжении.
На рисунке 3 показана поверхность текучести фон Мизеса в трехмерном пространстве главных напряжений. Это круговой цилиндр бесконечной длины с осью, наклоненной под равными углами к трем главным напряжениям. На рисунке 4 показана поверхность текучести фон Мизеса в двумерном пространстве в сравнении с критерием Трески–Геста. Поперечное сечение цилиндра фон Мизеса на плоскости дает эллиптическую форму поверхности текучести.
Критерий Буржинского-Ягна
Этот критерий [13] [14] переформулирован как функция гидростатических узлов с координатами и
представляет собой общее уравнение поверхности вращения второго порядка вокруг гидростатической оси. Некоторые частные случаи: [15]
цилиндр (Максвелл (1865), Губер (1904), фон Мизес (1913), Генки (1924)),
Отношения сжатия-растяжения и кручения-растяжения можно вычислить следующим образом:
Коэффициенты Пуассона при растяжении и сжатии получаются с помощью
Для пластичных материалов ограничение
Важно. Применение вращательно-симметричных критериев хрупкого разрушения с
недостаточно изучен. [16]
Критерий Буржинского-Ягна хорошо подходит для академических целей. Для практических приложений в уравнение следует ввести третий инвариант девиатора в нечетной и четной степени, например: [17]
критерий Хубера
Критерий Хубера состоит из эллипсоида Бельтрами и масштабированного цилиндра фон Мизеса в главном напряженном пространстве, [18] [19] [20] [21] см. также [22] [23]
с . Переход между поверхностями в поперечном сечении непрерывно дифференцируем. Критерий представляет собой «классический взгляд» относительно неупругого поведения материала:
поведение материала, чувствительного к давлению, для с и
поведение материала, нечувствительного к давлению, для с
Критерий Хубера можно использовать в качестве поверхности текучести с эмпирическим ограничением для коэффициента Пуассона при растяжении , что приводит к .
Модифицированный критерий Хубера, [24] [23] см. также [25] ср. [26]
состоит из эллипсоида Шлейхера с ограничением коэффициента Пуассона при сжатии
и цилиндр с -переходом в поперечном сечении . Вторая настройка для параметров и следует с соотношением сжатия/растяжения
Модифицированный критерий Хубера может быть лучше подобран к измеренным данным как критерий Хубера. Для его установки следует и .
Критерий Хубера и модифицированный критерий Хубера следует предпочесть критерию фон Мизеса, поскольку они дают более надежные результаты в области . Для практических приложений в этих критериях следует учитывать третий инвариант девиатора . [23]
Поверхность текучести Мора-Кулона
Критерий текучести (разрушения) Мора-Кулона аналогичен критерию Треска с дополнительными условиями для материалов с различным пределом текучести на растяжение и сжатие. Эта модель часто используется для моделирования бетона , грунта или зернистых материалов . Критерий текучести Мора-Кулона может быть выражен как:
где
а параметры и — напряжения текучести (разрушения) материала при одноосном сжатии и растяжении соответственно. Формула сводится к критерию Треска, если .
На рисунке 5 показана поверхность текучести Мора–Кулона в трехмерном пространстве главных напряжений. Она представляет собой коническую призму и определяет угол наклона конической поверхности. На рисунке 6 показана поверхность текучести Мора–Кулона в двумерном пространстве напряжений. На рисунке 6 и используется для и , соответственно, в формуле. Это поперечное сечение этой конической призмы на плоскости . На рисунке 6 Rr и Rc используются для Syc и Syt, соответственно, в формуле.
Поверхность текучести Друкера–Прагера
Критерий текучести Друкера-Прагера аналогичен критерию текучести фон Мизеса, с положениями для обработки материалов с различными пределами текучести на растяжение и сжатие. Этот критерий чаще всего используется для бетона, где как нормальные, так и касательные напряжения могут определять разрушение. Критерий текучести Друкера-Прагера может быть выражен как
где
и , — одноосные напряжения текучести при сжатии и растяжении соответственно. Формула сводится к уравнению фон Мизеса, если .
На рисунке 7 показана поверхность текучести Друкера–Прагера в трехмерном пространстве главных напряжений. Это правильный конус . На рисунке 8 показана поверхность текучести Друкера–Прагера в двумерном пространстве. Эллиптическая упругая область представляет собой поперечное сечение конуса на плоскости ; ее можно выбрать для пересечения с поверхностью текучести Мора–Кулона в различном количестве вершин. Один из вариантов — пересечение поверхности текучести Мора–Кулона в трех вершинах по обе стороны от линии, но обычно по соглашению выбираются вершины в режиме сжатия. [27] Другой вариант — пересечение поверхности текучести Мора–Кулона в четырех вершинах на обеих осях (одноосная подгонка) или в двух вершинах на диагонали (двухосная подгонка). [28] Критерий текучести Друкера–Прагера также обычно выражается в терминах сцепления материала и угла трения .
Поверхность текучести Бреслера – Пистера
Критерий текучести Бреслера–Пистера является расширением критерия текучести Друкера–Прагера , который использует три параметра и имеет дополнительные условия для материалов, которые текут при гидростатическом сжатии. В терминах главных напряжений этот критерий текучести может быть выражен как
где — константы материала. Дополнительный параметр придает поверхности текучести эллипсоидальное поперечное сечение, если смотреть с направления, перпендикулярного ее оси. Если — предел текучести при одноосном сжатии, — предел текучести при одноосном растяжении, — предел текучести при двуосном сжатии, то параметры можно выразить как
Однако чаще всего это выражается в координатах Хейга–Вестергаарда как
Поперечное сечение поверхности, если смотреть вдоль ее оси, представляет собой сглаженный треугольник (в отличие от Мора–Кулона). Поверхность текучести Виллама–Варнке является выпуклой и имеет уникальные и хорошо определенные первые и вторые производные в каждой точке ее поверхности. Таким образом, модель Виллама–Варнке является вычислительно надежной и использовалась для различных когезионно-фрикционных материалов.
Тригонометрические поверхности текучести Подгурского и Розендаля
Нормализованный по отношению к одноосному растягивающему напряжению критерий Подгурского [29] как функция угла напряжения имеет вид
с функцией формы тригональной симметрии в -плоскости
Он содержит критерии фон Мизеса (круг в плоскости , , ), Трески (правильный шестиугольник, , ), Мариотта (правильный треугольник, , ), Ивлева [30] (правильный треугольник, , ), а также кубический критерий Сайира [31] (критерий Оттосена [32] ) с и изотоксальные (равносторонние) шестиугольники критерия Капурсо [30] [31] [33] с . Переход фон Мизеса - Трески [34] следует с , . Изогональные (равноугольные) шестиугольники критерия Хейторнтвейта [23] [35] [36], содержащие критерий Шмидта-Ишлинского (правильный шестиугольник), не могут быть описаны с помощью критерия Подгурского.
Критерий Розендаля [37] [38] [39] гласит:
с функцией формы гексагональной симметрии в -плоскости
Он содержит критерии Мизеса (круг, , ), Трески (правильный шестиугольник, , ), Шмидта—Ишлинского (правильный шестиугольник, , ), Соколовского (правильный двенадцатиугольник, , ), а также бикубический критерий [23] [37] [40] [41] с или в равной степени с и изотоксальные додекагоны единого критерия текучести Ю [42] с . Изогональные додекагоны мультипликативного анзатца критерия гексагональной симметрии [23] , содержащего критерий Ишлинского-Ивлева (правильный двенадцатиугольник), не могут быть описаны критерием Розендаля.
Критерии Подгурского и Розендаля описывают отдельные поверхности в главном напряженном пространстве без дополнительных внешних контуров и пересечений плоскостей. Обратите внимание, что для того, чтобы избежать численных проблем, можно ввести функцию действительной части в функцию формы: и . Обобщение в форме [37] актуально для теоретических исследований.
Расширение критериев, чувствительное к давлению, может быть получено с помощью линейной подстановки [23]
что достаточно для многих применений, например, металлов, чугуна, сплавов, бетона, неармированных полимеров и т. д.
Поверхность текучести Бигони–Пикколроаза
Критерий текучести Бигони –Пикколроаза [43] [44] представляет собой семипараметрическую поверхность, определяемую формулой
где находится функция "меридиана"
описывающая чувствительность к давлению и являющаяся «девиаторной» функцией [45]
описывающие зависимость текучести от Лоде. Семь неотрицательных материальных параметров:
определяют форму меридионального и девиаторного сечений.
Этот критерий представляет собой гладкую и выпуклую поверхность, которая замкнута как при гидростатическом растяжении, так и при сжатии и имеет каплевидную форму, особенно подходящую для описания фрикционных и зернистых материалов. Этот критерий также был обобщен на случай поверхностей с углами. [46]
Поверхность текучести Бигони-Пикколроаза
Косинусный анзац (Альтенбах-Болчоун-Колупаев)
Для формулировки критерия прочности угол напряжения
можно использовать.
Следующий критерий изотропного поведения материала
содержит ряд других известных менее общих критериев, при условии выбора подходящих значений параметров.
Параметры и описывают геометрию поверхности в плоскости . Они подчиняются ограничениям
которые следуют из условия выпуклости. Более точная формулировка третьих ограничений предложена в [47] [48]
Параметры и описывают положение точек пересечения поверхности текучести с гидростатической осью (диагональю пространства в пространстве главных напряжений). Эти точки пересечения называются гидростатическими узлами. В случае материалов, которые не разрушаются при гидростатическом давлении (сталь, латунь и т. д.), получается . В противном случае для материалов, которые разрушаются при гидростатическом давлении (жесткие пены, керамика, спеченные материалы и т. д.), следует .
Целые степени и , описывают кривизну меридиана. Меридиан при является прямой линией, а при – параболой.
Поверхность текучести Барлата
Для анизотропных материалов в зависимости от направления применяемого процесса (например, прокатки) механические свойства изменяются, и поэтому использование анизотропной функции текучести имеет решающее значение. С 1989 года Фредерик Барлат разработал семейство функций текучести для конститутивного моделирования пластической анизотропии. Среди них критерии текучести Yld2000-2D были применены для широкого спектра листовых металлов (например, алюминиевых сплавов и современных высокопрочных сталей). Модель Yld2000-2D представляет собой функцию текучести неквадратичного типа, основанную на двух линейных преобразованиях тензора напряжений:
:
где — эффективное напряжение, а и — преобразованные матрицы (посредством линейного преобразования C или L):
где s — девиаторный тензор напряжений.
для главных значений X' и X”, модель может быть выражена как:
и:
где — восемь параметров модели Барлата Yld2000-2D, которые необходимо определить с помощью серии экспериментов.
^ Симо, Дж. К. и Хьюз, Т. Дж. Р. (1998), Вычислительная неупругость, Springer.
^ Ю, М.-Х. (2004), Единая теория прочности и ее приложения . Springer, Берлин
^ Zienkiewicz OC, Pande, GN (1977), Некоторые полезные формы изотропных поверхностей текучести для механики грунтов и горных пород. В: Gudehus, G. (ред.) Finite Elements in Geomechanics . Wiley, New York, стр. 179–198
^ Лоде, В. (1925). Versuche über den Einfluß der Mittleren Hauptspannug auf die Fließgrenze. ЗАММ 5(2), стр. 142–144.
^ Лоде, В. (1926). Versuche über den Einfuss der mittleren Hauptspannung auf das Fliessen der Metalle Eisen Kupfer und Nickel . Цайтунг Физ. , том. 36, стр. 913–939.
^ Лоде, В. (1928). Der Einfluß der mittleren Hauptspannung auf das Fließen der Metalle . Диссертация, Университет Геттингена. Forschungsarbeiten auf dem Gebiete des Ingenieurwesens, Heft 303, VDI, Берлин
^ Новожилов, В.В. (1951). О принципах статического анализа результатов экспериментов для изотропных материалов (О принципах обработки результатов статических испытаний изотропных материалов). Прикладная математика и механика , XV(6):709–722.
^ Наяк, GC и Зенкевич, OC (1972). Удобные формы инвариантов напряжения для пластичности . Труды журнала ASCE Journal of the Structural Division, т. 98, № ST4, стр. 949–954.
^ Чакрабарти, Дж., 2006, Теория пластичности: Третье издание , Elsevier, Амстердам.
^ Брэннон, Р.М., 2009, KAYENTA: Теория и руководство пользователя , Национальные лаборатории Сандия, Альбукерке, Нью-Мексико.
^ Треска, Х. (1864). Mémoire sur l'écoulement des Corps Solides Soumis à de Fortes Presses. ЧР акад. наук. Париж, том. 59, с. 754.
^ Гость
^ Буржинский, В. (1929). Über die Anstrengungshypothesen . Schweizerische Bauzeitung, 94 (21), стр. 259–262.
^ Ягнь, Ю. И. (1931). Новые методы прогнозирования прочности . Вестник инженеров и техники, 6, стр. 237–244.
^ Альтенбах, Х., Колупаев, ВА (2014) Классические и неклассические критерии разрушения, в Альтенбах, Х., Садовски, Т., ред., Анализ разрушения и повреждения современных материалов , в печати, Springer, Гейдельберг (2014), стр. 1–66
^ Беляев, Н. М. (1979). Сопротивление материалов . Мир, Москва.
^ Болчоун, А., Колупаев, В.А., Альтенбах, Х. (2011) Выпуклые и невыпуклые поверхности текучести (на немецком языке: Konvexe und nichtkonvexe Fließflächen), Forschung im Ingenieurwesen , 75 (2), стр. 73–92.
^ Хубер, MT (1904). Удельная нагрузка как мера материальных усилий (на польском языке: Właściwa praca odkształcenia jako miara wytęzenia materyáłu), Czasopismo Techniczne , Lwów, Organ Towarzystwa Poliznego we Lwowie, т. 22. С. 34–40, 49–50, 61–62. , 80-81
^ Фёппль, А., Фёппль, Л. (1920). Drang und Zwang: eine höhere Festigkeitslehre für Ingenieure . Р. Ольденбург, Мюнхен
^ Буржинский, В. (1929). Über die Anstrengungshypothesen. Schweizerische Bauzeitung
94 (21): 259–262.
^ Кун, П. (1980). Grundzüge einer allgemeinen Festigkeitshypothese , Auszug aus Antrittsvorlesung des Verfassers vom 11 июля 1980 г. Vom Konstrukteur und den Festigkeitshypothesen. Инст. для машиностроения, Карлсруэ
^ Колупаев В.А., Монеке М., Беккер Ф. (2004). Появление напряжений при ползучести. Расчет пластиковых деталей (на немецком языке: Spannungsausprägung beim Kriechen: Berechnung von Kunststoffbauteilen). Кунстштоффе 94 (11): 79–82.
^ abcdefg Колупаев, ВА (2018). Концепция эквивалентного напряжения для анализа предельных состояний , Springer, Cham.
^ Колупаев, В.А., (2006). Трехмерное поведение ползучести деталей из неармированных термопластов (на немецком языке: Dreisizedes Kriechverhalten von Bauteilen aus unverstärkten Thermoplasten) , Дисс., Университет Мартина-Лютера Галле-Виттенберг, Галле-Заале
^ Memhard, D,., Andrieux, F., Sun, D.-Z., Häcker, R. (2011) Разработка и проверка модели материала для прогнозирования безопасности сдерживания выхлопных турбокомпрессоров, 8-я Европейская конференция пользователей LS-DYNA , Страсбург, май 2011 г., 11 стр.
^ Ди Маджио, Ф. Л., Сандлер, И. С. (1971) Модель материала для зернистых грунтов, Журнал отделения инженерной механики , 97(3), 935-950
^ Хан и Хуан. (1995), Континуальная теория пластичности. J.Wiley.
^ Нето, Перич, Оуэн. (2008), Математическая теория пластичности. J.Wiley.
^ Подгурский, Дж. (1984). Условие предельного состояния и функция диссипации для изотропных материалов, Архивы механики 36(3), стр. 323-342.
^ ab Ивлев, ДД (1959). Теория разрушения твердых тел (на русск. яз.: К теории разрушения твердых тел), Журнал прикладной математики и механики , 23(3), с. 884-895.
^ Аб Сайир, М. (1970). Zur Fließbedingung der Plastizitätstheorie, Ingenieur-Archiv 39 (6), стр. 414–432.
^ Оттосен, Н. С. (1975). Разрушение и эластичность бетона, Датская комиссия по атомной энергии , Научно-исследовательский институт Рисё, Инженерный отдел, Отчет Рисё-М-1801, Роскилле.
^ Капурсо, М. (1967). Условия текучести для несжимаемых изотропных и ортотропных материалов с различным пределом текучести при растяжении и сжатии, Meccanica 2(2), стр. 118--125.
^ Лемэтр Ж., Шабош Ж. Л. (1990). Механика твердых материалов , Cambridge University Press, Кембридж.
^ Кэндленд КТ (1975). Значения макроскопических критериев разрушения, которые не зависят от гидростатического напряжения, Int. J. Fracture 11(3), стр. 540–543.
^ Haythornthwaite RM (1961). Диапазон условий текучести при идеальной пластичности, Proc ASCE J Eng Mech Div , EM6, 87, стр. 117–133.
^ abc Rosendahl, PL, Kolupaev, V A., Altenbach, H. (2019). Экстремальные показатели текучести для универсальных критериев прочности, в Altenbach, H., Öchsner, A., ред., Современное состояние и будущие тенденции в моделировании материалов , Advanced Structured Materials STRUCTMAT, Springer, Cham, стр. 259-324.
^ Розендаль, ПЛ (2020). От объемного к структурному разрушению: Разрушение гиперупругих материалов , Дисс., Технический университет Дармштадта.
^ Альтенбах, Х., Колупаев, ВА (2024). Обзор критериев текучести в теории пластичности, в Altenbach, H., Hohe, J., Mittelsted, Ch., ред., Progress in Structural Mechanics , Springer, Cham, стр. 19-106.
^ Швед, А. (2000). Гипотезы прочности и определяющие соотношения материалов, включая эффекты деградации, (на польском языке: Hipotezy Wytężeniowe i Relacje Konstytutywne Materiałów z Uwzględnieniem Efektów Degradacji ), Praca Doctorska, Wydział Inąynierii Lądowej Politechniki Warszawskiej, Варшава.
^ Лагздин, А. (1997). Гладкие выпуклые предельные поверхности в пространстве симметричных тензоров второго ранга, Механика композитных материалов , 3(2), 119-127.
^ Ю М.-Х. (2002). Достижения в теории прочности материалов при сложном напряженном состоянии в 20 веке, Applied Mechanics Reviews , 55(5), стр. 169-218.
^ Бигони, Д. Нелинейная механика твердого тела: теория бифуркаций и неустойчивость материалов. Cambridge University Press, 2012. ISBN 9781107025417 .
^ Бигони, Д. и Пикколроаз, А., (2004), Критерии текучести для квазихрупких и фрикционных материалов, Международный журнал твердых тел и структур 41 , 2855–2878.
^ Подгурский, Дж. (1984). Условие предельного состояния и функция диссипации для изотропных материалов. Архивы механики , 36 (3), стр. 323–342.
^ Пикколроаз, А. и Бигони, Д. (2009), Критерии текучести для квазихрупких и фрикционных материалов: обобщение для поверхностей с углами, Международный журнал твердых тел и структур 46 , 3587–3596.
^ Альтенбах, Х., Болчоун, А., Колупаев, ВА (2013). Феноменологические критерии текучести и разрушения, в Альтенбах, Х., Охснер, А., ред., Пластичность материалов, чувствительных к давлению , Серия ASM, Springer, Гейдельберг, стр. 49–152.
^ Колупаев, ВА (2018). Концепция эквивалентных напряжений для анализа предельных состояний, Springer, Cham.