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塑 性 力 学
发布时间:2017-12-06  信息发布人:管理员  
   塑性力学是固体力学的一个分支,它主要研究物体超过弹性极限后所产生的永久变形和作用力之间的关系以及物体内部应力和应变的分布规律。

    塑性力学和弹性力学的区别在于,塑性力学考虑物体内产生的永久变形,而弹性力学不考虑;和流变学的区别在于,塑性力学考虑的永久变形只与应力和应变的历史有关,而不随时间变化,而流变学考虑的永久变形则与时间有关。

塑性力学的发展简史

    塑性变形现象发现较早,然而对它进行力学研究,是从1773年库仑提出土的屈服条件开始的。

    特雷斯卡于1864年对金属材料提出了最大剪应力屈服条件。随后圣维南于1870年提出在平面情况下理想刚塑性的应力-应变关系,他假设最大剪应力方向和最大剪应变率方向一致,并解出柱体中发生部分塑性变形的扭转和弯曲问题以及厚壁筒受内压的问题。莱维于1871年将塑性应力-应变关系推广到三维情况。1900年格斯特通过薄管的联合拉伸和内压试验,初步证实最大剪应力屈服条件。

    此后20年内进行了许多类似实验,提出多种屈服条件,其中最有意义的是米泽斯1913年从数学简化的要求出发提出的屈服条件(后称米泽斯条件)。米泽斯还独立地提出和莱维一致的塑性应力-应变关系(后称为莱维-米泽斯本构关系)。泰勒于1913年,洛德于1926年为探索应力-应变关系所作的实验都证明,莱维-米泽斯本构关系是真实情况的一级近似。

    为更好地拟合实验结果,罗伊斯于1930年在普朗特的启示下,提出包括弹性应变部分的三维塑性应力-应变关系。至此,塑性增量理论初步建立。但当时增量理论用在解具体问题方面还有不少困难。早在1924年亨奇就提出了塑性全量理论,由于便于应用,曾被纳戴等人,特别是伊柳辛等苏联学者用来解决大量实际问题。

    虽然塑性全量理论在理论上不适用于复杂的应力变化历程,但是计算结果却与板的失稳实验结果很接近。为此在1950年前后展开了塑性增量理论和塑性全量理论的辩论,促使从更根本的理论基础上对两种理论进行探讨。另外,在强化规律的研究方面,除等向强化模型外,普拉格又提出随动强化等模型。

    20世纪60年代以后,随着有限元法的发展,提供恰当的本构关系已成为解决问题的关键。所以70年代关于塑性本构关系的研究十分活跃,主要从宏观与微观的结合,从不可逆过程热力学以及从理性力学等方面进行研究。

    在实验分析方面,也开始运用光塑性法、云纹法、散斑干涉法等能测量大变形的手段。另外,由于出现岩石类材料的塑性力学问题,所以塑性体积应变以及材料的各向异性、非均匀性、弹塑性耦合、应变弱化的非稳定材料等问题正在研究之中。

塑性力学的内容

    人们对塑性变形基本规律的认识主要来自于实验。从实验中找出在应力超出弹性极限后材料的特性,将这些特性进行归纳并提出合理的假设和简化模型,确定应力超过弹性极限后材料的本构关系,从而建立塑性力学的基本方程。解出这些方程,便可得到不同塑性状态下物体内的应力和应变。

    塑性力学研究的基本试验有两个。一是简单拉伸实验,另一是静水压实验。从材料简单拉伸的应力-应变曲线可以看出,塑性力学研究的应力与应变之间的关系是非线性的,它们的关系也不是单值对应的。而静水压可使材料可塑性增加,使原来处于脆性状态的材料转化为塑性材料。

    为了便于计算,人们往往根据实验结果建立一些假设。比如:材料是各向同性和连续的;材料的弹性性质不受影响;只考虑稳定材料;与时间因素无关等。

    在复杂应力状态下,各应力分量成不同组合状况的屈服条件,以及应力分量和应变分量之间的塑性本构关系是塑性力学的主要研究内容,也是分析塑性力学问题时依据的物理关系。

    屈服条件是判断材料处于弹性阶段还是处于塑性阶段的根据。对金属材料,最常用的屈服条件有最大剪应力屈服条件(又称特雷斯卡条件)和弹性形变比能屈服条件(又称米泽斯条件)。这两个屈服条件数值接近,它们的数学表达式都不受静水压力的影响,而且基本符合实验结果。

    对于理想塑性模型,在经过塑性变形后,屈服条件不变。但如果材料具有强化性质,则屈服条件将随塑性变形的发展而改变,改变后的屈服条件称为后继屈服条件或加载条件。

    反映塑性应力-应变关系的本构关系,一般应以增量形式给出,这是因为塑性力学中需要考虑变形的历程,而增量形式可以反映出变形的历程,反映塑性变形的本质。用增量形式表示塑性本构关系的理论称为塑性增量理论。

    研究表明,应力和应变的增量关系与屈服条件有关。增量理论的本构关系在理论上是合理的,但应用起来比较麻烦,因为需要积分整个变形路径才能得到最后的结果。因此,在塑性力学中又发展出塑性全量理论,即采用全量形式表示塑性本构关系的理论。

    除上述基本理论外,塑性力学还包括简单塑性问题、受内压厚壁圆筒问题、长柱体的塑性自由扭转问题、塑性力学平面问题、塑性极限分析;塑性动力学;粘塑性理论;塑性稳定性等多方面内容。

    塑性力学在工程实际中有广泛的应用。例如研究如何发挥材料强度的潜力;如何利用材料的塑性性质以便合理选材,制定加工成型工艺;塑性力学理论还用于计算材料的残余应力等。