Поверхность выхода - Yield surface

Поверхности, на которых инварианты ${displaystyle I_{1}}$, ${displaystyle J_{2}}$, ${displaystyle J_{3}}$ постоянны. Построено в пространстве главных напряжений.

А поверхность текучести пятимерная поверхность в шестимерном пространстве подчеркивает. Поверхность текучести обычно выпуклый и состояние стресса внутри поверхность текучести эластична. Когда напряженное состояние находится на поверхности, говорят, что материал достиг своего предел текучести и материал, как говорят, стал пластик. Дальнейшая деформация материала вызывает сохранение напряженного состояния на поверхности текучести, даже если форма и размер поверхности могут изменяться по мере развития пластической деформации. Это связано с тем, что состояния напряжения, которые лежат за пределами поверхности текучести, недопустимы в пластичность, не зависящая от скорости, но не в некоторых моделях вязкопластичность.^[1]

Поверхность текучести обычно выражается в трехмерном (и визуализируется) основное напряжение Космос (${displaystyle sigma _{1},sigma _{2},sigma _{3}}$), двух- или трехмерное пространство, натянутое на инварианты напряжений (${displaystyle I_{1},J_{2},J_{3}}$) или вариант трехмерного Пространство напряжений Хая – Вестергаарда. Таким образом, мы можем записать уравнение поверхности текучести (то есть функцию текучести) в виде:

• ${displaystyle f(sigma _{1},sigma _{2},sigma _{3})=0,}$ куда ${displaystyle sigma _{i}}$ основные напряжения.
• ${displaystyle f(I_{1},J_{2},J_{3})=0,}$ куда ${displaystyle I_{1}}$ - первый главный инвариант напряжения Коши, а ${displaystyle J_{2},J_{3}}$ - второй и третий главные инварианты девиаторной части напряжения Коши.
• ${displaystyle f(p,q,r)=0,}$ куда ${displaystyle p,q}$ масштабированные версии ${displaystyle I_{1}}$ и ${displaystyle J_{2}}$ и ${displaystyle r}$ является функцией ${displaystyle J_{2},J_{3}}$.
• ${displaystyle f(xi ,ho , heta )=0,}$ куда ${displaystyle xi ,ho }$ масштабированные версии ${displaystyle I_{1}}$ и ${displaystyle J_{2}}$, и ${displaystyle heta }$ угол напряжения^[2] или же Угол подачи^[3]

Инварианты, используемые для описания поверхностей текучести

Поверхности, на которых инварианты ${displaystyle xi }$, ${displaystyle ho }$, ${displaystyle heta }$ постоянны. Построено в пространстве главных напряжений.

Первый главный инвариант (${displaystyle I_{1}}$) из Напряжение Коши (${displaystyle {oldsymbol {sigma }}}$), а второй и третий главные инварианты (${displaystyle J_{2},J_{3}}$) из девиаторный часть (${displaystyle {oldsymbol {s}}}$) напряжения Коши определяются как:

${displaystyle {egin{aligned}I_{1}&={ ext{Tr}}({oldsymbol {sigma }})=sigma _{1}+sigma _{2}+sigma _{3}J_{2}&={ frac {1}{2}}{oldsymbol {s}}:{oldsymbol {s}}={ frac {1}{6}}left[(sigma _{1}-sigma _{2})^{2}+(sigma _{2}-sigma _{3})^{2}+(sigma _{3}-sigma _{1})^{2}ight]J_{3}&=det({oldsymbol {s}})={ frac {1}{3}}({oldsymbol {s}}cdot {oldsymbol {s}}):{oldsymbol {s}}=s_{1}s_{2}s_{3}end{aligned}}}$

куда (${displaystyle sigma _{1},sigma _{2},sigma _{3}}$) - главные значения ${displaystyle {oldsymbol {sigma }}}$, (${displaystyle s_{1},s_{2},s_{3}}$) - главные значения ${displaystyle {oldsymbol {s}}}$, и

${displaystyle {oldsymbol {s}}={oldsymbol {sigma }}-{ frac {I_{1}}{3}},{oldsymbol {I}}}$

куда ${displaystyle {oldsymbol {I}}}$ - единичная матрица.

Связанный набор величин (${displaystyle p,q,r,}$), обычно используются для описания поверхностей текучести для связные фрикционные материалы такие как камни, почвы и керамика. Они определены как

${displaystyle p={ frac {1}{3}}~I_{1}~:~~q={sqrt {3~J_{2}}}=sigma _{mathrm {eq} }~;~~r=3left({ frac {1}{2}},J_{3}ight)^{1/3}}$

куда ${displaystyle sigma _{mathrm {eq} }}$ это эквивалентное напряжение. Однако возможность отрицательных значений ${displaystyle J_{3}}$ и в результате воображаемый ${displaystyle r}$ делает использование этих величин проблематичным на практике.

Другой связанный набор широко используемых инвариантов - это (${displaystyle xi ,ho , heta ,}$), которые описывают цилиндрическая система координат (в Haigh – Westergaard координаты). Они определены как:

${displaystyle xi ={ frac {1}{sqrt {3}}}~I_{1}={sqrt {3}}~p~;~~ho ={sqrt {2J_{2}}}={sqrt { frac {2}{3}}}~q~;~~cos(3 heta )=left({ frac {r}{q}}ight)^{3}={ frac {3{sqrt {3}}}{2}}~{cfrac {J_{3}}{J_{2}^{3/2}}}}$

В ${displaystyle xi -ho ,}$ самолет еще называют Рендулический самолет. Угол ${displaystyle heta }$ называется углом напряжения, величина ${displaystyle cos(3 heta )}$ иногда называют Параметр Lode^[4][5][6] и связь между ${displaystyle heta }$ и ${displaystyle J_{2},J_{3}}$ впервые был дан Наяком и Зенкевичем в 1972 г. ^[7]

Главные напряжения и координаты Хая – Вестергаарда связаны соотношением

${displaystyle {egin{bmatrix}sigma _{1}sigma _{2}sigma _{3}end{bmatrix}}={ frac {1}{sqrt {3}}}{egin{bmatrix}xi xi xi end{bmatrix}}+{sqrt { frac {2}{3}}}~ho ~{egin{bmatrix}cos heta cos left( heta -{ frac {2pi }{3}}ight)cos left( heta +{ frac {2pi }{3}}ight)end{bmatrix}}={ frac {1}{sqrt {3}}}{egin{bmatrix}xi xi xi end{bmatrix}}+{sqrt { frac {2}{3}}}~ho ~{egin{bmatrix}cos heta -sin left({ frac {pi }{6}}- heta ight)-sin left({ frac {pi }{6}}+ heta ight)end{bmatrix}},.}$

В литературе также можно найти другое определение угла Лоде:^[8]

${displaystyle sin(3 heta )=~{ frac {3{sqrt {3}}}{2}}~{cfrac {J_{3}}{J_{2}^{3/2}}}}$

в этом случае упорядоченные главные напряжения (где ${displaystyle sigma _{1}geq sigma _{2}geq sigma _{3}}$) связаны^[9]

${displaystyle {egin{bmatrix}sigma _{1}sigma _{2}sigma _{3}end{bmatrix}}={ frac {1}{sqrt {3}}}{egin{bmatrix}xi xi xi end{bmatrix}}+{ frac {ho }{sqrt {2}}}~{egin{bmatrix}cos heta -{ frac {sin heta }{sqrt {3}}}{ frac {2sin heta }{sqrt {3}}}-{ frac {sin heta }{sqrt {3}}}-cos heta end{bmatrix}},.}$

Примеры поверхностей текучести

В технике известно несколько различных поверхностей текучести, самые популярные из которых перечислены ниже.

Поверхность текучести Tresca

Критерий текучести Tresca принимается за работу Анри Треска.^[10] Он также известен как теория максимального напряжения сдвига (MSST) и Tresca – Guest^[11] (ТГ) критерий. В терминах главных напряжений критерий Трески выражается как

${displaystyle { frac {1}{2}}{max(|sigma _{1}-sigma _{2}|,|sigma _{2}-sigma _{3}|,|sigma _{3}-sigma _{1}|)=S_{sy}={ frac {1}{2}}S_{y}}!}$

Где ${displaystyle S_{sy}}$ - предел текучести при сдвиге, а ${displaystyle S_{y}}$ предел текучести при растяжении.

На рис. 1 показана поверхность текучести Трески – Геста в трехмерном пространстве главных напряжений. Это призма шести сторон и бесконечной длины. Это означает, что материал остается эластичным, когда все три главных напряжения примерно эквивалентны (a гидростатическое давление ), независимо от того, насколько он сжат или растянут. Однако, когда одно из главных напряжений становится меньше (или больше), чем другие, материал подвергается сдвигу. В таких ситуациях, если напряжение сдвига достигает предела текучести, материал попадает в область пластичности. На рис. 2 показана поверхность текучести Трески – Геста в двумерном пространстве напряжений, это поперечное сечение призмы вдоль ${displaystyle sigma _{1},sigma _{2}}$ самолет.

Рисунок 1: Вид поверхности текучести Трески – Геста в трехмерном пространстве главных напряжений

Рис. 2: Поверхность текучести Трески – Гость в 2D-пространстве (${displaystyle sigma _{1},sigma _{2}}$)

поверхность текучести фон Мизеса

Основная статья: критерий текучести фон Мизеса

Критерий текучести фон Мизеса выражается в главных напряжениях как

${displaystyle {(sigma _{1}-sigma _{2})^{2}+(sigma _{2}-sigma _{3})^{2}+(sigma _{3}-sigma _{1})^{2}=2{S_{y}}^{2}}!}$

куда ${displaystyle S_{y}}$ - предел текучести при одноосном растяжении.

На рис. 3 показана поверхность текучести по Мизесу в трехмерном пространстве главных напряжений. Это циркуляр цилиндр бесконечной длины с осью, наклоненной под равными углами к трем основным напряжениям. На рис. 4 показана поверхность текучести фон Мизеса в двумерном пространстве в сравнении с критерием Трески – Геста. Поперечное сечение цилиндра фон Мизеса на плоскости ${displaystyle sigma _{1},sigma _{2}}$ производит эллиптический форма поверхности текучести.

Рисунок 3: Вид поверхности текучести Хубера – Мизеса – Хенки в трехмерном пространстве главных напряжений.

Рисунок 4: Сравнение критериев Трески – Геста и Хубера – Мизеса – Хенки в двумерном пространстве (${displaystyle sigma _{1},sigma _{2}}$)

Критерий Буржинского-Ягна

Этот критерий^[12][13]

${displaystyle 3I_{2}'={frac {sigma _{mathrm {eq} }-gamma _{1}I_{1}}{1-gamma _{1}}}{frac {sigma _{mathrm {eq} }-gamma _{2}I_{1}}{1-gamma _{2}}}}$

представляет собой общее уравнение поверхности вращения второго порядка вокруг гидростатической оси. Некоторые особые случаи:^[14]

• цилиндр ${displaystyle gamma _{1}=gamma _{2}=0}$ (Максвелл (1865), Хубер (1904), фон Мизес (1913), Хенки (1924)),
• конус ${displaystyle gamma _{1}=gamma _{2}in ]0,1[}$ (Боткин (1940), Друкер-Прагер (1952), Миролюбов (1953)),
• параболоид ${displaystyle gamma _{1}in ]0,1[,gamma _{2}=0}$ (Буржинский (1928), Баландин (1937), Торре (1947)),
• эллипсоид с центром в плоскости симметрии ${displaystyle I_{1}=0}$, ${displaystyle gamma _{1}=-gamma _{2}in ]0,1[}$ (Бельтрами (1885)),
• эллипсоид с центром в плоскости симметрии ${displaystyle I_{1}={frac {1}{2}},{igg (}{frac {1}{gamma _{1}}}+{frac {1}{gamma _{2}}}{igg )}}$ с ${displaystyle gamma _{1}in ]0,1[,gamma _{2}<0}$ (Шлейхер (1926)),
• гиперболоид двух листов ${displaystyle gamma _{1}in ]0,1[,gamma _{2}in ]0,gamma _{1}[}$ (Бурзинский (1928), Ягн (1931)),
• гиперболоид одного листа с центром в плоскости симметрии ${displaystyle I_{1}=0}$, ${displaystyle gamma _{1}=-gamma _{2}=a,i}$, ${displaystyle i={sqrt {-1}}}$ (Кун (1980))
• гиперболоид одного листа ${displaystyle gamma _{1,2}=bpm a,i}$, ${displaystyle i={sqrt {-1}}}$ (Филоненко-Бородич (1960), Гольденблат-Копнов (1968), Филин (1975)).

Отношения сжатие-растяжение и кручение-растяжение можно вычислить как

${displaystyle {frac {sigma _{-}}{sigma _{+}}}={frac {1}{1-gamma _{1}-gamma _{2}}},qquad {igg (}{sqrt {3}},{frac { au _{*}}{sigma _{+}}}{igg )}^{2}={frac {1}{(1-gamma _{1})(1-gamma _{2})}}}$

Коэффициенты Пуассона при растяжении и сжатии получены с использованием

${displaystyle u _{+}^{mathrm {in} }={frac {-1+2(gamma _{1}+gamma _{2})-3gamma _{1}gamma _{2}}{-2+gamma _{1}+gamma _{2}}}}$

${displaystyle u _{-}^{mathrm {in} }=-{frac {-1+gamma _{1}^{2}+gamma _{2}^{2}-gamma _{1},gamma _{2}}{(-2+gamma _{1}+gamma _{2}),(-1+gamma _{1}+gamma _{2})}}}$

Для пластичных материалов ограничение

${displaystyle u _{+}^{mathrm {in} }in {igg [},0.48,,{frac {1}{2}},{igg ]}}$

это важно. Применение осесимметричных критериев хрупкого разрушения с

${displaystyle u _{+}^{mathrm {in} }in ]-1,~u _{+}^{mathrm {el} },]}$

изучен недостаточно.^[15]

Критерий Буржинского-Ягна хорошо подходит для академических целей. Для практических приложений в уравнение следует ввести третий инвариант девиатора в нечетной и четной степени, например:^[16]

${displaystyle 3I_{2}'{frac {1+c_{3}cos 3 heta +c_{6}cos ^{2}3 heta }{1+c_{3}+c_{6}}}={frac {sigma _{mathrm {eq} }-gamma _{1}I_{1}}{1-gamma _{1}}}{frac {sigma _{mathrm {eq} }-gamma _{2}I_{1}}{1-gamma _{2}}}}$

Критерий Хубера

Критерий Хубера состоит из эллипсоида Бельтрами и масштабированного цилиндра фон Мизеса в пространстве главных напряжений.^{[17][18][19][20]}, смотрите также^[21][22]

${displaystyle 3,I_{2}'=left{{egin{array}{ll}displaystyle {frac {sigma _{mathrm {eq} }-gamma _{1},I_{1}}{1-gamma _{1}}},{frac {sigma _{mathrm {eq} }+gamma _{1},I_{1}}{1+gamma _{1}}},&I_{1}>0[1em]displaystyle {frac {sigma _{mathrm {eq} }}{1-gamma _{1}}},{frac {sigma _{mathrm {eq} }}{1+gamma _{1}}},&I_{1}leq 0end{array}}ight.}$

с ${displaystyle gamma _{1}in [0,1[}$. Переход между поверхностями в поперечном сечении ${displaystyle I_{1}=0}$ является непрерывно дифференцируемым. Критерий представляет собой "классический взгляд" на поведение неупругого материала:

• поведение материала, чувствительного к давлению для ${displaystyle I_{1}>0}$ с ${displaystyle u _{+}^{mathrm {in} }in left]-1,,1/2ight]}$ и
• нечувствительность к давлению материала для ${displaystyle I_{1}<0}$ с ${displaystyle u _{-}^{mathrm {in} }=1/2}$

Критерий Хубера можно использовать как поверхность текучести с эмпирическим ограничением для коэффициента Пуассона при растяжении ${displaystyle u _{+}^{mathrm {in} }in [0.48,1/2]}$, что приводит к ${displaystyle gamma _{1}in [0,0.1155]}$.

Критерий Губера с ${displaystyle gamma _{1}=1/{sqrt {3}}}$ и модифицированный критерий Хубера с ${displaystyle gamma _{1}=(1+{sqrt {5}})/6}$ и ${displaystyle gamma _{2}=(1-{sqrt {5}})/6}$ в плоскости Буржинского: постановка в соответствии с гипотезой нормального напряжения (${displaystyle u _{+}^{mathrm {in} }=0}$). Критерий фон Мизеса (${displaystyle u _{-}^{mathrm {in} }=u _{+}^{mathrm {in} }=1/2}$) показан для сравнения.

Модифицированный критерий Хубера ^[23][22], смотрите также ^[24]

${displaystyle 3,I_{2}'=left{{egin{array}{ll}displaystyle {frac {sigma _{mathrm {eq} }-gamma _{1},I_{1}}{1-gamma _{1}}},{frac {sigma _{mathrm {eq} }-gamma _{2},I_{1}}{1-gamma _{2}}},&I_{1}>-d,sigma _{mathrm {+} }[1em]displaystyle {frac {sigma _{mathrm {eq} }^{2}}{(1-gamma _{1}-gamma _{2})^{2}}},&I_{1}leq -d,sigma _{mathrm {+} }end{array}}ight.}$

состоит из эллипсоида Шлейхера с ограничением коэффициента Пуассона при сжатии

${displaystyle u _{-}^{mathrm {in} }=-{frac {-1+gamma _{1}^{2}+gamma _{2}^{2}-gamma _{1},gamma _{2}}{(-2+gamma _{1}+gamma _{2}),(-1+gamma _{1}+gamma _{2})}}={frac {1}{2}}}$

и цилиндр с ${displaystyle C^{1}}$-переход в поперечном сечении ${displaystyle I_{1}=-d,sigma _{mathrm {+} }}$. Вторая настройка параметров ${displaystyle gamma _{1}in [0,1[}$ и ${displaystyle gamma _{2}<0}$ следует с соотношением сжатия / растяжения

${displaystyle d={frac {sigma _{-}}{sigma _{+}}}={frac {1}{1-gamma _{1}-gamma _{2}}}geq 1}$

Модифицированный критерий Хубера может быть лучше приспособлен к измеренным данным в качестве критерия Хубера. Для установки ${displaystyle u _{+}^{mathrm {in} }=0.48}$ следует ${displaystyle gamma _{1}=0.0880}$ и ${displaystyle gamma _{2}=-0.0747}$.

Критерий Хубера и модифицированный критерий Хубера следует предпочесть критерию фон Мизеса, поскольку можно получить более безопасные результаты в регионе. ${displaystyle I_{1}>sigma _{mathrm {+} }}$.Для практических приложений третий инвариант девиатора ${displaystyle I_{3}'}$ следует учитывать в этих критериях ^[22].

Поверхность текучести Мора – Кулона

Основная статья: Теория Мора – Кулона

В Критерий текучести (разрушения) Мора – Кулона аналогичен критерию Трески с дополнительными положениями для материалов с различным пределом текучести при растяжении и сжатии. Эта модель часто используется для моделирования конкретный, почва или же сыпучие материалы. Критерий текучести Мора – Кулона может быть выражен как:

${displaystyle {frac {m+1}{2}}max {Big (}|sigma _{1}-sigma _{2}|+K(sigma _{1}+sigma _{2})~,~~|sigma _{1}-sigma _{3}|+K(sigma _{1}+sigma _{3})~,~~|sigma _{2}-sigma _{3}|+K(sigma _{2}+sigma _{3}){Big )}=S_{yc}}$

куда

${displaystyle m={frac {S_{yc}}{S_{yt}}};K={frac {m-1}{m+1}}}$

и параметры ${displaystyle S_{yc}}$ и ${displaystyle S_{yt}}$ - напряжения текучести (разрушения) материала при одноосном сжатии и растяжении соответственно. Формула сводится к критерию Трески, если ${displaystyle S_{yc}=S_{yt}}$.

На рис. 5 показана поверхность текучести Мора – Кулона в трехмерном пространстве главных напряжений. Это коническая призма и ${displaystyle K}$ определяет угол наклона конической поверхности. На рисунке 6 показана поверхность текучести Мора – Кулона в двумерном пространстве напряжений. На рисунке 6 ${displaystyle R_{r}}$ и ${displaystyle R_{c}}$ используется для ${displaystyle S_{yt}}$ и ${displaystyle S_{yc}}$соответственно в формуле. Это поперечное сечение этой конической призмы на плоскости ${displaystyle sigma _{1},sigma _{2}}$. На рисунке 6 Rr и Rc используются для Syc и Syt, соответственно, в формуле.

Рисунок 5: Вид поверхности текучести Мора – Кулона в трехмерном пространстве главных напряжений

Рисунок 6: Поверхность текучести Мора – Кулона в 2D-пространстве (${displaystyle sigma _{1},sigma _{2}}$)

Поверхность текучести Друкера – Прагера

Основная статья: Критерий доходности Друкера Прагера

В Критерий текучести Друкера – Прагера аналогичен критерию текучести фон Мизеса, с условиями для работы с материалами с различным пределом текучести при растяжении и сжатии. Этот критерий чаще всего используется для конкретный где как нормальные, так и касательные напряжения могут определять отказ. Критерий текучести Друкера – Прагера может быть выражен как

${displaystyle {igg (}{frac {m-1}{2}}{igg )}(sigma _{1}+sigma _{2}+sigma _{3})+{igg (}{frac {m+1}{2}}{igg )}{sqrt {frac {(sigma _{1}-sigma _{2})^{2}+(sigma _{2}-sigma _{3})^{2}+(sigma _{3}-sigma _{1})^{2}}{2}}}=S_{yc}}$

куда

${displaystyle m={frac {S_{yc}}{S_{yt}}}}$

и ${displaystyle S_{yc}}$, ${displaystyle S_{yt}}$ - одноосные напряжения текучести при сжатии и растяжении соответственно. Формула сводится к уравнению фон Мизеса, если ${displaystyle S_{yc}=S_{yt}}$.

На рис. 7 показана поверхность текучести Друкера – Прагера в трехмерном пространстве главных напряжений. Это обычный конус. На рисунке 8 показана поверхность текучести Друкера – Прагера в двумерном пространстве. Эллиптическая упругая область представляет собой поперечное сечение конуса на плоскости ${displaystyle sigma _{1},sigma _{2}}$; его можно выбрать так, чтобы оно пересекало поверхность текучести Мора – Кулона в разном количестве вершин. Один из вариантов - пересечь поверхность текучести Мора – Кулона в трех вершинах по обе стороны от ${displaystyle sigma _{1}=-sigma _{2}}$ линии, но обычно по соглашению выбираются те, которые находятся в режиме сжатия.^[25] Другой вариант - пересечь поверхность текучести Мора – Кулона в четырех вершинах по обеим осям (одноосная посадка) или по двум вершинам на диагонали. ${displaystyle sigma _{1}=sigma _{2}}$ (двухосная посадка).^[26] Критерий доходности Друкера-Прагера также обычно выражается через сцепление материала и угол трения.

Рисунок 7: Вид поверхности текучести Друкера – Прагера в трехмерном пространстве главных напряжений

Рисунок 8: Вид поверхности текучести Друкера – Прагера в двумерном пространстве главных напряжений

Поверхность текучести Бреслера – Пистера

Основная статья: Критерий доходности Бреслера Пистера

Критерий текучести Бреслера – Пистера является расширением Критерий доходности Друкера Прагера который использует три параметра и содержит дополнительные термины для материалов, которые поддаются гидростатическому сжатию. С точки зрения главных напряжений, этот критерий текучести может быть выражен как

${displaystyle S_{yc}={ frac {1}{sqrt {2}}}left[(sigma _{1}-sigma _{2})^{2}+(sigma _{2}-sigma _{3})^{2}+(sigma _{3}-sigma _{1})^{2}ight]^{1/2}-c_{0}-c_{1}~(sigma _{1}+sigma _{2}+sigma _{3})-c_{2}~(sigma _{1}+sigma _{2}+sigma _{3})^{2}}$

куда ${displaystyle c_{0},c_{1},c_{2}}$ материальные константы. Дополнительный параметр ${displaystyle c_{2}}$ дает поверхности текучести эллипсоидальный поперечное сечение, если смотреть с направления, перпендикулярного его оси. Если ${displaystyle sigma _{c}}$ - предел текучести при одноосном сжатии, ${displaystyle sigma _{t}}$ - предел текучести при одноосном растяжении, а ${displaystyle sigma _{b}}$ - предел текучести при двухосном сжатии, параметры можно выразить как

${displaystyle {egin{aligned}c_{1}=&left({cfrac {sigma _{t}-sigma _{c}}{(sigma _{t}+sigma _{c})}}ight)left({cfrac {4sigma _{b}^{2}-sigma _{b}(sigma _{c}+sigma _{t})+sigma _{c}sigma _{t}}{4sigma _{b}^{2}+2sigma _{b}(sigma _{t}-sigma _{c})-sigma _{c}sigma _{t}}}ight)c_{2}=&left({cfrac {1}{(sigma _{t}+sigma _{c})}}ight)left({cfrac {sigma _{b}(3sigma _{t}-sigma _{c})-2sigma _{c}sigma _{t}}{4sigma _{b}^{2}+2sigma _{b}(sigma _{t}-sigma _{c})-sigma _{c}sigma _{t}}}ight)c_{0}=&c_{1}sigma _{c}-c_{2}sigma _{c}^{2}end{aligned}}}$

Рисунок 9: Вид поверхности текучести Бреслера – Пистера в трехмерном пространстве главных напряжений.

Рисунок 10: Поверхность текучести Бреслера – Пистера в 2D-пространстве (${displaystyle sigma _{1},sigma _{2}}$)

Поверхность текучести Уиллама – Варнке

Основная статья: Критерий доходности Уиллама Варнке

В Критерий текучести Уиллама – Варнке является трехпараметрической сглаженной версией Критерий текучести Мора – Кулона который имеет сходство по форме с Друкер – Прагер и Бреслер – Пистер критерии доходности.

Критерий доходности имеет функциональный вид

${displaystyle f(I_{1},J_{2},J_{3})=0~.}$

Однако в координатах Хая – Вестергаарда он чаще выражается как

${displaystyle f(xi ,ho , heta )=0~.}$

Поперечное сечение поверхности, если смотреть вдоль ее оси, представляет собой сглаженный треугольник (в отличие от Мора – Кулона). Поверхность текучести Уиллама – Варнке является выпуклой и имеет уникальные и четко определенные первую и вторую производные в каждой точке своей поверхности. Таким образом, модель Уиллама – Варнке является надежной с точки зрения вычислений и использовалась для различных материалов, связанных с трением.

Рисунок 11: Вид поверхности текучести Уиллама – Варнке в трехмерном пространстве главных напряжений

Рис. 12: Поверхность текучести Уиллама – Варнке в ${displaystyle pi }$-самолет

Тригонометрические поверхности текучести Подгорского и Розендаля

Нормализовано по одноосному растягивающему напряжению ${displaystyle sigma _{mathrm {eq} }=sigma _{+}}$, критерий Подгорского ^[27] как функция угла напряжения ${displaystyle heta }$ читает

${displaystyle sigma _{mathrm {eq} }={sqrt {3,I_{2}'}},{frac {Omega _{3}( heta ,eta _{3},chi _{3})}{Omega _{3}(0,eta _{3},chi _{3})}},}$

с функцией формы тригональной симметрии в ${displaystyle pi }$-самолет

${displaystyle Omega _{3}( heta ,eta _{3},chi _{3})=cos left[displaystyle {frac {1}{3}}left(pi eta _{3}-arccos[,sin(chi _{3},{frac {pi }{2}}),!cos 3, heta ,]ight)ight],qquad eta _{3}in [0,,1],quad chi _{3}in [-1,,1].}$

Он содержит критерии фон Мизеса (кружок в ${displaystyle pi }$-самолет, ${displaystyle eta _{3}=[0,,1]}$, ${displaystyle chi _{3}=0}$), Треска (правильный шестиугольник, ${displaystyle eta _{3}=1/2}$, ${displaystyle chi _{3}={1,-1}}$), Мариотт (правильный треугольник, ${displaystyle eta _{3}={0,1}}$, ${displaystyle chi _{3}={1,-1}}$), Ивлев ^[28] (правильный треугольник, ${displaystyle eta _{3}={1,0}}$, ${displaystyle chi _{3}={1,-1}}$), а также кубический критерий Сайира ^[29] (критерий Оттосена ^[30]) с ${displaystyle eta _{3}={0,1}}$ и изотоксальные (равносторонние) шестиугольники критерия Капурсо^[28][29][31] с ${displaystyle chi _{3}={1,-1}}$. Переход фон Мизеса - Трески ^[32] следует с ${displaystyle eta _{3}=1/2}$, ${displaystyle chi _{3}=[0,1]}$. Изогональные (равноугольные) шестиугольники критерия Хэйторнтвейта ^[22][33][34] содержащая критерий Шмидта-Ишлинского (правильный шестиугольник), не может быть описана критерием Подгорского.

Критерий Розендаля ^{[35] [36]} читает

${displaystyle sigma _{mathrm {eq} }={sqrt {3,I_{2}'}},{frac {Omega _{6}( heta ,eta _{6},chi _{6})}{Omega _{6}(0,eta _{6},chi _{6})}},}$

с функцией формы гексагональной симметрии в ${displaystyle pi }$-самолет

${displaystyle Omega _{6}( heta ,eta _{6},chi _{6})=cos left[displaystyle {frac {1}{6}}left(pi eta _{6}-arccos[,sin(chi _{6},{frac {pi }{2}}),!cos 6, heta ,]ight)ight],qquad eta _{6}in [0,,1],quad chi _{6}in [-1,,1].}$

Он содержит критерии фон Мизеса (круг, ${displaystyle eta _{6}=[0,,1]}$, ${displaystyle chi _{6}=0}$), Треска (правильный шестиугольник, ${displaystyle eta _{6}={1,0}}$, ${displaystyle chi _{3}={1,-1}}$), Шмидта - Ишлинского (правильный шестиугольник, ${displaystyle eta _{6}={0,1}}$, ${displaystyle chi _{3}={1,-1}}$), Соколовского (правильный двенадцатигранник, ${displaystyle eta _{6}=1/2}$, ${displaystyle chi _{6}={1,-1}}$), а также бикубический критерий Шведа ^[22][37] с ${displaystyle eta _{6}=0}$ или в равной степени^[35] с ${displaystyle eta _{6}=1}$ и изотоксальные додекагоны единого критерия текучести Ю. ^[38] с ${displaystyle chi _{6}={1,-1}}$. Изогональные додекагоны мультипликативного анзац-критерия гексагональной симметрии ^[22] содержащие критерий Ишлинского-Ивлева (правильный двенадцатигранник), не могут быть описаны критерием Розендаля.

Критерии Подгорского и Розендаля описывают отдельные поверхности в пространстве главных напряжений без каких-либо дополнительных внешних контуров и пересечений плоскостей. Обратите внимание, что во избежание числовых проблем функция действительной части ${displaystyle Re}$ можно ввести в функцию формы: ${displaystyle Re(Omega _{3})}$ и ${displaystyle Re(Omega _{6})}$. Обобщение в виде ${displaystyle Omega _{3n}}$^[35] актуально для теоретических исследований.

Расширение критериев с учетом силы нажатия может быть получено с помощью линейного ${displaystyle I_{1}}$-замена ^[22]

${displaystyle sigma _{mathrm {eq} }ightarrow {frac {sigma _{mathrm {eq} }-gamma _{1},I_{1}}{1-gamma _{1}}}qquad {mbox{with}}qquad gamma _{1}in [0,,1[,}$

чего достаточно для многих приложений, например металлы, чугун, сплавы, бетон, неармированные полимеры и др.

Основные поперечные сечения, описываемые окружностью и правильными многоугольниками тригональной или гексагональной симметрии в ${displaystyle pi }$-самолет.

Поверхность текучести Бигони – Пикколроаза

В Критерий текучести Бигони – Пикколроаза ^[39][40] поверхность с семью параметрами, определяемая

${displaystyle f(p,q, heta )=F(p)+{frac {q}{g( heta )}}=0,}$

куда ${displaystyle F(p)}$ это функция "меридиана"

${displaystyle F(p)=left{{egin{array}{ll}-Mp_{c}{sqrt {(phi -phi ^{m})[2(1-alpha )phi +alpha ]}},&phi in [0,1],+infty ,&phi otin [0,1],end{array}}ight.}$

${displaystyle phi ={frac {p+c}{p_{c}+c}},}$

описывая чувствительность к давлению и ${displaystyle g( heta )}$ "девиаторная" функция^[41]

${displaystyle g( heta )={frac {1}{cos[eta {frac {pi }{6}}-{frac {1}{3}}cos ^{-1}(gamma cos 3 heta )]}},}$

описывающий Лоде-зависимость текучести. Семь неотрицательных параметров материала:

${displaystyle underbrace {M>0,~p_{c}>0,~cgeq 0,~0<alpha <2,~m>1} _{{mbox{defining}}~displaystyle {F(p)}},~~~underbrace {0leq eta leq 2,~0leq gamma <1} _{{mbox{defining}}~displaystyle {g( heta )}},}$

определить форму меридионального и девиаторного участков.

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 сыпучих материалов. Этот критерий также был обобщен на случай поверхностей с углами.^[42]

В трехмерном пространстве главных напряжений

в ${displaystyle pi }$-самолет

Поверхность текучести Bigoni-Piccolroaz

Косинус Анзац (Альтенбах-Больчун-Колупаев)

Для формулировки критериев прочности угол напряжения

${displaystyle cos 3 heta ={frac {3{sqrt {3}}}{2}}{frac {I_{3}'}{I_{2}'^{frac {3}{2}}}}}$

может быть использован.

Следующий критерий поведения изотропного материала

${displaystyle (3I_{2}')^{3}{frac {1+c_{3}cos 3 heta +c_{6}cos ^{2}3 heta }{1+c_{3}+c_{6}}}=displaystyle left({frac {sigma _{mathrm {eq} }-gamma _{1},I_{1}}{1-gamma _{1}}}ight)^{6-l-m},left({frac {sigma _{mathrm {eq} }-gamma _{2},I_{1}}{1-gamma _{2}}}ight)^{l},sigma _{mathrm {eq} }^{m}}$

содержит ряд других хорошо известных менее общих критериев при условии выбора подходящих значений параметров.

Параметры ${displaystyle c_{3}}$ и ${displaystyle c_{6}}$ описать геометрию поверхности в ${displaystyle pi }$-самолет. На них действуют ограничения

${displaystyle c_{6}={frac {1}{4}}(2+c_{3}),qquad c_{6}={frac {1}{4}}(2-c_{3}),qquad c_{6}geq {frac {5}{12}},c_{3}^{2}-{frac {1}{3}},}$

которые следуют из условия выпуклости. Более точная формулировка третьего ограничения предложена в.^{[43] [44]}

Параметры ${displaystyle gamma _{1}in [0,,1[}$ и ${displaystyle gamma _{2}}$ описывают положение точек пересечения поверхности текучести с гидростатической осью (пространственная диагональ в пространстве главных напряжений). Эти точки пересечения называются гидростатическими узлами. В случае материалов, не разрушающихся при гидростатическом давлении (сталь, латунь и т. Д.), Получается ${displaystyle gamma _{2}in [0,,gamma _{1}[}$. В противном случае для материалов, разрушающихся при гидростатическом давлении (твердые пеноматериалы, керамика, спеченные материалы и т. Д.), Следует ${displaystyle gamma _{2}<0}$.

Целочисленные степени ${displaystyle lgeq 0}$ и ${displaystyle mgeq 0}$, ${displaystyle l+m<6}$ описать кривизну меридиана. Меридиан с ${displaystyle l=m=0}$ прямая линия и с ${displaystyle l=0}$ - парабола.

Поверхность урожайности Барлата

Для анизотропных материалов, в зависимости от направления применяемого процесса (например, прокатки), механические свойства меняются, и поэтому использование анизотропной функции текучести имеет решающее значение. С 1989 г. Фредерик Барлат разработал семейство функций текучести для конститутивного моделирования пластической анизотропии. Среди них критерии текучести Yld2000-2D применялись 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:

${displaystyle Phi =Phi '(X')+Phi ''(X'')=2{{ar {sigma }}^{a}}}$ :

Yld2000-2D дает локусы для листа AA6022 T4.

куда ${displaystyle {ar {sigma }}}$ это эффективный стресс. и ${displaystyle X'}$ и ${displaystyle X''}$ - преобразованные матрицы (линейным преобразованием C или L):

${displaystyle {egin{array}{l}X'=C'.s=L'.sigma X''=C''.s=L''.sigma end{array}}}$

где s - тензор девиаторных напряжений.

для главных значений X ’и X” модель может быть выражена как:

${displaystyle {egin{array}{l}Phi '={left|{{{X'}_{1}}+{{X'}_{2}}}ight|^{a}}Phi ''={left|{2{{X''}_{2}}+{{X''}_{1}}}ight|^{a}}+{left|{2{{X''}_{1}}+{{X''}_{2}}}ight|^{a}}end{array}} }$

и:

${displaystyle left[{egin{array}{*{20}{c}}{{L'}_{11}}{{L'}_{12}}{{L'}_{21}}{{L'}_{22}}{{L'}_{66}}end{array}}ight]=left[{egin{array}{*{20}{c}}{2/3}&0&0{-1/3}&0&0�&{-1/3}&0�&{-2/3}&0�&0&1end{array}}ight]left[{egin{array}{*{20}{c}}{alpha _{1}}{alpha _{2}}{alpha _{7}}end{array}}ight],left[{egin{array}{*{20}{c}}{{L''}_{11}}{{L''}_{12}}{{L''}_{21}}{{L''}_{22}}{{L''}_{66}}end{array}}ight]=left[{egin{array}{*{20}{c}}{-2}&2&8&{-2}&01&{-4}&{-4}&4&04&{-4}&{-4}&4&0{-2}&8&2&{-2}&0�&0&0&0&1end{array}}ight]left[{egin{array}{*{20}{c}}{alpha _{3}}{alpha _{4}}{alpha _{5}}{alpha _{6}}{alpha _{8}}end{array}}ight]}$

куда ${displaystyle alpha _{1}...alpha _{8}}$ восемь параметров модели Барлата Yld2000-2D, которые необходимо идентифицировать с помощью ряда экспериментов.

Смотрите также

• Доходность (инженерная)
• Пластичность (физика)
• Стресс
• Анри Треска
• фон Мизес стресс
• Теория Мора – Кулона
• Критерий текучести холма
• Критерий текучести Хосфорда
• Напряжение
• Тензор деформации
• Тензор напряжения-энергии
• Концентрация стресса
• Трехмерная эластичность
• Фредерик Барлат

Рекомендации

1. Симо, Дж. К. и Хьюз, Т. Дж. Р. (1998), Вычислительная неупругость, Springer.
2. Ю., М.-Х. (2004), Единая теория прочности и ее приложения. Шпрингер, Берлин
3. Зенкевич О.К., Панде Г.Н. (1977), Некоторые полезные формы изотропных поверхностей текучести для механики грунтов и горных пород. В: Гудехус, Г. (ред.) Конечные элементы в геомеханике. Wiley, New York, стр. 179–198.
4. Лоде, В. (1925). Versuche über den Einfluß der mittleren Hauptspannug auf die Fließgrenze. ZAMM 5 (2), стр. 142–144
5. Лоде, В. (1926). Versuche über den Einfuss der mittleren Hauptspannung auf das Fliessen der Metalle Eisen Kupfer und Nickel. Zeitung Phys., т. 36. С. 913–939.
6. Лоде, В. (1928). Der Einfluß der mittleren Hauptspannung auf das Fließen der Metalle. Диссертация, Universität zu Göttingen. Forschungsarbeiten auf dem Gebiete des Ingenieurwesens, Heft 303, VDI, Берлин
7. Nayak, G.C., Zienkiewicz, O.C. (1972). Удобные формы инвариантов напряжений для пластичности. Слушания журнала ASCE структурного подразделения, т. 98, нет. СТ4, стр. 949–954.
8. Чакрабарти, Дж., 2006 г., Теория пластичности: третье издание, Эльзевир, Амстердам.
9. Браннон, Р.М., 2009, KAYENTA: теория и руководство пользователя, Национальные лаборатории Сандиа, Альбукерке, Нью-Мексико.
10. Треска, Х. (1864). Mémoire sur l'écoulement des corps solides soumis à de fortes pressions. C. R. Acad. Sci. Париж, т. 59, стр. 754.
11. Гость
12. Буржинский, В. (1929). Über die Anstrengungshypothesen. Schweizerische Bauzeitung, 94 (21), стр. 259–262.
13. Ягн Ю. И. (1931). Новые методы прогнозирования прочности (Новые методы пасчета на прочность).. Вестник инженеров и техники, 6, с. 237–244.
14. Альтенбах Х., Колупаев В.А. (2014) Классические и неклассические критерии отказа, в Altenbach, H., Sadowski, Th., Eds., Анализ отказов и повреждений современных материалов, в печати, Springer, Heidelberg (2014), стр. 1–66.
15. Беляев, Н. М. (1979). Сопротивление материалов. Мир, Москва
16. Bolchoun, A., Kolupaev, V.A., Altenbach, H. (2011) Выпуклые и невыпуклые поверхности текучести (на немецком языке: Konvexe und nichtkonvexe Fließflächen), Forschung im Ingenieurwesen, 75 (2), с. 73–92
17. Хубер, М. Т. (1904). Работа с удельным напряжением как мера материальных усилий (на польском языке: Właściwa praca odkształcenia jako miara wytężenia materyału), Czasopismo Techniczne, Lwów, Organ Towarzystwa Politechnicznego we Lwowie, v. 22. pp. 34-40, 49-50, 61-62, 80-81
18. Фёппл, А., Фёппл, Л. (1920). Drang und Zwang: eine höhere Festigkeitslehre für Ingenieure. Р. Ольденбург, Мюнхен
19. Буржинский, В. (1929). Über die Anstrengungshypothesen. Schweizerische Bauzeitung94(21):259–262
20. Кун, П. (1980). Grundzüge einer allgemeinen Festigkeitshypothese, Auszug aus Antrittsvorlesungdes Verfassers vom 11. Juli, 1980 Vom Konstrukteur und den Festigkeitshypothesen.Inst. für Maschinenkonstruktionslehre, Карлсруэ
21. Колупаев В.А., Монеке М., Беккер Ф. (2004). Возникновение напряжений при ползучести. Расчет пластмассовых деталей (на немецком языке: Spannungsausprägung beim Kriechen: Berechnung von Kunststoffbauteilen). Кунсттоффе 94 (11): 79–82.
22. Колупаев, В.А. (2018). Концепция эквивалентного напряжения для анализа предельного состояния, Спрингер, Чам.
23. Колупаев В.А. (2006). Поведение 3D-ползучести деталей из неармированных термопластов (на немецком языке: Dreidimensionales Kriechverhalten von Bauteilen aus unverstärkten Thermoplasten), Diss., Университет Мартина Лютера Галле-Виттенберг, Галле-Заале
24. Memhard, D., Andrieux, F., Sun, D.-Z., Häcker, R. (2011) Разработка и проверка модели материала для прогнозирования герметичности турбонагнетателей с выхлопными газами, 8-я Европейская конференция пользователей LS-DYNA, Страсбург, май 2011 г., 11 стр.
25. Хан и Хуанг. (1995), Континуум Теория пластичности. J.Wiley.
26. Нето, Перич, Оуэн. (2008), Математическая теория пластичности. J.Wiley.
27. Подгурский, J. (1984). Условие предельного состояния и функция диссипации для изотропных материалов, Архив механики 36 (3), стр. 323-342.
28. Ивлев, Д. Д. (1959). Теория разрушения твердых тел. К теории разрушения твердых тел. J. прикладной математики и механики, 23 (3), стр. 884-895.
29. Сайир, М. (1970). Zur Fließbedingung der Plastizitätstheorie, Ingenieur-Archiv 39 (6), стр. 414-432.
30. Оттосен, Н. С. (1975). Разрушение и эластичность бетона, Датская комиссия по атомной энергии, Научно-исследовательский центр Рисё, Инженерный отдел, Отчет Рисё-M-1801, Роскилле.
31. Капурсо, М. (1967). Условия текучести несжимаемых изотропных и ортотропных материалов с различным пределом текучести при растяжении и сжатии. Meccanica 2 (2). С. 118--125.
32. Леметр Дж., Шабош Дж. Л. (1990). Механика твердых материалов, Cambridge University Press, Кембридж.
33. Candland C.T. (1975). Последствия макроскопических критериев разрушения, которые не зависят от гидростатического напряжения, Int. J. Перелом 11 (3), стр. 540–543.
34. Haythornthwaite R.M. (1961). Диапазон условий текучести при идеальной пластичности, Proc ASCE J Eng Mech Div, EM6, 87, pp. 117–133.
35. Розендаль, П. Л., Колупаев, В. А., Альтенбах, Х. (2019). Значения предельной текучести для универсальных критериев прочности, в Altenbach, H., Öchsner, A., eds., Современное состояние и будущие тенденции в моделировании материалов, Улучшенные структурированные материалы STRUCTMAT, Springer, Cham, стр. 259-324.
36. Розендаль, П. Л. (2020). От объема до разрушения конструкции: разрушение гиперупругих материалов, Дисс., Технический университет Дармштадта.
37. Свед, А. (2000). Гипотезы прочности и определяющие отношения материалов, включая эффекты деградации, (на польском языке: Hipotezy Wytężeniowe i Relacje Konstytutywne Materiałów z Uwzględnieniem Efektów Degradacji), Praca Doctorska, Wydział Inąynierii Lądowej Politechniki Warszawskiej, Warszawa.
38. Ю. М.-Х. (2002). Развитие теорий прочности материалов в условиях сложного напряженного состояния в ХХ веке, Обзоры прикладной механики, 55 (5), стр. 169-218.
39. Бигони Д. Нелинейная механика твердого тела: теория бифуркаций и неустойчивость материала. Издательство Кембриджского университета, 2012. ISBN  9781107025417.
40. Бигони Д. и Пикколроаз А. (2004), Критерии текучести квазихрупких и фрикционных материалов. Международный журнал твердых тел и структур 41, 2855–2878.
41. Подгурский, J. (1984). Условие предельного состояния и функция диссипации для изотропных материалов. Архив механики, 36 (3), стр. 323–342.
42. Пикколроаз, А., Бигони, Д. (2009), Критерии текучести квазихрупких и фрикционных материалов: обобщение на поверхности с углами. Международный журнал твердых тел и структур 46, 3587–3596.
43. Альтенбах Х., Больчун А., Колупаев В.А. (2013). Феноменологический выход и критерии отказа, в Altenbach, H., Öchsner, A., eds., Пластичность чувствительных к давлению материалов, Серия ASM, Springer, Heidelberg, стр. 49–152.
44. Колупаев, В.А. (2018). Концепция эквивалентного напряжения для анализа предельного состояния, Springer, Cham.