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1、-.-可修编.弹塑性力学理论及其在工程上的应用 摘要：弹塑性力学理论在工程中应用十分的广泛，是工程中分析问题的一个重要手段，本文首先是对弹塑性力学理论进行了阐述，然后讨论了它在工程上面的应用。关键词：弹塑性力学；工程；应用 第一章 弹塑性力学的基本理论（一）应力理论 1、应力和应力量 在外力作用下，物体将产生应力和变形，即物体中诸元素之间的相对位置发生变化，由于这种变化，便产生了企图恢复其初始状态的附加相互作用力。用以描述物体在受力后任部位的力和变形的力学量是应力和应变。本章将讨论应力矢量和某一点处的应力状态。为了说明应力的概念，假想把受组平衡力系作用的物体用一平面 A分成 A和 B 两部分(
2、图 1.1)。如将 B部分移去，则 B对 A的作用应代之以 B部分对 A部分的作用力。这种力在 B 移去以前是物体 A 与 B之间在截面 C 的力，且为分布力。如从 C 面上点 P处取出一包括 P 点在的微小面积元素S，而S上的力矢量为F，则力的平均集度为FS，如令S无限缩小而趋于点 P，则在力连续分布的条件下FS趋于一定的极限o，即 SFS0lim-.-可修编.2、二维应力状态与平面问题的平衡微分程式 上节中讨论应力概念时，是从三维受力物体出发的，其中点 P 是从一个三维空间中取出来约点。为简单起见，首先讨论平面问题。掌提了平面问题以后再讨论空间问题就比较容易了。当受载物体所受的面力和体力以
3、及其应力都与某个坐标轴(例如 z 轴)无关。平面问题又分为平面应力问题与平面应变问题。（1）平面应力问题 如果考虑如图所示物体是一个很薄的 平板，荷载只作用在板边，且平行于板面，即 xy 平面，z 向的体力分量Z及面力分量zF均 为零，则板面上(2/z处)应力分量为 0)(2zz 0)()(22zzyzzx 图 2.2 平面应力问题 因板的厚度很小，外荷载又沿厚度均匀分布，所以可以近似地认为应力沿厚度均匀分布。由此，在垂直于 z 轴的任一微小面积上均有 0z，0zyzx 根据切应力互等定理，即应力量的对称性，必然有0 xzyx。因而对于平面应力状态的应力量为 00000yyxxyxij 手段本
4、文首先是对弹塑性力学理论进行了阐述然后讨论了它在工程上面的应用关键词弹塑性力学工程应用第一章弹塑性力学的基本理论一应力理论应力和应力量在外力作用下物体将产生应力和变形即物体中诸元素之间的相对位置发力学量是应力和应变本章将讨论应力矢量和某一点处的应力状态为了说明应力的概念假想把受组平衡力系作用的物体用一平面分成和两部分图如将部分去则对的作用应代之以部分对部分的作用力这种力在去以前是物体与之间在截面趋于点则在力连续分布的条件下趋于一定的极限即可修编二维应力状态与平面问题的平衡微分程式上节中讨论应力概念时是从三维受力物体出发的其中点是从一个三维空间中取出来约点为简单起见首先讨论平面问题掌提了平面问题
5、-.-可修编.如果z向的尺寸为有限量，仍假设0z，0zyzx，且认为x，y和xy(yx)为沿厚度的平均值，则这类问题称为广义平面应力问题。（2）平面应变问题 如果物体纵轴向(oz坐标向)的尺寸很长，外荷载及体力为沿z轴均匀分布地作用在垂直于oz向，如图 1.4 所示的水坝是这类问题的典型例子。忽略端部效应，则因外载沿z轴向为一常数，因而可以认为，沿纵轴向各点的位 移与所在z向的位置无关，即z向各点的位移均相同。令u、v、w分别表示一点在x、y、z坐标向的位移分量，则有w为常数。等于常数的位移w并不伴随产生任一xy平面的翘曲变形，故研究应力、应变问题时，可取0w。此外，由于物体的变形只在xy平面
6、产生，因此w与z无关。故对于平面应变状态有 0),(),(wyxvvyxuu 由对称条件可知，在xy平面)(zxxz和)(zyyz 恒等于零，但因z向对变形的约束，故z一般并不 图 1.3 平面应变问题 手段本文首先是对弹塑性力学理论进行了阐述然后讨论了它在工程上面的应用关键词弹塑性力学工程应用第一章弹塑性力学的基本理论一应力理论应力和应力量在外力作用下物体将产生应力和变形即物体中诸元素之间的相对位置发力学量是应力和应变本章将讨论应力矢量和某一点处的应力状态为了说明应力的概念假想把受组平衡力系作用的物体用一平面分成和两部分图如将部分去则对的作用应代之以部分对部分的作用力这种力在去以前是物体与之
7、间在截面趋于点则在力连续分布的条件下趋于一定的极限即可修编二维应力状态与平面问题的平衡微分程式上节中讨论应力概念时是从三维受力物体出发的其中点是从一个三维空间中取出来约点为简单起见首先讨论平面问题掌提了平面问题-.-可修编.为零，所以其应力量为 zyyxxyxij0000 实际上z并不是独立变量，它可通过x和y求得，因此不管是平面应变问题还是平面应力问题，独立的应力分量仅有3 个，即x、y和xy(=yx)，对于平面应变问题的求解，可不考虑z。（3）平衡微分程 物体在外力作用下处于平衡状态时，由各点应力分量与体力分量之间的关系所导出的程称为平衡微分程。如图所示的平面应力问题，除面力外，在这个微单
8、元体上还有体力的作用单位体积的体力在二个坐标轴上的投影为YX,而固体的质量密度为。自弹性体任一点P 处附近截取一单元体，a b 图 1.4 平面应力状态微元体的应力 它在x，y向的尺寸分别为dx和dy。为了计算便，在z向取单位长度，如图手段本文首先是对弹塑性力学理论进行了阐述然后讨论了它在工程上面的应用关键词弹塑性力学工程应用第一章弹塑性力学的基本理论一应力理论应力和应力量在外力作用下物体将产生应力和变形即物体中诸元素之间的相对位置发力学量是应力和应变本章将讨论应力矢量和某一点处的应力状态为了说明应力的概念假想把受组平衡力系作用的物体用一平面分成和两部分图如将部分去则对的作用应代之以部分对部分
9、的作用力这种力在去以前是物体与之间在截面趋于点则在力连续分布的条件下趋于一定的极限即可修编二维应力状态与平面问题的平衡微分程式上节中讨论应力概念时是从三维受力物体出发的其中点是从一个三维空间中取出来约点为简单起见首先讨论平面问题掌提了平面问题-.-可修编.b 所示。该单元体受有其相邻部分对它作用的应力和单元体的体力。由于在一般情况下应力分量是位置坐标的函数，因此在单元体左、右或上、下两对面上的应力不相等，而具有一微小的增量。若作用于 ab 上的正应力和剪应力分别为x，则作用于 cd 面上的正应力应随之变化。该变化可根据 Taylor 级数展开，即),(022dydxdyydxxabxabxab
10、xcdx 由于 ab,cd 线元上的应力分量均可用相应线元中点处的应力分量表示，以及略去二阶以上的微量后，由上式得 cd 边上的正应力为 dxxxx 同理，如 ab 边上的切应力为xy，ad 边上的正应力和切应力分别为y，yx可得 cd 边上的切应力及 bc 边的应力分量可类推分别得 dyydyyyxyxyy dxxxyxy 微单元体在面力及体力作用下处于平衡，必须满足静力平衡的三个程式。如果考虑到质点运动，而按照牛顿第二定律，程式的右边还应包括这个微单元体的质量与加速度在该坐标轴上的投影的乘积(即惯性力的投影)。（4）一点的应力状态 所谓一点的应力状态是指受力变形物体一点的不同截面上的应力变
11、化的状手段本文首先是对弹塑性力学理论进行了阐述然后讨论了它在工程上面的应用关键词弹塑性力学工程应用第一章弹塑性力学的基本理论一应力理论应力和应力量在外力作用下物体将产生应力和变形即物体中诸元素之间的相对位置发力学量是应力和应变本章将讨论应力矢量和某一点处的应力状态为了说明应力的概念假想把受组平衡力系作用的物体用一平面分成和两部分图如将部分去则对的作用应代之以部分对部分的作用力这种力在去以前是物体与之间在截面趋于点则在力连续分布的条件下趋于一定的极限即可修编二维应力状态与平面问题的平衡微分程式上节中讨论应力概念时是从三维受力物体出发的其中点是从一个三维空间中取出来约点为简单起见首先讨论平面问题掌
12、提了平面问题-.-可修编.况。现以平面问题为例说明一点处应力状态。在受力物体中取一个如图 1.5 所示的微小三角形单元，其中AC，AB与坐标轴yx,重合，而BC的外法线与zz 轴成角。取坐标,yx，使BC的外法线向与x向重合(如图 1.5)。如果xyyx,已知，则BC面上的正应力x，和切应力yx可用已知量表示。因角的任意性，若BC面趋于点 A时，则可认为求得了描绘过点 4 处的应力状态的表达式。实际上，这里所讨论的问题是一点处不同向的面上的应 力的转换，即BC面无限趋于点A时，该面上的应力如 用与原坐标相平行的面上的应力来表示。在这种问题的分 析中，可不必引入应力增量和体力，因为它们与应力相比
13、 属于小量。第二章 弹塑性力学在工程上的应用 弹性和塑性理论是现代固体力学的分支，弹性和塑性理论的任务，一般就是在实验所建立的关于材料变形的力学基础上，用谨的数学法来研究各种形状的变形固体在外荷载作用下的应力、应变和位移。弹塑性理论研究的对象是弹性体，指的是一种物体在每一种给定的温度下，存在着应力和应变的单值关系，与时间无关。通需这一关系是线性的，当外力取消后，应变即行消失，物体能够恢复原来的状态。同时物体的应力也完全消失。弹塑性理论在工程上有着广泛的应用，经常结合有限元软件分析结构及杆件产生的力、位移、变形等判断结构是否满足安全性，耐久性等其他面的要求。（一）弹塑性力学在材料上的应用 1、三
14、轴围压下砂浆弹塑性损伤变形的研究 手段本文首先是对弹塑性力学理论进行了阐述然后讨论了它在工程上面的应用关键词弹塑性力学工程应用第一章弹塑性力学的基本理论一应力理论应力和应力量在外力作用下物体将产生应力和变形即物体中诸元素之间的相对位置发力学量是应力和应变本章将讨论应力矢量和某一点处的应力状态为了说明应力的概念假想把受组平衡力系作用的物体用一平面分成和两部分图如将部分去则对的作用应代之以部分对部分的作用力这种力在去以前是物体与之间在截面趋于点则在力连续分布的条件下趋于一定的极限即可修编二维应力状态与平面问题的平衡微分程式上节中讨论应力概念时是从三维受力物体出发的其中点是从一个三维空间中取出来约点
15、为简单起见首先讨论平面问题掌提了平面问题-.-可修编.水泥砂浆可以视为无粗骨料的混凝土，在工程上有着广泛的应用，其力学性能的研究也得到广泛的关注。砂浆材料作为一种类岩材料，其三轴围压作用下的力学行为作为表征其材料性质的一个重要面。大量的实验结果表明，应力状态对脆性材料的力学性能有着重要影响。一般情况下，对于多脆性材料，在单轴加载或低围压下，表现出明显的脆性特性；而随着围压的增大，试件的强度和韧性都有着显著地提高。然而，据目前的研究现状而言，对于砂浆材料三轴压缩状态下的力学响应的研究成果较少，在模拟面大多数是基于唯象模型，缺乏结构的信息，模型结构没有材料部的结构变化相联系。因此，利用基于微观物理
16、机制的本构模型研究三轴压缩状态下的砂浆材料的力学响应有着非常重要的科学意义。砂浆的弹塑性损伤变形的研究是基于对泛函数和 Cauchy-born 准则，抽象出弹簧束构元和体积构元，组集两种构元的力学响应，给出了材料的弹性损伤的本构关系；考虑滑移作为主要的弹塑性变形机制，提出了滑移构元，给出了材料的塑性本构关系利用变形分解机制，得到了三种构元共同描述的弹塑性损伤的本构关系。阐述了给定应变条件下弹塑性损伤本构关系的迭代流程。从材料细观变形角度解释了随着围压增加，材料的承载能力增加的现象，初步验证了弹塑性理论处理非比例加载的问题。2、基于弹塑性理论计算钢筋锈胀力 以弹塑性为基础，视钢筋混凝土为半脆性材
17、料，取外半径为（R+r）、径为 R的厚壁圆环为研究对象，根据厚壁简原理假定材料是体积不可压缩，外部混凝土受到钢筋的锈蚀的挤压经过弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段三种状态。由于混凝土的非均质性、在混凝土开裂之前会存在一定的塑性，故裂缝出现在弹塑性阶手段本文首先是对弹塑性力学理论进行了阐述然后讨论了它在工程上面的应用关键词弹塑性力学工程应用第一章弹塑性力学的基本理论一应力理论应力和应力量在外力作用下物体将产生应力和变形即物体中诸元素之间的相对位置发力学量是应力和应变本章将讨论应力矢量和某一点处的应力状态为了说明应力的概念假想把受组平衡力系作用的物体用一平面分成和两部分图如将部分去则对的作用应代之以部
18、分对部分的作用力这种力在去以前是物体与之间在截面趋于点则在力连续分布的条件下趋于一定的极限即可修编二维应力状态与平面问题的平衡微分程式上节中讨论应力概念时是从三维受力物体出发的其中点是从一个三维空间中取出来约点为简单起见首先讨论平面问题掌提了平面问题-.-可修编.段，在弹塑性阶段弹塑性区与弹性区的交界处应力x将达到最大。（二）基于弹塑性力学理论分析工程构件的力变形 1、钢筋混凝土壳体结构弹性理论分析 壳体结构是由曲面形板与边缘构件组成的空间结构。壳体结构有很好的空间传力性能，能以较小的构件厚度形成承载力高、刚度大的承重结构，能覆盖或围护大跨度的空间而不需要中间支柱，能兼承重结构和围护结构的双重
19、作用，从而节约结构材料。壳体结构可做成各种形状，以适应工程造型的需要，因而广泛的应用于工程结构中（大跨度建筑物顶盖、中小跨度屋面板、工程结构与衬砌）。壳体结构理论的基本假定：（1）“薄膜理论”通常应用于整个壳体结构的绝大部分。（2）考虑弯曲效应的“弯曲理论”可用于分析荷载或结构不连续处邻近的局部区域所发生的不连续应力。壳体结构的基本程：（1）几程 采用正交曲线坐标系，根据壳体理论的基本假设，由弹性体在正交曲线坐标下的集合程，可以推导薄壳的几程，共三个程（2）物理程 根据壳体理论的第三个基本假设，不考虑 z 轴向的应力对变形的影响，将力用中面形变量，积分推导后可以得出薄壳的物理程的力表达式，由表
20、达式可以得到，在薄壳体中，由薄膜力 N1,N2,和 S 引起的应力沿壳厚均匀分布，弯矩和扭转引起的弯矩应力沿厚度直线分布。（3）平衡程 在曲线坐标系下，考虑壳微元，同时将外荷载折算为单位中面面积的荷载分量，和。2、自由杆件对简支梁的多次弹塑性撞击 柔性结构的弹塑性撞击是航空、航天、船舶、和机械领域中普遍存在的问题，对此类问题的研究分析，是工程领域的一项长期又艰巨的重要的任务。可以通过弹塑性理论对自由杆件多次弹塑性撞击进行分析，将单轴压结模型手段本文首先是对弹塑性力学理论进行了阐述然后讨论了它在工程上面的应用关键词弹塑性力学工程应用第一章弹塑性力学的基本理论一应力理论应力和应力量在外力作用下物体
21、将产生应力和变形即物体中诸元素之间的相对位置发力学量是应力和应变本章将讨论应力矢量和某一点处的应力状态为了说明应力的概念假想把受组平衡力系作用的物体用一平面分成和两部分图如将部分去则对的作用应代之以部分对部分的作用力这种力在去以前是物体与之间在截面趋于点则在力连续分布的条件下趋于一定的极限即可修编二维应力状态与平面问题的平衡微分程式上节中讨论应力概念时是从三维受力物体出发的其中点是从一个三维空间中取出来约点为简单起见首先讨论平面问题掌提了平面问题-.-可修编.应用于模拟多次撞击的分离过程中接触区的弹塑性接触行为，推导出弹性杆件和弹塑性梁的动力学程并采用有限差分法加以求解，研究了弹性自由杆撞击弹
22、塑性简支梁的全过程。研究发现整个撞击过程实际上是一个复杂的多次弹塑性撞击过程，存在两个以上的明显撞击区，每个撞击区包含了形式多样的复杂撞击过程，相对于第一个撞击区，剩余撞击区的撞击冲量不可忽略所以多个撞击区将对撞击系数产生重要影响。撞击产生的纵向应力波在弹性杆件中的传播和反射，直接影响多次弹塑性撞击。参考文献：1 建 军.从 弹 塑 性 力 学 的 角 度 谈 软 岩 巷 道 支 护 理 论 J.机 械 管 理 开发,2014,(01):16-17+37.2 金柱,向荣,用海.结构性软土弹塑性损伤模型及其应用J.大学学报(工学版),2010,(04):806-811.3强,薛利军,仁坤,文光.
23、岩体变形加固理论及非平衡态弹塑性力学J.岩力学与工程学报,2005,(20):106-114.4莘莘.弹塑性力学问题中的无单元伽辽金法D.大学,2002.手段本文首先是对弹塑性力学理论进行了阐述然后讨论了它在工程上面的应用关键词弹塑性力学工程应用第一章弹塑性力学的基本理论一应力理论应力和应力量在外力作用下物体将产生应力和变形即物体中诸元素之间的相对位置发力学量是应力和应变本章将讨论应力矢量和某一点处的应力状态为了说明应力的概念假想把受组平衡力系作用的物体用一平面分成和两部分图如将部分去则对的作用应代之以部分对部分的作用力这种力在去以前是物体与之间在截面趋于点则在力连续分布的条件下趋于一定的极限即可修编二维应力状态与平面问题的平衡微分程式上节中讨论应力概念时是从三维受力物体出发的其中点是从一个三维空间中取出来约点为简单起见首先讨论平面问题掌提了平面问题