塑性增量本构理论PPT课件

1、4.1 全量理论与增量理论二、塑性增量本构理论 从以上的简单介绍可知，建立全量型本构关系的条件是非常苛刻的，对于岩土类材料来说是不现实的。因此全量理论一般不适于岩土类材料。岩土类材料主要应用增量型塑性本构理论。 追踪应力路径建立应力增量与应变增量之间的增量本构关系，就称为塑性增量理论。塑性增量理论主要包括以下几个方面的内容与概念。 1. 屈服准则前章内容； 2. 加载准则判定材料状态； 3. 流动法则塑性应变方向与屈服函数的关系； 4. 硬化规律硬化材料所遵从的规律。 第1页/共30页4.2 加载条件与加载准则一、概述 保证产生新的塑性变形的条件，或说使应力继续保持在屈服面或相继屈服面上的条件

2、，称为加载条件。 对于理想塑性材料，加载条件就是屈服条件，即： 对于应变硬化材料，加载条件为： Ha 称为应变硬化参量，它与塑性变形或加载历史有关。 实现上述加载条件中应力（或应变）变化的条件，称为加载准则；满足加载准则叫加载，不满足时称卸载或中性变载。()0ijf( ,)0 (1,2,3,.)ijafHa第2页/共30页4.2 加载条件与加载准则一、概述 对于单向拉、压的简单应力状态，应力增减就是加卸载： 理想塑性： 硬化塑性： 0 , 0 , dd加载卸载0 , 0 , 0 , ddd 加载 中性变载卸载第3页/共30页4.2 加载条件与加载准则二、理想塑性材料的加载准则 1. 正则屈服面

3、上的加载准则 当屈服函数处处可微时，相应的屈服面称正则屈服面。 对于对于理想塑性材料，如果以f(ij)0表示屈服面，应力位于极限曲面之内，材料处于弹性状态；应力位于极限曲面之上，则塑性变形将可无限发展；而应力点不能达到屈服之外。因此，保证应力不脱离屈服面就是加载准则： f(ij)00 , 0 , ijijijijfdfdfdfd加载卸载第4页/共30页4.2 加载条件与加载准则二、理想塑性材料的加载准则 1. 正则屈服面上的加载准则 因为， 表示屈服面 f 在ij点的梯度方向 ，也就是ij点的外法线方向。所以， 表示dij方向与 正交。而 表示dij方向与 方向夹角大于90，见下图。 故，加载

4、准则亦可表示为： f(ij)0ijf0ijijfdnn0ijijfdn0 , 0 , dfnddfnd 加载卸载d()ijfnd第5页/共30页4.2 加载条件与加载准则二、理想塑性材料的加载准则 1. 非正则屈服面上的加载准则 屈服函数有不可微点（即屈服面上有棱角）时称非正则屈服面。 在正则点上同上，在非正则点上，因为有两个梯度方向 ，如图所示，加载准则为： f1(ij)0 f2(ij)01212max( , )0 , 0 0 , dfdfdfdf加载且卸载12nn 和 d1nd2nd第6页/共30页4.2 加载条件与加载准则三、硬化材料的加载准则 1. 正则屈服面上的加载准则 加载条件：

5、，则由于 也是由 dij 产生的，故加载准则仍可由应力变化是否离开加载面来反映。 , )0ijaH （0ijaijadddHHadH0 , 0 , 0 , ijijijijijijdddddd加载 中性变载卸载 d()ijndd第7页/共30页4.2 加载条件与加载准则三、硬化材料的加载准则 2. 非正则屈服面上的加载准则 与理想塑性材料类似，硬化材料在正则点上同上，在非正则点上，加载准则如下：121212max( , )0 , max( , )0 , max( , )0 , ijijijijijijijijijijijijdddddd加载 中性变载卸载 d1n2ndd第8页/共30页4.3

6、塑性共设一、Drucker公设 1. 稳定材料与不稳定材料 若 ，称为稳定材料；若 ，称不稳定材料。显然，硬化材料和理想塑性材料为稳定材料，软化材料属于不稳定材料。doddod0dd0dd第9页/共30页4.3 塑性共设一、Drucker公设 2. 公设的涵义 德鲁克公设可陈述为：对于处在某一状态下的稳定材料的质点(试件)，借助于一个外部作用，在其原有应力状态之上，缓慢地施加并卸除一组附加应力，在附加应力的施加和卸除循环内，外部作用所作之功是非负的。 即： (1) (a=0.51.0)(1)式说明塑性功不可逆，它被塑性变形吸收。0)(0pijijijijpdaddw第10页/共30页一、Dru

7、cker公设 2. 公设的涵义 由式(1)可导出两个重要不等式。当 时，由于dij是无穷小量可以忽略，则得: 当 时，有： 0ijij0ijij0()0 (2)pijijijd0pijijdd（3）第11页/共30页二、Drucker公设的推论 1. 屈服面处处外凸 参见左图，式(2)可写成 ，由于 永远在T切线的垂直方向，要使该式成立，A点必须在T的另一侧，因为该式要求AB和 的夹角 。 即加载面必须外凸。如果加载面内凹，如右图，则会使 。AB0pijdpijdpijd22第12页/共30页二、Drucker公设的推论 2. d p 的正交性 参见下图（反证法）：如果 不与 重合，就一定可以

8、找到一点A，使得 ，故而 必为 的梯度方向，即 与加载面正交。可用下式表示： 称 为塑性因子，它反映 的绝对值大小，是个标量。AB0pijdpijdpijddnpijd (4)pijijddpijd第13页/共30页二、Drucker公设的推论 3. d p 与d ij的线性相关性 式（4）说明，塑性应变 各分量之间的比例或大小与d 有关。而 或d 的大小又是由应力增量d ij而产生的。所以，可以假设 ，则： 式中，h为硬化模量或硬化函数，取决于 ij 、 ij在加载面 上的位置，而与d ij无关。 （5）式说明d p 与d ij的线性相关。pijdpijdijijdhd (5)pijmnij

9、mndhd第14页/共30页三、伊留辛（）塑性公设 德鲁克公设只适用稳定材料，而伊留辛提出的“塑性公设”可同时适用于稳定和不稳定材料。伊留辛公设可陈述为：在弹塑性材料的一个应变循环内，外部作用做功是非负的，如果做功是正的，表示有塑性变形，如果做功为零，只有弹性变形发生。写成公式为：同德鲁克公设类似，有： 0)(0pijijijijpdaddw0)(0pijijijd0pijijddpijijdd第15页/共30页4.4 流动法则 与弹性理论不同，塑性应变增量方向一般与应力增量方向不一致。因此，塑性增量理论的一个重要内容就是如何确定塑性应变增量方向或塑性流动方向。 由前述可知， 的方向为的梯度方

10、向，但这不是唯一确定 方向的。 一、塑性位势理论 1928年，米赛斯将弹性势概念推广到塑性理论中，假设对于塑性流动状态，也存在着类同弹性势函数的某种塑性势函数Q(ij)，其塑性流动方向与塑性势函数Q的梯度或外法线方向一致，这就是传统塑性位势理论。 pijdpijd第16页/共30页一、塑性位势理论 米赛斯认为，Q是应力或应力不变量的函数，即： 设塑性流动方向即是塑性势函数Q的梯度方向，有：按照这种塑性流动方向的理论，称为正交流动法则。 若Q，由此所得的塑性应力应变关系通常称为与加载条件相关联的流动法则。由于屈服面与塑性应变增量正交，也称正交流动法则。如果Q ，即屈服面与塑性应变增量不正交，则其

11、相应的塑性应力应变关系称为非关联流动法则。 (1)pijijQdd123()0 ,)0ijQQ IJJ或 （第17页/共30页二、流动法则的分解 塑性应变增量可分解为 与 ，因而流动法则也可相应分解成两部分。 设Q与 无关，即：而 故=()pijijijijQQpQqdddpqpvdpd( , )QQ p q21 ; 3 ,3ijijpqJ2222233 ()2ijijijijijJJJqSSJJ213()32pijijQQddSpqJ第18页/共30页二、流动法则的分解 由于 而所以 式（1）和（2）表明，塑性应变增量可分解为体积塑性应变增量和剪切塑性应变增量。 若Q与 无关，类似的可得：

12、(1)ppViiQdddp (2)pQddq213 =32pppijijVijijQdedddSqJ 122()3pppijijdde de12221pVpQddpQQddqq第19页/共30页三、相关联流动法则的具体分解 1. 与D-P准则相关联的流动法则 则 这说明与D-P准则相关联流动时将产生塑性体积应变，负号表示剪胀。=-3pVQdddp 1=3pQdddq1=303Q fqpk第20页/共30页三、相关联流动法则的具体分解 2. 与C-M准则相关联的流动法则 则 实际应用中， 没有这么大，故对C-M准则采用不相关联流动法则，即 ，一般认为Q与 f 形式相似，仅将改为 ， 称剪胀角，

13、。只要适当调整 的大小，即可满足实测结果。6sin=-3sinpVQdddp=pQdddq6sin6cos =0 3sin3sincQfqppVdQf0第21页/共30页4.5 硬化规律 硬化材料在加载过程中，随着加载应力及加载路径的变化，加载面的形状、大小、加载面中心的位置以及加载面的主方向都可能发生变化。 加载面在应力空间中的位置、大小、形状的变化规律称为硬化规律。而把确定加载面依据哪些具体的硬化参量而产生硬化的规律称为硬化定律。 对于复杂应力状态来说，目前的实验资料还不足以完整地确定加载面的变化规律，因而需要对加载面的运动与变化规律做一些假设，所以也把硬化规律称为硬化模型。 第22页/共

14、30页4.5 硬化规律 一、常用的硬化规律 为了使问题简化，一般假设加载面在主应力空间内不发生转动，即主应力方向保持不变；同时还假设加载面的形状保持不变。 1. 等向硬化加载面在应力空间内只做形状相似的扩大(硬化)或缩小(软化)，也称各向同性硬化或软化。 H为硬化系数。 模型简单，没有包氏效应。(,)()0ijijHH 123第23页/共30页4.5 硬化规律 一、常用的硬化规律 2. 运动硬化加载面在应力空间内作形状与大小不变的平移运动，也称为随动硬化。 H0为硬化常量， 为移动应力张量。 适用于周期性加载条件下的动力塑性模型，考虑了包氏效应，但有所夸大。0(,)()0ijijijijHH

15、123ij第24页/共30页4.5 硬化规律 一、常用的硬化规律 3. 混合硬化加载面在应力空间同时发生形状相似的大小变化与平移运动。 H0为硬化系数， 为移动应力张量。 适用于周期性及随机动力加载情况，应用范围较广。(,)()0ijijijijHH 123ij第25页/共30页4.5 硬化规律 二、硬化模量与硬化定律 从广义上来说，硬化定律是确定给定的应力增量条件下会引起多大塑性应变的一条准则，也是确定从某个屈服面如何进入后继屈服面的一条准则。也就是说，它是如何来确定塑性因子d 值的一条准则。 在德鲁克公设中我们已经假设：则： 式中：h和A都称硬化模量，两者呈倒数关系。 ijijdhdiji

16、jijijdAdhhdd1第26页/共30页二、硬化模量与硬化定律 当已知加载面时，求d 值的关键问题是建立h或A的表达式，这种表达式与硬化参量有关，通常就把引用何种硬化参量来建立h或A表达式，称为某硬化参量的硬化定律。 我们研究一般情况，设混合硬化的加载函数为：当应力增加d ij之后，加载面扩大，相应的加载函数为 由于加载d ij之后，应力点仍保持在扩大后的加载面上，因此得到硬化(或软化)材料的相容性条件或一致性条件： 0),(Hijij0),(),(dHdHHddijijijijijij0 (1)ijijijijddddHH 第27页/共30页二、硬化模量与硬化定律 一般假设， 都是 的函数，即 （1）对于等向硬化来说， ij不变，对H微分有： （2）对于机动硬化来说，H不变，则有 式中c为常数，说明 与 呈线性关系，因此称为线性机动硬化。 ijH和() ()ppijijklijHH1 (2)pijklppijijijklHHQdHddApijpijijQdd1ijijdd