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救援小车设计含CAD图及程序

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几何非线性影响损伤机构的安定D. Weichert* and A. Hachemi研究所献给汇报Mechanik,亚琛 - 的亚琛Templergraben64,52056亚琛,德国 摘要Melan的安定定理的一个推广,提出考虑到几何效率和塑韧性损伤。数值结果验证了该方法。 关键词:A.塑料崩溃,安定,B.构行为,弹性塑料材质,有限应变。导言 发展的长期行为的评估数值方法,变量反复荷载下的结构的可用性和对失效的安全性在机械和土木工程下是很重要的。一种特殊故障是在加载过程中无限积累的塑性变形引起的,导致增量倒塌或交替塑性变形。如果相反,经过一段时间后塑性应变停止进一步发展和累积分散在整个结构范围内的能量,这样的结构响应纯粹的弹性变载荷应用, 说结构摇摇。 这些理论的基础,已获得Melan(1936年)和Koiter(1960)证明, 他们为安定和非安定导出了足够的标准,个别为弹性完全塑性结构。两个标准,假定存在一个凸屈服面和有效的符合正常规则的塑性应变性。此外,影响材料硬化,几何效应和物质损失的因素都被忽视了。因此,经典安定定理的扩展最近几年已吸引人们很大的兴趣。在调查前的评论就可以发现Gokhfeld and Cherniavsky (1980), Konig and Maier (1981), Konig (1982, 1987) and Mroz等的例子。材料硬化已经在Melan开创性的工作中解决了,材料硬化是在连续介质力学的框架内考虑无限线性运动学硬化。在这一概念的基础上已由Neal(1950), Ponter (1975) 和Zarka 和 Casier (1981)取得进一步的成果。对于离散结构和分段线性屈服函数,Maier(1972)研究线性硬化和软化效应和Konig和Siemaszko(1988)考虑在安定过程中应变硬化的影响。通过Halphen和Nguyen (1975)介绍的广义标准材料模型的帮助, Mandel (1976)给出了Melan定理中硬化材料的简单的和有关联的公式。通过施加限制在这个模型的内部参数的演化,Weichert总值Weege(1988)解释它作为一个简化的两个表面的材料,允许有限运动学硬化和应用数值。代表硬化材料的行为表示形式的内部变量的概念是同样被Comi 和Corigliano (1991) 和Polizzotto 等采用的成果。更一般的非线性硬化已Maier(1969)在离散系统中展开调查和斯坦因等。 (1993年),用于此目的的所谓“叠加模型”。可以在Corigliano (1995) and Pycko and Maier (1995)等人的作品中发现表示材料性能的变化的内部参数的其他应用。几何非线性问题研究已首先由 Maier做(1973),谁介绍了为预应力离散结构的安定问题的新类,并延长Melan和Koiter的定理,包括所谓的“二阶几何效应采用分段线性屈服条件。Siemaszko and Konig(1985)显示几何效应的变形过程中的某些假设上的变形模式下的特定结构的稳定性的影响。Weichert(1983,1986),研究连续介质力学框架内的几个文件中的几何效应的问题,并给了有关预期的变形模式的信息是可用的情况下,这实际上是适用于Melan的定理的扩展。他承担了附加的应变分解,并将其应用到在小应变进行适度轮换(Weichert,1989年)的壳状结构。相同的总应变分解已被Gross-Weege (1990)使用。 给出了统一的Melan的结构定理的制定受到恒定负载,负责大位移,小额外的可变负荷造成少量的额外位移。相同的概念被Pycko和Konig (1991)使用过了。最近,Polizzotto Borino(1996年),对Melan和Koiter再大位移的框架内的安定定理进行了扩展。为了展现其中可能存在一个稳定的长期反应的条件他们研究了结构受到周期性变载荷的渐近响应。 为了克服总应变附加分解的限制,可乘得应变分解规则被Saczuk和Stumpf(1990),Tritsch(1993),Tritsch Weichert(1993)和Stumpf (1993)使用。在Saczuk和Stumpf(1990),Gross-Weege的安定公式(Gross-Weege,1990年)延伸到更一般的非线性问题的建议。在Tritsch(1993)和Tritsch和Weichert(1993)一个足够Melan-型陈述有关安定和与以前的工作比较研究已经被公布。Stumpf(1993)采用总应变的乘法分解,并试图重新说明,安定安定定理的发生,如果存在一些真正的自我平衡的残余状态,这是依赖于路径装卸。 最近,Saczuk(1997)提出了一个适应的过程标准,估算基于Finslerian连续模型内微分不等式理论对材料属性的变形路径的影响。从理论的角度看热力学框架内研究物质破坏对制订的静态安定定理的影响,首先由Hachemi 和Weichert (1992)使用由Ju (1989)给出的能源为基础的各向同性弹塑性损伤的模型进行研究。Lemaitre和Chaboche(1985)的有效应力的概念由一个内部标量值参数考虑的物质损失。Feng和Yu(1995年)通过了这一概念,并通过使用数学规划的方法来计算的韧性损伤参数的上限,它适用于厚壁壳。在一个类似的感觉,Polizzotto等。(1996)提出Melan的弹塑性损伤或弹性损伤,拥有普遍的自由能源的潜力的材料的安定定理的延伸。此方法已应用到固定栏的例子,通过JU(1989)损伤模型。Siemaszko (1993)提出考虑 非线性几何效应,非线性硬化和韧性损伤通过 Perzyna(1984)的材料软化功能得到的等因素在内的弹塑性离散机构的一步一步的非常规分析模型。最近,Hachemi 和 Weichert (1997)提出如何处理涉及安定理论的可塑性和物质损失之间的实际和不同,通过考虑运动学硬化根据由Halphen和Nguyen (1975)提出的广义标准的概念材料模型。作者展示了如何控制物质损失的程度,实行本地韧性损伤参数的演化Lemaitre(1985)所界定的边界。可以发现在Hachemi和Weichert(1998)的数值解技术以及轴对称结构的共同作用下的力学性能和热变装了几个数值范例。在最一般的情况下,韧性材料的降解关系开始萌生,大塑性变形引起的裂纹或微孔洞的增长和合并。弹塑性材料的各种缺陷被视为损害,可能是预先存在的或在服务发展。连续介质力学的框架内通过有效应力的概念引入材料的弹塑性损伤行为。本文的主要目的是扩展Melan的安定定理受损结构考虑几何效应。这个展是一个Hachemi和Weichert(1992)和Tritsch和Weichert(1993)提出的配方组合。只为简单起见,我们限制我们考虑理想弹塑性材料行为和各向同性损伤。 一个建立在 Weichert和 Gross-Weege (1988)工作上的关于材料硬化行为的假定的扩展就能立即成为可能。为了对由于变形的几何变化的影响进行建模,由Lee (1969)提出的总变形梯度乘法分解到弹性和塑料部件,被用于发展的理论框架 。本文的第二部分是专门假设有限变换的本构方程和一般假设。通过制定基于不可逆过程热力学的概念,它构成了必要的基础,描述由一个内部的标量变量的损坏现象。由热力学势的定义,并从热力学第二的原则,我们推断耗散不等式。用一个简单的三维模型 由Lemaitre(1985)提出的来建立的塑料韧性损害。这个模型是等效塑性应变和三轴比的二次线性。 在第三节中,静态安定定理的延伸提出,考虑到韧性塑性破坏和几何非线性的影响。应变分解为弹性和塑性部分,而无需使用任何简化的假设。为此,一个全局的中间配置被介绍到相应的满足相容性条件的变形状态的变形过程中。此配置包含弹性和塑性残余变形。这项一般配方,然而,如果额外的假设上的变形模式引入(Weichert,1986) ,就可以提供建设性的安定分析方法。在这里,最简单的情况进行了研究,在考虑机构或结构受到初始载荷的情况下,引起大位移和初始伤害这样它是在基准平衡配置中。机构受到时间或循环加载额外的变量,造成额外的小排量,与以往相比,和额外的伤害。在这种情况下,由 Bathe等人 开发的NONSAP有限元程序会引起基准配置中响应的递增。对失效的负载因子较低的约束,通过使用由Pierre 和Lowe (1975) 开发的LPNLP算法,对非安定或不予受理的损害进行优化程式计算 。在第四节中,轴对称外壳的效果被提出来显示 有限位移和损坏 对安定行为的影响,对比于完好的材料和几何非线性分析的效果。提出问题我们认为,在准静态下一个立体的理想弹塑性的机构的行为不同于外部机构a*包括表面牵引力p*和表面位移u*作用于上的表面S的不相交的部分和,个别的,体积力。在初始配置同时,占有的体积。的运动有直角坐标系给出,在未变形和变形状态的点的位置分别有坐标和表示。的的实际组态 ,由位移函数u 定义: (1)根据这一假设的边界值问题提到初始未变形配置被定义为: 静力方程: (2) 和 T=FS (3) 运动学方程 (4)和 (5)在这里,T和S分别是非对称第一类Piola-Kirchho应力张量和对称第二类Piola-Kirchho应力张量,而F和E分别变形梯度和Green-Lagrange应变张量,我指的第二级的测量的张量和n是从指向S 的外发现向量。弹塑性变形通常通过一个虚构的中间配置来描述,来自变形梯度F的乘法分解成 弹性部分和塑性部分。(Lee, 1969) (6)其中通过卸载机构的无穷小的附近。这种分解提供有限应变的弹性,塑性和总变形有效之间的关系并导致添加一个Green-Lagrange张量E分量到取决于塑性变形的塑性部分和弹性部分(Green 和 Naghdi, 1965): (7)和 (8)在这里,内部变量的热力学理论用于计算的本构关系。 为此,一个潜在的热力学变量被引进到的二次型和的线性中(Chaboche, 1977, 1981; Lemaitre and Chaboche,1985; Simo 和Ju, 1987; Ju, 1989): (9)和 (10)中是完好的材料的能量函数,L的弹性张量和是初始密度。运算符(:)代表双张量收缩。在Clausius-Duheminequality形式下须要运用热力学第二原则 (11)和 (12) (13)因此,热力学力(Y)的共轭损伤变量D是完美材料()的能量函数(Lemaitre 和Chaboche, 1985)。叠加点表示考虑量率。 来形容塑料材料的损伤行为的一部分,我们假设存在一个凸弹性域,由屈服条件定义 (14)作为第二Piola-Kirchho有效应力张量和作为屈服压力。连续叠加点显示的数量关系到材料损伤状态。最大的塑料工作不平式可以表达凸屈服面F和有效性的正常规则 (15)是任何“安全”应力状态由下面定义 (16)各向同性韧性塑性破坏的一个简单的模型是由Lemaitre给出的(1985年)。 这种模式是与等效塑性应变p线性的和取决于三个材料常数,(损伤阈应变),(断裂时的应变)和(损伤断裂参数的临界值)损害性质和泊松比 (17)作为三轴比由下式给出 (18)这里,在T时,是是冯米塞斯等效应力 ,表示静液压压力 和是Macauley运算符号,。为实际应用 等式(17),考虑材料的三个系数,和要从实验上确定相关的温度范围。静态安定定理1.一般假设 在这里,Melan的安定定理的扩展组合,被发现在hachemi和Weichert(1992)和Tritsch和Weichert(1993)给出。为此,中间变量介绍,在变形过程中相应的满足相容性条件的变形状态。这在一般的时间依赖性和未知的配置得到从考虑的机构移除外部负载,我们得到了变形梯度张量的乘法分解(图1): (19)其中表示自由弹性变形梯度,是在包含塑性和弹性残余变形的中间配置的变形梯度和是弹性残余变形梯度(see Tritsch, 1993; Tritsch and Weichert,1993)。在这个情况下,Green-Lagrange应变张量E被表达为 (20)几何非线性和受损结构安定 图1.弹塑性变形的运动学。2. 定理的陈述如果存在一个安全系数 和一个有效剩余应力的独立时间状态,满足以下关系: (21) 然后机构B将动摇,对于给定的负荷。3.定理的证明 这个定理的证明是类似的线性理论(cf. Hachemi 和Weichert, 1992)。对于这一点,有界二次形式引入由下式定义: (22)其中和分别为实际时间相关的第二类Piola-Kirchho残余应力张量和与时间无关的第二类Piola-Kirchho残余应力张量的。 使用下面的定义 (23)我们得到了方程的时间导数(22) (24)鉴于不等式(11)和(15)服从,此外,当和时是等于0.SoMelan的说法认为:W是根据定义非负,如果有效应力状态存在,塑性流动和损伤演化超出一定的时间即时停止,实现关系(21)。我们说了动摇,在这种情况下. 4.特定情况下允许切实可行的方法 这是一般的提法不提供安定理论建设性的方法,由于这一事实,我们需要知道在全局中间配置中所有描述变形状态的数量。必须引入额外的假设。在最简单的情况下,我们认为是一种特殊类型的负载:机构经过有限的时刻并在时间t=0时移动位移到初始位置,这样的一种方式下机构在已知配置内保持平衡,在独立负载下。当 机构被增加额外的变载荷 : (25)并占据实际的变量(see e.g. Weichert, 1986; Gross-Weege, 1990;Saczuk 和Stumpf, 1990; Pycko and Konig, 1991)。由于实际的配置也应该是一个均衡的配置和下列公式持有:(i)静力等式 (26)和 (27)(ii)运动学方程 (28)和 (29)所有由时间独立负载造成的所有数量标志(R)标记,而随时间变化的载荷引起的附加数量由(r)标记。由引起的附加字段数量必须满足下列公式: (i)静力方程 (30)和 (31)(ii)运动学方程 (32)和 (33)在连续中,我们限制我们考虑加载历史记录特点通过一个虚构的比较机构的议案,在时间 内与同规模的数量但反映,比较与,对于额外的时间相关的载荷是纯粹的弹性,当叠加在(图2)(cf. Weichert, 1986; Gross-Weege, 1990; Saczuk and Stumpf, 1990)。从此,这种比较的问题有关的所有数量 由上标表示。显然,等式(30)-(33)对唯一例外的比较问题可用,在比较机构中,没有额外的塑性变形和损伤会发生。然后在和状态之间的差异是由不同领域的描述: (34)必须履行下列公式: (35)图2.真正机构和比较机构的演变和并且 (37)在以下,我们约束我们的考虑在受到时间的微小变化下的变形和应力状态的情况下(Weichert, 1986;Gross-Weege, 1990)。因此,我们忽视规管等式(34) - (37)的所有条款,这是在非线性时间依赖的附加字段的数量被标上上标。这还不包括由额外的时间相关的载荷引起的屈服的影响。然后 Melan定理以下扩展持有: 如果存在时间无关的有效的残余应力则以下的关系成立: (38) (39)且 (40)当所有时间,在给定的载荷下原机构将安定。然而,定义材料损伤不能无限增长 ,是由材料破碎限制。因此,它是有必要通过施加由额外变载荷造成的损伤参数的边界来控制材料的损伤度。所考虑的方法(等式(17),基本上是由塑性变形产生损害,损害的界限,可以在这个特殊的情况下,由边界的等效塑性应变给出(我们详细参考Hachemi, 1994; Hachemi and Weichert,1997 ): (41)然后由于非安定或不予受理的损害对失败的安全系数的定义由下式定义: (42)附属条件 (43) (44) (45) (46)这是一个数学规划问题,为目标函数进行优化关于 和和用不等式(45)和(46)作为非线性约束 。条件(45)确保由于物质损伤的故障对机构的安全,条件(46)确保从未加载外表面的应力安全状态。数值例子 已经制定的前面几节的连续介质的概念适用于有限位移和温和的旋转轴称壳。上述方法已实施最初由Gross-Weege制定的(1988年,1990年),以能源互补的原则为基础的有限元程序(Morelle和 Nguyen Dang Hung, 1983)。该方案采用具有一个扩展的拉格朗日式子的非线性优化算法(Pierre and Lowe, 1975)。考虑到参考状态的影响导出安全系数的下限(参考如 Gross-Weege, 1988; Tritsch and Weichert, 1995)。要确定应力状态 ,位移,和在时间无关的载荷下在参考配置内的损伤参数,一个Kreja等(1992, 1993) 的修改后的版本的NONSAP分步有限元程序(Bathe 等, 1974)要考虑到韧性损伤模型已被使用。允许限制计算一半的壳,外壳和负载的对称性假设。敏感度分析表明,该研究调查的案件并不需要一个元素大于10。损伤参数和屈服准则检查每个元素的三个点。 1.例1第一个调查的结构是很短的夹紧圆柱壳的研究由Gross-Weege (1988, 1990)用夹心截面,长度为L,半径R和壁厚h,其中和(图3)。壳受到内部压力p: 图3.圆柱壳受到的内部压力图4.内部压力下圆柱壳的安定负载域。 图5.在内部压力和弯矩下圆柱壳。 其中是一个与时间无关的基准负载和是时间相关的额负载,其中是固定边界和间的变量,所以。这是一个加工工程中的典型问题,在管道及其他压力容器的标称压力附近会发生压力波动。对于这个例子,材料性能采用以下值:杨氏模量,泊松比,损伤特性 , 和 。 应当指出,在这里和在以下中,阈值选择为,虽然某种程度上是人为的,是为了强调和更好的形象化提出的例子在安定过程中的材料损伤的影响。如图4为单轴屈服应力的不同值的安定负载域。为便于比较,完好壳的结果代表以及几何线性解决方案使用von Mises夹心屈服条件。2.例2 圆柱壳上文所述具有以下尺寸和有两个独立载荷的加载图如图5所示,内部压力和弯曲的瞬间。 材料特性的下列值,和初始负载及 已经通过了数值分析。图6.内部压力和弯矩下的圆柱壳的安定的负载域图7.内部压力和轴向环负载下的圆锥壳图8.内部压力和轴向环负载下圆锥壳的安定负载域 对于这个例子,使用了Ilyuschin的屈服条件(Ilyuschin, 1956)。获得安定域如图6所示,及未损伤行为的结果也被呈现出来。曲线(a)及(b)对应的安定极限载荷基于为均匀横截面的增量收合。我们观察的重要组成部分,在装载空间之间的几何直线,曲线(a),几何非线性,曲线(b),分析和损坏和完好的行为之间的显着性差异。 3.例3 一个简单的受支持圆锥壳的内半径为,外半径为,壁厚为和角度为是被考虑的。 这种机械结构在阀系统运用很多。外壳顺从于大半径的边缘和内部压力的轴向环负荷。内部的压力和轴向环负载的范围和内可以独立变化。以下几何尺寸大小,采用数值分析:,和 与例2相同的机械性能。考虑下列初始值的负载:和 。 图8中可以看出。,安定域不显着增加基于考虑几何的影响和损害没有很大影响当轴向力Q作用在和压力p同一轴向方向时。然而,其影响是更重要的,当这些负载在相反的方向作用。结论 Melan静安定定理的几何非线性和塑韧性损伤及其数值应用计算的扩展旨在促进全球超出弹性极限变载荷作用下的结构评估方法的改进。虽然定理的扩展方法是相当一般,而不是限制在本文所考虑的材料类:在特定的各向异性损伤演化和可塑性和损害之间的互动更一般的模型,似乎是为进一步研究的重要问题。在受到有限位移和适度转动的薄壁壳体中的应用,类似于Weichert (1986) 和Gross-Weege (1990)的只对受到特殊载荷情况考虑,这种特殊情况就是外部负载可能会在给出的规定的额定载荷附近的范围内随机变化。在未来应考虑更一般的负载。所获得的结果表明,相比完好行为的韧性损伤的安定负载在总体上减少。似乎考虑几何非线性的,可以有一个稳定的或不稳定的影响。增量分析与安定分析的结合,似乎是有希望的;所以观察第一个提出的在某些负载的情况下的例子, 变形超过适度转动的限制 ,使得Donnel-Mush-tari-Vlasov的理论有效性成为了疑问。 总之,结果表明,采用该方法能容易确定非安定和不可接受的损害方面的安全系数的数值。然而,相当数量的开放问题有待回答。其中,完善的实验验证该方法是非常重要的。 不幸的是,作者观察到了在文献中适合和可靠的实验数据相当缺乏。因此,在未来研究工作,特别应把实验安定分析于理论和数值模拟结合。 参考 Bathe, K. 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