第4章应力分析

1、塑性理论：研究金属在塑性状态的力学行为称为塑性理论或塑性力学，是连续介质力学的一个分支。塑性理论假设：（1）变形体是连续的；（2）变形体是均质和各向同性的；（3）在变形的任一瞬间，力的作用是平衡的；（4）在一般情况下，忽略体积力(重力)的影响；在塑性理论中，分析问题的方法： 静力学：根据静力学平衡条件导出应力分量之间的关系式平衡微分方程 几何学：根据变形体的连续性和均匀性，导出应变与位移分量之间的关系式几何方程。 物理学：根据实验与假设导出应变与应力分量之间的关系式物理方程或本构方程。 此外，建立变形体在塑性状态下应力分量与材料性能之间的关系屈服准则或塑性条件。第一节 应力分析分析变形分析变形

2、体内的应力、应变状态1张量的基本知识一、角标符号和求和约定 角标符号:成组的符号和数组可以用一个带下角标的符号表示，这种符号叫角标符号。 如可用xi即（x1，x2，x3）表示一点的坐标；如应力分量xx，xy，xz，可简记为ij（i,j=x,y,z）等。 一般地，如果一个坐标系有m个角标，每个角标取n个值，则该角标符号代表着nm个元素，例如ij（i,j=x,y,z） （ m=2，n=3）就包含有9个元素。 克氏符号：ij称为克罗内克（Kronecker）符号，ij定义为 jijixuu,jijiij01 导数记号：导数记为f,j，表示f(xi)对xj的导数，逗号后边的下标表示对相应坐标的求导zy

3、xii332211 nmlllllsiziyixiiijiji332211 332211,xxxxiiii 0332211,xxxxiiijijjij 求和约定： 在一项中，没有重复出现的角标叫自由标，表示该项的个数。 在一项中，同一角标出现二次，则对该角标自1到n的所有元素求和，这种角标在求和之后不再出现，称之为哑标，这一运算称之为求和约定。二、张量的基本概念张量：由若干个当坐标系改变时满足转换关系的分量组成的集合，称为张量，需要用空间坐标系中的三个矢量，即9个分量才能完整地表示。它的重要特征是在不同的坐标系中分量之间可以用一定的线性关系来换算。描述张量分量的个数用阶表示。在三维空间中，其张

4、量分量的个数为3n ，如应力、应变是二阶张量，有32 =9个分量。图 14-1 空间坐标系 xi与 xk ljkiijklll()3 ,2 ,1,; 3 , 2 , 1,lkji 其中，lki，llj为新坐标系的坐标轴关于原坐标系的方向余弦。表示点应力状态的九个应力分量构成二阶张量，称为应力张量。不同坐标系中的应力分量之间的转换关系三、张量的基本性质 张量不变量： 二阶张量存在三个独立的不变量。 张量可以叠加和分解： 几个同阶张量各对应的分量之和或差定义为另一个同阶张量。 张量可分为对称张量、非对称张量、反对称张量 任意非对称张量可以分解为一个对称张量和一个反对称张量。 二阶对称张量存在三个主

5、轴和三个主值 以主轴为坐标轴，两个下角标不同的分量均为零，只留下两个下角标相同的三个分量，叫作主值。F F F 一、外力和应力外力：塑性加工时，由外部施加于物体的作用力叫外力。可以分为两类：面力或接触力和体积力 面力：作用于物体表面的力，也叫接触力，如作用于物体表面的分布载荷，正压力和摩擦力都是面力。 体积力：作用在物体每个质点上的力，如重力、磁力和惯性力等。注：对于一般的塑性成形过程，体积力可以忽略不计。但在高速成形时，惯性力不能忽略。 应力：在外力的作用下，变形体内各质点就会产生相互作用的力，称为内力。单位面积上的内力称为应力，可采用截面法进行分析。(解释:设在8个外力作用下处于平衡状态,

6、将上半部分移去.) 设Q点处一无限小的面积F上内力的合力为P ，则定义S FPFPddlim0F 为截面F上Q点的全应力，可以分解成两个分量：垂直于截面的正应力和平行于截面的切应力，有222S注：过Q点可以作无限多的切面，在不同方向的切面上，Q点的应力不同。二、直角坐标系中一点的应力状态 坐标面上的应力： 在三个互相垂直的微分面上有三个正应力分量和六个切应力分量； 一般情况下，共有9个应力分量完整地描述一点的应力状态。图 14-3 直角坐标系中单元体的应力分量 zzyzxyzyyxxzxyx 作用在x面上 作用在y面上 作用在z面上 作用方向为 z 作用方向为 y 作用方向为 x 1）应力分量

7、的符号带有两个下角标： 前一个角标表示该应力分量所在的坐标面（用该面的法线命名）； 第二个角标表示应力所指的坐标方向； 正应力分量的两个下角标相同，两个下角标不同的是切应力分量。 切应力互等定理 9个应力分量中只有6个是互相独立的，它们组成对称的应力张量。xzzxzyyzyxxy；2）应力分量有正、负之分： 外法线指向坐标轴正向的微分面叫做正面，反之为负面； 在正面上指向坐标轴正向的应力分量取正号，指向相反方向的取负号； 负面上的应力分量则相反。按此规定，拉应力为正，压应力为负。 任意斜面上的力：已知变形体中一点的互相垂直微分面上的九个应力分量，由静力平衡条件，可求得过该点的任意斜面上的应力。

8、图 14-4 任意斜切微分面上的应力 已知Q点三个互相垂直坐标面上的应力分量ij，过Q点任一斜面ABC（面积为dF）的法线N与三个坐标轴的方向余弦为l，m，n， l=cos(N,x) m=cos(N,y) n=cos(N,z)分析：1）斜面在三个坐标面的投影面积分别为 dFx=ldF；dFy=mdF； dFz=ndF2）设斜面上的全应力为S，它在三个坐标轴方向上的分量为Sx、Sy、Sz，由静力平衡条件， 得：整理得 （14-6,记!） (应力边界条件) 用角标符号简记为0ddddzxyxxFzFFFSyxx 0 xPnmlSnmlSnmlSzyzxzzzyyxyyzxyxxxzyxjilSii

9、jij， 全应力 2222zyxSSSS3）斜面上的正应力 斜面上的切应力为 222 S （14-8） nSmSlSzyx)(2222nlmnlmnmlzxyzxyzyx注：已知过一点9个应力分量，可以求出过该点任意方向微分面上的应力，即这9个应力分量可以确定该点的应力状态。3主应力和主切应力一、主应力主平面：切应力为零的平面称为主平面；主应力：主平面上的正应力叫做主应力；主方向：主平面的法线方向，亦即主应力的方向称为主方向或应力主轴。 S=图 14-5 主平面上的应力 主平面上全应力在三个坐标轴上的投影为nSmSlSzyx与式（14-6）合并整理得0)(0)(0)(nmlnmlnmlzyzx

10、zzyyxyzxyxx （14-10） 其中，l，m，n为未知数，其解为应力主轴方向推导过程不讲!由几何关系则 1222nml （14-11） 0)()()(zyzxzzyyxyzxyxx展开行列式，整理得应力状态特征方程032213JJJ （14-13） 其中 )(2)(222322221xyzzxyyzxzxyzxyzyxzxyzxyxzzyyxzyxJJJ （14-12） 它有一组唯一的实根，即三个主应力主应力的大小由应力状态特征方程得出!二、应力张量不变量尽管应力张量的各分量随坐标而变，但按式（14-12）组成的函数值是不变的，所以J1、J2、J3称为应力张量第一、第二、第三不变量。应

11、力张量的三个不变量表示了一个确定的应力状态其应力分量之间的确定关系。在主轴坐标系中，一点的应力状态只有三个主应力，应力张量为321ij000000 （14-14） 主轴坐标系中斜面上的应力：应力张量的三个不变量为321313322123211)(JJJnSmSlS3322112232222212nmlS232221nml（14-15） 2232221223222221222)(nmlnmlS（14-16）（14-17） 主切应力平面：使切应力达到极大值的平面称为主切应力平面； 主切应力：主切应力平面上所作用的切应力称为主切应力。 在主轴空间中，垂直于一个主平面而与另两个主平面交角为45的平面就

12、是主切应力平面。三、主切应力和最大切应力图 14-6 主切应力平面图 a ） 21, 0nml21, 0nlm21, 0mln a ） 1, 022nml b ）21, 0nml c ）222133132232112（14-18）主切应力平面上的主切应力为 21, 0nml c ）21, 0nlm d ）21, 0mln 主切应力角标表示与主切应力平面呈45相交的两主平面的编号。三个主切应力平面也是互相正交。共三组主切应力平面将l、m、n代入式（14-16）即得最大切应力： 主切应力中绝对值最大的一个称为最大切应力，用max表示。 设三个主应力的关系为 ，则222222133132232112133132232112；231max321主切应力平面上的正应力值和主切应力值（14-19）（14-20）四、等效应力 等效应力：把复杂应力状态的应