弹塑性力学读书报告.doc

一、弹塑性力学发展史(一)弹性力学的发展近代弹性力学，可认为始于柯西(Cauchy，A L)在1882年引进应变与应力的概念，建立了平衡微分方程、边界条件、应变与位移关系。它的发展进程对促进数学和自然科学基本理论的建立和发展，特别是对促进造船、航空、建筑、水利、机械制造等工业技术的发展起了相当重要的作用。柯西的工作是近代弹性力学以及近代连续介质力学的一个起点。之后，世界各国的一大批学者相继做出了重要贡献，使得弹性力学迅速发展起来，并根据实际的需要形成了一些专门分支学科，如热弹性力学，弹性动力学，弹性系统的稳定理论，断裂力学，损伤力学，等等。弹性力学为社会发展、人类的文明进步起了至关重要的作用。交通业、造船、铁路建筑、机械制造、航空航天事业、水利工程、房屋建筑、军事工程等的发展，都离不了力学工作者的贡献。从18世纪开始涌现出了一大批力学家，像柯西、欧拉(Euler L.)、圣维南(Saint-Venant)、纳维(Navier)、克希霍夫(Kirchoff，GR)、拉格朗日 (Lagran8e，J L)、乐甫(Love，AEH)、铁木辛柯(Timoshenkn，SP)及我国的钱学森、钱伟长、徐芝纶、胡海昌等。他们都对弹性力学的发展做出了贡献，他们的优秀著作培养了一代又一代的工程师和科学家。弹性力学虽是一门古老的学科，但现代科学技术的发展给弹性力学提出了越来越多的理论问题和工程应用问题，弹性力学在许多重要领域展现出它的重要性。本书将介绍其基本原理和实用的解题方法。二、弹塑性力学模型在弹塑性力学的研究中，如同在所有科学研究中一样，都要对研究对象进行模拟，建立相应的力学模型(科学模型)。“模型”是“原型”的近似描述或表示。建立模型的原则，一是科学性-尽可能地近似表示原型；二是实用性-能方便地应用。显然，一种科学(力学)模型的建立，要受到科学技术水平的制约。总的来说，力学模型大致有三个层次：材料构造模型、材料力学性质模型，以及结构计算模型。第一类模型属基本的，它们属于科学假设范畴。因此，往往以“假设”的形式比现。“模型”有时还与一种理论相对应；因而在有些情况下，模型”、“假设”和“理论”可以是等义的。1. 材料构造模型(1)连续性假设假定固体材料是连续介质，即组成物体的质点之间不存在任何间隙，连续紧密地分布于物体所占的整个空间。由此，我们可以认为一些物理量如应力，应变和位移等可以表示为坐标的连续函数，从而在作数学推导时可方便地运用连续和极限的概念，事实上，一切物体都是由微粒组成的、都不可能符合这个假设。我们可以想象，微粒尺寸及各微粒之间的距离远比物体的几何尺寸小时，运用这个假设不会引起显著的误差。(2)均匀及各向同性假设假设物体由同一类型的均匀材料组成，则物体内各点与各方向上的物理性质相同(各向同性)；物体各部分具有相同的物理性质，不会随坐标的改变而变化(均匀性)。2. 材料力学性质模型(1)弹性材料弹性材料是对实际固体材料的一种抽象，它构成一个近似于真实材料的理想模型。弹性材料的特征是：物体在变形过程中，对应于一定的温度，应力与应变之间呈 一一对应的关系，它和载荷的持续时间及变形历史无关；卸载后，类变形可以完全恢复。在变形过程中，应力与应变之司呈线性关系，即服从胡克 (Hooke R)规律的弹性材料称为线性弹性材料；而某些金属和塑料等，其应力与应变之间呈非线性性质，称为非线性弹性材料。材料弹性规律的应用，就成为弹性力学区别于其它固体力学分支学科的本质特征。(2)塑性材料 塑性材料也是固体材料约一种理想模型。塑性材料的特征是：在变形过程中，应力和应变不再具有一一对应的关系，应变的大小与加载的历史有关，但与时间无关；卸载过程中，应力与应变之间按材料固有的弹性规律变化，完全卸载后，物体保持一定的永久变形、或称残余变形。部分变形的不可恢复性是塑性材料的基本特征。(3)粘性材料当材料的力学性质具有时间效应，即材料的力学性质与载荷的持续时间和加载速率相关时，称为粘性材料。实际材料都具有不同程度的粘性性质，只不过有时可以略去不计。3. 结构计算模型(1)小变形假设假定物体在外部因素作用下所产生的位移远小于物体原来的尺寸。应用该假设，可使计算模型大力简化。例如，在研究物体的平衡时，可不考虑由于变形所引起的物体尺寸位置的变化，在建立几何方程和物理方程时，可以略天其中的二次及更高次项，使得到的基本方程是线性偏微分方程组。与之相对应的是大变形情况，这时必须考虑几何关系中的二阶或高阶非线性项，导致变形与载荷之间为非线性关系，得到的基本方程是更难求解的非线性偏微分方程组。 (2)无初应力假设假定物体原来是处于一种无应力的自然状态。即在外力作用以前，物体内各点应力均为零。分析计算是从这种状态出发的。 (3)载荷分类作用于物体的外力可以分为体积力和表面力，两者分别简称为体力和面力。 所谓体力是分布在物体体积内的力。例如重力和惯性力，物体内各点所受的体力一般是不同的。为了表明物体内某一点所受体力的大小和方 问，在这点取物体的一小微元体，它包含点 (图11)。 设作用于的体力为，则体力的平均集度为/。如果把所取的这一小部分物体不断减小，则和/都将不断地改变大小、方向和作用点。现在，假定体力为连续分布，则无限减小而趋于点则将趋于定的极限。即 这个极限矢量就是该物体在点所受体力的集度。由于是标量，所以的方问就是的极限方向。矢量在坐标轴上的投影称为该物体在点的体力分量，以沿坐标轴正方向时为正，它们的因次是力长度。所谓面力是分布在物体表面上的力。如风力、流体压力、两固体间的接触力等。物体上各点所受的面力一般也是不同的。为了表明物体表面上一点所受面力的大小和方向，可仿照对体力的讨论，得出当作用于面积上的面力为，而面力的平均集度为，微小面无限缩小而趋于点时的极限矢量，即 矢量在坐标轴上的投影称为点的面力分量，以沿坐标轴正方向时为正，它们的因次是力长度。作用在物体表面上的力都占有一定的面积，当作用面很小或呈狭长形时，可分别理想化为集中力或线分布力。三、弹塑性力学问题的研究方法弹塑性力学问题的研究方法可分为三种类型：(1)数学方法就是用数学分析的工具对弹塑性力学边值问题进行求解，从而得出物体的应力场和位移场等。在材料力学中求解超静定问题时，从静力平衡、变形几何关系和应力应变物理关系三个方面来建立求解超静定问题的基本方程，用“应力法”或“位移法”来求解各种具体超静定问题。 上述方法对于分析弹塑性力学问题同样是适用的。因为弹塑性力学的基本内容，同样可归结为建立基本方程，根据基本方程求解各类具体问题。建立弹塑性力学的基本方程所采用的方法同材料力学相比更般化了。它不是对某个构件或结构建立方程，而是对从物体中截取的单元体建立方程，由此建立的是偏微分方程，它适用于各种构件或结构的弹性体。一般来说，在外力作用下，弹塑性体内部各点的应力、应变和位移是不同的，都是位置坐标的函数。这些函数关系只用平衡条件是不能求得的，所以，任何弹塑性力学问题均为超静定问题，必须从静力平衡、变形几何关系和应力应变物理关系三个方面来考虑。即对单元体用静力学条件，得到组平衡微分方程；然后考虑变形条件，得到组几何方程，最后再利用材料的物理关系，称之为本构方程得到表示应力与应变关系的物理方程。此外，在弹塑性体的表面上，还必须考虑体内的应力与外载荷之间的平衡，从而得到边界条件。根据边界条件求解上述方程便得各种具体问题的解答。这就是说，可根据足够数目的微分方程和定解条件，来求解未知的应力、应变和位移。因此，在用弹塑性力学的方这种方法要解含未知量的偏微分方程，对很多问题的精确求解难度很大，故常采用近似解法。例如，基于能量原理的变分方法，其中主要是里茨(Ritz，w)法，伽辽金(Galerkin，BG)法等。对于弹性力学问题，还有所谓的逆解法和半逆解法。另一种数学方法是数值方法。特别是广泛应用电子计算机以后，数值方法对大量的弹性力学问题十分有效。在数值方法中，常见的有差分法、有限元法及边界元法等。目前已广泛应用于弹塑性力学的各类问题的计算中。尤其是塑性力学方程是非线性的，因而在应用近似计算方法方面引起人们的注意。近年来由于计算技术的发展，应用增量理论进行近似计算的讨论己比较多。目前有限元法在弹塑性理论已广泛应用，可以顶计用有限元法和其他数值计算万法进行弹塑性应力分析将有广阔的前途。(2)实验方法就是利用机电方法、光学方法、声学方法等来测定结构部件在外力作用下应力和应变的分布规律，如光弹性法、云纹法等。(3)实验与数学相结合的方法 这种方法常用于形状非常复杂的弹塑性结构。例如对结构的特殊部位的应力状志难以确定，可以用光弹性方法测定，作为已知量，置入数值计算中，待别是当边界条件难以确定时，则需两种方法结合起来，以求得可靠的解答。四、基本思想及理论1 科学的假设思想人们研究基础理论的目的是用基础理论来指导实践，而理论则是通过对自然、生活中事物的现象进行概括、抽象、分析、综合得来，在这个过程中就要从众多个体事物中寻找规律，而规律的得出一般先由假设得来，弹塑性力学理论亦是如此。固体受到外力作用时表现出的现象差别根本的原因在于材料本身性质差异，这些性质包括尺寸、材料的方向性、均匀性、连续性等，力学问题的研究离不开数学工具，如果要考虑材料的所有性质，那么一些问题的解答将无法进行下去。所以，在弹塑性力学中，根据具体研究对象的性质，并联系求解问题的范围，忽略那些次要的局部的对研究影响不大的因素，使问题得到简化。（1）连续性假定整个物体的体积都被组成物体的介质充满，不留下任何空隙。使得、u 等量表示成坐标的连续函数。（2）线弹性假定（弹性力学）假定物体完全服从虎克（Hooke）定律，应力与应变间成线性比例关系。（3）均匀性假定假定整个物体是由同一种材料组成 的，各部分材料性质相同。这样弹性常数（E、）等不随位置坐标而变化，取微元体分析的结果就可应用于整个物体。（4）各向同性假定（弹性力学）假定物体内一点的弹性性质在所有各个方向都相同，弹性常数（E、）不随坐标方向而变化；（5）小变形假定假定位移和形变是微小的，即物体受力后物体内各点位移远远小物体的原来的尺寸。可用变形前的尺寸代替变形后的尺寸，建立方程时，可略去高阶微量；。2 应力状态理论应力的概念的提出用到了数学上极限的概念，定义为微小面元上的内力矢量。在微观层面，我们研究的是一点的应力状态。在宏观层面，根据物体所受的面力和体力以及其与坐标轴的关系，将物体的应力状态分为平面应力问题、平面应变问题及空间应力问题。平面应力问题是指物体在一个方向上的尺寸很小，且外荷载沿该方向的厚度均匀分布（如矩形薄板）；平面应变问题则是物体在一个方向上的尺寸很大，外荷载沿该方向为常数（如水坝）。空间应力问题则是一般普遍的情形。对应力的分析应用静力学的理论可以得到求解弹塑性力学的平衡微分方程。以下是空间问题的平衡微分方程。3 应变状态理论在外力、温度变化或其他因素作用下，物体内部各质点将产生位置的变化，即发生位移。物体内各质点发生位移后，如果仍保持各质点间初始状态的相对位置，则物体仅发生刚体位移，如果改变了各点间初始状态的相对位置，则物体还产生了形状的变化，包括体积改变和形状改变，物体的这种变化称为物体的变形。在弹塑性力学中，用应变的概念来描述物体变形，在已知物体位移的情况下，通过几何学工具，结合小变形假设条件，可推导出求解弹塑性力学的几何方程。4 本构理论：本构理论探讨的是物体受到外力作用时应力与应变之间的关系，这是研究弹塑性力学非常重要的理论。对物体应力应变关系的研究首先总是通过实验的手段得来，当我们发现物体处于线弹性阶段时，应力与应变的关系可以通过胡克定律来描述，具体而言又可分为各向同性材料、各向异性材料、对称性材料等。当受力物体某点的应力状态满足屈服条件是，该点已经进入塑性阶段，此时应力与应变不再呈现出线性关系，对于该点弹性本构关系不再适用。在塑性阶段，应变状态不但与应力状态有关，而且还依赖于整个应力历史（应力点移动的过程），由于应力历史的复杂性，很难建立一个能包括各种变形历史影响的全量形式的塑性应力-应变关系，只能建立应力与应变增量之间的塑性本够关系。当结构材料进入塑性状态之后，应力点位于屈服面上，此时材料的应力-应变关系将根据加载与卸载的不同情况而服从不同的规律。若为卸载，则施加的应力增量将使应力点从屈服面上回到屈服面内，增量应力与增量应变之间仍服从胡克定律。若为加载，则所施加的增量应力将使应力点在屈服面上移动或移动到新的屈服面上，此时材料的本构关系服从增量理论。当个应变分量自始至终都按同一比例增加或减少时，应变强度增量可以积分求得应变强度，从而建立全量理论的应力应变关系5 边界条件（圣维南原理）边界条件表示在边界上位移与约束，或应力与面力之间的关系式。边界条件分为应力边界条件、位移边界条件、混合边界条件，求解弹性力学问题时，使应力分量、形变分量、位移分量完全满足8个基本方程相对容易，但要使边界条件完全满足，往往很困难。这时，圣维南原理可为简化局部边界上的应力边界条件提供恒大的方便。圣维南原理描述如下：如果物体一小部分边界面上的面力是一个平衡力系（主矢量及主矩都等于零），那么这个面力就会使近处产生显著的应力，而远处的应力可以不计。应力边界条件 位移边界条件 混合边界条件 一部分边界给定力，一部分边界给定位移