книги / Проектирование стальных мостов с учетом пластических деформаций
..pdfТеории скольжения, выдвигаемые иногда как самостоятельные теории пластичности, являются частными случаями теории течения для тел с сингулярной поверхностью текучести [18]. Необходимо дополнительно отметить, что существуют многочисленные задачи [28], где деформационная теория дает результаты достаточно близ кие к результатам по теории течения, как более точной.
Метод у п р у г и х ре ш е н и й, предложенный А. А. Ильюши ным для задач деформационной теории пластичности, позволяет свести нелинейную задачу к последовательности линейно упругих задач [17]. Для этого метода известны основные варианты — допол нительных нагрузок [17] и переменных параметров упругости 16).
Решать необходимо уравнение малых упругопластических де формаций [28];
2 G |
G |
при 'ф = 3бв;/<7| = а, /(7|, (3.1) |
<*х—ао = — (в*—б0); |
тху = — у Ху\ |
|
где ф — функция |
пластичности в точке; от*, е* — интенсивности напря |
|
жений и деформаций в рассматриваемой точке; о/, а,- — интенсивности на пряжений в упругом и упругопластическом телах при одинаковой интенсив ности деформаций.
Функцию пластичности в точке можно выразить через интенсив ность пластической деформации eip в той же точке:
3
2 <т*(1+ц)
Для простых случаев диаграмм деформирования интенсивность напряжений в точке может быть, в свою очередь, выражена через интенсивность пластической деформации. Например, для диаграммы с линейным упрочнением с модулем Е' и параметром разупрочнения К = 1 — ЕЧЕ получим
<7j= £’ [б?—В£р (1 — I/À,)],
где 8Т — деформация, соответствующая пределу текучести (точка пере лома на диаграмме).
Для диаграммы Прандтля = £ sT. Необходимо отметить так же метод у п р у г о п л а с т и ч е с к и х решений задач теории пластичности, предложенный А. Д. Поспеловым [86]. Сущность его заключается в следующем. В первом приближении решается уп ругая задача и определяются зоны пластических деформаций. Во втором приближении дополнительные нагрузки прикладывают к те лу с переменными параметрами упругости, вычисленными на осно ве первого приближения. Третье и последующие приближения вы полняют по методу дополнительных нагрузок. Данный метод повы шает сходимость приближений.
Д о п о л н и т е л ь н ы е н а п р я ж е н и я в методе допол нительных нагрузок можно выразить через составляющие пластичес кой деформации в точке. Для упругих напряжений, соответствую-
Щих заданным пластическим деформациям, имеет место соотноше ние:
о*— aJ=2G (sx—е0).
С другой стороны, в упругопластическом состоянии зависимость между деформациями и напряжениями имеет вид:
|
|
|
3&1 |
|
|
|
|
— е0 — 0 |
I0*- •До). |
|
|
|
|
|
|
Зе; |
|
|
|
Тогда о*— aj = 20 —— (ож—а0). |
|
||
Пользуясь зависимостью для |
пластических деформаций гхР = |
||||
— J |
• |
(ах — То), а также учитывая, что я|> = |
3G е{/<j|, получим |
||
новое выражение для упругих напряжений: |
|
||||
|
|
|
2 |
&хр |
|
Если это уравнение умножить на величину |
(1—1/яр), получим |
||||
значения дополнительной нагрузки |
|
||||
|
|
(! — ^ ) K - ° S ) = - |
Т н Г £кр’ нлн 5*=< 1+Н> Sicри> |
||
при |
этом я]) = 1+ 3 £ егр/[2<т; (1 + |
р)]. |
|
||
Аналогично для касательных напряжений |
|
||||
|
|
Txyz |
Е |
|
|
|
|
2 (1+р) Ухур » |
|
||
Внося полученные значения дополнительных напряжений в вы ражение для интенсивности напряжений, будем иметь [50]
~ЗЕ
(32)
П е р е м е н н ы е п а р а м е т р ы упругости в методе пере менных параметров упругости можно выразить через интенсивность пластической деформации в точке [50]:
Е* = |
--------------Е |
G*= |
---------------------G - |
ц*= |
------------------2\L+Eeip!<ji |
(з Q) |
|
l+ E B t p /ü i |
|
i + ZGziploi ’ |
* |
2 (l-\- Esiploi) |
|
Используя формулы (3.2) и (3.3), устанавливаем связь между рас сматриваемыми вариантами метода упругих решений:
Е* = - |
Е |
G* = - |
G |
1+2 (1+р) Gi/(30i) |
|
||
|
l+Oi/Oi |
||
(3.4)
! (о,£
а в случае диаграммы Прандтля (сг* = ат, р = 0,5):
Е** |
; G* = ----— |
Î р.ф = 0 ,5 . |
(3.4,а) |
l-f- (J lо? |
1 + а*/сгт |
Выражения (3.4) и (3.4, а) получены, по-видимому, впервые в 1975 г. [50].
Приведенные выражения для переменных параметров упругости совпадают со значениями, данными А. И. Биргером [6], если значе ние интенсивности пластической деформации принять в виде
е*р = 2 М ф - 1 )(1 + р)/(ЗЕ).
Возможность представлять дополнительные напряжения и пере менные параметры упругости в функции пластической деформации позволяет обобщать известные варианты метода упругих решений.
3.2.ФОРМЫ ЗАВИСИМОСТИ МЕЖДУ НАПРЯЖЕНИЯМИ
ИДЕФОРМАЦИЯМИ. КОМБИНИРОВАННЫЙ МЕТОД ДЕФОРМАЦИОННОЙ ТЕОРИИ ПЛАСТИЧНОСТИ
Механическое поведение материалов в макроскопическом масшта бе принято описывать с помощью деформации, вызванной приложе нием к телу напряжений,[изменением температуры и т. д. Упругие и пластические деформации в известной мере отражают свойства твер дых тел и в значительной степени зависят от их структуры. В общем случае необходимо иметь зависимость между интенсивностью напря жений и интенсивностью деформаций. Если принять р = 0,5, то последняя совпадает с диаграммой растяжения.
Истинные д и а г р а м м ы р а с т я ж е н и я , которые ис пользуются в расчетах, могут иметь различную форму в зависимости от свойств материала, а также степени схематизации диаграмм. На иболее простая зависимость между а и в — это диаграмма Прандтля (рис. 3.1, а), которую можно применять в расчетах для строитель ных сталей. При этом’ деформация в = вт + ер, где ер — пласти ческая деформация, а а = ат при Вр^О. Для высокопрочных ста лей необходим учет упрочнения, что отражается диаграммой
Рис. 3.1. Диаграммы деформирования стали
растяжения. Диаграмма с линейным упрочнением изображена на рис. 3.1, б. Выражение для деформации в этом случае имеет вид е =
= ет + еР/Х (где |
%= |
1 — ЕЧЕ — параметр |
разупрочнения), |
а о = Е [ет — ер (1 — 1/Я)] |
при гр Ф 0. В общем случае (рис. 3Л, в) |
||
диаграмма а — е |
может |
иметь криволинейный |
характер и зада |
ваться по форме таблицы или аппроксимироваться тем или иным способом, например, сплайн-функциями. Выражения для полной де формации (через значение пластической и предел текучести) при этом может быть весьма сложным.
Часто |
для зоны упрочнения принимают зависимость а = ат X |
X (е/8т)т , |
где т — постоянный для данного материала коэффициент |
( O s ^ m ^ l ) . |
Одной из |
общих зависимостей, |
справедливой для |
|||
всех значений |
8, следует |
считать формулу |
Рамбер га — Осгуда: |
|||
|
|
а = Е (е+/Се^) |
|
|
||
ш ( - * = ! ) |
|
|
|
Ol |
^2 |
|
при N = 1 |
Vщ —i / |
к |
ml — 1 |
mL= |
||
!п (8t/82) |
|
е^- 1 |
’ |
Est 9 m2 EBZ 9 |
||
где E — модуль упругости Юнга; <rlt ei и <J2, e2 — координаты некоторых двух точек диаграммы в зоне упрочнения.
Пример реальной диаграммы растяжения для стали 15ХСНД при веден на рис. 3.2, а, где показан начальный участок, наиболее важ ный для расчетов в упругопластической стадии. Очевидно, что в данном случае целесообразно для расчетов принять диаграмму Прандтля. Обозначенная на оси е£ пластическая деформация &р =
=0,0025 дает представление о ее реальных размерах по сравнению
супругой, соответствующей тому или иному уровню напряжений:
R = 290 МПа — расчетное |
сопротивление, |
R a = |
350 МПа — |
|
нормативное сопротивление, |
crmai = ат = |
448 МПа — максималь |
||
ное напряжение в рассматриваемом случае |
при |
sp = |
0,0025. За ис |
|
ходную величину для записи выражения диаграммы а — е целесо образно принять пластическую деформацию, соответствующую то му или иному значению напряжения. Считая, что часть ер1 = V E P об щей пластической деформации идет на изменение модуля, выраже
ние диаграммы а — е можно |
записать в виде |
(рис. 3.2, б): |
|
а = а\ —âj |
(3.5) |
при о* = Я ; е, Е; = Е |
"i e „ i= v eP; 5 i - |
|
= Е* ер (I —v), ер2= (1 —V) ер ,
где of — некоторое упругое напряжение в точке; £* — секущий пере менный модуль, определяемый по величине epi (npnv == 1 получается значе-
чение обычного секущего модуля); — пластическая деформация; ох — дополнительное напряжение, определяемое по величине epj; ъря — пласти
ческая деформация (при v = 0 получается значение обычного дополнитель ного напряжения).
Предлагаемое выражение (3.5) служит наиболее общим представ лением диаграммы о — в при использовании метода упругих.реше ний и отражает комбинированный метод решения задач деформа ционной теории пластичности. Для диаграммы Прандтля выраже ние (3.5) примет вид:
|
|
" - ' ' ' ‘' - ' ’И’ |
где ет — деформация, |
соответствующая пределу текучести. |
|
При v = |
1 (метод |
переменных параметров упругости) имеем |
а = е£У(1 + |
бр/вт); при v = 0 (метод дополнительных нагрузок) |
|
имеем а = Е (в — вр). |
|
|
Ф и з и ч е с к у ю |
с у щ н о с т ь рассматриваемых методов |
|
решения уравнений теории пластичности можно сформулировать так: происходящее под нагрузкой в упругопластической стадии изменение механических свойств материала, характеризуемое ин тенсивностью пластической деформации sip в точке, можно «ком пенсировать» (при применении упругих методов решения) измене нием параметров упругости в точке или же приложением в этой точ ке дополнительного напряжения. Если использовать свойство ад
дитивности |
пластических деформаций, |
например, представляя |
вгр1 X егр2 = |
вгр, то можно одну часть |
пластической деформации |
e£pii = vQ p направить на изменение параметров упругости, à дру гую eip2 = (1 — v) siP — на создание дополнительных напряже ний (нагрузок), прикладываемых к телу с переменными параметрами упругости.
Предположим, что упругое тело имеет параметры упругости Е*, GÏ, р.*, меняющиеся от точки к точке, и найдем при этом напряжения
3 Зак. 1673 |
65 |
oîi, . . . , r xyl, |
..., соответствующие деформациям |
s*,..., |
уп- |
|
ругопластического состояния: |
|
|
|
|
0Ï, = |
2GJ (вас—в0) + |
«o' •••<„!= |
Gî Ухи\ ... |
(3.6) |
1-2|XÏ
Сдругой стороны, в упругопластическом состоянии напряже ния и деформации связаны зависимостями [28]
о* — |
2G , |
, . |
Е |
G . |
(3.7) |
^ (е*—е0) + |
j _ 2[i е0; . .. т* у = |
^ .у*»: |
|||
ЗЕ&1р |
|
] |
|
|
|
при ф= 1+ - - |
+ - |
е0 = = т {гх+ в у+ г 2). |
|
|
|
Вычитая из уравнений (3.7) выражение (3.6), после преобразова |
|||||
ний получим: |
|
|
|
|
|
°х = |
aî i +*0*1; • • • ; хху=ъ*Ху\ + T *yi.«. » |
(3.8) |
|||
где ax î,..., ^ |
. . . —дополнительные напряжения, |
прикладываемые к те |
|||
лу с переменными параметрами упругости Ег*, GJ, fij и определяемые равен ствами:
£*, б*, HÎ — переменные параметры упругости, определяемые по части (е^Р1 = veip) общей пластической деформации в точке. При этом:
£ . _______g |
_______G |
. 2\i+ E w lpla { |
|||
1 |
l + |
£ve{p/CTt ’ |
1 _ l+ 3G veiP/ffj ' |
2 (I + |
Evejp/0 j) ' |
|
0 ^ |
= - ^ - (CT*J + |
a * , + а* ,), a также G*= E*/[2 (1 |
+ ^*)]; |
|
£ J /( l - 2nJ) = g / ( l - 2n).
Напряжения в упругопластической стадии можно выразить че рез напряжения в условном упругом теле с параметрами Е\, GJ, l1* в другой форме:
0*= |
|
G |
G . |
||
° x l - |
( |
:т **= ^ |
т^> ■• • (3.9) |
||
|
|||||
Напряжения а*,..., та1,,...., упругопластического состояния |
|||||
должны удовлетворять уравнениям равновесия |
|
||||
|
дох |
дтху |
дХхг fX = 0; .... |
|
|
|
дх |
+ ду, |
|
||
|
дг |
|
|||
где X , ... — составляющие объемной силы.
Подставляя в эти уравнения выражения (3.8), получим
K L_ |
д2 т _ |
дххг\ |
|
при Х г — |
|
дх |
ду |
|
-X-{-Xi = Q; ... |
||
|
дг |
|
|
||
|
dCFx |
дъху1 |
дхxzj |
(ЗЛО) |
|
|
дх |
ду + |
дг |
||
|
|
||||
где Xj,... — составляющие |
|
дополнительной объемной силы, приклады |
|||
ваемые к телу с переменными параметрами упругости |
pj. |
||||
Напряжения |
х ху |
упругопластического состояния должны |
|||
также удовлетворять граничным условиям на |
поверхности телах |
||||
*х t + т Лу т + х хг п = х а ;..
где /, т, п — направляющие косинусы внешней нормали поверхности; Ха ...— составляющие поверхностной нагрузки.
Внося в эти выражения значения напряжений по уравнениям (3.8), найдем
С*1 1+ Т*ху\ т+х1г1п = Х а + Х а1; ...» |
(З.И) |
|
где Xal = — {Oipl+xxyi m + x xzln), |
составляющие дополнительной |
|
поверхности нагрузки, прикладываемые к телу с переменными параметрами упругости Gl, p ï.
Поскольку значения переменных параметров упругости, а так же дополнительных напряжений, зависят от искомого напряжен ного (деформированного) состояния, при решении задач использу
ют метод последовательных приближений. |
|
метода |
||
Рассмотрим применение к о м б и н и р о в а н н о г о |
||||
более подробно. |
|
|
|
|
В первом приближении решаем упругую задачу (eip = О, |
= |
|||
= Е, G* = G, pî<^ = р). На |
основе упругого расчета в каждой |
|||
точке находим напряжения aJW, |
хх^ \ |
интенсивности на |
||
пряжений и деформаций |
|
|
|
|
а;<‘>= V |
|
|
'(I) |
|
[(aM,) _ aMi,)2 + ...]./2;e;<.) = |
|
|||
На кривой деформирования откладываем значение е*<х>, по которому определяем интенсивность напряжений о ^ для упру гопластической стадии в первом приближении. Пластическая де формация первого приближения sip — е*<х>— ail>/£, а функция пла стичности в точке ф<х>= 1 + 3£еЙ,Л2о/1> (1 -Ь ц)1. Напряжения первого приближения в упругопластическом теле:
Во втором приближении находим новые параметры упругости £ï<2), (3[<2>, |д,*<2>, вычисляя их по части пластической деформации vejp\ и дополнительные напряжения
- > » > |
( |
G_________Л с д * ( 1 ) |
Q* 0 ) \ |
. 7 ( 2 ) = |
||
x l |
у |
^и)о|<8> |
J' * |
|
0 |
w |
|
|
- ( — |
— |
Л , - |
|
|
|
|
[ v ' > o ; « > |
J |
™ ......... |
|
|
Далее решается упругая задача с измененными значениями па раметров упругости и дополнительными нагрузками объемными и поверхностными. Из упругого расчета во втором приближении находим: напряжения о*\2\ интенсивности напряжений и деформаций
Используя кривую деформирования, определяем новое значение oj2) в упругопластической стадии по величине e?i<2). Находим плас
тическую деформацию второго приближения е$Р = |
e?i*2> |
— о\2)/Е, |
а также величину ф<2>= 1+ ЗЕе/р7[2о*а> (1 + |
р)1. |
Напряже |
ния второго приближения в упругопластическом теле: |
|
|
Заканчивают процесс последовательных приближений тогда, когда получат результаты двух последних приближений достаточно близкими.
Проиллюстрируем применение комбинированного метода на при мере и з г и б а б а л к и прямоугольного сечения. Будем счи тать известным распределение общих и пластических относительных деформаций в сечении.
В соответствии с методом упругих решений, в форме комбиниро ванного метода, для напряжений в упругопластической стадии име ем (для диаграммы Прандтля)
|
o= ol—ci |
при = |
El — El{\ + veP), ёр= е р/ет , a1 = aT8P (1 —v ) / ( l + v ê p), |
где aj —■напряжения в упругом теле с переменным модулем Е \ и при
деформациях, равных деформациям упругопластического состояния; — дополнительные напряжения, прикладываемые к упругому телу с перемен ным модулем Е \.
Для прямоугольного сечения на рис. 3.3. дано распределение по высоте сечения общих деформаций е, напряжений а*, модуля Е\
и дополнительных напряжений о* при значениях v = 1 (метод пере-
менных параметров упругости), v = 0,5 (комбинированный |
метод) |
и V = 0 (метод дополнительных нагрузок). Все три варианта |
метода |
упругих решений дают одинаковую эпюру напряжений а в упруго пластическом теле, имеющем деформации е.
Для кривизны в сечении, нагруженном моментом |
М пл > Мт, |
||
комбинированный метод дает следующую зависимость |
|
||
Р |
Муя+ АМх при Л Mi = а т(I —-v) |
Г _ 8р£_ |
dF, (3.12) |
EJ\|>щ |
J 1+ V8p |
|
|
'Фщ - т Ь + —veP dF%
где ДМХ— дополнительный момент в поперечном сечении; |
— функ |
ция пластичности для поперечного сечения. |
|
Для прямоугольного сечения при вртах = 1 на рис. 3.4 приведе ны зависимости АМ г и фн1 от значения 0 ^ v ^ 1, при этом интег ралы вычислены численным методом. При v = О (метод дополни
тельных нагрузок) АМ[ = AM Ф 0, а фи1 = 1 ; для v = 1 (метод переменных параметров упругости) АМХ — 0, a фп1 = фи < 1.
Проведем интегрирование функций АМг и фи1 для прямоуголь ного сечения. Обозначим высоту зоны по одну сторону от горизон тальной оси через Аупр. Относительную высоту упругой зоны обо
значим /с = 1/(1 -|- ершах)* Учитывая это, запишем выражение для функции пластичности:
Фш. - T J г""’+ т |
I |
-dF + |
гупр |
'пл.в (l - |
v ) + J упр |
т |
I |
1 -----г |
|
|
|
|
|
|
|
.в (1_v) “ |
|
|
|
|
|
||
|
|
«упр |
|
|
|
|
|
|
—4(1—v) ^1—v+ -^ -j+ 2 (1—■v)2ln^l— v+ ~ j + 4 |
|
(1—v) — lj}. |
||||||
При v = |
1 (метод переменных параметров упругости) |
|||||||
|
К3 |
"Ъ |
з |
____ |
|
|
|
|
|
"фи= g |
|
1^3 2с , с = М Пп1М?. |
|||||
Для дополнительного момента выражение имеет вид: |
||||||||
|
ДМ1= а т (1—v)T Г |
z (г!Аудр—1) |
|
•dF+ |
||||
|
—^ |
|
|
|||||
|
|
|
J |
(I—v)+ \zl/iynp |
|
|
||
|
|
|
L^nn, в |
|
|
|
|
|
+ г |
(1—v)—Тг/Йудр |
7 ^ = М т /с2- |
Г Л - . + — У - |
|||||
J |
|
|
2V3 |
L\ |
«•/ |
|||
nji» и |
|
|
|
|
|
|
|
|
—4(1—v ) ^ l - v + - ^ - j + 2 ( l - v ) a ln (1- |
V + V/K) + 4(1—v)— lj . |
|||||||
При v = 0 (метод дополнительных нагрузок)
ДЛ4=Л4т ( - ^ - + ^ - - | - ) = Л4т ( ^ 7=4=г - |
с) приС= - ^ |
3—ка |
|
2 ' |
|||
|
|
||
В практических расчетах видимо более |
целесообразно величины |
||
Фи1 и AMt определять численным методом. |
|
||
3.3. ОЦЕНКА СХОДИМОСТИ КОМБИНИРОВАННОГО МЕТОДА
Для оценки сходимости метода упругих решений важно знать как изменяется отношение фактической максимальной пластичес кой деформации к той же деформации, но определяемой из первого приближения метода упругих решений.