岩土弹塑性力学(中南大学课件)
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弹塑性力学课件-塑性基本概念
ij yxx
xy y
xz yz
11 21
12 22
13
23
zx zy z 31 32 33
（4-1）
由于剪应力的互等性， yx xy zx xz zy yz
3.1应力—应变曲线的理想化模型
（1）理想弹性（perfectly elastic） （2）理想刚塑性（rigid-perfectly elastic） （3）刚—线性强化（rigid-linear strain-hardening） （4）理想弹塑性（elastic-perfectly plastic） （5）弹—线性强化（elastic-linear strain-hardening）
1.3静水压力实验
所谓静水压力就如同均匀流体从四面八方将压力作用于物体。 （1）体积变化 体积应变与压力的关系 (Bridgeman实验公式)
体积压缩模量 派生模量
铜：当p＝1000MPa时，ap＝ 7.31×10-4，而bp2＝2.7×10-6。 说明第二项远小于第一项，可以 略去不计。
Bridgeman的实验结果表明， 静水压力与材料的体积改变之 间近似地服从线性弹性规律。 若卸除压力，体积的变化可以 恢复，因而可以认为各向均压 时体积变化是弹性的，或者说 塑性变形不引起体积变化。试 验还表明，这种弹性的体积变 化是很小的，因此，对于金属 材料，当发生较大塑性变形时， 可以忽略弹性的体积变化，即 认为在塑性变形阶段材料是不 可压缩的。
s
n1
一般加载规律
( ) E[1 ( )]
A
其中
( )
岩土弹塑性力学教学课件(共13章)第3章_应变状态
§3.1 应变状态11
• 三个刚性转动分量及6个应变分量合在一起，才全 面反映了物体变形
xyz x y z xy yz zx
B
B’’ 刚性转动
B’’’
B’
变形
A 刚性平动 A`
§3.1 应变状态12
• 工程应变： ln l0
l0
变形后长度 原始长度
不适用于大变形
• 自然应变/对数应变：
在塑性变形较大时，用-曲线不能真正代表加载和变形的状态。
x y z
• ——弹性体一点的体积改变量
• 引入体积应变有助于简化公式。
• 大于零表示体积膨胀，小于零体积压缩。
• 注意：土力学中塑性体应变符号约定相反。
§3.2 主应变与应变主方向8
应变Lode参数: 为表征偏量应变张量的形式，引入应变Lode参数：
22 3 1 3
1
(1.66)
如果两种应变状态με 相等，表明它们所对应的应变莫尔圆 相似，也即偏应变张量的形式相同。
Vz y
;
zx
Vz x
Vx z
;
§3.3 应变率张量 2
小变形情况下，应变速率分量与应变分量间存在如下关系:
x
Vx x
du x dt
d dt
u x
x
u x
y
Vy y
dv y dt
d v
dt
y
y
v y
z
Vz z
z
dw dt
d w dt z
z
w z
线应变速率
j
Vj,i )
(1.56)
§3.3 主应变与应变主方向 4
由于时间度量的绝对值对塑性规律没有影响，因
弹塑性力学基础知识复习 PPT课件
2 静力学公理
公理1 二力平衡公理 作用在刚体上的二力使刚体平衡的充要条件是：大小相等、
方向相反、作用在一条直线上。 必须指出，这个公理只适用于刚体。对于变形体来说，公
理1给出的平衡条件是不充分的。工程上常遇到只受两个力作 用而保持平衡的构件，称为二力构件或二力杆。根据公理1， 作用于二力构件上的两力必沿两力作用点的连线。如图1-2所 示。
如果作用于刚体上的一力系可用另一力系来代替，而不改 变刚体的运动状态，则此两力系称为等效力系(equivalent force system)，记为 (F1, F2, , Fn ) (G1,G2, ,Gm )
如果一个力与一个力系等效则这个力称为该力系的合力 (resultant force)，原力系中的各个力称为其合力的分力 (component force)。
图 平面力系简化为合力
第四节 空间力系的平衡方程及其应用
1 空间力系的平衡方程 由空间力系的简化理论和简化结果知，空间力系平衡的必
要与充分条件为：力系向任一点简化的主矢和主矩都等于零。 即
F 0 Mo 0
根据公式(2-26)和(2-27)，其平衡条件还可以等价写为：
n
F Fi 0
应力 应变
lim pm
A0
F A
正应力 切应力
线应变
x
du dx
切应变 xy
轴向拉压 1、强度校核 2、截面设计
max
FN A
max
FN m ax A
A
FN max
3、确定许可载荷 FN A
l
FNi li
i 1
公理1 二力平衡公理 作用在刚体上的二力使刚体平衡的充要条件是：大小相等、
方向相反、作用在一条直线上。 必须指出，这个公理只适用于刚体。对于变形体来说，公
理1给出的平衡条件是不充分的。工程上常遇到只受两个力作 用而保持平衡的构件，称为二力构件或二力杆。根据公理1， 作用于二力构件上的两力必沿两力作用点的连线。如图1-2所 示。
如果作用于刚体上的一力系可用另一力系来代替，而不改 变刚体的运动状态，则此两力系称为等效力系(equivalent force system)，记为 (F1, F2, , Fn ) (G1,G2, ,Gm )
如果一个力与一个力系等效则这个力称为该力系的合力 (resultant force)，原力系中的各个力称为其合力的分力 (component force)。
图 平面力系简化为合力
第四节 空间力系的平衡方程及其应用
1 空间力系的平衡方程 由空间力系的简化理论和简化结果知，空间力系平衡的必
要与充分条件为：力系向任一点简化的主矢和主矩都等于零。 即
F 0 Mo 0
根据公式(2-26)和(2-27)，其平衡条件还可以等价写为：
n
F Fi 0
应力 应变
lim pm
A0
F A
正应力 切应力
线应变
x
du dx
切应变 xy
轴向拉压 1、强度校核 2、截面设计
max
FN A
max
FN m ax A
A
FN max
3、确定许可载荷 FN A
l
FNi li
i 1
工程弹塑性力学课件
工程弹塑性力学课件
目 录
• 弹塑性力学基础 • 弹性力学基本理论 • 塑性力学基本理论 • 工程应用实例 • 工程弹塑性力学展望
01
弹塑性力学基础
弹塑性力学定义
弹塑性力学
弹塑性力学是一门研究材料在弹 性极限和塑性极限内应力、应变 行为的科学。它广泛应用于工程 领域，为各种结构设计和分析提
供理论基础。
有限差分法
将物体的位移表示为离散的点的 差分形式，通过求解这些点的位 移来近似求解整个物体的位移。
边界元法
将物体的边界离散化为有限个小 的单元，通过求解这些单元的力 学行为来近似求解整个物体的边 界力学行为。
03
塑性力学基本理论
塑性力学基本概念
01
02
03
塑性力学
塑性力学是研究材料在达 到屈服点后，发生不可逆 变形时行为和特性的学科 。
边界元法
通过在边界上离散化求解微分方程的方法，可以减少未知数的数量 ，提高求解效率。
有限差分法
将微分方程转化为差分方程，通过迭代求解的方法得到近似解。
04
工程应用实例
桥梁工程弹塑性分析
总结词
桥梁结构稳定性
详细描述
桥梁工程弹塑性分析主要关注桥梁结构的稳定性，通过分 析桥梁在不同载荷下的弹塑性响应，评估其承载能力和安 全性。
总结词
材料非线性
详细描述
桥梁工程中的材料多为金属或复合材料，这些材料的弹塑 性行为呈现出非线性特征。在分析过程中，需要考虑材料 在不同应力水平下的弹塑性变形和破坏。
总结词
结构优化设计
详细描述
基于弹塑性分析的结果，可以对桥梁结构进行优化设计， 提高其承载能力和稳定性，同时降低制造成本和维护成本 。
目 录
• 弹塑性力学基础 • 弹性力学基本理论 • 塑性力学基本理论 • 工程应用实例 • 工程弹塑性力学展望
01
弹塑性力学基础
弹塑性力学定义
弹塑性力学
弹塑性力学是一门研究材料在弹 性极限和塑性极限内应力、应变 行为的科学。它广泛应用于工程 领域，为各种结构设计和分析提
供理论基础。
有限差分法
将物体的位移表示为离散的点的 差分形式，通过求解这些点的位 移来近似求解整个物体的位移。
边界元法
将物体的边界离散化为有限个小 的单元，通过求解这些单元的力 学行为来近似求解整个物体的边 界力学行为。
03
塑性力学基本理论
塑性力学基本概念
01
02
03
塑性力学
塑性力学是研究材料在达 到屈服点后，发生不可逆 变形时行为和特性的学科 。
边界元法
通过在边界上离散化求解微分方程的方法，可以减少未知数的数量 ，提高求解效率。
有限差分法
将微分方程转化为差分方程，通过迭代求解的方法得到近似解。
04
工程应用实例
桥梁工程弹塑性分析
总结词
桥梁结构稳定性
详细描述
桥梁工程弹塑性分析主要关注桥梁结构的稳定性，通过分 析桥梁在不同载荷下的弹塑性响应，评估其承载能力和安 全性。
总结词
材料非线性
详细描述
桥梁工程中的材料多为金属或复合材料，这些材料的弹塑 性行为呈现出非线性特征。在分析过程中，需要考虑材料 在不同应力水平下的弹塑性变形和破坏。
总结词
结构优化设计
详细描述
基于弹塑性分析的结果，可以对桥梁结构进行优化设计， 提高其承载能力和稳定性，同时降低制造成本和维护成本 。
岩土塑性力学教学课件
岩土塑性力学教学课件岩土塑性力学教学课件岩土塑性力学①岩土的抗剪强度和刚度随压应力的增大而增大，其抗剪强度不仅由粘结力产生，而且由内摩擦角产生。
②岩土为多相材料，在各相等压作用下，岩土能产生塑性体积变化，称岩土的等压屈服特性。
③岩土材料在剪应力作用下可产生塑性体积应变，称岩土的剪胀性。
④由于岩体中存在软弱结构面和夹层，而抗拉和抗压强度明显不同，因而具有较强的各向异性性质。
①岩土的抗剪强度和刚度随压应力的增大而增大，其抗剪强度不仅由粘结力产生，而且由内摩擦角产生。
②岩土为多相材料，在各相等压作用下，岩土能产生塑性体积变化，称岩土的等压屈服特性。
③岩土材料在剪应力作用下可产生塑性体积应变，称岩土的剪胀性。
④由于岩体中存在软弱结构面和夹层，而抗拉和抗压强度明显不同，因而具有较强的各向异性性质。
2.1 岩土类材料的特点岩土类材料是由颗粒材料堆积或胶结而成，属摩擦型材料。
摩擦材料的特点是抗剪强度中含有摩擦力项，它的抗剪强度随压应力的增大而增大，因而岩土材料的屈服条件与金属材料明显不同。
我们称此为岩土的压硬性，即随压应力的增大岩土的抗剪强度与刚度增大。
岩土为多相材料，岩土颗粒间有孔隙，因而在各向等压作用下，岩土颗粒中的水、气排出，就能产生塑性体变，出现屈服。
而金属材料在各向等压作用下是不会产生塑性体变的。
一般称此为岩土的等压屈服特性。
由于岩土是摩擦材料，岩土的体应变还与剪应力有关，即在剪应力的作用下岩土会产生塑性体变（剪胀或剪缩），一般称为岩土的剪胀性（含剪缩）。
这在力学上表现为球张量与偏张量的交叉作用，即球应力会产生剪变（负值），这也是压硬性的一种表现；反之，剪应力会产生体变。
显然，纯塑性金属材料是不具有这一特性的。
基于岩土是摩擦材料，因而必须采用摩擦型屈服条件，并考虑体变与剪胀性。
现代岩土塑性力学必须反映这些特点，显示出岩土塑性的本色。
5.结论（1）广义塑性力学消除了经典塑性力学中的传统塑性势假设、正交流动法则假设与不考虑应力主轴旋转的假设，从固体力学原理直接导出了广义塑性位势理论。
岩土弹塑性力学研究生课程教学课件U10
塑性应变增量偏张量和 应力偏张量相似且同轴
｛ ｛ 本构方程数学表达
d ii
1 2
E
d ii
deij deiej deipj
deiej
1 2G
dsij
deipj dSij
回忆：张量分解 球张量和偏张量分解
ij m ij sij
m
1 3
(
x
y
z)
yxx
xy y
xz yz
m
m
xy y m
xz yz
zx zy z 0 0 m zx
zy z m
ij m ij eij
m
1 3
( x
y
z)
ii x y z
yxx
xy y
xz yz
m
0
0 m
0 0
x yx
m
xy y m
xz yz
zx zy z 0 0 m zx
硕士研究生课程
岩土弹塑性力学
第十章 经典塑性理论
同济大学地下建筑与工程系
10.1 塑性全量理论 10.2 塑性增量理论 10.3 塑性位势理论
回忆：张量分解 球张量和偏张量分解
ij m ij sij
m
1 3
(
x
y
z)
yxx
xy y
xz yz
m
0
0 m
0 0
x yx
与Mises屈服条件相关连的流动法则
屈服条件
f
J2
2 s
0
Drucker公设确定方向
d
p ij
d f ij
d
J
2
ij
dsij
引入弹性应变
《岩土弹塑性力学》课件
02
数值模拟的精度和稳 定性
数值模拟的精度和稳定性是评价数值 模拟技术的重要指标，需要不断改进 数值方法和模型参数，提高模拟结果 的可靠性和精度。
03
数值模拟的可视化和 后处理
可视化技术和后处理技术是数值模拟 的重要组成部分，能够直观地展示模 拟结果和进行结果分析，需要不断改 进和完善相关技术。
THANKS
感谢您的观看
弹塑性力学的未来发展
随着科技的不断进步和应用领域的拓展，弹塑性力学将进 一步发展并应用于更广泛的领域，如新能源、环保、生物 医学等。
Part
02
岩土材料的弹塑性性质
岩土材料的弹性性质
弹性模量
表示岩土材料在弹性范围内抵抗变形的能力，是 材料刚度的度量。
泊松比
描述材料横向变形的量，表示材料在单向受拉或 受压时，横向变形的收缩量与纵向变形的关系。
各向同性假设
假设材料在各个方向上具 有相同的物理和力学性质 ，即材料性质不随方向变 化而变化。
弹塑性力学的历史与发展
弹塑性力学的起源
弹塑性力学起源于20世纪初，随着材料科学和工程技术的 不断发展，人们对材料在复杂应力状态下的行为有了更深 入的认识。
弹塑性力学的发展
弹塑性力学经过多年的发展，已经形成了较为完善的理论 体系和研究方法，为解决工程实际问题提供了重要的理论 支持。
《岩土弹塑性力学》 PPT课件
• 弹塑性力学基础 • 岩土材料的弹塑性性质 • 岩土弹塑性本构模型 • 岩土弹塑性力学的应用 • 岩土弹塑性力学的挑战与展望
目录
Part
01
弹塑性力学基础
弹塑性力学定义
弹塑性力学
是一门研究材料在弹性变形和塑性变形共同作用下的力学行为的学科。
第1章 岩土弹塑性力学
应力球形张量 应力偏斜张量
1 平均正应力： m ( x y z ) 3
1 Kronecker 符号： ij 0
在弹性理论和经典塑性理论中:
i j i j
应力球张量只产生体应变，即受力体只发生体积变化而不发生 形状变化； 应力偏张量则产生剪变形，即只引起物体形状变化而不发生体 积大小的变化。
法则，即塑性应变增量方向沿着屈服 面的梯度或外法线方向
粘性本构关系
材料的应力或应变随时间而变化
常常和弹性或塑性性质同时发生，因此,材料的粘性本构 方程分为 粘弹性
粘塑性
粘弹塑性 在工程中，常称材料的粘性性质为流变 常称应力下变形随时间的不断变化为材料的蠕变 常称应变下应力随时坏 破坏力学
2 1 22
2 J 2 3 8
与应力偏张量有关
Lode 角及其参数：
Lode 角及其参数：
平面上应力在x、y轴上的投影为：
x OP cos 30 P P cos 30 ( 1 3 ) 1 2 2 3 3 2
1 2
( 1 3 )
斜面上的剪应力
2 2 2 v px p2 p y z N
2 主应力与应力主方向
斜面ABC为主微分面，面上只有正应力σ 投影到坐标轴上
p y m
p x l
p z n
p x xl yx m zx n p y xy l y m zy n p z xz l yz m z n
弹性
岩石力学性质 塑性 粘性
体力和面 力Fi，Ti
平衡
位移ui 相容性 （几何）
本构关系
应力ij 应变ij
1 平均正应力： m ( x y z ) 3
1 Kronecker 符号： ij 0
在弹性理论和经典塑性理论中:
i j i j
应力球张量只产生体应变，即受力体只发生体积变化而不发生 形状变化； 应力偏张量则产生剪变形，即只引起物体形状变化而不发生体 积大小的变化。
法则，即塑性应变增量方向沿着屈服 面的梯度或外法线方向
粘性本构关系
材料的应力或应变随时间而变化
常常和弹性或塑性性质同时发生，因此,材料的粘性本构 方程分为 粘弹性
粘塑性
粘弹塑性 在工程中，常称材料的粘性性质为流变 常称应力下变形随时间的不断变化为材料的蠕变 常称应变下应力随时坏 破坏力学
2 1 22
2 J 2 3 8
与应力偏张量有关
Lode 角及其参数：
Lode 角及其参数：
平面上应力在x、y轴上的投影为：
x OP cos 30 P P cos 30 ( 1 3 ) 1 2 2 3 3 2
1 2
( 1 3 )
斜面上的剪应力
2 2 2 v px p2 p y z N
2 主应力与应力主方向
斜面ABC为主微分面，面上只有正应力σ 投影到坐标轴上
p y m
p x l
p z n
p x xl yx m zx n p y xy l y m zy n p z xz l yz m z n
弹性
岩石力学性质 塑性 粘性
体力和面 力Fi，Ti
平衡
位移ui 相容性 （几何）
本构关系
应力ij 应变ij
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岩石类介质的压缩试验结果
OA段:压密阶段，曲线缓慢增大，反映岩石试件 内裂缝逐渐压密，体积缩小。
AB段:弹性阶段，曲线斜率为常数或接近常数， 此时体积仍有所压缩，B点称为屈服强度
BC段: 破坏的先行阶段，随着荷载继续增大，变 形和荷载呈非线性关系，这种非弹性变形是由于 岩石内微裂隙的发生与发展，以及结晶颗粒界曲 的滑动等塑性受形两者共同产：从B点开始，岩石 就出现剪胀现象(即在剪应力作用下出现体积膨胀) 的趋势
土的压缩试验结果
假定试样土粒本身体积不 变，土的压缩仅由于孔隙 体积的减小，因此土的压 缩变形常用孔隙比e的变化 来表示。 压力p与相应的稳定孔隙比 的关系曲线称为压缩曲线
土与岩石—样，其体应变不是 纯弹性的，与金属材料不同
在三轴情况下，随土性和应力路径不同，应力—应变曲线有两 种形式：一是硬化型，一般为双曲线；另一为软化型， —般为 驼峰曲线。
试验表明，在压力不太大的情况，体积应变实际上与静水压 力成线性关系；对于一般金属材料，可以认为体积变化基本上 是弹性的，除去静水压力后体积变形可以完全恢复，没有残余 的体积变形。因此，在传统塑性理论中常假定不产生塑性体积 变形．而且在塑性变形过程中，体积变形与塑性变形相比往往 是可以忽略的 。 Bridgman和其他研究人员的实验结果确认：在静水压力不大条 件下、静水压力对材料屈服极限的影响完全可以忽略。因此在 传统塑性力学中，完全不考虑体积变形对塑性变形的影响。
2．岩土为多相材料，岩土颗粒中含有孔隙，因而在各向等 压作用下，岩土颗粒中的水、气排出，就能产生塑性体变，出 现屈服，而金属材料在等压作用下是不会产生体变的。这种持 性可称为岩土的等压屈服特性。
3 与金属材料不同．岩土的体应变还与剪应力有关，即剪应力 作用下，岩土材料会产生塑性体应变(膨胀或收缩)，即岩土的 剪胀性(包含剪缩性)。反之，岩土的剪应变也与平均应力有关 ，在平均压应力作用下引起负剪切变形，导致刚度增大，这也 是压硬性的一种表现。
岩土类材料的基本力学特点
1．在一定范围内，岩土抗剪强度和刚度随压应力的增大而增 大，这种特性可称为岩土的压硬性。
岩土的抗剪强度不仅由粘结力产生，而且由内摩擦角产生。这 是因为岩土由颗粒材料堆积或胶结而成，属于摩擦型材料，因 而它的抗剪强度与内摩擦角及压应力有关，而金属材料不具这 种特性，抗剪强度与压应力无关。
➢经典塑性理论对材料性质的假设
(1)静水压力只产生弹性体积变化，不产生塑性体应变；因 此，材料屈服与静水压力无关。
(2)材料属于理想塑性材料或应变硬化塑性材料(即稳定性材料)， 故不可能发生软化现象(不稳定性材料)
（3）抗拉屈服极限与抗压屈服极限相同 (4)材料具有Bauschinger效应 (5)塑性应变增量方向服从正交流动 法则，即塑性应变增量方向沿着屈服 面的梯度或外法线方向
塑性阶段：研究材料在塑性阶段内的受力与变形，这阶 段内的应力应变关系要受到加载状态、应力水平、应力 历史与应力路径的影响。 差别：在应力与应变之间的物理关系不同，即本构关系 不同。 本质差别：在于材料是否存在不可逆的塑性变形
弹性阶段：应力与应变之间的关系是一一对应的，这种应力和 应变之间能建上一一对应关系的称全量关系பைடு நூலகம்
岩土塑性力学与经典塑性力学的不同点
(1)岩土材料的压硬性决定了岩土的剪切屈服与破坏必须考虑 平均应力与岩土材料的内摩擦。采用不同于金属材料的屈服 准则、破坏准则。
(2)传统塑性力学只考虑剪切屈服，而岩土塑性力学不仅考虑剪 切屈服，还要考虑体积屈服。表现在屈服面上，传统塑性力学 是开口的单一的剪切屈服面、而岩土塑性力学需考虑剪切屈服 面与体积屈服面，以及在等压情况下产生屈服。
塑性阶段： 由于塑性变形中加卸载规律不一样，当σ一定时，由
于加载路径不同，可以对应不同的ε（图a) 。给定ε值时，也可以 对应于不同的σ(图b)。即进入塑性状态后．如不给定加载路径是
无法建立应力—应变之间的全量关系，通常在塑性理论中建立应 力增量与应变增量的增量关系．而只有一些简单加载情况(例如不 卸载)才可能建下全量关系。
CD段:曲线下降，岩石开始解体，岩石强度从峰 值强度下降至残余强度，这种情况叫做应变软化 这是岩土类材料区别于金属材料的一个特点。在 软化阶段内，岩土材料成为不稳定材料，传统塑 性力学不适应
岩石类介质的压缩试验结果
围压对三轴应力应变曲线和岩体塑 性性质有明显影响。当围压低时． 屈服强度低，软化现象明显。随着 围压增大，岩石的峰值强度和屈服 强度都增高，塑性性质明显增加。
为与初始屈服应力相区别，称为加载应力 σs+> σs
这种现象称为加工硬化或应变硬化G对J：低碳钢材料，在 屈服阶段中，卸载后重新加载并没有上述强化现象，被称 为理想
塑性或塑性流动阶段。
(2)．静水压力(各向均匀受压)试验结果
勃里奇曼(Bridgman)通过试验曾对静水压力对变形过程影响作 较全面的研究。
4．土体塑性变形依赖于应力路径。即土的本构模型， 计算参数 的选用都与应力路径相关。应力路径的突然转折会引起塑性应 变增量方向的改变。即：塑性应变增量的方向与应力增量的方 向有关，而不像传统塑性仪势理论中规定的塑性应变增量方向 只与应力状态有关，而与应力增量无关。且，当主应力值不变 ，主应力轴方向发生改变时土体也会产生塑性变形。
第一章 岩土弹塑性力学
参考书
§1-1 概述
➢材料受力三个阶段： 弹性 → 塑性 → 破坏
弹性力学 塑性力学 破坏力学 断裂力学等
弹性阶段：内力与变形存在着完全对应的关系，外力 消除后变形就完全恢复。 应力与应变之间的关系是一 一对应的，知道了应力立即可求应变。这种应力和应 变之间能建上一一对应关系的称全量关系。
1864年Tresca公布了最大剪应力屈服准则—— 塑性力学作为一门独立学科开始
金属材料的基本试验
(1) 金属材料简单拉压试验 A点：材料的比例极限σP B点：材料的弹性极限σC D点：材料的强度极限σb
C点卸载：沿CFG
从G点重新开始拉伸，沿GF’C’，超过c点的应力以后才又发生新的
塑性变形。表明经过前次塑件变形以后弹性极限提高了