滑移线理论及应用
7滑移线法全解
18.2 滑移线法slip field theory内容：滑移线法原理及应用。
重点：滑移线场slip field 的合理建立。
滑移线： 塑性变形物体内各质点的最大切应力迹线特点： 滑移线（成对出现，相互正交）→滑移线场适用范围：理想刚塑性材料的平面变形问题再适当推广满足条件：静力学+运动学（速度场条件）18.2.1 基本概念18.2.1.1 平面变形的应力⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⇒=+3212000000031σσεσσ231σσσ+=m塑变屈服时()K =-=3121max σστ莫尔圆为：⎪⎩⎪⎨⎧±=+=-=ωτωσσωσσ2cos 2sin 2sin k k k xym y m x ⎪⎩⎪⎨⎧-==+==k k m mm σσσσσσω32145时18.2.2 最大切应力迹线——滑移线变形平面xoy ，取点P 1及邻近点P 2，P 3，……P 61τ为P 1点最大切应力方向2τ为P 2点的（1τ为P 1P 2折线）当P 1P 2无限邻近时，曲线变为光滑曲线即滑移线。
α族，β族18.2.2.1 ωβα及.1）逆时针方向线组成顺时针方向族线西侧的最大切应力,.βα 图7-32）角方向成线为线4531σσβα3）()同坐标轴逆时针正轴正向为起始顺时针负角以,ox ω18.2.2.2 滑移线方程()()⎪⎩⎪⎨⎧-=+==族βωωωπctg tg tg dxdy dx dy 2Hencky 方程：ωσ~m平面应变应力平衡微分方程为：⎪⎩⎪⎨⎧=+=+∂∂∂∂∂∂∂∂00yxy x y y x x y xσττσ将屈服准则式代入有()⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=--∂∂=+-∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂02cos 2sin 20)2sin 2(cos 2yx m y x m k y k x ωωωωωωσωωσ 未知数：m σ，ω，但难求。
变换坐标系：取滑移线本身作坐标轴轴轴βα,注意：此坐标系具有当沿α线运动时β值不变，即坐标系轴是弯曲的！在α点无限近处有：0=ω αds dx = βds dy =αs x ∂∂=∂∂βs y ∂∂=∂∂0≠∂∂αωs 0≠∂∂βωs 因此变为：()线线βωσαωσββαα02)(02=∂∂+∂∂=∂∂-∂∂s k s s k s m m积分后得：()()⎩⎨⎧=+=-线线βηωσαξωσk k m m 22此式即汉基应力方程（Hencky ）18.2.3 滑移线特性18.2.3.1 沿线特性沿α线：ωσ∆=∆k m 2 沿β线：ωσ∆-=∆k m 2证：设一条α线上有a 、b 两点ξωσξωσ=-=-b mb a ma k k 22 ()02=---∴b a mb ma k ωωσσωσ∆=∆∴k m 218.2.3.2 跨线特性()()⎩⎨⎧∆=∆∆=∆C B m D A m BC AD ,σσωω， 证明：先沿α线，A →B 有B B m A mA k K ωωσσ22-=-沿β线B →C 有：c mc B mB k k ωωσσ22+=+ ()c A B mA mc k ωωωσσ--=-∴22（a ） 再沿A →D （β1线）D mD A mA k k ωσσω22+=+D →C （沿线2α）c mc D mD k k ωωσσ22-=-()D C A mA mc k ωωωσσ22-+=-∴（b ） 由于a,b 式相等D B B A ωωωω+=+∴或：B c A D ωωωω-=-⎪⎭⎪⎬⎫-=-∆=∆mB mC mA mD BC AD σσσσωω:同理可证即上式即汉基第一定理即在滑移线网格中，若已知三个结点的m σ、ω值则第四个结点m σ、ω值可以求出。
滑移线理论及应用
证明：设α、β线上任一点的曲率半径分别为R α 、R β ，由 曲率半径的定义知：
1/ R / S 和 1/ R / S ΔSβ沿弧S α的变化率为：
d (S ) dS
d (R ) dS
R S
R
S
根据汉盖第一定理有，
d (S dS
)
R S
当曲线四边形单元趋近无限小时
tg
Am AB
沿β2线从点B→点C
pB 2kB pc 2kc
于是，得沿路径A→B→C和静水压力差
同理
PC PA 2k(A C 2B )
PC PA 2k(2D A C ) 由上两式可得
C B D A
同理
pC pB pD pA
二、汉盖第二定理
一动点沿某族任意一条滑移线移动时，过该动点起、始 位置的另一族两条滑移线的曲率变化量（如dRβ）等于该点 所移动的路程（如dSα）。 1
线的方向。
二、滑移线场绘制的数值计算方法
滑移线数值计算方法的实质是：利用差分方程近似代 替滑移线的微分方程，计算出各结点的坐标位置，建立滑 移线场，然后利用汉盖应力方程计算各结点的平均应力p 和角。
根据滑移线场块的邻接情况，滑移线场的边值有三类。
1）特征线问题 这是给定两条相交的滑移线为初始线，求作整个滑移线
滑移线的曲率变化量（如dRβ ）等于该点所移动的路程（如dSα）； • 同族滑移线必然有个相同的曲率方向。
§8.5 应力边界条件和滑移线场的绘制
一、应力边界条件
1）自由表面 塑性加工时塑性区可能扩展到自由表面，如平冲头压入半无限体工件（见
图 8-10a）。因为自由表面（设为 x 轴）上的法向应力（ n y 0 ）和切 应力（ k 0 ）。根据式（8-3），可知滑移线性边界点上的k 角和静水压力别
第4章 滑移线场理论
点起、始位置的另一族两条滑移线的曲率变化量 （如dRβ）等于该点所移动的路程（如dSα）。
11
4.3 塑性区应力边界条件：
自由表面
Principle of Metal Forming
12ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
接触表面之：
摩擦切应力为零
摩擦切应力为某中间值
Principle of Metal Forming
13
摩擦切应力为最大值
7
由称Saint-Venant塑性流动方程
Principle of Metal Forming
8
4.2 滑移线的性质
4.2.1 H.Hencky方程 也称沿线特性，描述滑移线上各点的平均应力变化规律。
Principle of Metal Forming
由上式知，任一族中任一条滑移线上 两点的平均应力符合下列关系式：
一条滑移线（如β1或β2 ）相交两点的倾角差和静水压力变化量均保
Principle of Metal Forming
持不变。
若单元三个节点角ω、σm知，则第四点知。 推论： 异族截区内，一直皆直。
10
4.2.3 H.Hencky第二定理
一动点沿某族任意一条滑移线移动时，过该动
Principle of Metal Forming
Principle of Metal Forming
14
4.2 常见的滑移线场类型
正交直线 １ ） 直 线 型
Principle of Metal Forming
２ ） 简 单 型
奇点
有心扇形：直线＋圆弧 无心扇形：包络＋渐开
15
３ ） 直 简 组 合 型
Principle of Metal Forming
7-2 滑移线速度场理论及应用
ω+dω
P2
vα ω
x
滑移线上邻近两点的速率分解
金属塑性成形原理
盖林格尔速度方程:
dv v d 0 （沿α线） dv vd 0 （沿β线）
(7-12)
此方程式给出了沿滑移线上速度分量的变化特性，它可确定塑性变形 区内的速度分布。
若 α 滑移线为直线，则
d 0, v 常数
直线滑移线场，
v 常数,v 常数
金属塑性成形原理
对于由两族 α与β 连续正交的曲线网络所 构成的滑移线场，则在速度平面上相应有一 由两族连续正交的速度矢端曲线网络所构成 的速度矢端图(速端图)，即为速度场。
滑移线和速度矢端曲线之间的关系
金属塑性成形原理
2.几种速度间断线的速端图
(1)滑移线ab为速度间断直线 其一侧为刚性区(“-”) ，另一侧为塑性区(”+‘)。由于ab两侧分别具有同一
(7-10)
金属塑性成形原理
过P点取滑移线为坐标系，以滑移线α、β的切线代替x、y轴，则有：
x , y
x ,y
由于σα，σβ 是最大切应力所在平面上的正应力
m
代入(7-10)得:
0, 0
(7-11a)
d
dt
0 d
0
d
dt
0 d
0
(7-11b)
取滑移线为坐标系
速度，故在速度平面的速度矢端曲线分别归缩为一个点，其速端图如图所示。
a)速度间断直线
b)速端图
图7-22 速度间断直线及其速端图
金属塑性成形原理
(2)滑移线ab为速度间断曲线，两侧分别为刚性区与塑性区 刚性区一侧在速度平面上的速度矢端曲线归缩为一点，而塑性区一侧
滑移线理论及应用PPT课件
17
在同一族（例如a族）的两条滑移线（例如a 1和a 2线）与另 一族（例如β族）的任一条滑移线（例如β1和β2线）的两个 交点上，其切线夹角△ω与平均应力的变化△σm 均保持常数， 如下图所示:
对于图中的节点(1,1)、(1,2)、(2,1)、(2,2)有：
点P1，平面塑性变形时，
最大切应力成对出现，并
相交。
6
三、滑移线和ω 角规定
α 与β 滑移线规定
设α 与β 线构成右手坐标系，
设代数值最大的主应力σ1 作用线在第一与三象限，则：
α 线两侧最大切应力顺时针
方向。 β线两侧最大切应力逆
时针方向。
Hale Waihona Puke 或：σ1方向顺时针转45°得到α线
由σ1的方位线顺时针转45°到达的滑移线称α线，而由σ3线 的方位线顺时针转45°到达的滑移线称为β线。α线与β的方向
代入平面应变问题的微分平衡方程
x yx 0
x y
xy y 0
x y
11
m
x
2k c os2
x
sin2
y
0
m
x
2k s in2
x
cos2
y
0
取滑移线本身作为坐标轴，设为轴a和β轴。这样，滑移 线场中任何一点的位置，可用坐标值a和β表示。当沿着a坐标 轴从一点移动到另一点时，坐标值β不变，当然沿着坐标轴β 从一点移动到另一点时，坐标轴a也不变。
将xy坐标原点置于两条滑移线的交点a上，并使坐标轴x、 y分别与滑移线的切线x` 、y`重合。
滑移线名词解释
滑移线名词解释滑移线是指在流体力学中，流体流动时，流体中的某一点随着时间的推移而发生位置变化的线。
这个概念在飞行器设计中非常重要，因为滑移线可以用来描述飞行器的稳定性和控制性能。
在本文中，我们将详细解释滑移线的概念、特性和应用。
一、滑移线的概念滑移线是在流体力学中用来描述流体流动的一种线。
在飞行器设计中，滑移线通常指飞行器中心重心和气动中心之间的一条线。
当飞行器受到外界扰动时，它会发生滑移和偏航运动，滑移线的位置和方向可以用来描述飞行器的运动状态。
二、滑移线的特性1. 滑移线的位置滑移线的位置取决于飞行器的气动特性和重心位置。
在大多数情况下，滑移线位于飞行器的重心前方，因为气动中心通常在重心前面。
滑移线的位置可以通过实验和计算得出，对于不同的飞行器来说，滑移线的位置也不同。
2. 滑移线的方向滑移线的方向取决于飞行器的气动特性和机翼的布局。
在大多数情况下，滑移线与机翼的平面垂直，因为机翼产生的升力和阻力一般都在机翼平面内。
然而，对于某些机翼布局不规则的飞行器，滑移线的方向可能会产生变化。
3. 滑移线的稳定性滑移线的稳定性是指飞行器在受到外界扰动时，滑移线的位置和方向是否会发生变化。
在理想情况下，飞行器应该具有稳定的滑移线，即受到扰动时滑移线的位置和方向不会发生明显变化。
如果滑移线不稳定，飞行器就会变得难以控制，甚至容易失控。
三、滑移线的应用1. 飞行器稳定性分析滑移线可以用来分析飞行器的稳定性和控制性能。
通过测量飞行器的滑移线位置和方向，可以判断飞行器的稳定性是否良好，以及是否需要进行调整。
2. 飞行器控制设计滑移线还可以用来设计飞行器的控制系统。
通过控制飞行器的滑移线位置和方向，可以使飞行器保持稳定，避免发生滑移和偏航运动，从而提高飞行器的控制性能。
3. 飞行器改进设计滑移线还可以用来指导飞行器的改进设计。
通过分析飞行器的滑移线位置和方向，可以发现飞行器存在的问题和缺陷，从而提出改进措施，使飞行器更加稳定和安全。
第八章 滑移线理论及应用
(6)一点沿某族任意一条滑移线移动时，过该动 点起、始位置的另一族两条滑移线的曲率变化 量(如dRβ)等于该点所移动的路程(如dSα)；
(7)同族滑移线必然有个相同的曲率方向。
§8.4 应力边界条件和滑移线场的绘制
一、应力边界条件
研究目的：寻找已知静水压力 p 和Φ角的点
二、汉盖第二定理
一动点沿某族任意一 条滑移线移动时，过 该动点起、始位置的
另一族两条滑移线的
曲率变化量（如dRβ）
等于该点所移动的路
程（如dSα）
R 1 S
R 1 S
同族滑移线必然具有相同的曲率方向
滑移线的几何性质
(1)滑移线为最大切应力等于材料屈服切应力为 k的迹线，与主应力迹线相交成π/4角； (2)滑移线场由两族彼此正交的滑移线构成，布
1 3
2
标轴Ox的夹角
1
xy
y -k p
x
Ⅱ
k sin 2 p k sin 2 k sin 2 p k sin 2
x m y m
k cos 2 k cos 2
xy
max k
2
B
yx
xy
p p cos x sin y 2k cos x sin y 0 沿 线的微分方程 p 2k 0或 ( p 2k ) 0 沿 线的微分方程 p 2k 0或 ( p 2k ) 0
n k n
二、滑移线场绘制的数值计算方法
滑移线场绘制的数值计算方法
(塑性成形力学)4滑移线场理论及应用
存在速度不连续线的速端图：
两条速度不连续线相交于一点附近的速度不连续量的矢量和为零。
4.6滑移线场的绘制
建立变形区内滑移线场通常是一个相当复杂的问题。
在给定的应力边界条件下，作滑移线场的方法： 1. 积分滑移线的微分方程； 2. 图解法； 3. 数值积分法。
相关规定：
1. 使单元体产生顺时针转效果的剪应力方向为α线，反之为β线；（例题）
2. 分别以α线和β线构成一右手坐标系时的横轴和纵轴，则代数值最大的主应力
σ1的作用线在穿过原点条件下是在第Ⅰ和第Ⅲ象限内；（例题）
3. α线各点的切线与所取的x轴的夹角为φ，逆时针转为正，顺时针转为负。
y
右手坐标系： 姆指指向α线正方向 食指指向β线正方向 中指指向自己
不少的塑性加工过程，由于变形区域 沿某一方向(z轴方向)的尺寸较大， 沿该方向的相对变形量很小，可近似 认为是平面变形问题。 如：薄板轧制 矩形件压缩
莫尔圆 （应力圆）
单辉祖，“材料力学教程”， 国防工业出版社，1982
-p
k
4.1.2 基本假设
各向同性的理想刚－塑性材料 变形抗力为常数 忽略热应力和惯性力等
（①＋②）/2 （①－②）/4
① ②
式(4.25) 式(4.26)
式(4.27) 式(4.28)
4.5 滑移线场求解的应力边界条件和步骤
4.5.1 应力边界条件 4.5.2 滑移线求解的一般步骤
4.5.1 应力边界条件
常见边界： 工件与工具接触表面：σ、τ 自由表面
单辉祖，“材料力学教程”，国防工 业出版社，1982，P208
图1.28 理想刚-塑性材料
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§8.2 汉盖（Hencky）应力方程——滑移线的沿
线力学方程
推导：
有平面应变问题的微分平衡方程
x yx 0
x y
xy y 0
x y
将式（8-3）代入上式，得
p 2k cos2 2k si来自 2 0xxy
p 2k sin 2 2k cos2 0
y
x
y
整理得表达成
max k
0
1
2
面上任取一点P1，其
的，即 方向为
， (max) P1 P'2P'3P'4
沿
方向上取一点P2，其 方向为
，
依此取点a2，其 线方向为 ，依次连续取下去，
直至塑性变形区的边界为止……，最后获得一条折线
P1-P2-P3-P4……，称为 线。按正、负两最大切
应力相互正交的性质，由P点沿与 的垂直方向上，
3）混合问题
这是给定一条α线OA，和与之相交的另一 条不是滑移线的某曲线OB（可能是接触边 界线或变形区中的对称轴线）上倾角值
即在P点的
的，即 方向上取点，也可得
到一条折线
……，称为 线。
由图8-2可知，滑移线的微分方程为：
dy tg dx
对 线
对 线 dy tg( /) ctg
dx
图8-2 x-y坐标系与滑移经网络
滑移线理论法
滑移线理论法是一种图形绘制与数值计算相结合 的方法，即根据平面应变问题滑移线场的性质绘 出滑移线场，再根据精确平衡微分方程和精确塑 性条件建立汉盖（Hencky）应力方程，求得理想 刚塑性材料平面应变问题变形区内应力分布以及 变形力的一种方法。
滑移线场绘制的 数值计算方法
1）特征线问题
这是给定两条相交的滑移线为初始线，求 作整个滑移线网的边值问题，即所谓黎曼 （Riemann）问题。
2）特征值问题
x y x点这y 的是应已力知分一量条（不为、滑移、线的）边的界初A始B上值任，一 求作滑移线场的问题，即所谓柯西 （Cauchy）问题。
图8-1 平面应变问题应力状态的几何表示
平面应变问题
根据平面流动的塑性条件， max k
（对Tresca塑性条件
k T /2 ；
对Mises塑性条件
k T / 3
）
于是，由图8-1c的几何关系可知，有
y p k sin 2 x p k sin 2 xy k cos 2
式中 ——静水压力 p( m ( x y ) / 2) ——定义为最大切应力 max( k) 方向
根据塑性变形增量理论，平面塑性流动问题独立的应力分量
也只有三个（ x 、 y 、 xy ），于是平面应变问题的最大切应力 为：
max ( 1 3 ) / 2
[(
x
y
) / 2]2
2 xy
绘制滑移线
对于理想刚塑材料，材料的屈服切应力k为常数。
因此塑性变形区内各点莫尔圆半径（即最大切应
力 ）等于材料常数k。如图8-2所示，在x-y坐标平max 0
滑移线理论及应用
§8.1 平面应变问题和滑移线场 §8.2 汉盖（Hencky）应力方程——滑
移线的沿线力学方程 §8.3 滑移线的几何性质 §8.4 应力边界条件和滑移线场的绘制 §8.5 三角形均匀场与简单扇形场组合
问题及实例 §8.6 双心扇形场问题及实例
§8.1 平面应变问题和滑移线场
（a）塑性流动平面（物理平面），（b）正交曲线坐标系的应力特点，（c）应力莫尔圆
与坐标轴Ox的夹角。
平面应变问题
对于平面塑性流动问题，由于某一方向上的位移分量为零 （设duZ=0），故只有三个应变分量（ d x 、d y 、d xy ），也称 平面应变问题。根据塑性流动法则，可知
Z 2 ( x y ) / 2 m p
式中， m 为平均应力；p称为静水压力。
一、汉盖第一定理 同族的两条滑移线与加族任意一条
滑移线相交两点的倾角差和静水压力 变化量均保持不变。 二、汉盖第二定理
一动点沿某族任意一条滑移线移动 时，过该动点起、始位置的另一族两 条滑移线的曲率变化量等于该点所移 动的路程
§8.4 应力边界条件和滑 移线场的绘制
应力边界条件 1）自由表面 2）光滑（无摩擦）接触表面 4）滑动摩擦接触表面 3）粘着摩擦接触表面
ab a b
pab pa pb
对 线取“+”号 对 线取“-”号
式中， pab 2k ab
上式表明，沿滑移线的静水压力差（ pab ）与滑移线 上相应的倾角差（ ab ）成正比。故式表明了滑移线的 沿线性质。
汉盖应力方程不仅体现了微分平衡方程，同时也满足 了塑性条件方程。
§8.3 滑移线的几何性质