弹塑性力学理论及其在工程上的应用

弹塑性力学理论及其在工程上的应用 摘要：弹塑性力学理论在工程中应用十分的广泛，是工程中分析问题的一个重要手段，本文首先是对弹塑性力学理论进行了阐述，然后讨论了它在工程上面的应用。

关键词：弹塑性力学；工程；应用

第一章 弹塑性力学的基本理论

（一）应力理论

1、 应力和应力张量

在外力作用下，物体将产生应力和变形，即物体中诸元素之间的相对位置发生变化，由于这种变化，便产生了企图恢复其初始状态的附加相互作用力。用以描述物体在受力后任何部位的内力和变形的力学量是应力和应变。本章将讨论应力矢量和某一点处的应力状态。

为了说明应力的概念，假想把受—组平衡力系作

用的物体用一平面A 分成A 和B 两部分(图1.1)。如

将B 部分移去，则B 对A 的作用应代之以B 部分对A

部分的作用力。这种力在B 移去以前是物体内A 与B

之间在截面C 的内力，且为分布力。如从C 面上点P

处取出一包括P 点在内的微小面积元素S ?，而S ?上

的内力矢量为F ?，则内力的平均集度为F ?／S ?，

如令S ?无限缩小而趋于点P ，则在内力连续分布的条件下F ?／S ?趋于一定的极限σo ，即 σ=??→?S F S 0lim

2、二维应力状态与平面问题的平衡微分方程式

上节中讨论应力概念时，是从三维受力物体出发的，其中点P 是从一个三维空间中取出来约点。为简单起见，首先讨论平面问题。掌提了平面问题以后．再讨论空间问题就比较容易了。

当受载物体所受的面力和体力以及其应力都与某—个坐标轴(例如z 轴)无

关。平面问题又分为平面应力问题与平面应变问题。

（1） 平面应力问题

如果考虑如图所示物体是一个很薄的

平板，荷载只作用在板边，且平行于板面，即

xy 平面，z 方向的体力分量Z 及面力分量z F 均

为零，则板面上(2/δ±=z 处)应力分量为

0)

(2=±=δσz z 0)()(22==±=±=δ

δ

ττz zy z zx

图2.2平面应力问题 因板的厚度很小，外荷载又沿厚度均匀分布，

所以可以近似地认为应力沿厚度均匀分布。由此，

在垂直于z 轴的任一微小面积上均有

0=z σ， 0==zy zx ττ

根据切应力互等定理，即应力张量的对称性，必然有0==xz yx ττ。因而对

于平面应力状态的应力张量为

????

??????=00000y

yx xy

x ij σττσσ

如果z 方向的尺寸为有限量，仍假设0=z σ，0==zy zx ττ，且认为x σ，

y σ和xy τ(yx τ)为沿厚度的平均值，则这类问题称为广义平面应力问题。

（2）平面应变问题

如果物体纵轴方向(oz 坐标方向)的尺寸很长，外荷载及体力为沿z 轴均匀分

布地作用在垂直于oz 方向，如图1.4所示的水坝是这类问题的典型例子。忽略

端部效应，则因外载沿z 轴方向为一常数，因而可以认为，沿纵轴方向各点的位

移与所在z 方向的位置无关，即z 方向各点的位移均相同。令u 、v 、w 分别表示一点在x 、y 、z 坐标方向的位移分量，则有w 为常数。等于常数的位移w 并不伴随产生任一xy 平面的翘曲变形，故研究应力、应变问题时，可取0=w 。此外，由于物体的变形只在xy 平面内产生，因此w 与z 无关。故对于平面应变状态有

??

???===0),(),(w y x v v y x u u

由对称条件可知，在xy 平面内)(zx xz ττ和)(zy yz ττ

恒等于零，但因z 方向对变形的约束，故z σ一般并不

为零，所以其应力张量为

????

??????=z y yx xy x ij σσττσσ0000 实际上z σ并不是独立变量，它可通过x σ和y σ求得，因此不管是平面应变问题还是平面应力问题，独立的应力分量仅有3个，即x σ、y σ和xy τ(=yx τ)，对于平面应变问题的求解，可不考虑z σ。

（3）平衡微分方程

物体在外力作用下处于平衡状态时，由各点应力分量与体力分量之间的关系所导出的方程称为平衡微分方程。如图所示的平面应力问题，除面力外，在这个微单元体上还有体力的作用．单位体积的体力在二个坐标轴上的投影为Y X ,．而图1.3平面应变问题

固体的质量密度为ρ。自弹性体内任一点P 处附近截取一单元体，

a b

图1.4平面应力状态微元体的应力

它在x ，y 方向的尺寸分别为dx 和dy 。为了计算方便，在z 方向取单位长度，如图b 所示。该单元体受有其相邻部分对它作用的应力和单元体的体力。由于在一般情况下应力分量是位置坐标的函数，因此在单元体左、右或上、下两对面上的应力不相等，而具有一微小的增量。若作用于ab 上的正应力和剪应力分别为x σ，则作用于cd 面上的正应力应随之变化。该变化可根据Taylor 级数展开，即 ),(022dy dx dy y dx x ab

x ab x

ab x cd x +??+

??+=σσσσ 由于ab,cd 线元上的应力分量均可用相应线元中点处的应力分量表示，以及略去二阶以上的微量后，由上式得cd 边上的正应力为

dx x

x x ??+σσ 同理，如ab 边上的切应力为xy τ，ad 边上的正应力和切应力分别为y σ，yx τ可得cd 边上的切应力及bc 边的应力分量可类推分别得

dy y dy y

yx

yx y y ??+

??+

ττσσ

dx x xy

xy ??+ττ

微单元体在面力及体力作用下处于平衡，必须满足静力平衡的三个方程式。如果考虑到质点运动，而按照牛顿第二定律，方程式的右边还应包括这个微单元体的质量与加速度在该坐标轴上的投影的乘积(即惯性力的投影)。

（4） 一点的应力状态

所谓一点的应力状态是指受力变形物体内一点的不同截面上的应力变化的状况。现以平面问题为例说明一点处应力状态。在受力物体中取一个如图 1.5所示的微小三角形单元，，其中AC ，AB 与坐标轴y x ,重合，而BC 的外法线与z z 轴成θ角。取坐标'',y x ，使BC 的外法线方向与'x 方向重合(如图1.5)。如果xy y x τσσ,,已知，则BC 面上的正应力'

x σ，和切应力''y x τ可用已知量表示。因θ角的任意性，若BC 面趋于点

A 时，则可认为求得了描绘过点4处的应力状态的表达式。

实际上，这里所讨论的问题是一点处不同方向的面上的应

力的转换，即BC 面无限趋于点A 时，该面上的应力如何

用与原坐标相平行的面上的应力来表示。在这种问题的分

析中，可不必引入应力增量和体力，因为它们与应力相比

属于小量。

第二章 弹塑性力学在工程上的应用

弹性和塑性理论是现代固体力学的分支，弹性和塑性理论的任务，一般就是在实验所建立的关于材料变形的力学基础上，用严谨的数学方法来研究各种形状的变形固体在外荷载作用下的应力、应变和位移。弹塑性理论研究的对象是弹性体，指的是一种物体在每一种给定的温度下，存在着应力和应变的单值关系，与

时间无关。通需这一关系是线性的，当外力取消后，应变即行消失，物体能够恢复原来的状态。同时物体内的应力也完全消失。

弹塑性理论在工程上有着广泛的应用，经常结合有限元软件分析结构及杆件产生的内力、位移、变形等判断结构是否满足安全性，耐久性等其他方面的要求。（一）弹塑性力学在材料上的应用

1、三轴围压下砂浆弹塑性损伤变形的研究

水泥砂浆可以视为无粗骨料的混凝土，在工程上有着广泛的应用，其力学性能的研究也得到广泛的关注。

砂浆材料作为一种类岩石材料，其三轴围压作用下的力学行为作为表征其材料性质的一个重要方面。大量的实验结果表明，应力状态对脆性材料的力学性能有着重要影响。一般情况下，对于许多脆性材料，在单轴加载或低围压下，表现出明显的脆性特性；而随着围压的增大，试件的强度和韧性都有着显著地提高。然而，据目前的研究现状而言，对于砂浆材料三轴压缩状态下的力学响应的研究成果较少，在模拟方面大多数是基于唯象模型，缺乏结构的信息，模型结构没有材料内部的结构变化相联系。因此，利用基于微观物理机制的本构模型研究三轴压缩状态下的砂浆材料的力学响应有着非常重要的科学意义。

砂浆的弹塑性损伤变形的研究是基于对泛函数和Cauchy-born准则，抽象出弹簧束构元和体积构元，组集两种构元的力学响应，给出了材料的弹性损伤的本构关系；考虑滑移作为主要的弹塑性变形机制，提出了滑移构元，给出了材料的塑性本构关系利用变形分解机制，得到了三种构元共同描述的弹塑性损伤的本构关系。阐述了给定应变条件下弹塑性损伤本构关系的迭代流程。从材料细观变形角度解释了随着围压增加，材料的承载能力增加的现象，初步验证了弹塑性理论处理非比例加载的问题。

2、基于弹塑性理论计算钢筋锈胀力

以弹塑性为基础，视钢筋混凝土为半脆性材料，取外半径为（R+r）、内径为R的厚壁圆环为研究对象，根据厚壁简原理假定材料是体积不可压缩，外部混凝土受到钢筋的锈蚀的挤压经过弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段三种状态。由于混凝土的非均质性、在混凝土开裂之前会存在一定的塑性，故裂缝出现在弹塑性

将达到最大。

阶段，在弹塑性阶段弹塑性区与弹性区的交界处应力

x

（二）基于弹塑性力学理论分析工程构件的内力变形

1、钢筋混凝土壳体结构弹性理论分析

壳体结构是由曲面形板与边缘构件组成的空间结构。壳体结构有很好的空间传力性能，能以较小的构件厚度形成承载力高、刚度大的承重结构，能覆盖或围护大跨度的空间而不需要中间支柱，能兼承重结构和围护结构的双重作用，从而节约结构材料。壳体结构可做成各种形状，以适应工程造型的需要，因而广泛的应用于工程结构中（大跨度建筑物顶盖、中小跨度屋面板、工程结构与衬砌）。

壳体结构理论的基本假定：（1）“薄膜理论”通常应用于整个壳体结构的绝大部分。（2）考虑弯曲效应的“弯曲理论”可用于分析荷载或结构不连续处邻近的局部区域所发生的不连续应力。

壳体结构的基本方程：（1）几何方程采用正交曲线坐标系，根据壳体理论的基本假设，由弹性体在正交曲线坐标下的集合方程，可以推导薄壳的几何方程，共三个方程（2）物理方程根据壳体理论的第三个基本假设，不考虑z轴方向的应力对变形的影响，将内力用中面形变量，积分推导后可以得出薄壳的物理方程的内力表达式，由表达式可以得到，在薄壳体中，由薄膜力N1,N2,和S引起的应力沿壳厚均匀分布，弯矩和扭转引起的弯矩应力沿厚度直线分布。（3）平衡方程在曲线坐标系下，考虑壳微元，同时将外荷载折算为单位中面面积的荷载分量Ｘ，Ｙ和Ｚ。

2、自由杆件对简支梁的多次弹塑性撞击

柔性结构的弹塑性撞击是航空、航天、船舶、和机械领域中普遍存在的问题，对此类问题的研究分析，是工程领域的一项长期又艰巨的重要的任务。

可以通过弹塑性理论对自由杆件多次弹塑性撞击进行分析，将单轴压结模型应用于模拟多次撞击的分离过程中接触区的弹塑性接触行为，推导出弹性杆件和弹塑性梁的动力学方程并采用有限差分方法加以求解，研究了弹性自由杆撞击弹塑性简支梁的全过程。研究发现整个撞击过程实际上是一个复杂的多次弹塑性撞击过程，存在两个以上的明显撞击区，每个撞击区包含了形式多样的复杂撞击过程，相对于第一个撞击区，剩余撞击区的撞击冲量不可忽略所以多个撞击区将对撞击系数产生重要影响。撞击产生的纵向应力波在弹性杆件中的传播和反射，直

接影响多次弹塑性撞击。

参考文献：

[1]王建军.从弹塑性力学的角度谈软岩巷道支护理论[J].机械管理开发,2014,(01):16-17+37.

[2]李金柱,朱向荣,刘用海.结构性软土弹塑性损伤模型及其应用[J].浙江大学学报(工学版),2010,(04):806-811.

[3]杨强,薛利军,王仁坤,赵文光.岩体变形加固理论及非平衡态弹塑性力学[J].岩石力学与工程学报,2005,(20):106-114.

[4]陈莘莘.弹塑性力学问题中的无单元伽辽金法[D].湖南大学,2002.