三向应力圆和最大切应力.docx

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三向应力圆和最大切应力

§2.8三向应力圆和最大切应力

学习思路:

   应力状态的确定，还需要讨论一点的正应力和切应力之间的变化关系。

   本节通过讨论任意截面正应力与切应力的关系，建立三向应力圆概念，并且通过应力圆确定一点的最大正应力和切应力。

   分析中应用任意斜截面上的应力矢量可以通过应力分量的特殊形式－主应力表达，也可以分解为正应力和切应力，建立主应力与正应力和切应力的关系。

考虑斜截面法线的三个方向余弦，则可以确定一点的正应力、切应力与三个主应力的关系。

   构造一个以正应力为横轴，切应力为竖轴的应力平面，则一点的正应力和切应力位于应力平面的三个由主应力确定的应力圆之内。

   为了进一步探讨应力状态，最后分析八面体单元应力。

学习要点：

   1.截面正应力与切应力；   2.斜截面方向余弦；   3.三向应力圆；

   4.最大切应力;   5.八面体单元;   6.八面体单元应力。

一点的应力状态可以通过六个应力分量确定，主应力和应力主轴是描述应力状态的重要参数。

但仅仅这些，对于应力状态分析还不够，本节将进一步讨论任意斜截面的正应力和切应力的变化。

   以三个相互垂直的应力主轴为坐标轴建立坐标系如图所示，设三个主应力为应力分量为σ1，σ2,σ3，即

   O点附近有任意斜截面ABC，它的法线方向为n（l，m，n）。

斜截面上的应力矢量pn可分解为两部

分：

沿法线方向的正应力σn和沿切线方向的切应力τn，如图所示。

根据应力矢量与应力分量的关系

展开可得

   因为

根据应力转轴公式

还有                  

关于l，m，n联立求解上述公式，可以得到

   当斜截面方位变更时，法线的方向余弦n随着改变，因此正应力σn和切应力τn也随之变化。

这里有正应力σn和切应力τn两个变量，如果建立一个平面坐标系，以σn为横轴，τn为纵轴，则斜截面上的两个应力分量（σn，τn）恰好是这个坐标系中的一个点。

   设σ1≥σ2≥σ3，则因为l2,m2,n2均大于或等于零，因此根据上述公式的第一式，可以得到

上式可以改写为

   上述不等式表示在应力平面上，圆心在横轴，横坐标为（σ2+σ3）/2，半径为（σ2-σ3）/2的圆C1圆周及其以外的区域。

   同理考虑公式的第二式，可得

   它表达了圆C2的圆周及其内部区域。

   对于公式的第三式，可得

   它表达了圆C3圆周及其外部区域。

   综上所述，斜截面的方位改变时，截面上的正应力和切应力（σn，τn）只能位于圆C1，C2和C3的圆周所围成的区域之内。

这三个圆C1，C2和C3是两两相切的，称为应力圆。

根据应力圆，对于一点的应力状态，不难得到下列结论：

   根据应力圆，纵坐标最大处即最大切应力的值，它的横坐标为（σ1+σ3）/2，将它们回代到公式，可得最大切应力作用平面的方向余弦为

l2=0.5,   m2=0,   n2=0.5

m=0表示最大切应力作用面的法线与应力主轴2相互垂直，因此这一作用面必然通过应力主轴2。

l2=0,n2=0.5说明最大切应力作用面的法线与应力主轴1和3都成45°角。

   根据上述分析，弹性体内任意一点的最大正应力为σ1，最小正应力为σ3。

   最大切应力可以通过主应力计算，最大切应力等于（σ1－σ3）/2。

最大切应力作用平面也可以通过应力主轴得到，其作用平面通过σ2应力主轴，并且与σ1和σ3应力主轴交45°角，如图所示。

下面介绍正八面体单元应力。

以主应力σ1,σ2,σ3对应的应力主轴作为x1，x2，x3坐标轴建立坐标系，选取与三个应力主轴等倾的八个微分面构成一个单元体，如图所示。

   由于单元体的每一个微分面均为等倾面，即其法线与三个坐标轴的夹角相同。

设微分面的法线方向余弦为l，m，n，则

由于                              

所以                              

   对于八面体单元各微分面上的应力矢量，我们将其分为正应力σ8和切应力τ8两部分分别讨论。

对于八面体单元的正应力，由公式可得

由上式可知，σ8就是某点的平均正应力。

对于八面体单元的切应力τ8，可以应用应力分解公式

因为

所以

   显然，八面体单元的切应力是可以通过应力不变量表达的，因此也是不变量。

根据强度理论，第四强度理论的等效应力为

所以                      

。

   由上式可知：

八面体单元的切应力τ8是一个与第四强度理论等效应力有关的物理量，因此它也是一个与塑性材料的失稳有关的物理量。

   上述分析表明，八面体单元的正应力σ8和切应力τ8均是由应力不变量所描述的，因此对于任意的坐标系，其数值也是不变的，即八面体单元的正应力σ8和切应力τ8也是不变量。

§2.9球应力张量和偏球应力张量

学习思路:

   外力的作用下，物体的变形可以分解为体积改变和形状改变两部分。

对应这两种形式的变形，应力张量可以分解为应力球张量和应力偏张量两部份。

   分解的物理意义为：

应力球张量使微单元体三个方向作用相同的正应力，只能改变微单元体的体积，而不能改变其形状。

应力偏张量不改变微单元体的体积，仅产生形状的畸变。

它描述的是实际应力状态与平均应力状态的偏离程度，这对描述问题的塑性变形是十分重要的。

学习要点：

1.应力状态的分解；2.应力球张量和应力偏张量；3.应力偏张量不变量。

一点的应力状态可以使用应力张量

表示，上述应力分量将使弹性体任意一点发生变形。

    实验证明，固体材料在各向相等正应力作用下，一般表现为弹性变形。

由于材料的体积改变是由于各向相等的正应力引起的，因此可以认为，材料的非弹性变形主要是物体的形状变化时产生的。

这一性质在塑性理论分析中经常应用。

在外力的作用下，物体的变形一般可以分解为体积改变和形状改变两部分。

   为进一步研究应力分量对于变形的影响，将应力张量分解为

其中，σmii为

上式中

为平均正应力。

σmii称为平均应力张量或称应力球张量。

而sij等于

称为应力偏张量，简称应力偏量。

   分解的物理意义为：

应力球张量σmii使微分单元体三个方向作用相同的正应力，这使单元体发生变形时，只能产生导致体积的均匀膨胀或收缩。

因而只能改变单元体体积，而不能改变单元体形状。

   而应力偏张量sij将不改变微分单元体的体积，仅产生形状的畸变。

它描述的是实际应力状态与平均应力状态的偏离程度，所以它对描述问题的塑性变形是十分重要的。

因为σmij的任意方向均为应力主方向，所以应力偏张量sij与

的应力主方向相同，而且其主应力仅相差一个平均应力。

因此可用正应力特征方程计算。

即

   计算可得三个应力偏张量的不变量I'1，I'2，I'3，有

   在塑性力学中，经常使用的是应力偏张量的第二不变量I`2，若取应力主轴方向，则

   由于第二应力偏张量不变量恒为负值，一般在应用时取为正值，则

实验证明，对于金属材料，应力球分量σmij引起的变形一般都是弹性变形，而材料屈服后的塑性变形基本上是畸变变形，因此应力偏张量sij在塑性力学的研究中起重要作用。