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塑性变形计算
杆件的塑性变形
15.1 概 述
工程问题中绝大部分构件必须在弹性范围内工作,不允许出现塑性变形。但有些问题确须考虑塑性变形。
15.2 金属材料的塑性性质
图15.1是低碳钢拉伸的应力-应变曲线。过屈服极限后,应力和应变的关系是非线性的有
(15.1)
图 15.1 低碳钢拉伸的应力-应变曲线图15.2 弹塑性应力-应变 弹性范围内,应力和应变之间是单值对应的。塑性阶段却并非如此,应力和应变不再是单值对应的关系(如图15.2)。
图 15.1 低碳钢拉伸的应力-应变曲线
图15.2 弹塑性应力-应变
下面是几种常见的塑性材料模型。
图15.3 理想弹塑性材料模型图15.4刚塑性材料模型
图15.3 理想弹塑性材料模型
图15.4刚塑性材料模型
图15.6刚塑性线性强化材料模型
图15.5线性强化材料模型
图15.7幂强化材料模型
有时也把应力-应变关系近似地表为幂函数,幂强化材料的应力-应变关系曲线如图15.7所示。
拉伸和压缩杆系的塑性分析
现以图15.8所示两端固定的杆件为例来说明静不定拉压杆系的塑性分析,当载荷逐渐增加时,杆件两端的反力是
图15.8 两端固支杆 (a)
图15.8 两端固支杆
力作用点的位移是
(b)
如则。随着的增加,段
的应力将首先达到屈服极限。若相应的载荷
为,载荷作用点的位移为,由()、()
两式求得
由平衡方程可知
(c)
载荷作用点的位移为
(d)
段也进入塑性阶段时,,由()式求出相应的载荷为
图15.9 三杆桁架载荷达到后,整个杆件都已进入塑性变形。
图15.9 三杆桁架
例18.1 在图15.9所示静不定结构中,设三杆的材料相同,横截面面积同为。试求使结构开始出现塑性变形的载荷、极限载荷。
解:以和分别表和杆的轴力,表杆的轴力。令,,得
(e)
当载荷逐渐增加时,杆的应力首先达到,这时的载荷即为。由()式的第二式得
由此解出
载荷继续增加,中间杆的轴力保持为,两侧杆件仍然是弹性的。直至两侧的杆件的轴力也达到,相应的载荷即为极限载荷。这时由节点的平衡方程知
加载过程中,载荷与点位移的关系已表示于图15.9中。
15.4 圆轴的塑性扭转
圆轴受扭时,横截面上的剪应力沿半径按线性规律分布,即
(a)
图15.10 圆轴受扭转随着扭矩的逐渐增加,截面边缘处的最大剪应力首先达到剪切屈服极限(图15.10)。若相应的扭矩为,由()式知
图15.10 圆轴受扭转
(b)
极限扭矩,其值为
取代入上式后完成积分,得
(15.4)
达到极限扭矩后,轴已经丧失承载能力。
例18.2 设材料受扭时剪应力和剪应变的关系如图15.11所示,并可近似地表为
式中m和皆为常量。试导出实心圆轴扭转时应力和变形的计算公式。
图15.11剪应力和剪应变的关系解:根据圆轴扭转的平面假设,可以直接引用3.4中的()式,求得横截面上任意点处的剪应变为
图15.11剪应力和剪应变的关系
(d)
式中是扭转角沿轴线的变化率,为横截面上一点到圆心的距离,即为该点剪应变。()式表明,沿横截面半径,各点的剪应变是按直线规律变化的(图15.11)。由()、()两式求出
(e)
或者写成
(f)
横截面上的扭矩应为
取,并以(f)式代入上式,
(g)
从()和()两式中消去,得剪应力的计算公式
(h)
令,得最大剪应力为
当时,材料变为线弹性的,上式变为
由()式知
故有
积分求得相距为的两个横截面的相对扭转为
(i)
当,时,上式化为
这就是公式(3.17)。
15.5 塑性弯曲
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