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第五章__厚壁圆筒的分析2[1]

式中,A ,B 是积分常数。

当给定u uuS =时,可以用上式确定。

当给定力的边条时,用位移表示应力分量的表达式确定A ,B 。

⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧--+-=--+-=++--=++--=+-=+-=])1()1[(1])1()1[(1][1]1)([1)]([1)(122222222222r B A E r B A E r B Ar r B A E r r B Ar rB A E r u dr du E E r rνννσνννννννννννεενσθθ (5-14) 应力法和位移法这两种解法求得的位移,积分常数之间的关系为: ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+=+--=r B Ar u rC r C E u ])1()1[(121νν比较得: .211,1C EB C E A νν+-=-= 这是按平面应力问题进行的讨论。

平面应变问题只需做常数替换。

由:221rC C r+=σ 和 221rC C -=θσ得:12C r=+θσσ()[][]1211C EEz rzz νσσσνσεθ-=+-=⇒分析:当0=zσ或const z=σ时,r ε为常量。

即在z 方向的变形为均匀变形,垂直于轴线的平面在变形过程中保持为平面。

5-1-2 均匀厚壁圆筒如图示的厚壁圆筒内半径为a ,外半径为b 。

内压1p ,外压2p 。

边条:21,p p br rar r-=-===σσ由(5-9)式:221rC C r +=σ则有:⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫-=+=-=+===22211221p bC C p aC C br rar rσσ联解得: ()()⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧--=--=122222222122211p p a b b a C p b p a ab C解释系数:21222212222121221)(a p b p a b C b p C b C a p C a C +-=-⇒⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎪⎬⎫-=+-=+()⎥⎦⎤--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡----=⇒--=⇒)(1)(112222222212222122221221p p a b b a b p a p a b a ap C b p ap abC将21,C C 回代入(5-9)式~(5-10)式:u r r ,,,,θθεεσσ 应力分量为式(5-15): ())(111222222221222221p p ab ba rp b p aab rC C r --+--=+=σ()2222122221222122222212221)()]([1ab p b p a rab p p b a p p rb a p b p a ab --+--=-+--=⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧--+---=--+--=222212222122222221222212221)(1)(a b p b p a r a b p p b a ab p b p a r a b p p b a r θσσ (5-15)应变分量:⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧---+--+-=---+--+=])1(1)()1([1])1(1)()1[(122221222212222222122221222a b p b p a r a b p p b a E ab p b p a r a b p p b a E r ννεννεθ (5-16)位移分量: ])1(1)()1([12222122221222r ab p b p a rab p p b a Eu ---+--+-=νν (5-17)分析:(1) 式(5-15)称拉梅公式,与弹性常数ν,E 无关,适用于两类平面问题; (2) 式(5-16、17)为平面应力状态下的应变分量,位移分量; (3) 在考虑平面应变问题时,(5-16)、(5-17)式ν,E 要替换。

轴向分量:(1)平面应力问题0,0≠=z z εσ (2)平面应变问题0,0=≠z zεσ()[]θσσνσε--=rzz E10=zσ时, ()[])()(212221222p b p a a b E Erz ---=--=νσσνεθ(5-19)0=z ε时, ())(22221222p b p a ab rz---=-=νσσνσθ(5-18)注:拉梅公式适用于a b k /=为任意值的情况。

下面讨论两种情况:1、0,012≠=p p 时,仅承受内压1p 作用。

⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧+-=--=--=-+--=)1()1()(122221222221212212222212222122r ba b p a r ba b p a p r bp a b a a b p a r a b p b a r θσσ (5-20) ])1()1([)(22212r rba b E p a u νν-++-=(5-21)2、0,021≠=p p 时,仅承受外压2p 作用。

⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+--=---=)1()()1()(222222222222ra ab p b r a a b p b r θσσ (5-22) ])1()1([)(22222r raa b E p b u νν-++-=(5-23)分析:图(5-2)则有:(1)两种均压下,径向应力r σ均为压应力,且a r r ==σσ(max),b r r ==σσ(max)。

即: 21p p br rar r-=-===σσ,(2)均压下切向应力,内压时0>θσ,外压时0<θσ,且,ar ==θθσσmax,即:;020122201222222>--=>-+-=====p ab ap a b a b p br p ar θθσσ0022222202222011<-+-=<--=====p ab a b ab p b p br p ar θθσσ第二节 厚壁圆筒的弹塑性分析基本情况:内外半径分别为b a ,的厚壁圆筒,内部受压p ,前面公式中p p =1,02=p 理想弹塑性材料。

(图5-3)受力分析:p 增大,θσ增大,rσ增大 ⇒ 塑性状态(弹性区域减少,塑性区域增加)⇒ 截面全部进入塑性状态(塑性极限状态),此时有:max p p =,瞬时变形速度无穷大。

讨论问题:限定轴对称平面应变问题(z σ增大),21=ν。

5-2-1 屈服条件1、塑性理论中的两种屈服条件 (1)米泽斯屈服条件在极坐标系中,用应力分量表示的屈服条件,由式(3-23)可得出s R σ=。

()()()()222222226s zr z r r z z r στττσσσσσσθθθθ=+++-+-+-(2)特雷斯卡屈服条件用主应力表示,由(3-21)式得出:2/s k σ=;()s σσσσσσσ=---133221,,m a x 2、轴对称平面应变问题(厚壁圆筒)屈服条件0===zr z r τττθθ, z r σσσθ,,均为主应力。

()θσσσνε+=⇒==r zz 2121,将z σ代入米泽斯屈服条件,有: ()()()222]21[]21[σσσσσσσσθθθθ-+++-+-r r r()()()()()]4141[22222r r r rrr r σσσσσσσσσσσσσσθθθθθθθ++-+++++-+-=()()]21[22θθθθσσσσσσσσr rr r -++-+-=()()θθθσσσσσσr rr22122-++-=()()θθθθσσσσσσσσr r rr 2221222-+++-=θθθθθσσσσσσσσσσr r r r r 22122122222-++++-=()()2222222232232121332323θθθθθθθσσσσσσσσσσσσσσ-=+-=⎪⎭⎫⎝⎛+-=-+=rr rr r r r即:()22223s rσσσθ=-,有()2234srσσσθ=-s s r σσσσθ115.132==- (5-24) (0<>rσσθ图(5-2)a)式(5-24)为轴对称应变问题的米泽斯屈服条件。

当分析图(5-2)a 的情况,已知应力大小,并取: )(,,,321r zr zσσσσσσσσσθθ>>===且: 0,0<>r σσθ,则有:特雷斯卡屈服条件s r σσσθ=- (5-25) 即:在轴对称平面应变条件下,设21=ν,按两种屈服条件进入塑性状态时,其应力组合相同,所满足的条件仅相差一个系数。

亦即:当按(5-25)式分析的s σ乘以32则变成了米泽斯屈服条件的结果。

3、结果解释一般,两种屈服条件的数学表达式和物理解释都不相同,而全面的讨论,应力组合相同,满足的条件仅相差一个系数,形成这种状况的原因从两方面解释。

(1)厚壁圆筒的应力偏量状态 ① 在厚壁圆筒内 0,<>>r r zσσσσθ,且为主应力,则有:)(21m a x r σστθ-=② 因为 )(21r zσσσθ+=,则平均应力)(0σσm 为: z r r rz rmσσσσσσσσσσσθθθθ=+=+++=++=)(21)](21[31)(31③ 应力偏量: m a x)(21τσσσσθθθ=-=-=r mS ma x)(21τσσσσθ-=--=-=r mr r S0=-=m z z S σσ 即:此时的应力偏量状态为纯剪切。

④ 结论在应力状态中),,(z r σσσθ减去静水压力)(0σ,屈服条件并不改变,即可用应力偏量状态判断材料是否屈服。

(2)分析两个屈服条件 单向拉伸时,)0,0(321==>σσσM i s e s 屈服条件: 2222s σσθ= ()1σσθ=T r a s c a 屈服条件: s σσθ=两条件完全一样,而在描述纯剪切时相差15.5%。

若使用纯剪切重合的屈服条件,即:()()()[]()kkJ 2,,max 6113322122132322212=---=-+-+-=σσσσσσσσσσσσ则在该问题中两个屈服条件完全一样。

注意:22max 231k =τ,k 22max 13==-τσσ,可以帮助理解上式。

5-2-2 弹塑性分析当内压p 较小时,弹性状态,其应力分量为:⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫+-=---=)1()1(2222222222r b a b p a rba b pa rθσσ(5-26) 当a r =时,组合应力)(r σσθ-达最大,即: 222222222222222122)]1()1([)(ba p ab p b rb ab p a ab ab p a ar r -=-=--++-=-=θσσ筒体由内壁开始屈服,即此时内压为e p ,则有: s a r r σσσθ=-=)( 所以有:s e ba p σ=-2212 , )1(222ba p s e -=⇒σ (5-27)式中,e p —弹性极限压力(1)当e p p <时,圆筒处于弹性状态;(2)当e p p >时,筒体内壁附近出现塑性区,p 增大,塑性区扩展; (3)因应力组合)(r σσθ-具有对称性,其弹塑分界面为圆柱面; (4)弹塑性状态下内压p 增大到p p ,其分界半径为p r ;(5)分两个区讨论,在分界面上,应力相等,图(5-4)a ;195p(6)看作两个厚壁圆筒分析,内筒外半径p r ,内半径a ,壁厚a r p -;外筒内半径p r ,外半径b ,壁厚b r p -,qr r r b ==σ图[(5-4)(b ),(c)]195p① 内筒:求应力分量θσσ,r (塑性分析)此时:θσσ,r 应满足平衡方程和屈服条件、:sr r rrdrd σσσσσσθθ=-=-+由上两式:dr rd rdrd sr sr σσσσ=⇒=-积分得出: C r s r +=ln σσ 确定积分常数C :C a p p s p par r+=-⇒-==ln σσp s p s sr s ps p s s rps p a r p a rp ar p a r p a C -⎪⎭⎫ ⎝⎛+=-+=+=⇒-=--=⇒--=⇒ln 1lnlnln ln ln σσσσσσσσσσσθ即有(5-28)式成立:⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫-⎪⎭⎫ ⎝⎛+σ=σ-σ=σθp s p s r p a r ln 1p a rln(5-28)分析(5-28)式知:塑性区应力分量是静定的,仅与p p 有关,与弹性区无关,可以看出:00><θσσ,r 。

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