Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Механика сплошной среды. Т.4 Основы механики твёрдых сред

.pdf
Скачиваний:
25
Добавлен:
19.11.2023
Размер:
41.7 Mб
Скачать

§ 5.1. Модели Ап пластических сред

481

Используя аддитивное соотношение (5.1.3), тождество (5.1.17) можно пред­ ставить следующим образом:

(п)

(п)

(п)

(п)

(5.1.18)

р йф + prj d6 — Т

--d Се -

т

-d C p + w*dt = 0.

Введем свободную энергию Гиббса ( по аналогии с (т. 2, (3.3.20)):

(п)

(п)

(5.1.19)

С = Ф ~ (Т//9) • •

С е,

тогда для ( получаем следующее тождество (ОТТ в форме Ап):

(п)

(п)

(п)

(п)

(5.1.20)

pd( + pr/d9 + p C e -d(T /p) -

Т • • d C p + w*dt = 0.

В соответствии с моделью Ап, свободная энергия Гиббса

Q является

функционалом вида (5.1.1):

 

 

 

 

с = с { n { t ) , K ( t ) , n \ T ) , n \ T ) ) ,

 

К = { Т / р , С р, в } .

(5.1.21)

т=0

 

 

 

 

Вычислим полный дифференциал от функционала (5.1.21), используя пра­

вило дифференцирования функционалов (4.1.24) по времени:

 

 

cLQ= Qdt =

э<

 

 

 

дв

 

(п)

 

 

 

 

 

 

(n)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

д т / р

 

 

 

 

д С г

 

(п)

 

 

 

 

 

 

д(

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

d ( T / Py

+ ^

 

de + A L . dCp + SCdt,

(5.1.22)

 

(п)

 

 

 

д(Т / Ру

 

 

 

дв

 

д(ё ;

 

 

 

где <5£ — производная по Фреше.

 

 

 

 

 

 

 

^

Функционалом вида (5.1.1) является и тензор упругой деформации С е:

с е = с

е ( а д ,

а д

,

п\т ),

п\т )),

к

= {т /р, с

р ,

в } .

(5.1.23)

г=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подобно

тому,

 

как

это

было

сделано

для

фойгтовских

сред

(см. т. 2,

п. 3.13.1), введем два новых тензорных функционала:

 

 

 

 

 

 

С° =

Се ( а д ,

о,

К\т),

К\т)),

 

 

(5.1.24)

 

 

 

 

 

т—0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(п)

 

(п)

 

(п)

 

 

 

(5.1.25)

 

 

 

 

 

Се =

С е -

С®

 

 

 

В соотношении

(5.1.24)

аргументы,

соответствующие

скоростям измене-

ния функций 7Z,

принимают равными

 

 

Н

 

(п)

называют

нулю. Тензоры

и С*

тензорами равновесной упругой деформации и неравновесной упругой де­ формации соответственно.

Подставляя (5.1.22), (5.1.24) и (5.1.25) в (5.1.20) и приведя подобные члены, получаем следующее тождество:

482

 

 

 

 

Глава 5. Пластические среды

 

 

 

'

д(

 

(п)п

(п)

 

 

 

 

 

(п)

 

 

 

 

)<10 + Р

(п)

 

 

 

ч

(п)

+ С°е

Р

 

v

р J

дв*

 

'

 

 

а(т/р)*

дт/р

 

 

 

 

 

 

(n)

 

 

 

д(

(п)

/

(п)

(п)

(п)

(п)

 

 

 

/ т

 

 

+ р-

(п)

d с ;

+ (^* - ( т -

н а д

с ;

+ рс{

 

 

 

4S-Л

 

 

 

 

 

" < 7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(5.1.26)

(п)

 

 

 

(п)

 

 

 

 

 

 

где Н р — тензоры упрочнения и T # — приведенные тензоры напряжений:

 

 

 

(п)

(п)

(п)

 

(п)

(п)

 

(5.1.27)

 

 

 

Нр = р(д(/д С р), Т я = Т -

Нр.

 

В силу независимости

 

 

 

(п)

d6,

(п)

(п)

дифференциалов d(T /p),

(Т/р)*,

d6*, С* и

dt, тождество (5.1.26) имеет место тогда и только тогда, когда коэффициенты при этих дифференциалах обращаются в нуль, т. е. имеют место следующие

соотношения:

(n)(n)

с ° = - а д ( т / Р),

1 II

д а

 

 

 

 

 

(п)

= 0,

 

.

(п)

д ( / д ( Т / Ру

0>С/^ = 0,

С>с/дс; = 0,

 

(п)

(п)

(п)

(п)

(п)

w* = (Т - Нр) • • с ; - РС1 • • ( а д ) ’ - Р5(,

(5.1.28а)

(5.1.286)

( 5 .1 .2 8 B )

( 5 .1 .2 8 г)

образующие определяющие соотношения для моделей Ап пластических сред, из которых следует, что:

1) пластические среды являются диссипативными — для них

ф 0;

2)

(п)

(п)

 

тензор равновесной деформации

(а не С е) обладает потенциалом

3)

(п)

 

(п)

потенциал £, а следовательно, и С е, и р не зависят от скоростей (Т/р)*,

 

(п)

 

 

 

0 и с ;:

 

 

 

с = с ( а д , а д ) , а д » ,

т г = { а д с р, в } ,

(5 . 1 .29)

 

г=0

 

 

Н

однако функция диссипации гс* и тензор С* зависят от 1Z(t).

Таким образом, модель Ап пластических сред задается тремя функциона­ лами: свободной энергией Гиббса (5.1.29), тензором неравновесной упругой деформации

с* = с ' ( а д , а д , 7г \ т ) , п \ т ))

(5.1.30)

т—0

(п) и тензором пластической деформации С р.

§ 5.1. Модели Ап пластических сред

483

5 .1 .4 . Следст вие из принципа Онзагера для м оделей А^п пласт ических сред

(п)

Для построения функционала (5.1.30) и тензора С р воспользуемся прин­ ципом Онзагера (см. т. 2, п. 3.12.1, аксиома 22) и запишем плотность внутреннего производства энтропии (т. 2, (3.12.1)) с учетом (5.1.28г):

о

(п)

(п)

(п)

(п)

pq*= w*~ |

• V0 = Т я

• • с ; -

РС \ ■• (Т /р У -pSC - J ’ V O O . (5.1.31)

Чтобы обеспечить неотрицательность этой функции, ее можно представить, согласно принципу Онзагера, в виде обобщенной квадратичной формы. Вве­ дем для этого термодинамические силы Хщ.

(п)(п)

X i= W ,

Х2 = Т я ,

Х 3 = ( Т / Ру

(5.1.32)

и термодинамические потоки

(п)

(п)

 

Q l = - q / 0,

(5.1.33)

Q2 = с ;,

Q3 = p C l

Тогда, в силу принципа Онзагера, термодинамические потоки Qp должны быть линейными (или тензорно-линейными) функциями от Хр\

 

- q /0

= L n V9 + L n • • Т Я + Lis • • ( T / p )\

(5.1.34a)

S

(n)

L n

(n)

 

(n)

(5.1.346)

c ; =

+ L22 • •

Т я

+ т 23 • • ( T /p ) \

 

(n)

 

 

(n)

 

(n)

(5.1.34B)

 

= L13 • v e + L23 • •

Т я + т 33 • •

( T /p ) \

Здесь L\\

тензор

второго ранга;

L \2 и L\%

тензоры

третьего ранга;

L22, ^23 и L33 — тензоры четвертого ранга, представляющие собой, согласно принципу равноприсутствия, тензорные функционалы такого же вида, как в общих определяющих соотношениях (5.1.1) модели А^:

Lap = La/3(K(t), n(t), п\т ), п\т )).

(5.1.35)

т=0

 

Соотношения (5.1.34а-в) являются дополнительными определяющими со­ отношениями к системе (5.1.28) для модели Ап пластических сред. Первое из этих соотношений — обобщенный закон Фурье, второе — закон изменения пластических деформаций, а третье — закон изменения неравновесных упругих деформаций.

5 .1 .5 . М одели А £ пласт ического т ечения

Многие частные модели пластических сред вытекают из закона изменения пластических деформаций (5.1.346) после введения каких-либо предположе­

484

Глава 5. Пластические среды

ний о виде функционалов (5.1.29) и (5.1.35).

В приложениях часто

используют модели Ап пластического течения,

в которых функционалы

(5.1.29) и (5.1.35) являются только функциями

указанных аргументов 1Z

и 1Z и одного скалярного функционала wp:

(п)(п)

С = С(Т/р,

С р, 0,wp),

(5.1.36а)

(п)

(п)

9,

(п) (п)

(5.1.366)

L22 = 4Lp(T,

С р,

Т*, с ; , wp),

L n 9 = A(9), L X2 = О, L 13 = 0,

L23 = 0, L33 = 0.

(5.1.36в)

Зависимостью от в и р в этих моделях пренебрегают, поэтому вместо аргу-

(п)

(п)

мента Т функции L22 всегда можно использовать аргумент Т , поскольку

(п) (п) (п)

р = р(С) и р всегда можно выразить

через Т* и С*. Перекрестные эффекты

в соотношениях (5.1.34а-в) модели

Ап не рассматриваются, и тензор С*

тождественно равен нулю:

0.

(5.1.37)

=

В качестве скалярного функционала wp обычно выбирают

 

t (п)

(п)

(5.1.38)

Т (г)

с ;(г ) dr

параметр Тейлора (удельную работу пластических деформаций), или

»

(п)

(5.1.39)

c ; - - 'c ; ( r ) ) l/2dT

параметр Одквиста.

Общий вид соотношений (5.1.34а-в) для моделей Ап пластического тече­ ния запишем следующим образом:

- q

= Л • V9,

 

(п)

-

.

(п)

 

 

ЧТ.....

 

С ! =

4Ц

• -Т д .

 

Р

 

 

 

(п)

(п)

 

 

я р (п)

 

 

 

 

с ; .

(5.1.40а)

(5.1.406)

( 5 .1 .4 0 B )

Из неравенства (5.1.31) следует, что тензор теплопроводности Л является симметричным и положительно определенным, а тензор 4LP — симметричным

по парам индексов (1,2)

(3,4)

(симметрия по индексам Ы 2 и 3 « 4

 

(п)

(п) (п)

следует из

симметрии тензоров С* и Т ,

Н р), т. е. он обладает симметрией

вида (т. 2,

(3.13.21)), имеет не более 21

независимой компоненты и также

положительно определен.

 

§ 5.1. Модели Ап пластических сред

485

5 .1 .6 . А ссоциированная модель пласт ичност и А £

Наиболее широко в настоящее время в приложениях применяют так называемую ассоциированную модель пластичности, в которой закон пла­ стического течения (5.1.406) связан (говорят, ассоциирован) с понятием по­

верхности пластичности. Рассмотрим эту модель.

Н . . (п) Пусть в шестимерном пространстве компонент Т %3тензора напряжений Т

в каком-либо базисе, например в базисе гц, имеется поверхность, уравнение которой задается системой скалярных уравнений

f p = 0, /3= 1, ...,fc,

(5.1.41)

где fp — функции вида (5.1.36а),

(п)(п)

f p

= f p ( Т ,

Ср, в , W P ) ,

(5.1.42)

зависящие параметрически

(п)

в

и wp и называемые

пластическими

от С р ,

потенциалами.

 

 

 

 

 

Обозначим

d'fp _

dfp

(п)

 

 

 

 

Т*

(5.1.43)

 

dt

 

(n)

 

 

 

 

 

 

дТ

 

 

частичную производную по времени от функций (5.1.42), которая совпадает

с полной производной /* = dfp/dt, только если fp

(п)

не зависит от С р, в и wp:

fe = M T ) .

(5.1.44)

В этом случае говорят, что рассматривается модель идеально-пластической среды.

Ассоциированную модель (5.1.42), в которой такая зависимость учиты­ вается, называют моделью упрочняющейся пластической среды. Если в (5.1.42) зависимость от wp не учитывается, то получаем модель упрочняю­ щейся пластической среды фойгтовского типа.

Примем, что:

1)во внутренней области, ограниченной поверхностью пластичности (5.1.41), пластические деформации не изменяются, т. е.

(п)

(5.1.45)

если все fp < 0, то С* = 0,

причем, если хотя бы для одного /3 выполняется условие dfp/dt > 0, то говорят, что осуществляется активное нагружение, если же все d!fp/dt ^ 0, то — пассивное нагружение или разгрузка;

486

Глава 5. Пластические среды

2) на поверхности пластичности, если d!fp/dt = 0, пластические деформа­ ции также не изменяются (такое нагружение называют нейтральным),

(п)

если же d!fp/dt > 0, то С р изменяются (говорят, что происходит пла­ стическое нагружение), т. е.

если

fp = 0,

d fp/dt = 0,

то

(и)

(5.1.46)

С* = 0;

если

fp = 0,

d fp/dt > 0,

то

(п)

(5.1.47)

С* ф 0.

(п)

Отметим, что состояние среды, при котором ее тензор Т находится вне поверхности пластичности, невозможно, поскольку аксиоматически предпола­ гается, что поверхность пластичности движется вместе с изменением тензора

(п)

(п)

> 0 не выполняется.

Т ,

если С* ф 0, т. е. условие /

 

Конкретное выражение для

(п)

 

скорости пластической деформации С*

в случае (5.1.47) пластического нагружения дает модель Дракера (или закон

(п)

градиентальности), согласно которой тензор С* выбирают пропорциональ­ ным градиенту к поверхности пластичности:

(п)

Щ

(п)

(5.1.48)

C; = J 2 ^ a ( d fa /d T ) ,

а=\

где к а — коэффициенты пропорциональности, которые удобно записывать в виде производных по времени и которые являются скалярными функциями

вида

(п) (п)

(п)

 

 

Кг — (Т > Сг

с ; , в, wp), а = 1, ..., к.

(5.1.49)

Если к ^ 6, то эти функции находят из уравнения градиентальности, а к тензорному уравнению (5.1.48) добавляют к уравнений поверхности пластич­

ности

(5.1.41). Таким образом, имеем (6 + к)

скалярных уравнений (5.1.48)

и (5.1.41) для нахождения шести компонент

(п)

тензора С* и к функций к а

=

1, ..., к).

 

Отметим, что закон градиентальности (5.1.48) записан только для пласти-

(п)

ческого нагружения. Для того чтобы получить выражение для С* при произ­ вольном нагружении, следует объединить соотношения (5.1.45)—(5.1.47). Это можно сделать с помощью функций Хевисайда h+(x) и h-(x):

1,

х ^ 0,

1,

х >

0,

h+(x)

h-(x) =

0,

х ^

(5.1.50)

0,

х < 0;

0,

и их комбинаций

(п) (п)

§ 5.1. Модели Ап пластических сред

487

 

h = i -

д ( 1 - м

Д

) М ^ ) ) >

(5Л-51)

где

k

 

 

 

 

— произведение множителей.

 

 

 

 

Несложно проверить, что если выполняются условия (5.1.45) или (5.1.46),

то h = 0, а если условие (5.1.47), то h =

(п)

при произвольном

1. Тогда для С*

нагружении получаем

 

 

 

 

 

(И)

*

 

(И)

(5.1.52)

 

c ;

= h ^ k

a(dfa/d T ) .

 

 

а=\

 

 

 

 

Соотношение (5.1.52) должно удовлетворять следствию из принципа Он-

загера (5.1.406) для моделей пластического течения, т. е. должно выполняться

условие

 

 

 

(П)

.

(П)

(5.1.53)

h J 2 ^ a ( d fp /d T )

= % • •

Т н ,

а=\

Ат

где 4Lp — некоторый неопределенный симметричный тензор четвертого ранга. Соотношение (1.53) означает, что функции /^, называемые пластически-

ми потенциалами, должны быть квазилинейными функциями от Т —Н р. Замечание 5.1.1. Для ассоциированной модели пластичности часть опреде-

(п)

ляюгцих соотношений для С* задается уравнениями (5.1.41), представляю-

(п)

гцими неявное задание компонент тензора С*. Эти соотношения также можно представить в виде выражения (5.1.406), но только записанного в неявной форме:

Ф/3- - с

; - ^ = о,

(5.1.54)

где Ф^ — некоторые симметричные тензоры второго ранга;

 

.

(п)

(п)

(5.1.55)

^/3 = Ф/3 • • 4LP • • (Т —Н р).

Действительно, дифференцируя (5.1.41) по £, находим

 

Фр = д / / д С р, ^

= ^ - - T

- + ^ l e .

(5.1.56)

 

дТ

 

 

Поскольку соотношения (5.1.44) скалярные, то следствие (5.1.54) из прин­ ципа Онзагера не накладывает никаких ограничений на вид пластических

потенциалов fp, а соотношение

 

 

 

dU

(п)

Щ ь =

(п)

(5.1.57)

Т* +

Т р ,

(п)

 

дв

(п)

 

<9Т

 

 

д С р

 

488

Глава 5. Пластические среды

являющееся следствием (5.1.55) и (5.1.56) и представляющее собой аналог формулы (5.1.53), всегда может быть удовлетворено путем надлежащего вы­

бора неопределенного тензора 4LP. □

(п)

Для тензора упругой деформации С е из (5.1.28а) и (5.1.37) в ассоцииро­ ванной модели имеем соотношение

( п )

( п )

( п )

О Л

(5.1.58)

С е = К ( Т /р,

С р,

в, Wp) = — ^ - .

дт/р

Модель пластической среды, в которой потенциал ( не зависит явно от

 

 

(п)

 

,

упруго-плас­

тензора пластической деформации С р,

называют моделью Ап

тической среды, для нее

 

 

 

 

( п )

( п )

( п )

( п )

 

О Л

с = С(Т/р, в, W P ) ,

Ир = 0,

С е = К (Т /р ,

0, шр) = - р - ^ . (5.1.59)

д Т /р

Эту модель чаще всего применяют в приложениях. Модель же с явной зависи-

(п)

мостью С от Ср обычно используют в тех случаях, когда требуется учесть так называемый эффект деформационной анизотропии, т. е. изменение группы

симметрии среды в процессе изменения пластических деформаций.

(п)

Модель, в которой пренебрегают зависимостью ( и от С р, и от wp,

называют моделью идеально-упругопластической среды (не путать с упруго-

идеально-пластической средой, в которой, согласно определениям (5.1.44),

(п) пластические потенциалы fp не зависят от С р и wp).

(п)(п)

Наконец, если £ не зависит от С р и wp, а от Т зависит только квадра­ тичным образом, то говорят, что рассматривается модель Ап пластической среды с линейной упругостью.

5 .1 .7 . Следст вие из принципа мат ериальной симмет рии для ассоциированной м одели А ^ пласт ичност и

Применим принцип материальной симметрии для определяющих соот-

(п) (п) (п)

ношений (5.1.53), (5.1.58). Поскольку все тензоры С е, С р, Т являются ^-индифферентными относительно ортогональных ^-преобразований, след­ ствием принципа материальной симметрии является утверждение о том, что

упругий потенциал (

(5.1.36а) должен быть функцией от

совместных

инвариантов тензоров

( п )

( п )

о

Т

и С р относительно некоторой группы Gs в неиска-

о

женной начальной конфигурации /С:

§ 5.1. Модели Ап пластических сред

489

c = c ( 4 s)- в- «>?).

(5.1.60)

 

где

(п)(п)

J<e) =

J<e)(T \ С р), 7 = 1, ..., г.

(5.1.61)

7

7

 

Доказательство этого утверждения такое же, как и для фойгтовских сред

(см. т. 2, п. 3.13.4).

о

Полагая для простоты

начальную конфигурацию JC неискаженной, как

и ранее (см. п. 4.1.6 и т. 2,

о

п. 3.7.3) будем рассматривать только группы Gs

в этой конфигурации.

 

Вместо одного скалярного функционала (5.1.38) wp в число аргументов функции ( (5.1.60) в общем случае может входить набор таких функционалов

представляющих собой

интеграл от тех совместных инвариантов JjО)

 

 

(п)

(п)

 

которые содержат оба тензора Т

и С*:

 

р

(n)

(n)

(5.1.62)

J ;{ \

T (T ),

c;(r))dr,

WP =

Тогда определяющие соотношения (5.1.58) можно представить в тензорном базисе по аналогии с идеальными средами:

(п)

(5.1.63)

c e = Y ,< fij{4

7=1

 

где </?7 — скалярные функции вида (5.1.60); «Тур — тензоры производной:

А>1 =

дС _

As) =

д £ 1

7 = 1 ,

г.

(5.1.64)

0, wp) = ~ dj(A

. (П)

дТ/ р

Из принципа материальной симметрии следует, что функции пластичности fp (5.1.42) также являются функциями от совместных инвариантов J<(s)p.

 

 

и = м 4 * )р, в’ «$).

/5=1

 

(5.1.65)

Однако,

согласно

следствию (5.1.53) из

принципа

Онзагера,

производные

(п)

должны

быть

квазилинейными

функциями тензора

(п)

d fp /d T

Т р, поэтому

 

 

(s)

 

 

 

 

(п)

в (5.1.65) инварианты J&

 

р должны быть совместными инвариантами и от Т р

(п)

 

 

 

 

 

 

 

 

и С р, причем только линейными и квадратичными:

 

 

 

 

, ч

 

, ч Н

Н

а = 1 , ...,

z i ^ z .

(5.1.66)

 

4 в)р =

4 в)(Т я ,

С р),

Тогда определяющие соотношения (5.1.52) в тензорном базисе примут вид

490

Глава 5. Пластические среды

 

 

(п)

Z\

 

(5.1.67)

 

 

а=\

 

где

 

 

 

/3=1Ё4 т - ■ J* r =

(п)

 

 

(5.1.68)

*« = h

9 4 ^ 7 8 т .

 

Соотношения (5.1.60)—(5.1.68) называют представлением ассоциирован­

ной модели пластичности в тензорном базисе.

 

 

 

Тензоры

производной

 

и

«7^

связаны друг

с другом

следующим

образом:

, .

(n)

(n)

 

 

,

ч

 

 

 

 

 

(•s ) p _ d J i s)p

d ( T -

U p) _

T(s)P ( А

4 Й

^

 

ТКа)Р _

(n)

-

JaTH " y ^ ~

H pTj.

(5.1.69)

J aT

(n)

 

^ Т я

d T

 

 

 

 

 

 

С учетом (5.1.27) и (5.1.59) находим выражение для тензора четвертого

ранга:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,(п)

(п) (п)

^

д

(

дС

d JТ(s)

-

 

 

 

 

7 = 1 о т

v

7

а с

 

 

 

 

Ё

( ^ ( Я т ^ Я ^

+ Я о ^ ^ ^ + ^

т ^ о , ) . <5.1.70)

 

7 ,/3=1

 

 

 

 

 

 

 

 

где

 

ду7

_

 

92с

 

 

a2j/s>

 

 

 

 

J :(s)

 

 

 

 

 

(5.1.71)

 

7^7/3 —

 

dJ{p d p s)

7т с р

(n)

(n)

 

 

a j / s)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а т а с ,

Подставляя (5.1.68) в (5.1.67), окончательно получаем

 

 

(п)

21

 

,

.

(п)

 

(5.1.72)

 

 

C; = J 2 ^ JaTH" ( А - 4Нрт).

 

 

 

а=\

 

 

 

 

 

Для ассоциированной модели упругопластической среды £ не зависит от

(п)

С р, поэтому

T(S)P

т(s)

Огу

Огу у

(п)

,(п)

 

 

(5.1.73)

н р = 0,

1Н рТ = 0

 

T(S)P _ j(s)p _

j(s)

T(s)

_

Г)

■JjT — J"/TH ~

JlT ’

7c p

-

U’ J 7TCp - °>

т. e. инварианты jff^p и совпадают, а определяющие соотношения (5.1.60), (5.1.63), (5.1.65) и (5.1.72) принимают вид

С = С ( 4 в)( Т / р ) .

^

« % )>

7 = 1 , . . . . г ;

(5.1.74а)

(п)

г

( .

(п)

),

(5.1.746)

се = j > 7/$(T7

7=1