книги / Механика сплошной среды. Т.4 Основы механики твёрдых сред
.pdf§ 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:
§ 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 |
||
(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
§ 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 |
|
§ 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 ’ |
7т |
. (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