- •8 Приложения. Элементы векторной и тензорной алгебры
- •1.1 Задачи курса «Механика сплошных сред»
- •1.2 Предмет механики сплошной среды
- •1.3 Методы механики сплошной среды
- •1.4 Основные принципы механики сплошной среды
- •1.5 Элементарный объем
- •1.6 Переменные Лагранжа и Эйлера
- •1.7 Движение и равновесие сплошной среды
- •2 Статика сплошной среды
- •2.1 Напряжение в точке
- •2.2 Напряженное состояние в точке
- •2.3 Соотношения Коши и компоненты напряженного
- •2.4 Тензор напряжений
- •2.5 Доказательство тензорности напряженного состояния*
- •2.6 Условия симметричности тензора напряжений
- •2.7 Доказательство равенства парных касательных
- •2.8 Общий случай напряженного состояния*
- •2.9 Главные напряжения
- •2.10 Нормальные и касательные напряжения
- •2.11 Максимальные касательные напряжения
- •2.12 Шаровой тензор и девиатор напряжений
- •2.13 Изображение напряженного состояния в точке
- •2.14 Октаэдрические напряжения и интенсивности
- •2.15 Уравнения равновесия
- •2.16 Уравнения равновесия в недекартовых системах
- •2.17 Уравнения равновесия в общем случае *
- •2.18 Краевая задача статики сплошной среды
- •3 Кинематика сплошной среды
- •3.2 Абсолютная и относительная деформация
- •3.3 Поле относительных смещений
- •3.4 Составляющие движения сплошной среды
- •3.5 Тензор малых деформаций
- •3.6 Геометрический смысл компонент тензора малых
- •3.7 Тензоры конечных деформаций
- •3.8 Общий случай малых деформаций *
- •3.9 Анализ деформированного состояния в точке
- •3.10 Инварианты тензора малых деформаций
- •3.11 Главные деформации
- •3.12 Максимальные угловые деформации
- •3.13 Октаэдрические деформации и интенсивности
- •3.14 Условия совместности деформаций
- •3.15 Определение перемещений по деформациям*
- •3.16 Поле скоростей
- •3.17 Первая теорема Гельмгольца
- •3.18 Тензор скоростей деформаций
- •3.19 Свойства тензора скоростей деформаций
- •3.20 Вторая теорема Гельмгольца*
- •4 Элементы термодинамики сплошных сред
- •4.1 Термодинамические системы и параметры состояния
- •4.2 Законы сохранения
- •4.3 Теоремы э. Нётер и свойства симметрии
- •4.4 Закон сохранения массы и уравнение неразрывности
- •4.5 Вывод уравнения неразрывности*
- •4.6 Теорема «живых сил»
- •4.7 Первое начало термодинамики
- •4.8 Уравнение теплопроводности
- •5 Основы теории упругости
- •5.1 Предмет теории упругости
- •5.2 Обобщенный закон Гука
- •5.3 Упругое изменение объема и формы
- •5.4 Потенциальная энергия упругого деформирования
- •5.5 Постановка задач в теории упругости
- •5.6 Решение задач теории упругости в перемещениях
- •5.7 Решения задач теории упругости в напряжениях
- •5.8 Плоское напряженное состояние*
- •5.9 Плоское деформированное состояние*
- •5.10 Плоская задача в моментной теории упругости *
- •5.11 Функция напряжений*
- •5.12 Способы решения задач теории упругости*
- •6 Основы теории пластичности
- •6.1 Предмет теории пластичности
- •6.2 Переход в пластическое состояние при растяжении
- •6.3 Условия пластичности
- •6.6 Экспериментальная проверка условий
- •6.7 Теории пластичности
- •6.8 Теория пластического течения
- •6.10 Постулат Друкера и ассоциированный закон
- •6.11 Области применимости различных теорий пластичности
- •6.12 Экстремальные принципы пластического
- •7 Применение теории пластичности в омд
- •7.1 Постановка задач при расчетах процессов омд
- •7.2 Математический аппарат и краевые условия при омд
- •7.3 Способы решения задач теории пластичности
- •1.Численные методы;
- •2.Прямые методы получения решений на основе экстремальных принципов мсс;
- •3.Уменьшения числа независимых переменных и искомых функций.
- •7.4 Частные виды напряженно-деформированных
- •1. Толщина пластины значительно меньше остальных размеров;
- •2. Деформирующие усилия приложены в срединной плоскости пластины.
- •7.5 Особенности плоского деформированного состояния
- •7.6 Осесимметричное деформированное состояние
- •7.7 Метод линий скольжения
- •7.8. Свойства линий скольжения
- •7.9 Простые сетки линий скольжения
- •7.10 Статические граничные условия в млс
- •7.11 Задача о внедрении штампа в полупространство
- •7.12 Основные краевые задачи в млс*
- •7.13 Определение поля скоростей в млс*
- •7.14 Полные решения задач плоской деформации
- •Пластичности в омд”
- •8. Приложения. Элементы векторной и тензорной алгебры и анализа
- •8.1 Скаляры и векторы
- •8.2 Векторный базис
- •8.3 Сложение и умножение векторов
- •8.4 Тензоры 2-го ранга
- •8.5 Преобразование компонент тензора
- •8.6 Сложение и умножение тензоров
- •8.7 Симметрирование и альтернирование тензоров
- •8.8 Умножение тензора на вектор
- •8.9 Главные оси тензора
- •8.10 Определение величины и направления главных компонент тензора
- •8.12 Поверхности уровня и градиент скалярного поля
- •8.13 Векторное поле и векторные линии
- •8.14 Поток и дивергенция векторного поля
- •Теорема Остроградского–Гаусса:
- •8.15 Циркуляция и ротор векторного поля
- •8.16 Оператор («набла»)
- •8.17 Дифференциальные операции 2-го порядка
- •8.18 Потенциальные векторные поля
- •8.20 Гармонические векторные поля
- •8.21 Основная теорема векторного анализа
- •8.22 Производная и градиент векторного поля
- •8.23 Поток тензорного поля
- •8.24 Дивергенция тензорного поля
- •8.25 Производная тензорного поля по направлению
- •Предметный указатель
- •Перечень ссылок
7.10 Статические граничные условия в млс
Для определения параметров ζ и λ по формулам (7.23) нужно знать значения σ0 и θ на контуре рассматриваемой области. Поэтому необходимо найти зависимости между известными при СГУ нормальным σn и касательным τк контактными напряжениями и σ0 и θ в тех же точках контура.
Пусть на контуре S заданы σn и τк , причем (рис.7.26):
Рисунок 7.26 − К определению СГУ в МЛС
Выделим произвольную точку М контура S и проведем через нее нормаль к контуру. Угол между нормалью и осью x обозначим ψ. Перейдем в точке М к локальной системе координат x'y', совпадающей с нормалью и касательной к контуру в точке М. Угол наклона ЛС семейства а к оси x' будет равен θ' = θ - ψ , где θ – угол наклона этой же ЛС к оси x. Тогда по (7.20) в системе координат x'y':
Отсюда имеем:
Решая эти уравнения относительно σ0 и θ, находим:
, (7.25)
где знаки следуют из четности функции cos. Знак решения выбирает-
ся из условий задачи.
Рассмотрим некоторые частные случаи.
1. Касательные напряжения на контуре отсутствуют (τк= 0):
Линии скольжения подходят к контуру под углом 450.
2. Касательные напряжения на контуре максимальны (τк= k):
Линии скольжения подходят к контуру под углами 00 и 900.
3. На контуре σn и τк равны нулю (свободная поверхность):
Линии скольжения подходят к контуру под углом 450, а среднее нор-
мальное напряжение равно пластической постоянной (имеется ввиду пластическая область).
7.11 Задача о внедрении штампа в полупространство
Решение данной задачи относится к самым ранним работам по плоской деформации с применением теории течения.
Условия задачи: абсолютно твердый штамп с плоским основанием внедряется в пластическое полупространство без трения по поверхности контакта. Вертикальная составляющая скорости штампа равна V. Среда считается жесткопластической, ее механические свойства постоянны (упрочнением и разупрочнением пренебрегают). Предел текучести среды при сдвиге (пластическая постоянная) равен k.
Рассмотрим решение, данное Л.Прандтлем (рис. 7.27).
Рисунок 7.27 − Решение Прандтля
Основные допущения – среда перешла в пластическое состояние
в момент начального внедрения штампа и при этом поверхность полупространства DG не потеряла плоскостности (в действительности из-за несжимаемости металла в пластическом состоянии будет происходить выпучивание по обеим сторонам штампа); пластическая область распространяется по обе стороны штампа на расстояние, равное ширине штампа 2а (оснований для такого предположения нет).
Поскольку под штампом и угол , то в соответствии с п.7.10 здесь , т.е. ЛС семейства α будут подходить к основанию штампа под углом +450, а семейства β –-450. Т.к. СГУ на АB не меняются, то здесь const и поэтому сетка будет равномерной (см. рис. 7.25). Но по обе стороны штампа также и угол . Поэтому здесь тоже 450. Но т.к. на свободных поверхносях σn =0, то на DA и BG известно и σ0 = -k (поскольку имеет место сжатие). На АВ σ0 неизвестно, как и σn . Точки А и В являются особыми, т.к. в них σn терпит разрыв. ЛС к ним могут подходить под самыми разными углами от 450 до 1350. Поэтому СЛС под линией DABG не может быть равномерной; она состоит из трех равномерных сеток ADE, BAC и GBF, соединенных центрированными сетками AEC и BCF ( в соответствии со следствием из 1-й теоремы Генки). В области ADE (и GBF) . Поэтому в области BAC:
По (7.20) находим:
Усилие внедрения штампа: .
Рассмотрим кинематическую сторону задачи. Металл в треугольнике BAC движется вниз как твердое тело со скоростью штампа V. Вдоль линий AC и BC касательная составляющая скорости терпит разрыв (в теории МЛС показано, что разрывы скоростей возможны только на ЛС [28]). Нормальная составляющая равна . Вдоль CE и CF касательная составляющая, естественно, разрывна, а нормальная равна нулю. Поэтому в соответствии с (7.34) в центрированной сетке V = 0, a u = . Области ADE и GBF скользят как твердые тела в направлениях DE и FG со скоростью .
Позже Р.Хиллом было предложено другое решение, более близкое к действительности. Здесь предполагается, что пластические зоны по обеим сторонам штампа распространяются только на расстояние а (рис.7.28). Т.к. СГУ те же, то по линии контакта будет действовать такое же напряжение , как и в решении Прандтля.
Рисунок 7.29
Рисунок 7.28 − Решение Хилла
Усилие внедрения Р также останется прежним. Однако поле скоростей иное. Металл в треугольниках AJC и BCF скользит как твердое тело вдоль CG и CF со скоростью . На AJ и BF разрывов скорости нет. В центрированных сетках v = 0 и u = . В ADE и BHG металл движется вдоль DE и HG со скоростью . Т.о. в этом решении поле скоростей непрерывно.
Решение Хилла более реалистично потому, что как известно из решения аналогичной задачи для упругой области [10], максимальные напряжения в начале внедрения возникают по углам штампа.
В.Прагер показал, что можно построить бесчисленное множество
других решений, комбинируя решения Прандтля и Хилла и все они будут соответствовать заданным СГУ. Это свидетельствует о неоднозначности статической задачи ПДС для жестко-пластических сред. Причины рассмотрены в п.7.13. Здесь же можно указать, что статическая часть задачи о внедрении штампа будет иметь вполне однозначное решение при использовании модели упруго-пластической среды или же при экспериментальном определении длины участков AD и BG, находящихся в пластическом состоянии.