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弹性变形与塑性变形.docx


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Revised on November 25, 2020
弹性变形与塑性变形
一、弹性和塑性的概念
可变形固体在外力作用下将发生变形。根据变形的特点,固体在受力过程中的力学行为可分为两个明显不同的阶段:当外力的质点与变形前物体上的质点是一一对应的。有了连续性假定,在进行弹塑性力学分析时,就可以利用基于连续函数的一系列数学工具,避免了数学上的极大困难。
2.均匀性假定
所谓均匀性假定,即认为所研究的可变形固体是由同一类型的均匀材料所构成的,因此,其各部分的物理性质都是相同的,并不因坐标位置的变化而变化。例如,固体内各点的弹性性质都相同。根据均匀性假定,在研究问题的时候,就可以从固体中取出任一单元来进行分析,然后将分析的结果用于整个物体。
3.各向同性假定
所谓各向同性,即假定可变形固体内部任意一点在各个方向上都具有相同的物理性质,因而,其弹性常数不随坐标方向的改变而改变。实际上,有不少固体材料不具有这种性质,例如木材、竹材、纤维增强复合材料等,但这类材料不在本书讨论范围之内。此外,各向同性假定也仅仅应用于弹性阶段,即使是初始各向同性的固体,在进入塑性阶段后,也成为各向异性的。
4.小变形假定
所谓小变形假定,即假定固体在外部因素(外力、温度变化等)作用下所产生的变形,远小于其自身的几何尺寸。根据小变形假定,可以不考虑因变形引起的固体的尺寸变化,而采用变形前的几何尺寸来代替变形后的尺寸,使得问题大为简化。例如,在研究物体的平衡时,可不考虑由于变形所引起的物体尺寸和位置的变化;在建立应变和位移之间的关系时,就可以略去几何方程中的二阶小量等,使基本方程线性化。
5.无初应力假定
假定所研究的可变形固体初始处于自然状态,即在外部因素(外力、温度变化等)作用之前,其内部是没有应力的。这个假定仅仅为了表述简便而引进的,若固体内有初应力存在,则在外部因素(外力、温度变化等)作用时,其内部实际存在的应力即等于初应力加上外部因素作用所产生的应力。
以上假定是本书所讨论的问题的基础。此外,本书还不考虑固体与时间有关的力学性质如粘性等;同时,也不考虑固体在外力作用下的动力效应,即假设外力作用过程是一个缓慢的加载过程,在这个过程中,惯性力效应可以忽略不计(这样的加载过程称为准静态加载过程)。
四、弹塑性力学问题的研究方法
弹塑性力学作为固体力学的一个独立的分支学科,已有一百多年的历史。它源于生产实践,反过来又直接为生产实践服务。弹塑性力学虽然是一门古老的学科,但在土木、机械、水利、航空、材料等工程领域,随着新材料、新结构和新技术的不断发展,实践又给它提出了越来越多新的理论问题和工程应用问题,使这门古老的学科处于不断的发展中。
工程实践中,一个具体的弹塑性力学问题的求解方法可以分为以下几类:
1)经典方法。采用数学分析方法对弹塑性力学问题的定解方程进行求解,从而得出固体内部的应力和位移分布等。这种方法需要求解一个偏微分方程组的边值问题,在很多情况下,求解的难度都相当大,所以,常采用近似解法,例如,基于能量原理的Ritz法和迦辽金等。
2)数值方法。许多实际工程问题无法采用经典解法求解,而需要采用数值方法求得近似解。在数值方法中,常用的有差分法、有限元法及边界元法等。随着电子计算机技术的不断发展,目前,数

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