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

Пластичность Часть 1. Упруго-пластические деформации

.pdf
Скачиваний:
26
Добавлен:
15.11.2022
Размер:
16.62 Mб
Скачать

Интенсивность деформаций, а следовательно, и интенсивность напря­ жений теперь становятся известными функциями радиуса и зависят от двух произвольных постоянных е1 и с:

е4 =

с*

 

г< ’

(3.46)

 

0< = Ф (et).

Формулы (2.3) дают два соотношения между тремя напряжениями:

 

__

 

/ с

3

 

 

’9 —

 

_

"2 е' )■

(3.47)

 

 

4с(

с

 

°з

°а

 

 

~3ё{

7*”’

 

 

В этой задаче мы можем написать два уравнения равновесия: одно представляет условие равновесия элемента трубы в проекции на радиус

 

 

 

dr

1

 

г

 

 

 

 

00

а другое — условие равновесия

трубы

в проекции

на

её

ось

 

 

 

 

 

 

ь

 

 

 

 

 

 

 

 

Р Jго^г.

 

 

 

(3.48)

 

 

 

 

 

 

а

 

 

 

 

 

Первое из этих уравнений на основании

(3.47)

можно

проинтегри

ровать

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

°а

т

' / т

ё г йг+

с1

 

 

 

и заменить интегрирование

по

г

интегрированием по

eiy поскольку

с

V3

i/3 “—

 

___

2tfr

ejdej

(3.49)

7 Г =

~

 

— ^ sign с,

 

е?— е2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

е 1

 

Тогда получим:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оо =

С,

 

1

Г

Qjdej

sign с.

 

 

 

 

’v *

j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Согласно (3.49),

между

значениями

величины

et

на

внутренней

и наружной поверхностях и значением её

при любом г

существует

соотношение:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Полагая в предыдущем уравнении, что при г е я а ,

ei = е{а, о8 =

ра%

находим распределение радиальных напряжений:

 

 

 

°в — — Ра +

 

 

sign с,

(3.51)

а из

условия г = Ь, о3 = — /?6

находим

одно

соотношение

между

двумя

неопределёнными постоянными

еta

и е1:

 

 

 

,

 

sign с;

(3.52)

 

Ра— Рь =

V

 

 

- 7 1

4 - i

 

 

”ib

при этом постоянные с и е{ь выражаются также через е(а и et, согласно (3.50); попутно из (3.52) устанавливаем, что знак постоян­ ной с совпадает со знаком разности рарь:

sign с = sign (ра-~Ръ)-

Напряжения о2 и о1 теперь будут иметь следующие выражения:

2а, * ■ = « . + , 7 ^ 5

I

(3.53)

=(V<%— «; Sign«+«1>^3). j

Уравнение (3.48) позволяет найти

второе

недостающее соотношение

между постоянными

и ev

Замечая, что согласно (3.50)

* 4

- * ;

rdr =

V ia'

‘C^dci| (3.54)

га = аа —

— ,

2

 

 

 

 

 

мы получаем:

 

 

 

 

 

P

vtfitdej

.

 

 

ia

( A

- A ) * ' *

 

 

 

 

 

ei V3

Подставляя сюда значение о8 из (3.51) и применяя формулу Дирихле для преобразования двойного интеграла, а именно:

 

< ejdej

°<а

Qjdej

 

 

 

 

 

 

 

 

/

Г

 

 

 

 

 

 

 

 

(«? —!>%J V e f ^

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

eib

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V (ei — £?)

— 4 ) )

a{de{,

 

 

 

 

 

 

 

окончательно

получим

следующий

результат:

 

 

 

 

 

 

Р

it (<РраЬгр ъ)

 

 

 

Г

aia

 

 

 

т / - 2 _

2

 

 

( 3. 55)

 

 

«в»

 

1

v

ia

i

J

 

(«*_«»унт

7

 

 

 

 

 

 

 

 

eib

 

 

 

При

заданном

законе

о< =

ф (е <)

формулы

(3.50),

(3.52)

и (3.55)

определяют все константы

elt eta,

е(ь,

с,

и

потому напряжения

в трубе вполне определены формулами (3.51) и (3.53), а перемеще­ ние w — формулой (3.45). Из (3.55) видно, что если осевая сила Р отсутствует, то благодаря действию одного только внутреннего давления труба укорачивается; если действует одно наружное давле­ ние— она удлиняется по оси.

Рассмотрим случай, когда материал трубы подчиняется закону (2.11):

<3t z=t30e{( l — ю),

e =

0,

(* < < « ,), <“ = ^ ( l

(e{ > e s).

(б)

Предположим,

что

цилиндрическая поверхность

г = г*

разделяет

зоны упругих и пластических деформаций. Поскольку ei — монотонно убывающая функция при переходе от внутренней к наружной поверх­ ности цилиндра, существование упругой и пластической зон будет обеспечено, если

eia ^ еа^ еш

(3.56)

причём радиус зоны пластичности, примыкающей к внутренней поверх­ ности цилиндра, согласно (3.50), будет определён условием е{ =*е8:

г*

(3.57)

обозначим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

е<»

 

 

 

 

 

 

(3-58)

и заметим,

что

3 Gea = o8

есть

 

предел

текучести

материала. Уравне­

ние (3.52)

при

законе

(б)

принимает

вид:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3G

г*

 

ejdej

 

3GX

в1а

(e{— e,)de{ .

 

 

 

 

 

 

Г

 

 

I Р * - Р ъ \ = ^

J

 

'

 

 

 

Y* J

 

 

 

 

 

 

 

У з

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

eib

 

 

 

 

e_

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

после вычисления интегралов

 

и

несложных

преобразований

со­

гласно (3.50)

и (3.58) оно даёт первое соотношение между

е<в и е,:

 

 

 

 

«J +

Л У \ — e*+ Xln

Ча + V A . -

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i + V

i - 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

\Ра —Pb I УЗ

(3.52')

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аналогичным

образом

из

 

(3.55)

получаем

второе

соотношение

в следующем

виде:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ж .—!>-

5 5 ,.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Соотношения (3.52') и (3.55') позволяют построить серию

графиков

величин

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Р

__ \РаРъ I Y&

 

Р

 

P — KicPPo— VPb)

 

/„ч

 

- --------- 5"-------- ’

--------------йвЧ ---------*

 

W

в зависимости от е1? е#а и графиков обратных зависимостей при

различных значениях отношения и параметра X. Распределение

напряжений по толщине стенки теперь может быть найдено из (3.51), (3.53), но сами напряжения о1э о2> оа особого интереса не пред­ ставляют, так как при найденных е., eia по значениям:

eia

е1

мы знаем распределение

интенсивности напряжений о< = Ф (^ ) и осе­

вую и радиальную деформации трубы, а также радиус зоны йластич^ ности

Перемещение w любой точки трубы, согласно (3.45), (3.50), мы можем записать в виде:

- s r -

ч

 

 

£

 

+

 

!|s "

о

 

 

 

 

 

 

 

 

______

г 2 у д 1

 

 

 

 

 

в

— ®l £

+

V

l — *1

- *2Tr

sl&n (Pa— Pb)-

 

(3.59)

Рассмотрим

более

подробно

частный

случай,

когда

е{ = 0.

При этом имеет место плоская деформация

трубы. Из

(3 .52') полу­

чаем трансцендентное

уравнение для определения eia:

 

 

 

 

Ь +

(1 — ^ — ®9) eia +

е4а= Р >

 

(3.52")

где « = - | -----отношение

радиусов цилиндра; теперь из (3.55') мо­

жем найти силу Р, возникающую в направлении оси

трубы;

открывая встречающуюся здесь неопределенность, получаем:

 

 

 

 

Р" =

0,

 

\P — v (а*ра Ьяр ъ).

 

 

(3.53")

Переход трубы

за

предел

упругости происходит

при eia =

e8 или

г{а= 1, что соответствует

предельному упругому

состоянию

трубы.

Таким образом, при упруго-пластическом

состоянии

 

 

 

е < а > 1 .

 

р ' =

lP- a ~ - P- b l ^

 

> 1 - « а.

 

 

Деформация трубы

в

нашем

случае

будет выражаться простой фор­

мулой :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

wУЗг^

=~ 2 5 Г " s,gn О^в— Рь).

r* ~ a Y*7Q-

Найдём ещё остаточную деформацию трубы после снятия нагрузки. Поскольку решение задачи об упругой деформации трубы получается

из "Данного выше при

X =

0,

значение е<0 в

упругом случае,

согласно (3.52"), будет:

 

 

 

_/

 

 

 

е'

-

-

 

 

 

Р

 

 

 

ia

 

1

_ в «

 

и потому фиктивная упругая деформация

при ех =

0 имеет по (3 .59)

следующее выражение:

 

 

 

 

 

 

W __

р'а у з

 

_t__

 

 

ее,

2 (1 — в*) г S gD

р ь)-

 

На основании теоремы о разгрузке находим остаточную деформацию:

^

а* ) * 1е а ( р * - Р ь ) '

(з.бо)

Если мы воспользуемся соотношениями (3.52") и (3.59'), то сможем выразить w в функции радиуса зоны пластичности /■*:

v>

_

а\ УЗ (

-^5-----2 1п —

)

sign (Ра— Рь).

ае„

 

2 (1 —о») г \ 1+ а 2

а

]

а отношение остаточной деформации к общей выразить в виде:

 

 

 

W

 

(

в*

 

 

<*2

 

1$

 

 

 

(3.61)

 

 

 

w

 

/*

 

 

/*

 

а2

)•

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На рис.

49

дан

график зависимости

величины

— ,

от

а

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

к

w

 

1

построение

сделано по

координатам

 

точек,

вычисленным

из (3.61)

и помещённым

в табл.

3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Координаты к рис. 49.

 

 

Т а б л и ц а

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а

 

 

1

 

1,2

1,4

 

 

1.6

 

1,8

2,0

2,2

оо

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 — a2

w

 

0

0,052

0,147

 

0,241

 

0,348

0,403

0,467

1

X

W

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Как видим, у толстостенных труб,

 

имеющих а < 0 ,5

при значи-

тельном

радиусе пластической

зоны,

на

20—40%

превосходящем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

внутренний

радиус

трубы,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

остаточная деформация

со­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ставляет 4 ~

10%

от общей

 

 

 

 

 

 

 

 

 

деформации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Предположим, что мате­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

риал

трубы обладает резко

 

 

 

 

 

 

 

 

 

выраженной пластичностью й

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при

малых деформациях не

 

 

 

 

 

 

 

 

 

имеет

упрочнения,

т.

е.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X =

1. В таком случае ясно,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

что

существует

некоторое

 

 

 

 

 

 

 

 

 

максимальное

значение

на­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

грузок ра9 р ъ и Я,

при ко­

 

 

 

 

 

 

 

 

 

торых

труба

находится

в

 

 

 

 

 

 

 

 

 

предельном состоянии равно­

весия, так что дальнейшее увеличение

их

невозможно. Соотношение

между величинами РауРъ>Р в этом

случае

определяет

несущую спо­

собность

трубы,

а

зависимость

такого

типа в дальнейшем

будем

на.

зывать

конечным соотношением между силами. Конечное соотно­

шение между

величинами

р'

и р",

определяемыми формулами (в),

можно

найти

из (3 .52') и

(3.55'), положив

в

них

1 = 1

и

 

 

 

 

в« в в ?+

в4<в?«“ " 'Ф “

 

 

 

поскольку

вся толща

трубы

должна перейти

за

предел упругости

(г* =

Ь). Но можно его получить и

прямо

из

(3.52) и (3.55), поло­

жив в

них oi = o8 = const. Вычисляя

простые

интегралы и обозначая

 

 

 

 

е < а

 

о 2 _ £ < L _ V

 

8 =

— =

 

(г)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Р

У

'

Р

в

 

а

 

имеем

 

 

 

 

 

х + \ х *— 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

р ’ — 1п

 

 

 

 

 

(д)

 

 

 

 

«*у+ Ув*уг— 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РП= — Х + у .

 

 

 

 

 

 

 

К

этим

уравнениям

нужно

добавить

соотношение,

вытекающее

из

(3.50) I

 

 

*■— .у* — Р*— 1.

 

 

 

 

(е)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решая совместно второе уравнение (д) и (е), находим:

х

- Р а*+ Р - 1

..

Рп + Р ~ 1

2р"

у У —

2ра

 

а подставляя эти значения в первое из уравнений (д), получаем искомое конечное соотношение:

р ' = 1п Г

- р ' /а+ Р4- 1 + У ( - р " »

+ Р«-1)«-4р"»

]

L

в»(р"* + р«— 1)+ у < * ( р п

+ Р — I)2—4р"»

J '

Величины eia, е(ь и еи как следовало ожидать, остаются неопре­ делёнными, и известно лишь их отношение между собой. В случае плоской деформации трубы, когда вдоль оси она не имеет возмож­ ности удлиняться (т. е. ^ = 0), конечное соотношение распадается на два отдельных равенства:

р" = 0, />' — 21пр,

которые запишем в явном виде

\ Р а - Р ъ \ = у ^ П ^ , Р ~ « ( а * р в —

(3. 63)

Анализируя эти формулы, заключаем, что путём неограниченного увеличения толщины стенки трубы или, что то же, уменьшения внутреннего радиуса, можно достигнуть того, что труба будет выдер­ живать неограниченно большие внутренние или наружные давления; если её концы закреплены и не могут приближаться или удаляться

один

от

другого,

то

при действии

наружного

 

давления

(ра — 0)

возникает

сжимающая

осевая

сила

Р

- — itb9p b,

а

при

действии

внутреннего давления — растягивающая

сила Р =

па9ра.

 

 

При плоской

 

деформации

трубы

 

= 0),

 

материал

которой^

полностью перешел эа предел упругости и не

обладает

упрочне^

нием

(X =

1),

силы,

определяемые формулой (3.63), дают следующе

распределение

напряжений olf а2, а8 по радиусу

 

 

 

 

 

 

 

«а =

-

 

 

ln Т si2n (Р°— Ръ)>

 

 

 

 

 

 

 

Ч

=

-

Р

а +

(l + 1 “ -■) Sign ( Р

а

Р

ь )

,

(3.64)

 

 

°1 =

-

Р

а +

(-J+ 1пт )

S,gn

~

 

Р

ь )

-

 

В частности, если наружное давление отсутствует (ръ — 0), имеем следующий закон распределе­ ния напряжений:

’ ' > = Ц ( 1 - ,п 4 -)- <М 4 '>

Если р < « = 2,7183, то тан­ генциальные напряжения о9 по­ ложительны по всей толщине стенки, если же р > е, то при

Ь

г — — напряжение о9 меняет

знак, являясь положительным на наружных и сжимающим на Рис. 50. внутренних слоях трубы. Рас­ пределение общих и остаточных

(после снятия давления) напряжений о9 и о9 по толщине стенки показано на рис. 50. Пунктиром показан закон распределения упругих напря­ жений а'. Как видим, характер распределения напряжений при пла­ стических деформациях труб прямо противоположен распределению упругих напряжений, и наиболее тяжелые условия для прочности материала возникают, видимо, на наружном слое трубы. Бриджмен М, применяя очень высокие давления, показал, что разрушение сталь­ ной трубы начинается именно с поверхности.

 

 

 

 

Г Л А В А

IV.

 

 

РАВНОВЕСИЕ ПЛАСТИНОК И ОБОЛОЧЕК.

 

 

 

§ 22.

Предварительные замечания.

 

Решение проблемы равновесия пластинок и оболочек при упруго­

пластических

деформациях, как и при чисто упругих, основывается

на

двух

основных

постулатах Кирхгоффа-Лява. Первый состоит

в

том, что

совокупность материальных частиц, расположенных на

нормали

к

серединной поверхности

оболочки до деформации, рас­

положена также на нормали к серединной поверхности её после деформации, и потому деформированное состояние оболочки опре­ деляется только деформированным состоянием её серединной поверх­ ности. Этот постулат, по существу, говорит о том, что каждый кусок оболочки, размеры серединной, поверхности которого малы сравнительно с общими её размерами (и соизмеримы с толщиной), находится в условиях, весьма близких к чистому изгибу и кручению,

наложенным

на

растяжение

и сдвиг без изгиба и кручения. Второй

постулат

состоит

в том,

что

все

компоненты

напряжений,

имеющие

направление

нормали

к

серединной поверхности, весьма малы срав­

нительно

с

другими.

Оба эти постулата находятся в согласии друг

с другом

и

означают,

 

что

всякий тонкий элементарный слой мате­

риала, параллельный

серединной

поверхности

оболочки,

находится

в условиях плоского напряжённого состояния или, точнее, напряже­ ния, действующие в его плоскости, значительно больше других напряжений. В справедливости такого предположения можно убе­ диться из анализа порядка различных компонентов напряжений в тон­ кой оболочке, исходя из уравнений равновесия.

Кроме постулатов Кирхгоффа-Лява в дальнейшем мы будем поль­ зоваться предположением, что материал оболочки можно считать несжимаемым. Степень точности такого предположения заранее является довольно определённой, поскольку хотя бы из теории упругих оболочек известно, как влияет коэффициент Пуассона на деформации и напряжения. В теории упруго-пластических деформа­ ций оболочек гипотеза о несжимаемости вносит значительные упро­ щения.

§ 23. Законы пластичности при плоском напряжённом состоянии.

Пусть тонкая пластинка находится под действием сил, приложен­

ных в

её плоскости (х,

у). В таком случае компоненты напряже­

ний Х„

Yt, Zz малы сравнительное Хх,

Yy, Х у, а последние мало

изменяются по толщине, и

потому можно

рассматривать их средние

значения *).

Интенсивность напряжений о( будет иметь следующее прибли­

жённое

выражение (см. § 8):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= У Х%— X x Yy +

Yl + 3 X l

(4.1)

Поскольку

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

первые три

формулы (2.3) примут вид:

 

 

 

 

 

С

—" у

1

v

__

ехт ==~ ^ аях*

 

 

 

 

 

 

л я

2" ГУ

 

 

 

 

S

V __1

У1

 

ZL »

g< ■>

(4.2)

 

 

 

 

v ~

v

2 Л я

 

е { е т

e t a W '

 

 

 

С

_ у

__

 

 

 

^

_

 

 

 

° ш р —

 

з е< еху

 

3 е< э х у ’

 

остальные формулы (2.3) дадут

выражение деформации е„ :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ауу>

 

и два соотношения,

показывающие,

что деформации е ^

относи­

тельно

е ^ ,

еуу,

е^у

имеют

тот

же порядок малости, как напряже­

ния Х г,

Yt

относительно

Х х,

Yy, Х у. Поэтому интенсивность дефор­

мации

будет

иметь

следующее

выражение:

 

 

 

е{ =

 

 

 

 

+

етзРуу +

е*у

 

 

 

=

7^=-

Эхх

 

 

 

-f-

Эед.

(4.3)

Величины ot и

tf

связаны между

собой законами (2.6) или

(2.17):

 

 

 

о{ =

Ф (е{) =

Ееf l 1 — «о (е,)],

 

 

 

 

е< =

Ф -«(а<) =

| - [ 1 + ? Ы ] -

 

1) Мы имеем в виду обобщённое плоское напряжённое состояние.