金属塑性加工原理试题及答案.docx
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1、一, 简述“经典塑性力学的主要内容,以及“现代塑性力学的开展概况选23个开展方向加以简洁介绍 20分 答:“经典塑性力学的主要内容经典塑性理论主要基于凸性屈服面, 正交法那么与塑性势等概念,描述的是一种匀称连续的介质在外力作用下产生不行复原的位移或滑移现象的唯象平均。经典塑性理论主要基于以下三个方面:1初始屈服准那么;2强化准那么;3流淌规那么。经典塑性力学的三个假设(1) 传统塑性势假设。众所周知,传统塑性势是从弹性势借用过来的, 并非由固体力学原理导出。因此这是一条假设。按传统塑性势公式, 即可得出塑性主应变增量存在如下比例关系: (1)式中Q为塑性势函数。可推证塑性主应变增量与主应力增量
2、有如下关系: (2)由式(1)知式(2)中矩阵Ap中的各行元素必成比例,即有 (3)且Ap的秩为1,它只有一个基向量,说明这种状况存在一个势函数。由式(1)或式(2) 或传统塑性势理论,都可推知塑性应变增量的方向只与应力状态有关,而与应力增量无关,所以它的方向可由应力状态事先确定。传统塑性势假设数学上表现为Ap中各行元素成比例及Ap的秩为1,物理上表现为存在一个势函数, 且塑性应变增量方向与应力具有唯一性。(2)关联流淌法那么假设,假设屈服面与塑性势面一样。无论在德鲁克塑性公设提出之后还是之前, 经典塑性力学中都始终引用这条假设。对于稳定材料在每一应力循环中外载所作的附加应力功为非负,即有 (
3、4)式(4)本是用来推断材料稳定性的,而并非是普遍的客观规律。然而有人错误地认为德鲁克公设可依据热力学导出, 即应力循环中弹性功为零, 塑性功必为非负,因而式(4)成立。按功的定义,应力循环中,外载所作的真实功应为 (5)式(5)说明,应力循环中只存在塑性功, 并按热力学定律必为非负。由式(5)还可看出, 真实功与起点应力无关。由此也说明附加应力功并非真实功, 它只能理解为应力循环中外载所作的真实功与起点应力所作的虚功之差(见下列图) 。(3)不考虑应力主轴旋转假设。经典塑性力学中假设应变主轴与应力主轴始终重合, 即不考虑应力主轴旋转在这种状况下,屈服方程可以写成三个应力张量不变的函数。只有在
4、应力主轴旋转时,应力不变量不变,因此不会产生塑性变形。“现代塑性力学的开展概况塑性力学作为固体力学的一个重要分支,其开展的历史虽然可以追溯到18世纪的70年头,但真得到充分开展并日臻成熟的是在20世纪的40年头与50年头初。特殊是志向塑性理论,这时已到达成熟并开场在工程实践中得到应用的阶段。塑性变形现象发觉较早,然而对它进展力学探讨,是从1773年库仑Coulomb土壤压力理论,提出土的屈服条件开场的。 HTresca于1864年对金属材料提出了最大剪应力屈服条件。随后圣维南于1870年提出在平面状况下志向刚塑性的应力-应变关系,他假设最大剪应力方向与最大剪应变率方向一样,并解出柱体中发生局部
5、塑性变形的扭转与弯曲问题以及厚壁筒受内压的问题。Levy于1871年将塑性应力-应变关系推广到三维状况。1900年格斯特通过薄管的联合拉伸与内压试验,初步证明最大剪应力屈服条件。 此后20年内进展了很多类似试验,提出多种屈服条件,其中最有意义的是Mises于1913年从数学简化的要求动身提出的屈服条件(后称米泽斯条件)。米泽斯还独立地提出与Levy一样的塑性应力-应变关系(后称为Levy-Mises本构关系)。泰勒于1913年,Lode于1926年为探究应力-应变关系所作的试验都证明,莱维-米泽斯本构关系是真实状况的一级近似。 为更好地拟合试验结果,罗伊斯于1930年在普朗特的启示下,提出包括
6、弹性应变局部的三维塑性应力-应变关系。至此,塑性增量理论初步建立。但当时增量理论用在解详细问题方面还有不少困难。早在1924年亨奇就提出了塑性全量理论,由于便于应用,曾被纳戴等人,特殊是伊柳辛等苏联学者用来解决大量实际问题。 虽然塑性全量理论在理论上不适用于困难的应力变更历程,但是计算结果却与板的失稳试验结果很接近。为此在1950年前后绽开了塑性增量理论与塑性全量理论的辩论,促使从更根本的理论根底上对两种理论进展探讨。另外,在强化规律的探讨方面,除等向强化模型外,普拉格又提出随动强化等模型。电子计算机的开展,为塑性力学的探讨与应用开展了广袤的前景,特殊是促进了有限单元法的应用。1960年,Ar
7、gyris提出初始荷载法可作为有限单元法解弹塑性问题的根底。自此志向塑性的塑性力学已经到达定型的阶段,而具有加工硬化的塑性力学至今仍是在开展中探讨课题。 20世纪60年头以后,有限元法的开展,供应恰当的本构关系已成为解决问题的关键。所以70年头关于塑性本构关系的探讨特别活泼,主要从宏观与微观的结合,从不行逆过程热力学以及从理性力学等方面进展探讨。 在试验分析方面,也开场运用光塑性法, 云纹法, 散斑干预法等能测量大变形的手段。另外,由于出现岩石类材料的塑性力学问题,所以塑性体积应变以及材料的各向异性, 非匀称性, 弹塑性耦合, 应变弱化的非稳定材料等问题正在探讨之中。塑性力学的主要内容从学科建
8、立过程来看,塑性力学是以试验为根底,从试验中找出受力物体超出弹性极限后的变形规律,据以提出合理的假设与简化模型,确定应力超过弹性极限后材料的本构关系,从而建立塑性力学的根本方程。解出这些方程,便可得到不同塑性状态下物体中的应力与应变。 塑性力学的根本试验主要分两类:单向拉伸试验与静水压力试验。通过单向拉伸试验可以获得加载与卸载时的应力-应变曲线以及弹性极限与屈服极限的值;在塑性状态下,应力与应变之间的关系是非线性的且没有单值对应关系。由静水压力试验得出,静水压力只能引起金属材料的弹性变形且对材料的屈服极限影响很小。 塑性力学的根本假设为简化计算,依据试验结果,塑性力学采纳的根本假设有:材料是各
9、向同性与连续的。平均法向应力不影响材料的屈服,它只与材料的体积应变有关,且体积应变是弹性的,即静水压力状态不影响塑性变形而只产生弹性的体积变更。这个假定主要依据是闻名的Brid-gman试验。材料的弹性性质不受塑性变形的影响。这些假设一般适用于金属材料;对于岩土材料那么应考虑平均法向应力对屈服的影响。塑性力学的简化模型塑性力学的应力-应变曲线通常有5种简化模型:志向弹塑性模型,用于低碳钢或强化性质不明显的材料。线性强化弹塑性模型,用于有显著强化性质的材料。志向刚塑性模型,用于弹性应变比塑性应变小得多且强化性质不明显的材料。线性强化刚塑性模型,用于弹性应变比塑性应变小得多且强化性质明显的材料。幂
10、强化模型,为简化计算中的解析式,可将应力-应变关系的解析式写为=y/yn,式中y为屈服应力,y为与y相对应的应变,n为材料常数。 屈服条件与本构关系在困难应力状态下,推断物体屈服状态的准那么称为屈服条件。屈服条件是各应力重量组合应满意的条件。对于金属材料,最常用的屈服条件为最大剪应力屈服条件又称特雷斯卡屈服条件与弹性形变比能屈服条件又称米泽斯屈服条件。对于岩土材料那么常用特雷斯卡屈服条件, 德鲁克-普拉格屈服条件与莫尔-库伦屈服条件。对于强化或软化材料,屈服条件将随塑性变形的增长而变更,变更后的屈服条件称为后继屈服条件。当主应力的大小次序时,运用特雷斯卡屈服条件较为便利;假设不知道主应力的大小
11、次序,那么运用米泽斯屈服条件较为便利。对于韧性较好的材料,米泽斯屈服条件与试验数据符合较好。 由于塑性变形与变形历史有关,因此反映塑性应力-应变关系的本构关系用应变增量形式给出比拟便利。用应变增量形式表示塑性本构关系的理论称为塑性增量理论。增量理论的本构关系在理论上是合理的,但应用比拟麻烦,因为要积分整个变形路径才能得到最终结果。因此,又开展出塑性全量理论,即采纳全量应力与全量应变表示塑性本构关系的理论。在比例变形的条件下,可通过积分增量理论的本构关系获得全量理论的本构关系。当偏离比例变形条件不多时,全量理论的计算结果与实险结果比拟接近。求解塑性力学边值问题时,运用的平衡方程, 几何方程即应变
12、与位移的关系以及力与位移的边界条件都与弹性力学中运用的一样,只是物理关系不再用弹性力学中的胡克定律,而采纳塑性增量或全量的本构关系。经典弹塑性理论在经典弹塑性理论中,应变增量可以被分为弹性局部与塑性局部:弹性局部可按下式确定其中, 塑性局部依据Drucker公设并关联流淌法那么,可得其中f是屈服条件二, 什么叫初始与后继屈服?写出常用的各向同性与各向异性材料的初始屈服准那么的表达式,并说明其物理意义。 20分答:初始屈服:是指在外力的作用下,质点由弹性变形态态进入塑性变形态态开场产生塑性变形的屈服。后继屈服:材料进入塑性阶段后卸载,然后重新加载至接着发生新的塑性变形时材料的再度屈服称为后继屈服
13、,相应的屈服点称为后继屈服点。对于绝大多数金属材料而言,在实际变形过程中,因为存在加工硬化,后继屈服的屈服强度比初始屈服高。对于各向同性材料,不管采纳什么样的变形方式,在变形体内某点发生屈服的条件仅是各应力重量的函数,f与应力的方向无关,故f与坐标轴的选择无关的应力不变量来表示,即 C是与材料性质有关的常数,可通过简洁试验测得。常用各项同性屈服准那么有:Tresca屈服准那么与Mises屈服准那么。Tresca屈服准那么: ,K是材料的剪切屈服应力。假设那么 当以材料拉伸试验来确定剪切屈服应力时,有 。假设不知道主应力依次,那么Tresca条件可写成Tresca屈服准那么表示的物理意义是:无论
14、材料处于什么样的应力状态,只要最大剪应力到达某一极限值,材料就进入塑性变形态态。 Mises屈服准那么:Mises屈服准那么表示的物理意义是:无论材料处于什么样的应力状态,只要物体内的等效应力到达某肯定值时,材料就进入塑性变形态态。对于各向异性材料,其各方向的材料特性不同,那么受力方向起确定性作用,其初始屈服准那么的表达式:fij,ij,t,T,S=0,其中ij为应力张量,ij为应变张量,t为时间,T为变形温度,S为变形材料的组织特性。常用的两种各向异性屈服准那么:三, 简述塑性失稳的种类及各自的特点。 20分答:塑性失稳是指当材料所受载荷到达某一临界值时,即使载荷下降,塑性变形还会接着的现象
15、。即出现剪切带, 颈缩, 皱曲, 墩粗等塑性变形现象的失效方式,可发生于墩粗, 深冲, 锻造与拉伸, 压缩, 过载等状况。 失稳主要分为压缩失稳与拉伸失稳两种。其中,压缩失稳的主要影响因素是刚度参数,在塑性成形中表现为起皱与弯曲;拉伸失稳的主要影响因素是强度参数,它主要表现为明显的非匀称伸长变形。在拉伸过程中,颈缩与剪的形成是最主要的现象,而其本征缘由就是缺少加工硬化实力,由于晶粒较小无法存储与容纳更多的位错,从而使得失稳较早的发生。压缩失稳薄板在压缩变形过程中,失去了保持其原来平面形态的实力而产生弯曲隆起的现象薄板成形中,压缩失稳的表现形式是在板料局部出现皱折,称为起皱。起皱是一种成形缺陷,
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