自增强厚壁圆筒的弹塑性应力应变分析.pdf
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1、第1 9 卷增刊 1897 年 7 月 力学学报 ACTA M CEHN IACASIN ICA 19 , July , S t jp 198 了 自增强厚壁圆筒的弹塑性应力应变分析 朱务学查子初 (华东工学 院应用力学 系) 提要本文考虑了材料的应变强化和B ao s ci hng e r效应 , 导出了自增强厚 壁筒应 力的解析解 . 根据材料实验 , 将单轴拉压的 应力应变关系作了筒化 . 对开端 自增强的情况 , 本文给出了一个理 论修正系数 . 本文的 理论结果与实验符合较好 . 关键词厚壁筒 ; 混合强化核型 ; 应 力 ; 解析解 . 1 . 引言 厚壁圆筒自增强技术 , 2,
2、目前还是以理想弹塑性材料模型为理论基础 . 而一般材料 , 尤 其是高强度钢 , 总存在一定的应变强化和明显的B a u s c hing e r 效应 , 所以理论计算结果与实 际差别较大 t”4 . 许多研究者为解决此问题做了很多工作 . 现在用的较多的方法是采用经验 修正 系数来考虑B o u s c h ing er 效应的 影响山 一 或采用数值法来计算自增强厚壁筒的残余应 力你 6 , 但计算繁琐 , 得到的数值结果不利于推广应用 . 文9勺考虑了实际材料的性能 , 导 出了一个残余应力的计算公式 , 但所作的假设过于简化 , 得到的公式比较繁杂 , 应用起来也 不大方便 . 因此
3、建立 更接近于实际材料的模型 , 导出比较简单的残余应力计算公式 , 同时顾 及到应用的方便 , 具有很重要的实际意义 . 本文采用更接近于实际材料的混合强化模型 , 通过理论分析和推导 , 得到了厚壁筒自增 强过程中加压应力 、 卸压应力及残余应力的解析表达式 , 且形式简 一 单 , 便于分析和应用 . 与 实验结果比较表明 , 理论与实际符合较好 . 2 . 理论模型 混合强化模型是等向强化和j奔功 强化的组合 01, 它构成了更一般的模型 , 能较好地反映 实际情形 , 其数学表达式为 1 f丫 、, , 一a , ) 二 F(q) ( 1) 式中伪 , 代表屈服面 中心的平移 , 它
4、依赖于塑性变形量 . 参数 q为单元所经历的塑性变形量的 累积 r 二二; f 2万不八 - 印一 J “ 二 JV了 “行“几 ( 2) F是与材料有关的函数 . 与变形历史有 一 关 取厂为M is e 、 屈服函数 , 则(1 )式成为 3 , , 。 , 万 “ , 一 a , 夕( “ , 一a , 少二 才 (l t户 (3) 一般自增强厚壁筒是广义平面应变问题 . 由于受到约束 , 轴向塑性变形较小 , 所以在计 本文于1984年1 2月2 1日收到 . (1987 年 ) 第 19 卷 算中略去 , 得 z ,= 0 , 尽 p二 一场 尹 ( 4) 由于 口i,只依赖于褚 乙
5、 , 所以有 a : = U口 r =一口夕 ( 5) 从 而可堆得 1 , 口:=不厂(口;十 叮夕少 乙 ( 6) 上式对闭端条件较为准确 , 且对其端面合力条件精确满足 , 但对开端条件精确性差一些 . 经推导 , (1) 式可化为 , ( 1 ,、,、 _ 1 ,、, 、 、 。 / 2 r l , 八 f !音(踢 一。 ; ) 一a , ( 。, , ) , 0 , 一 音( a,一。 。 ) + a 。 (。 ,。 ) = F 子粉 户 I八 , ( 7) 护 狡2 -。 - / 一 一呷 一 2 一硬 “ 一” 一尸 J 一 侧 3 J!一l / 上式中的函数关系可通过以下材料
6、试验模拟得到 . 由纯阻试验可得剪应力与塑性剪应变的关 系为 := 、 . (: , ) ( 引 另 , 至咽阻状态应满足 (f) 式;所以得 f 一(合 : ) , 0 , 一 (合 : ) = F (六j d 毛 ) ( 9 ) 比较 (7) 式和 (9) 式可琳只要将告 。 。,一。 , 少 , “ , 分另。与: 、 z , 相对应 , 贝 。 两式在形式上 完全一致 . 所以合 。 , 一 ; 少毕 , 的关系就可采用 (8)的函数关系 a。一a ; ) 二 g , (2 , ) (10) 上式即可作为计算 自增强厚壁筒内应力应变的重要关系式 , g , 函数由乡困丑转试验得到 .
7、将文6的实骚吉 果与本文实验结果相比较 , 可见材料的单轴拉压试验曲线与纯扭转试验 曲线在形式上非常相似 . 由于材料单轴拉压试验易于实现 , 在实际中便于应用 , 所以本文考 虑以单轴拉压试验州以 代替至屯 阻试验 . 由单轴拉压试验得单轴应力与单轴塑性应变的关系为 叮 = g( , )(11) 、 和单轴拉压两者的应力强度分别为丫子 、 一等效塑性应变为分 , 、 今根据应力强度 和等效塑性应变的对应关系 , 由 (8)和(n) 得 “ 1 分 (六 ) , 一六 : (六 。 , ) (1 2) 所以 ( 1 0) 式可化为 (13) 图1是一根试样的单轴拉压试验曲线及简化图 . 对拉伸
8、塑性段 , 应力应变关系采用线性 增刊 朱务学等 : 自增强厚 壁圆筒的弹 塑性 应 力应变分析 。 实验点 .、 个 ! 电 卜,卜 朴 p十七 寸 . 丰 |夕、l 八1 1八 1 1nn八月 研 Z /勺 一一弓 - 一 夕 厂厂 / / / “ _“ 刀 : : : 芍芍 g“ / 丈 言 ) g“ “ “ 100 00 , ( 尸) 20 000 图 之 川服园 卜径的 变化曲线 近似 叮二口,十 H马 (14) 反 向压缩时 , 其反向属服阶段也采用线性近似 。 =“ 广+H + H , 。工 (15) 其 中H 二 石 l (/ l 一 E , / E) , H 二 石 2 (
9、/ 1 一 石 2/ E) ,了、 嵘分别表示由卸载和反向加载而引起的 单轴应 力和单轴塑性应变的减少量 , 川是屈服园直径 , 它随拉伸塑性变形量的不同而改变 . 根 据 文12的实验 曲线及本文的实验结果 (见图2) , 对可采 用如下近 似表达式 不罗 r , 、 乙( J l ( , ) 一 H : , ) C产 、 C那 , 少 ,。 (16) 上式实际上是对。 , 。, 。 段作线性拟合 , 易。一般较小 . 氏丫氏是此拟合直线在纵轴的截距 . 设拉 伸终了时应力应变为 。 、 。 , 征二汁 ,、的情况下 , (15 ) 式化为 。 * = 2了 。 、。 一 H Z。 二) +
10、 H 。弃 (17) 由 (13 ) 、 ( 14 ) 及 (1 7) 式得园筒的夕力应变在加压塑性区内满足 2 丙 一 “ = 万育寸 4 , 十二丁矛 了6 刃。 j (18) 在反向屈服区内满足 武 一 。 卜 典 心3 a 一普 H Z,+ 音 H 。苏 (19) 式中嵘 , 对应于加压终了时筒壁内的切向塑性应变 , 、 时和 , 表示由于卸压筒壁内的切向应 “ 、 径向应“ 和 切向塑性应变的减少量 (9 , 式只有当壳引 ;二。 沁 / 时才有效 , 其中、 反向屈服区半径 . ( 18 ) 、 ( 19 ) 分别是计算加压塑性区内和卸压反向屈服区内应力应变的重要关 系式 . 力学
11、学报 (8917 年 ) 第 19 卷 3 . 公式推导 设厚壁筒内半径为 R , , 外半径为R 2 . 加压时屈服区由内向外扩展 , 屈服区内平衡方程和协调方程必须得到满足 d a r 屈服区判聂为 b . 在 一刁 下 二= a一 叮 / d肠 _ _ 一芍一 E, 一肠 “ r (2 0) (21) 弹性应变分量和应力满足广义虎克定律 . 取轴向应力与弹性状态时相同 , 即 :。: = 灯丙 +a r 少 , 对开端条件 、 闭端条件和平面应变 、 k的取值分别为。 、 l左 和产 , 则有 、. . . . . . .吸 ! k 一 + 一 ,. . 一E 产 一 一一 , 夕 ,
12、= 夕 .d ; 一 月 2“, 肠 。 = 月 、。, 一 刀 Za ; (22) 声 . = 1 一 k产 E 应变分量满足下面的关系 乙 ,= , , 一; , (23) 联解 (r s ) 、 ( 2 0) 、 (21) 、 (22 )和 (2 3) 式 , 再结合塑性区边界条件得加压塑性区内应力 , 塑性 应变解为 _ _ 2氏 f l 口一一 一了 = 子, l丁-吮-一一 以3 以 +a、 , n含一 钟 一 韵 六 + ( 1 一 翻 2氏 r l 了 、 . 、 _ : 、 1了 、 夕、 口、 l r , b , 、 丙 = 万万 二 Li下五丁火 宁 川习 一 万火 一
13、下尹 r不石丁 万. 丫 7刀 (2 4) 厂 务击 ,n 奇 韵 一 韵 六 创箭 一 ) 2氏1一k产 了 扩 _ 八 钾 一 万了万八下不了火万 / 式中a l 4 , = 气刃 . 了才 3 l 一 k产 E 利用 (2 1) 、 (22 ) 式可求得其它应变分量 . 上式 当a , = o 时 , 即与用 理想弹塑性模型解得的结果一致 . 对卸压清况 , 由于一般材料的B a u s hig n e r效应比较显著 , 所以自增强厚壁筒的反向屈 月 价 清形是普遍的 . 设当内压减小值为扩时 , 反向屈服区半径 _ 为* b . 由于实际中过 应变量较大 , 而反向屈服区较小 , 所
14、以一般都能满足粤 , * 夕 。 . 将( 24)式中的。 , 作尔 , 认致 19) 习 JI厂二。 中 , 得 叮言一 叮犷 二 而心 a , /扩 八 、4H * I一二,一一 一! .二了 + 11 + -二二一场 , 1 +a r r一 /夕 j (2 5) z= 。 ,。 a / , , _ 4H 2 a , 一 - - 下了 - - 3 1一k产 E 同丰 翔 护、 坑满足平衡方程 、 协调方程以脉犷 、 。九 满足广义虎克定律 . 与上面一样的推导得反 向屈服区内卸压应力和塑性应变的解答 为 增刊 朱务学等 : 自增强厚壁圆筒的弹 塑性应力应变分析 429 a 育 二 J ;
15、= 2 r ( 1 +a . ) +a Z ( 1 +a . () 1 +a , ) 1 奋 一 犷一 六 (子 一 l )(卜哥) t一 口2 1十 a , /b Z 二 、 t(1+ a. ) + a: 、/ , * b 2 、 l下爪r 了一1声一下尸了-了一户- T丁不一丁吮尸 、 l !上一一甲下一声 r D 一 /(1十口胜入1 十a3户 夕 r 一 /夕 了 r 吸、. ! r 、. r/ 2r(1 +a , ) +a Z / , ,_ / 、 _ r , 一气下一甲-一 ,芍言一丫一- 丁 . 吸 1了 1 1皿丁万 I正一 1 + “ I产1十 a3户D /又 口2 1+ a
16、, 护 一 1 b 2 1一 里 R三 t一 岛 /b Z 八 z(1+ a , ) + a Z) /* b 2、 飞 . ,二二一 l,一 111十 -一 ,一 .李 l +a 八 b 一 /(l +a l火1+ 伪 ) ) 一 广/) (26) ,广 r子 r. 甲卜 一 , d r e s 卫 气 r卜 工一们 嘴七 Z口.l lJ 2 。 、 r匹二旦鱼三垫里 -, 方 一 /方 , 、/b , p = 万了飞 万不砚而不不了 ” 兀 十 t 一 石不气 了 一土户 J气 l 一 诃/ r a , /扩八 r( 1+ a , ) +a , 、/b * 2 八、 十 t 了一 石石丁戈
17、了 十上)一 石不瓦下了而万J火 河 一上少 J 2(l 一k 产) r( 1 +a , ) +a Z (1+ a .) ( 1 +a 3 ) /b * 2 八 气 了 一 l ) 式中 a ,二 嘴 , = 4H * 3 Z J : 叮 丁 E 1 一 k群 E 卸压终了后 , 厂 = 厂 , 所以由 (24 ) 、 (26 ) 两式得卸压终了后反向 屈服区 空件 径扩与加压终了的塑性区半径b 的关系 击 , 佘普望箭 异兴哥 l 釜 =一 ,一 六(纂 一 , )(荟 一 葡 十 韶守半备(等 一 1 ) f l ( 一 劲 + 六 创箫 一 1 ) (2 7) 园筒自增强处理后的残余应力
18、由加压应力和卸压应力两者之差求出 ;丛了工 .。 兰 俪飞 】干可 ” b n歹一 万 / 、 b Z、 厂 a , 吸 l一 代二渭 !十l,一 一 入主/ 贬 1十产 / b Z 、 气了 一土) ) ( 卜 影 合 外 一 铆 一 Z一 击(声 一今一 总黯洲( 卜 铆 R , 簇 r (b * a 挤 斋击 ,n 含 一 韵 一 劲 六 + l ( 一 黝 + ,一 击(孚 一 1 )簧 (务 一 , ) (2 8) -鱼呵 _ 少 , 上 * b , f , “ , 汀丁l 玄可 天;七 石石头姗(鲁 一1 ) 、 凡 刹击( + , 含) 一 架器兴斋( l+ , 奋) 一 合(卜
19、氦 2 ) + , a 2 l +a. 子 一 l )(卜荟) 击 合( l + 答) 一 ,- Q, 1 +a l 夕八 万下下十1, D 一 / 力学学报 (1987年) 第 19 卷 一 半器招翻( l 带) 刹低 , (卜 , 劲 一 钟 一 韵 合 外 匀 一 ; 一 击(条 一 1) 备(笋 l ) 刹责 一 翻 ,一 六(奈 一 姗(笋 1 ) (29) ,、. . . . . . . . . . . . . 一一 , 只 口介 a 径化简得残余应力(嵘 一 衅)的表达式如下 斋 一 2 嗯令黔(答 一l ) 一 招兴韶长召( 斋 击(答 一 ) 一 /一 念(杀 一 1) 攀
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