費斯廷格,L.

[拼音]:suxing lixue

[英文]:theory of plasticity

研究物體在外力等因素作用下它的應力強度至少在一部分割槽域內超過了彈性極限後所具有的應力、應變(或應變率) 和位移的科學。其理論在確定構件和結構物的強度、形變及穩定性等問題中以及在壓力加工、切削等問題中都有重要意義。

發展簡史

在建立塑性力學的初期,人們把注意力主要集中在確立材料的屈服條件和應力應變(或應變率)關係這兩方面。這是因為,在什麼條件下物體的應力和應變(或應變率)不再遵從胡克定律以及它們應該遵從什麼定律,這是進行塑性分析必須首先弄清的問題。在這兩方面C.A.de庫侖於1773年研究了塑性固體的屈服問題。H.特雷斯卡在1864年提出了最大切應力屈服條件,J.J.格斯特根據實驗初步證實了特雷斯卡屈服條件。M.T.胡貝爾和 R.von米澤斯則建議了後來主要被解釋為最大歪形能的屈服條件。A.J.-C.B.de聖-維南在1870年提出了理想剛塑性平面問題的應力應變關係,並假定最大切應力和最大切應變率同向。後來他又提出應力和總塑性應變之間沒有一一對應關係,還假定了應變速度主軸同應力主軸重合。M.萊維在1871年提出了應力和塑性應變速度之間的三維關係,這種關係後來又由米澤斯獨立地提出過。這一關係後來又有人通過薄壁管實驗加以證實。L.普朗特和A.E.羅伊斯提出了包括彈性應變的三維應力應變關係。H.亨奇在1924年提出了全量理論;A.L.納戴在1937年建立了計及大形變並考慮到加工硬化的應力應變關係;A.A.伊柳辛在1943年發展了小彈塑性形變理論並提出了簡單載入定理和解除安裝定理。D.C.德魯克在1952年提出了塑性應變率同屈服面正交和相關聯的流動法則。

塑性力學在其他方面的重要進展還有:亨奇和普朗特在1923年提出了平面應變滑移線理論。德魯克、H.J.格林伯格、W.普拉格等人在1951~1952年提出了極值原理和極限分析的上下限定理等等。這些理論在深度和廣度方面進一步發展了,並使許多實際問題得到了合理的解決。

塑性力學的特點

物體在外力等因素的作用下變形,而當把這些因素除去後物體所具有的固定或暫時殘餘形變的性質稱為塑性。同彈性形變相比,塑性形變的基本特點是:在應力和應變之間不存在互為單值的對應關係,除非是物體的整個形變歷史是已知的。屈服條件是判定物體在外力等因素作用下它的每一部分是否超過了彈性階段的根據。如果物體既有彈性區又有塑性區,由於在這兩種區域內物體所遵循的本構方程不同,所以對於一個塑性力學問題而言,在求解前就應該先知道彈塑性分介面。但是,這一分介面在問題解出以前一般是不知道的,分介面是隨著問題的解出而確定的;在彈性力學中就沒有這種困難。同彈性力學相比,塑性力學有以下特點。

非線性

塑性力學中的本構方程從本質上講是非線性的,應力和應變之間不存在互為單值的對應關係。按已知的應力不能求得應變;反之,按已知的應變不能求得應力,除非是物體整個形變歷史為已知。彈性力學的本構方程即是廣義胡克定律,應力和應變之間存在互為單值的線性對應關係。

硬化現象

物體的應力強度在超過了彈性極限以後,解除安裝後又重新載入所出現的彈性限度提高的現象。這一現象可通過材料試驗看出。在彈性力學中,對於每一種材料的彈性極限是固定的。

載入和解除安裝規律

在塑性力學中,對物體載入和解除安裝時它的應力應變的變化規律是不同的。在彈性力學中,載入和解除安裝是服從同一規律的。

屈服準則

判別材料是處於彈性範圍還是超過了彈性範圍的準則。在塑性力學中有屈服準則問題,而且彈塑性分介面在問題解出以前是未知的;彈性力學就沒有這個問題。

塑性力學的兩類理論

在塑性力學中,目前應用比較廣泛的理論主要有兩類。

增量理論

應力與應變在增量之間的物性關係(本構方程),以萊維-米澤斯理論和普朗特-羅伊斯理論為代表,它們可用於複雜載入。增量理論又稱流動理論,其主要優點是反映了塑性形變的本質,應力和應變關係是通過各自的增量累加而求得。它的應用範圍廣泛,缺點是用起來不方便。

形變理論

應力和應變之間的關係是以亨奇理論、伊柳辛理論、納戴理論為代表。它們在簡單載入條件下適用。如果物體內的應力從外力開始載入時起就同某引數成比例地增長,就稱為簡單載入。形變理論的主要優點是簡單,使用方便。缺點是它不能反映塑性形變的本質。但可以證明,在簡單載入條件下由增量理論可以得出形變理論。不少學者曾致力於研究形變理論的適用範圍,其中伊柳辛作出過較大貢獻,他提出了簡單載入定理。當稍許偏離簡單載入時,形變理論所導致的誤差不大。

塑性形變屬於不可逆過程,迄今還缺少完善的理論,近年來曾從不可逆過程熱力學的角度進行探索,取得了一些成果。

工程應用

極限分析是塑性力學應用於工程問題的最顯著的成就之一。極限載荷可近似地反映構件或結構所能承擔的最大外載,由此可以判定構件或結構在外力作用下強度是否足夠。滑移線理論、極限分析的上下限定理和近年來發展起來的極限分析的變分原理等,都是以理想塑性體為研究物件的分析方法。塑性力學在工程上主要有下列應用:

(1)壓力加工,如鋼材軋製、衝壓等,其中動力成型是重點研究物件;在切削加工中也有廣泛的應用。

(2)斷裂、疲勞、蠕變、鬆弛等工程問題的分析。

(3)其他應用,如根據自緊理論設計炮筒等。

參考書目

王仁、熊祝華、黃文彬著:《塑性力學基礎》,科學出版社,北京,1982。

J.B.Martin,Plasticity:Fundamentals and GeneRalResults, MIT Press, Cambridge, Mass, 1975.