Известия РАН. Механика твердого тела, 2020, № 6, стр. 65-72
КРУЧЕНИЕ НЕОДНОРОДНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ И ПРИЗМАТИЧЕСКИХ СТЕРЖНЕЙ ИЗ ИДЕАЛЬНО ПЛАСТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА ПРИ ЛИНЕАРИЗОВАННОМ УСЛОВИИ ПЛАСТИЧНОСТИ
Б. Г. Миронов a, *, Ю. Б. Миронов b, **
a Российский университет транспорта
Москва, Россия
b Московский технический университет связи и информатики
Москва, Россия
* E-mail: mbg.chspu@yandex.ru
** E-mail: i.b.mironov@mtuci.ru
Поступила в редакцию 01.06.2020
После доработки 18.06.2020
Принята к публикации 30.06.2020
Аннотация
Рассмотрены общие соотношения теории кручения неоднородных стержней из идеального жесткопластического материала. В случае линеаризованного условия пластичности получены интегралы, определяющие напряженное и деформированное состояния идеального жесткопластического неоднородного стержня при кручении. Построено поле характеристик основных соотношений, найдены линии разрыва напряжений.
Кручение представляет собой один из видов деформации тел, характеризующийся взаимным поворотом его поперечных сечений под влиянием моментов, действующих в этих сечениях. Кручение стержней довольно часто встречается в инженерной практике, особенно в машиностроении. Теория кручения изотропных и анизотропных стержней из идеального жесткопластического материала изложена в работах [1–4]. Переход к случаю стержня из неоднородного материала приводит к определенным трудностям: задачу в общем случае невозможно проинтегрировать. Кручение составных призматических и цилиндрических стержней рассмотрены в [5, 7]. В работе [6] исследованы общие соотношения теории кручения стержней из идеального жесткопластического материала.
Соотношения теории кручения неоднородных цилиндрических и призматических стержней из идеально пластического материала [6] могут быть записаны в виде:
(1)
$\begin{array}{*{20}{c}} {{{{\sigma }}_{x}} = {{{\sigma }}_{y}} = {{{\sigma }}_{z}} = {{{\tau }}_{{xy}}} = 0} \\ {{{{\tau }}_{{xz}}} = {{{\tau }}_{{xz}}}(x,~y),\quad {{{\tau }}_{{yz}}} = {{{\tau }}_{{yz}}}(x,~y)} \end{array}$(2)
$\frac{{\partial {{{\tau }}_{{xz}}}}}{{\partial x}} + \frac{{\partial {{{\tau }}_{{yz}}}}}{{\partial y}} = 0$(4)
$\frac{{{{{\varepsilon }}_{{xz}}}}}{A} = \frac{{{{{\varepsilon }}_{{yz}}}}}{B},\quad {{{\varepsilon }}_{x}} = {{{\varepsilon }}_{y}} = {{{\varepsilon }}_{z}} = {{{\varepsilon }}_{{xy}}} = 0$(5)
$A = \frac{{\partial f}}{{\partial {{{\tau }}_{{xz}}}}}({{{\tau }}_{{xz}}},{{{\tau }}_{{yz}}},x,y),\quad ~B = \frac{{\partial f}}{{\partial {{{\tau }}_{{yz}}}}}({{{\tau }}_{{xz}}},{{{\tau }}_{{yz}}},x,y)$Условие пластичности (3) в плоскости τxz, τyz при фиксированных x, y представляет замкнутую выпуклую кривую (рис. 1), начало координат находится в области, ограниченной данной кривой$.$
Предположим, что кривая текучести (3) заменена замкнутой ломанной ${{M}_{1}}{{M}_{2}}{{M}_{3}} \ldots {{M}_{n}}{{M}_{1}}$ (рис. 1)
где $~{{A}_{i}} = \frac{{\partial f}}{{\partial {{{\tau }}_{{xz}}}}}({\tau }_{{xz}}^{{i0}},{\tau }_{{yz}}^{{i0}},{{x}_{0}},{{y}_{0}}),{{B}_{i}} = \frac{{\partial f}}{{\partial {{{\tau }}_{{yz}}}}}({\tau }_{{xz}}^{{i0}},{\tau }_{{yz}}^{{i0}},{{x}_{0}},{{y}_{0}}),f({\tau }_{{xz}}^{{i0}},{\tau }_{{yz}}^{{i0}},{{x}_{0}},{{y}_{0}}) = 0$Условие (6) представляет на некотором отрезке линеаризованное условие пластичности (3). Дифференцируя уравнение (6) по переменной y, получим
(7)
${{A}_{i}}\frac{{\partial {{{\tau }}_{{xz}}}}}{{\partial y}} + {{B}_{i}}\frac{{\partial {{{\tau }}_{{yz}}}}}{{\partial y}} = \frac{{\partial {{K}_{i}}}}{{\partial y}}$С учетом (2) из уравнения (7) имеем
(8)
${{A}_{i}}\frac{{\partial {{{\tau }}_{{xz}}}}}{{\partial y}} - {{B}_{i}}\frac{{\partial {{{\tau }}_{{xz}}}}}{{\partial x}} = \frac{{\partial {{K}_{i}}}}{{\partial y}}$Система уравнений для определения характеристик соотношения (8) и соотношений вдоль характеристик имеет вид
(9)
$\frac{{dx}}{{ - {{B}_{i}}}} = \frac{{dy}}{{{{A}_{i}}}} = \frac{{d{{{\tau }}_{{xz}}}}}{{\frac{{\partial {{K}_{i}}}}{{\partial y}}}}$Из (9) следует, что прямые
являются характеристиками соотношения (8). Вдоль характеристик (10) справедливы следующие соотношения(11)
${{A}_{i}}{{{\tau }}_{{xz}}} = \int {\frac{{\partial {{K}_{i}}}}{{\partial y}}\left( {{\alpha },y} \right)dy,\quad - {\kern 1pt} {{B}_{i}}{{{\tau }}_{{xz}}} = \int {\frac{{\partial {{K}_{i}}}}{{\partial y}}\left( {x,{\beta }} \right)dx} } $Аналогично дифференцируя уравнение (6) по переменной x, с учетом (2) получим, что вдоль характеристик (10) справедливы следующие соотношения для компонент напряжения
(12)
$ - {{A}_{i}}{{{\tau }}_{{yz}}} = \int {\frac{{\partial {{K}_{i}}}}{{\partial x}}\left( {{\alpha },y} \right)dy,\quad {{B}_{i}}{{{\tau }}_{{yz}}} = \int {\frac{{\partial {{K}_{i}}}}{{\partial x}}\left( {x,{\beta }} \right)dx} } $Рассматривая условие (6) в качестве пластического потенциала, получим вместо (4) соотношение
(13)
$\frac{{{{{\varepsilon }}_{{xz}}}}}{{{{A}_{i}}}} = \frac{{{{{\varepsilon }}_{{yz}}}}}{{{{B}_{i}}}}$Интегрируя соотношение (6) и часть соотношений (4) и учитывая, что в начальный момент закручивания компоненты деформации eij равны 0, получим
(14)
$\frac{{{{e}_{{xz}}}}}{{{{A}_{i}}}} = \frac{{{{e}_{{yz}}}}}{{{{B}_{i}}}},\quad {{e}_{x}} = {{e}_{y}} = {{e}_{z}} = {{e}_{{xy}}} = 0$Из (14) следует
Предположим, что компоненты перемещения u, $v$, w имеют вид
где θ – крутка, w – депланация.Выражая компоненты деформации через компоненты перемещения
(17)
${{e}_{{xz}}} = \frac{1}{2}\left( {\frac{{\partial w}}{{\partial x}} + \frac{{\partial u}}{{\partial z}}} \right),~\quad {{e}_{{yz}}} = \frac{1}{2}\left( {\frac{{\partial w}}{{\partial y}} + \frac{{\partial v}}{{\partial z}}} \right)$(18)
$ - {{B}_{i}}\frac{{\partial w}}{{\partial x}} + {{A}_{i}}\frac{{\partial w}}{{\partial y}} = {\theta }\left( {{{A}_{i}}x + {{B}_{i}}y} \right)$Из (18) следует, что прямые (10) являются характеристиками. Вдоль характеристик (10) имеют место соотношения
(19)
${{B}_{i}}w + {\theta }{{C}_{{i1}}}x = {{C}_{{i2}}}\quad {\text{или}}\quad {{A}_{i}}w - {\theta }{{C}_{{i1}}}y = {{C}_{{i3}}}$Дифференцируя соотношение (18) по переменной x, получим уравнение
(20)
$ - {{B}_{i}}\frac{\partial }{{\partial x}}\left( {\frac{{\partial w}}{{\partial x}}} \right) + {{A}_{i}}\frac{\partial }{{\partial y}}\left( {\frac{{\partial w}}{{\partial x}}} \right) = {\theta }{{A}_{i}}$Из уравнения (20) следует, что вдоль характеристик (10) справедливы соотношения
(21)
${{B}_{i}}\frac{{\partial w}}{{\partial x}} + {\theta }{{A}_{i}}x = {{C}_{{i4}}}\quad {\text{или}}\quad \frac{{\partial w}}{{\partial x}} - {\theta }y = {{C}_{{i5}}}$Аналогично дифференцируя соотношение (18) по переменной y, получим уравнение
(22)
$ - {{B}_{i}}\frac{\partial }{{\partial x}}\left( {\frac{{\partial w}}{{\partial y}}} \right) + {{A}_{i}}\frac{\partial }{{\partial y}}\left( {\frac{{\partial w}}{{\partial y}}} \right) = {\theta }{{B}_{i}}$Из уравнения (22) следует, что вдоль характеристик (10) справедливы соотношения
(23)
$\frac{{\partial w}}{{\partial x}} + {\theta }x = {{C}_{{i6}}}\quad {\text{или}}\quad {{A}_{i}}\frac{{\partial w}}{{\partial y}} - {\theta }{{B}_{i}}y = {{C}_{{i7}}}$Используя второе соотношение (21) и первое соотношение (23) получим, что вдоль характеристик (10) справедливы соотношения
(24)
${{e}_{{xz}}} - {\theta }y = \frac{1}{2}{{C}_{{i5}}},\quad {{e}_{{yz}}} + {\theta }x = \frac{1}{2}{{C}_{{i6}}}$Следует отметить, что из соотношений (24), (10), (15) вытекает
Рассмотрим кручение стержня прямоугольного сечения m1m2m3m4 со сторонами 2a и 2b (рис. 2). На контуре сечения вектор касательного напряжения ${\mathbf{\tau }} = \left( {{{{\tau }}_{{xz}}},{{{\tau }}_{{yz}}}} \right)$ параллелен контуру.
В случае изотропного идеально пластического материала характеристики направлены перпендикулярно к контуру. В рассматриваемом случае направление характеристик (10) фиксировано, поэтому для данного контура сечения стержня всегда можно выбрать линеаризованное условие пластичности (6) таким образом, чтобы характеристики оставались перпендикулярными к контуру. Для этого Ai, Bi в условии (6) необходимо выбрать так, чтобы вектор ${{{\mathbf{n}}}_{{\mathbf{i}}}} = \left( {{{A}_{i}},{{B}_{i}}} \right)$ был параллелен отрезку mimi + 1 контура (рис. 2).
Здесь мы имеем четыре семейства характеристик
Для того, чтобы характеристики (26) были ортогональны отрезку m1m2 контура сечения стержня, следует положить A1 = 0, B1 = –1. Условие пластичности (6) принимает вид
Характеристики (26) запишутся в виде
Из (25) следует
Тогда из (11), (30) и (2) вдоль характеристик (31) имеем
(33)
${{{\tau }}_{{yz}}} = - {{K}_{1}},\quad {{{\tau }}_{{xz}}} = \int {\frac{{\partial {{K}_{1}}}}{{\partial y}}\left( {x, - {{C}_{{11}}}} \right)dx = {{k}_{1}}} $Для того, чтобы характеристики (27) были ортогональны отрезку m2m3 контура сечения стержня, следует положить A2 = –1, B2 = 0. Условие пластичности (6) принимает вид
Характеристики (27) запишутся в виде
Из (25) следует
Тогда из (12), (34) и (2) вдоль характеристик (35) имеем
(37)
${{{\tau }}_{{xz}}} = - {{K}_{2}},\quad {{{\tau }}_{{yz}}} = \int {\frac{{\partial {{K}_{2}}}}{{\partial x}}\left( { - {{C}_{{21}}},y} \right)dy = {{k}_{2}}} $Для того, чтобы характеристики (28) были ортогональны отрезку m3m4 контура сечения стержня, следует положить A3 = 0, B3 = 1. Условие пластичности (6) принимает вид
Характеристики (28) запишутся в виде
Из (25) следует
Тогда из (11), (38) и (2) вдоль характеристик (39) имеем
(41)
${{{\tau }}_{{yz}}} = {{K}_{3}},\quad {{{\tau }}_{{xz}}} = - \int {\frac{{\partial {{K}_{3}}}}{{\partial y}}\left( {x,{{C}_{{31}}}} \right)dx = - {{k}_{3}}} $Для того, чтобы характеристики (29) были ортогональны отрезку m4m1 контура сечения стержня, следует положить A4 = 1, B4 = 0. Условие пластичности (6) принимает вид
Характеристики (29) запишутся в виде
Из (25) следует
Тогда из (12), (42) и (2) вдоль характеристик (41) имеем
(45)
${{{\tau }}_{{xz}}} = {{K}_{4}},\quad {{{\tau }}_{{yz}}} = - \int {\frac{{\partial {{K}_{4}}}}{{\partial x}}\left( {{{C}_{{41}}},y} \right)dy = - {{k}_{4}}} $Особо следует остановиться на линиях разрыва напряжений (линии ${{m}_{1}}L,~~{{m}_{2}}L,~{{m}_{3}}N$, ${{m}_{4}}N$, LN на рис. 2), которые возникают в случае, когда через данную точку сечения проходят две и более характеристики.
Линии разрыва напряжений являются следом исчезающих жестких областей. На них всегда выполняются соотношения
Кривая m1L есть линия разрыва напряжений, выходящая из вершины m1 контура сечения стержня и образованная за счет пересечения семейства характеристик (31) и (43).
Из (33) и (45) имеем уравнение линии разрыва напряжений m1L
Кривая m2L есть линия разрыва напряжений, выходящая из вершины m2 контура сечения стержня и образованная за счет пересечения семейства характеристик (31) и (35).
Из (33) и (37) имеем уравнение линии разрыва напряжений m2L
Кривая m3N есть линия разрыва напряжений, выходящая из вершины m3 контура сечения стержня и образованная за счет пересечения семейства характеристик (35) и (39).
Из (37) и (41) имеем уравнение линии разрыва напряжений m3N
Кривая m4N есть линия разрыва напряжений, выходящая из вершины m4 контура сечения стержня и образованная за счет пересечения семейства характеристик (39) и (43).
Из (41) и (45) имеем уравнение линии разрыва напряжений m4N
Кривая NL есть линия разрыва напряжений, образованная за счет пересечения семейства характеристик (35) и (43).
Из (37) и (45) имеем уравнение линии разрыва напряжений NL
Рассмотрим случай, кода условие пластичности (3) имеет вид
(52)
${{\left( {{{{\tau }}_{{xz}}} - {{{\gamma }}_{1}}} \right)}^{2}} + {{\left( {{{{\tau }}_{{yz}}} - {{{\gamma }}_{2}}} \right)}^{2}} = {{k}_{0}}$Согласно (6), (33), (37), (41), (45) компоненты напряжения определяются следующим образом:
– в области ${{m}_{1}}L{{m}_{2}}$
(53)
${{{\tau }}_{{xz}}} = - {{b}_{2}}\left( {x - a} \right),\quad {{{\tau }}_{{yz}}} = - {{k}_{0}} + {{a}_{2}}x + {{b}_{2}}y$(54)
${{\tau }_{{xz}}} = - {{k}_{0}} + {{a}_{1}}x + {{b}_{1}}y,\quad {{{\tau }}_{{yz}}} = ~ - {{a}_{1}}\left( {y + b} \right)$(55)
${{{\tau }}_{{xz}}} = - {{b}_{2}}\left( {x + a} \right),\quad {{{\tau }}_{{yz}}} = {{k}_{0}} + {{a}_{2}}x + {{b}_{2}}y$(56)
${{{\tau }}_{{xz}}} = {{k}_{0}} + {{a}_{1}}x + {{b}_{1}}y,\quad {{{\tau }}_{{yz}}} = ~ - {{a}_{1}}\left( {y - b} \right)$Из (53), (54), (55), (56) получим уравнения линий разрыва напряжений
(57)
${{m}_{1}}L~{\text{:\;}}\,~{{a}_{2}}{{x}^{2}} + 2\left( {{{a}_{1}} + {{b}_{2}}} \right)xy + {{b}_{1}}{{y}^{2}} - 2\left( {{{k}_{0}} + {{a}_{1}}b} \right)x + 2\left( {{{k}_{0}} - {{b}_{2}}a} \right)y = r$(58)
${{m}_{2}}L~{\text{:\;}}\,~{{a}_{2}}{{x}^{2}} + 2\left( {{{a}_{1}} + {{b}_{2}}} \right)xy + {{b}_{1}}{{y}^{2}} - 2\left( {{{k}_{0}} - {{a}_{1}}b} \right)x - 2\left( {{{k}_{0}} + {{b}_{2}}a} \right)y = r$(59)
${{m}_{3}}N{\text{:\;}}\,~{{a}_{2}}{{x}^{2}} + 2\left( {{{a}_{1}} + {{b}_{2}}} \right)xy + {{b}_{1}}{{y}^{2}} + 2\left( {{{k}_{0}} + {{a}_{1}}b} \right)x - 2\left( {{{k}_{0}} - {{b}_{2}}a} \right)y = r$(60)
${{m}_{4}}N~{\text{:}}~~{{a}_{2}}{{x}^{2}} + 2\left( {{{a}_{1}} + {{b}_{2}}} \right)xy + {{b}_{1}}{{y}^{2}} + 2\left( {{{k}_{0}} - {{a}_{1}}b} \right)x + 2\left( {{{k}_{0}} + {{b}_{2}}a} \right)y = r$Таким образом, в работе:
получены интегралы, определяющие напряженное и деформированное состояния неоднородного идеального жесткопластического стержня при кручении для линеаризованного условия пластичности, найдены характеристики основных соотношений и соотношения для компонент напряжений и деформаций;
исследовано предельное состояние неоднородного идеального жесткопластического стержня с прямоугольным сечением: определено поле характеристик основных соотношений, найдены соотношения вдоль характеристик и линии разрыва напряжений.
Список литературы
Соколовский В.В. Теория пластичности. Москва: Высшая школа, 1969. 608 с.
Ивлев Д.Д. Механика пластических сред. В 2 т. Т 2. Общие вопросы. Жесткопластическое и упругопластическое состояние тел. Упрочнение. Деформационные теории. Сложные среды. Москва: Физматлит, 2002. 448 с.
Прагер В. Теория идеально пластических тел. Москва: ИЛ, 1956. 398 с.
Быковцев Г.И. Теория пластичности. Владивосток: Дальнаука, 1998. 528 с.
Ольшак В. Теория пластичности неоднородных тел. Москва: Мир, 1964. 156 с.
Миронов Б.Г. К теории кручения неоднородных стержней // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И.Я. Яковлева. Серия: Механика предельного состояния. 2014. № 4 (22). С. 236–240.
Mironov B.G. Torsion anisotropic and composite cylindrical rod //Journal of Physics: Conference Series. 1203. 2019. 012009.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Известия РАН. Механика твердого тела