常用三种屈服准则及适用范围

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许多常用的工程材料,在应力水平低于比例极限时,应力-应变关系为线性。超过这一极限后,应力-应变关系变成非线性。以不可恢复的应变为特征的塑性,则在应力超过屈服点后开始出现。典型的弹塑性应力-应变曲线如下所示:

常用三种屈服准则及适用范围

对于材料的塑性理论,可从下面三个方面进行梳理:
1、屈服准则
2、流动准则
3、强化准则
本文介绍三种常用的屈服准则:VonMises、MC、DP
一、什么是屈服准则
对于单向拉伸或者单向压缩构件,我们可以简单通过其轴向应力与材料的屈服应力来比较,从而判定其是否屈服,是否有塑性变形的产生,这种情况为最简单的应力单轴状态。
然而在实际工程中,构件并不是处于理想的单轴状态,而是多轴应力状态,故不能单独的使用一个应力分量来评定其是否处于屈服状态。这时就需引入一个等效转换的力学参量,故屈服准则也即描述多轴应力状态和单轴应力状态之间的联系。
二、VonMises屈服准则
VonMises屈服准则是一个比较通用的准则,尤其是适用于金属材料。对于VonMise屈服准则,其等效应力表达式为:

常用三种屈服准则及适用范围-1

根据上述公式,可认为它所代表的屈服面在三维中是一个以空间对轴线为轴的圆柱体,而在二维中,其屈服面为一个圆,在屈服面内部的任何应力状态都是弹性的,在屈服面外的任何应力状态都会引起服屈服。

常用三种屈服准则及适用范围-2

注意采用该准则时,材料的等效应力值与应力状态无关,特别的,如果一个构件处于静水压力状态(三个方向的主应力相等),该构件并不会屈服,也即屈服与静水压力无关,而与偏差应力有关。故【P1=180MPa,P2=0,P3=0】比【P1=180MPa,P2=180MPa,P3=180Mpa】的应力状态更加容易屈服,此处P1代表主应力符号。
综上所述,VonMise应力准则与应力状态无关,不能考虑静水压力对屈服的影响(举个最常见的例子:三轴对混凝土轴压强度的提高),其主要适用范围为金属材料。
所以请大家思考下:很多同学在做混凝土分析的时候,经常采用米塞斯应力值去判定结构是否达到屈服值,这么做是否合理?
三、Mohr-Coulomb屈服准则
相信这个准则做岩土的同学不会陌生,前面的VonMise准则如果简单的用于岩土类,则偏差不可忽略,主要原因在于岩土类材料的屈服对剪应力非常敏感,故Mohr-Coulomb屈服准则其实是一种剪应力屈服条件,也即当材料某个平面上的剪应力τ达到某个极限值时,材料发生屈服。表达式如下:

常用三种屈服准则及适用范围

一般情况下,材料的内摩擦角随着静水应力的增加而逐渐减小,因而假定函数对应的曲线在σ-τ平面上呈双曲线或抛物线或摆线。但在静水应力不大的情况下,屈服曲线常用φ等于常数的直线来代替,它可以表示为:

常用三种屈服准则及适用范围-1

当φ=0时,Mohr-Coulomb屈服准则就变成了Mises屈服准则。
该准则体现了岩土材料压剪破坏的实质,但这类准则没有反映中间主应力的影响,不能解释岩土材料在静水压力下也能屈服或破坏的现象。
该准则主要适用于岩土、混凝土材料。
四、Drucker-Prager屈服准则
该准则于1952年由德鲁克、普拉格提出,是岩土类分析中使用非常广泛的一种准则,也可简称为DP准则。
DP准则同时反映了体积应力、剪应力和中间主应力力对岩石强度的影响,较比它强度理论更能反映实际,是对Mises屈服准则一种修正及MC准则的延伸,其表达式为:

常用三种屈服准则及适用范围-2

D-P准则计入了中间主应力的影响,又考虑了静水压力的作用,克服了M-C准则的主要弱点,但工程实际应用表明该强度理论较为保守,以此作为依据进行工程设计计算,其经济性值得考虑。
该准则主要适用于岩土、混凝土材料。

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