五种屈服准则

屈服准则表示在复杂应力状态下材料开始进入屈服的条件,它的作用是控制塑性变形的开始阶段。屈服条件在主应力空间中为屈服方程。

常用的屈服准则

常用的屈服准则,它们分别是Tresca准则,Von-Mises准则,Mohr-Coulomb准则,Drucker-Prager准则,Zienkiewicz-Pande准则。其中后三种适用于混凝土和岩土材料的准则。

1. Tresca屈服准则

当最大剪应力达到一定数值时,材料开始屈服。这就是Tresca屈服条件,也称为最大剪应力条件。

最大剪应力条件: \tau_{\text{max}} = \frac{\sigma_1 - \sigma_3}{2} = k 其中,k 是材料常数,与屈服强度相关。

规定 \sigma_1 \geq \sigma_2 \geq \sigma_3 时,屈服条件为: \sigma_1 - \sigma_3 = 2k

如果不知道 \sigma_1\sigma_2\sigma_3 的大小顺序,则屈服条件可写为: \max(|\sigma_1 - \sigma_2|, |\sigma_2 - \sigma_3|, |\sigma_1 - \sigma_3|) = 2k

换言之当变形体或质点中的最大切应力达到某一定值时,材料就发生屈服。或者说,材料处于塑性状态时,其最大切应力是一个不变的定值,该定值只取决于材料在变形条件下的性质,而与应力状态无关。所以Tresca屈服准则又称为最大切应力不变条件。

这种模型与静水压力无关,也不考虑中间应力的影响。在平面上屈服条件为一个正六边形,在主应力空间内,屈服曲面为一个正六面柱体。

Tresca屈服准则不足之处就是不包含中间主应力,没有反映中间主应力对材料屈服的影响。

2. Mises屈服准则

当与物体中的一点应力状态对应的畸变能达到某一极限值时,该点便产生屈服,其表达式为: \sqrt{\frac{1}{2} [(\sigma_1 - \sigma_2)^2 + (\sigma_2 - \sigma_3)^2 + (\sigma_3 - \sigma_1)^2]} = k 或等价形式: \sigma_e = \sqrt{\frac{1}{2} [(\sigma_1 - \sigma_2)^2 + (\sigma_2 - \sigma_3)^2 + (\sigma_3 - \sigma_1)^2]} = \sigma_y 其中,\sigma_e 为等效应力,\sigma_y 为单轴拉伸屈服强度。

其中,k 为常数,可根据简单拉伸试验求得: k = \sigma_y 或根据纯剪切试验来确定: k = \sqrt{3} \tau_y 其中,\tau_y 为纯剪切屈服强度。

平面应力状态下的屈服条件: \sigma_e = \sqrt{\sigma_x^2 + \sigma_y^2 - \sigma_x \sigma_y + 3 \tau_{xy}^2} = \sigma_y

换言之当等效应力达到定值时,材料质点发生屈服,该定值与应力状态无关。或者说,材料处于塑性状态时,其等效应力是不变的定值,该定值取决于材料变形时的性质,而与应力状态无关。Mises屈服准则的物理意义:当材料的单位体积形状改变的弹性能达到某一常数时,质点就发生屈服。故Mises屈服准则又称为能量准则。

3. Mohr-Coulomb准则

Tresca屈服条件和Mises屈服条件主要是对金属材料成立的两个屈服条件,但是这两个屈服条件如果简单地应用于岩土材料,会引起不可忽视的偏差。

针对此,Mohr提出这样一个假设:当材料某个平面上的剪应力 \tau_n 达到某个极限值时,材料发生屈服。这也是一种剪应力屈服条件,但是与Tresca屈服条件不同,Mohr假设的这个极限值不是一个常数值,而是与该平面上的正应力 \sigma_n 有关,它可以表示为: |\tau_n| = c + \sigma_n \tan \phi 上式中,c 是材料粘聚强度,\phi 是材料的内摩擦角。这个函数关系式可以通过实验确定。

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 \sigma_n-\tau_n 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 \phi 等于常数的直线来代替,它可以表示为: |\tau_n| = c + \sigma_n \tan \phi

上式就称为Mohr-Coulomb屈服条件。

设主应力大小次序为 \sigma_1 \geq \sigma_2 \geq \sigma_3,则上式可以写成用主应力表示的形式: \sigma_1 (1 - \sin \phi) - \sigma_3 (1 + \sin \phi) = 2c \cos \phi

4. Drucker-Prager准则

Drucker-Prager屈服准则是对Mohr-Coulomb准则的近似,它修正了Von Mises屈服准则,即在Von Mises表达式中包含一个附加项。其屈服面并不随着材料的逐渐屈服而改变,因此没有强化准则,塑性行为被假定为理想弹塑性,然而其屈服强度随着侧限压力(静水应力)的增加而相应增加,另外,这种材料考虑了由于屈服而引起的体积膨胀,但不考虑温度变化的影响。故此材料适用于混凝土、岩石和土壤等颗粒状材料。

在主应力空间中,D-P屈服面为一曲面,其表达式为: f = \alpha I_1 + \sqrt{J_2} - k = 0 上式:f 为塑性势函数,I_1 = \sigma_{ii} = \sigma_1 + \sigma_2 + \sigma_3 为应力张量第一不变量,J_2 = \frac{1}{2} S_{ij} S_{ij} 为应力偏张量第二不变量,S_{ij} = \sigma_{ij} - \frac{I_1}{3} \delta_{ij}\alphak 为材料常数,是材料 c\phi 的函数,c\phi 分别为材料的粘聚力和内摩擦角: \alpha = \frac{2 \sin \phi}{\sqrt{3} (3 - \sin \phi)}, \quad k = \frac{6 c \cos \phi}{\sqrt{3} (3 - \sin \phi)}

5. Zienkiewicz-Pande准则

Zienkiewicz-Pande屈服准则是Mohr-Coulomb准则的改进,在 p-q 子午面和 \pi 平面上都是光滑曲线,不存在尖点,在数值迭代计算过程中易于处理,而且在一定程度上考虑了屈服曲线与静水压力的关系以及中主应力 \sigma_2。是由Zienkiewicz、Pande等学者在1977年对M-C准则进行了修正与推广时,形成了具有3种曲线形式的Zienkiewicz-Pande准则(简称Z-P准则)。这主要是考虑到M-C准则在角点处存在奇异性,即其屈服曲线在 \pi 平面上有尖点,使得计算过程中出现奇异,特别在有限元迭代过程中,在尖角处无法处理的问题。

屈服函数形式: f(p, q, \theta) = 0 其中:

  • p = \frac{I_1}{3} 为平均应力;
  • q = \sqrt{3 J_2} 为等效应力;
  • \theta 为Lode角,描述应力状态。

具体表达式因曲线形式(双曲线、抛物线等)而异,通常通过实验拟合确定参数。

优缺点和适用范围

1. Tresca准则

优点:当知道主应力的大小顺序,应用简单方便。

缺点

(1) 没有考虑正应力和静水压力对屈服的影响;
(2) 屈服面有转折点,棱角,不连续。

适用:金属材料

2. Mises屈服准则

优点

(1) 考虑了中主应力 \sigma_2 对屈服和破坏的影响;
(2) 简单实用,材料参数少,易于实验测定;
(3) 屈服曲面光滑,没有棱角,利于塑性应变增量方向的确定和数值计算。

缺点

(1) 没有考虑静水压力对屈服的影响;
(2) 没有考虑单纯静水压力 p 对岩土类材料屈服的影响及屈服与破坏的非线性特性;
(3) 没有考虑岩土类材料在偏平面上拉压强度不同的S-D效应。

适用:金属材料

3. Mohr-Coulomb屈服准则

优点

(1) 反映岩土类材料的抗压强度不同的S-D效应对正应力的敏感性;
(2) 反映了静水压力三向等压的影响;
(3) 简单实用,参数简单易测。

缺点

(1) 没有反映中主应力 \sigma_2 对屈服和破坏的影响;
(2) 没有考虑单纯静水压力引起的岩土屈服的特性;
(3) 屈服面有转折点,棱角,不连续,不便于塑性应变增量的计算。

适用范围:岩石、土和混凝土材料

4. Drucker-Prager屈服准则

优点

(1) 考虑了中主应力 \sigma_2 对屈服和破坏的影响;
(2) 简单实用,材料参数少,可以由C-M准则材料常数换算;
(3) 屈服曲面光滑,没有棱角,利于塑性应变增量方向的确定和数值计算;
(4) 考虑了静水压力对屈服的影响;

缺点

(1) 没有考虑单纯静水压力 p 对岩土类材料屈服的影响及屈服与破坏的非线性特性;
(2) 没有考虑岩土类材料在偏平面上拉压强度不同的S-D效应。

适用范围:岩石、土和混凝土材料

5. Zienkiewicz-Pande准则

优点

(1) 三种曲线在子午面上都是光滑曲线,利于数值计算;
(2) 在一定程度上考虑了屈服曲线与静水压力的非线性关系;
(3) 在一定程度上考虑了中主应力 \sigma_2 对屈服和破坏的影响。

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