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[转载]我是如何理解“Drucker公设”的

2015-08-04 16:36阅读:
原文作者:阿呆

  学过「弹塑性力学/塑性力学」的伙计们八成对“Drucker公设”都不陌生。说起来惭愧,当初上《弹塑性力学》的时候,大部分时间都在瞌睡,可即便如此,依稀也记得老师说过这是个很重要的假设。
  书到用时方恨少,如今想来虽然后悔,却也深知人生大抵如此。从头再看,才深觉这真的是个很神奇的假设。
  先说说“Drucker公设”的教科书表述[1]:对于处在某一状态下的稳定材料的质点(试件),借助于一个外部作用在其原有应力状态之上,缓慢地施加并卸除一组附加应力,在附加应力的施加和卸除循环内,外部作用所作之功是非负的。
  Q1:如何理解“Druker公设”与“关联流动法则”(或称正交流动法则)的关系。
  这个也正是我看来这一假设最神奇之处,没想到一个宽泛的非负限制竟可以得到如此具体的结论。
  要分析这个问题,只需要取一特例即可。
  设质点的应力状态位于屈服面上,然后考虑施加附加应力。由屈服面的定义不难理解,如果应力朝着屈服面外的方向变化,则该点将发生塑性流动,反之,如果应力朝着屈服面内的方向变化,则该点将退回到弹性状态。
  PS:怎样衡量应力变化方向是朝内还是朝外呢?方法也很简单,只要应力增量与屈服面外法线的方向的夹角是锐角,则可知应力是朝着屈服面外变化的,也就意味着该点将进入塑性流动状态,也即加载;反之,应力增量与屈服面外法线的方向的夹角不是锐角:要么是直角,意味着该点应力状态沿着屈服面移动,依然处于弹塑性临界状态,即中性变载;要么是钝角,意味着该点将退回弹性状态,也即卸载。
  我们研究的是塑性流动的方向,因而要考虑的是产生塑性流动的情况,也就是应力增量与屈服面外法线的方向的夹角是锐角的情况。
  施加附加应力并卸载的过程可以分解为以下2个过程:
  ① 由σ-->σ+dσ:这一环节内,伴随dσ的施加,该点会产生弹性变形,当应力达到σ+dσ时产生塑性应变dεp。由于应力状态的改变,同时屈服面会扩大,初始状态σ由屈服面上变成在屈服面内部;
  ② 由σ+dσ-->σ:这一环节属于弹性变化,不会产生新的塑性变形。随着附加应力的消失
,过程①中产生的弹性变形会消失,而塑性变形会保留。
  由于在封闭的应力循环内弹性功为0,所以,附加外力所作功为:dσdεp。
  这里要注意两点:1. dσdεp的计算中σ和dεp都是矢量;2. dσ的方向是满足产生塑性流动的任意方向。
  重点来了,Drucker说了,这个附加外力作的功必须是非负的。刚才说道,dσ的方向是满足产生塑性流动的任意方向,也就是与屈服面外法线呈锐角的任意方向,而dεp必须和所有可能的dσ的方向夹角都成锐角,最多也就是直角,而满足这一条件的方向只有一个,那就是屈服面的外法线方向,所以,dεp的方向只能是屈服面的外法线方向。
  正交流动法则就是这样得到的。


  说到这里可能有人会问:dεp为啥必须和所有的dσ的方向夹角都成锐角呢???难道无论什么方向的dσ,对应的dεp的方向都是固定的吗???dεp的方向只要和给定的dσ呈锐角不就行了嘛???
  这种疑问确实有道理,所以,正交流动法则的得出确实也必须建立在这个假设之上:不论应力增量的方向如何,塑性流动的方向(也即塑性应变增量的方向)和都是唯一确定的。
  至于这个假设合不合理,那就是另外一个更为复杂的问题了。


  Q2:“Drucker公设”与屈服面的外凸性。
  这个问题,个人认为要比Q1更为复杂,并对参考文献[1](P106~107)中的说明方法保持怀疑。
  怀疑的理由如下:
  假设屈服面为凹的,依据文献[1]的说法,存在一个应力状态的连线与应力状态终点外法线呈钝角。但是,这条连线是有一部分是超出屈服面的,超出屈服面以后,便已经产生塑性功了。终点的钝角不能等价于对整个路径积分,也就是做的总共为负,这并不违反Drucker公设。
  同时,如若计算整个过程的塑性功,必须考虑应力状态超出屈服面之后的硬化阶段。
  所以,认为屈服面的外凸性不能视为Drucker公设的结论。


[1]. 郑颖人, 孔亮. 岩土塑性力学[M]. 北京: 中国建筑工业出版社. 2010.
  

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