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第二章第二章 厚壁圆筒弹塑厚壁圆筒弹塑性应力分析性应力分析10/10/第1页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-2第一节第一节 厚壁圆筒弹性应力分析厚壁圆筒弹性应力分析如图所表示内半径为 ，外半径为 厚壁圆柱形筒体，承受内压为 ，外压为 。10/10/第2页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-3在P点处用相距d 两个同心圆柱面，互成d 角两个相邻纵截面及相距d 两个水平面截取一个微小扇形六面体，以下列图所表示。10/10/第3页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-41平衡方程一、厚壁圆筒基本方程10/10/第4页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-510/10/第5页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-6因为 值很小,可取 ，化简并略去高阶微量，得(2-1)10/10/第6页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-7在 -平面内，沿r和z方向取微小长度PA=dr，PC=dz。假设变形后P，A，C分别移动到P，A，C。.几何方程10/10/第7页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-8n由几何变形关系，可求得线段 正应变 为n线段PC正应变 为nPA和PC间直角改变，即剪应变为10/10/第8页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-9在r-平面内，沿r和方向取微元线段PA=d r，PB=rd，变形后，P，A，B分别移动到P，A，B。因为对称性，P点和B点移到P点和B位移分量均为 ，A点移到A点位移分量为10/10/第9页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-1010/10/第10页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-11由此，空间轴对称几何方程为(2-2)10/10/第11页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-12物理方程或写成(2-3)(2-4)10/10/第12页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-13对于承受均匀内、外压厚壁圆筒，若筒体几何形状、载荷、支承情况沿z轴没有改变，全部垂直于轴线横截面在变形后仍保持为平面，则 ，即 只决定于r，只决定于z。10/10/第13页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-14则平衡方程（不计体力）为(2-5)10/10/第14页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-15几何方程为变形协调方程(2-6)(2-7)10/10/第15页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-16物理方程或写成(2-8)(2-9)10/10/第16页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-17(2-10)由式（2-8）可得到 将以上两式代入式（2-7），得到以应力分量表示变形协调方程 10/10/第17页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-18本节采取位移法求解在均匀内、外压作用下厚壁圆筒。将几何方程式代入物理方程式，得出用位移分量表示物理方程（2-11）二、厚壁圆筒应力和位移解二、厚壁圆筒应力和位移解10/10/第18页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-19将上式代入平衡方程式，得它通解为（2-13）式中 为积分常数（2-12）10/10/第19页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-20将式（2-13）代入式（2-11），得到式中（2-14）（2-15）10/10/第20页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-21当厚壁圆筒同时承受均匀内压 和均匀外压 时，其边界条件为 将边界条件代入式（2-14），得（b）（a）10/10/第21页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-22将 、值代入式（2-14），得 即为著名拉美（）方程式。（2-16）10/10/第22页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-23轴向应力 、轴向应变 和径向位移分量u，依据端部支承条件不一样，分两种情况讨论：（1）两端不封闭(开口)筒体(如炮筒，热套筒节等）轴向变形无约束，轴向应力为零，即（2-17）10/10/第23页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-24由式（2-14）第三式及式（2-15），并代入 、值，得（c）10/10/第24页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-25将 、值代入式（2-13），得两端开口厚壁圆筒位移表示式（2-18）10/10/第25页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-26（2）两端封闭筒体（筒体端部有端盖）轴向应力由轴向平衡条件求得即 （2-19）10/10/第26页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-27由式（2-14）第三式、式（2-15），并代入 、值，得（d）10/10/第27页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-28将 、值代入式（2-13），得两端封闭厚壁圆筒位移表示式（2-20）10/10/第28页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-29（3）两端封闭同时受轴向刚性约束筒体（高压管道或厚壁圆筒无限长）轴向变形受到约束，10/10/第29页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-30下面列出厚壁圆筒各种受力情况（两端封闭）弹性状态下应力及位移计算公式（1）厚壁圆筒同时作用内、外压 （）时（2-21）10/10/第30页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-31引入径比K（外径与内径之比K=Ro/Ri），上式可写为（2-22）（2-23）10/10/第31页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-32（2）厚壁圆筒仅作用内压()时（2-24）（2-25）10/10/第32页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-33（3）厚壁圆筒仅作用外压（）时（2-26）（2-27）10/10/第33页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-3410/10/第34页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-35(1)在厚壁圆筒中，筒体处于三向应力状态，其中环（周）向应力 为拉应力，径向应力 为压应力，且沿壁厚非均匀分布；而轴向应力 介于 和 之间，即 ，且沿壁厚均匀分布。10/10/第35页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-36（2）在筒体内壁面处，环（周）向应力 、径向应力 绝对值比外壁面处为大，其中环（周）向应力 含有最大值，且恒大于内压力 ，其危险点将首先在内壁面上产生。10/10/第36页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-37(3)环（周）向应力 沿壁厚分布随径比K值增加趋向更不均匀，不均匀度为内、外壁周向应力之比，即 不均匀度随 成百分比，K值愈大，应力分布愈不均匀。（2-28）10/10/第37页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-38三、温差应力问题10/10/第38页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-39取基准温度为0C，若弹性体微单元体积加热到tC，且允许自由膨胀，则此单元体在各个方向产生热应变为：式中为弹性体线膨胀系数，1/C；t为温度差，。10/10/第39页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-40若弹性体受到约束，则在弹性体内引发热应力，而热膨胀不影响剪应变，不产生剪应力。所以，弹性体中每个单元体应变为热应变与热应力引发弹性应变所组成，即（2-29）10/10/第40页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-41或（2-30）10/10/第41页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-42不计体力分量,温差应力问题平衡方程，（2-1a）10/10/第42页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-43几何方程（2-2a）10/10/第43页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-44n假设不计边缘影响，在热应力状态下，全部垂直于轴线断面变形相同，且保持平面，则，n且 为常量，径向位移 只决定于r，轴向位移 只决定于z，没有方向位移。10/10/第44页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-45平衡方程几何方程（2-5a）（2-6a）10/10/第45页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-46n物理方程 式中（2-31）10/10/第46页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-47将物理方程代到平衡方程,有 上式中第一式可写成（2-32）10/10/第47页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-48对上式积分两次，得将上式代入几何方程式，得（2-33）（2-34）10/10/第48页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-49n将式（2-33）代入式（2-31），得温差应力表示式（2-35）10/10/第49页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-50若厚壁圆筒仅沿筒壁存在温度差，不承受其它载荷，则边界条件为（2-36）10/10/第50页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-51将边界条件代入式（2-35），得联立求解上述方程组，得 （2-37）10/10/第51页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-52由传热学，圆筒体在稳定传热情况下，沿壁厚任意点r处温度t分布为 （2-38）将式（2-38）代入计算式中积分式（2-39-a）10/10/第52页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-53由此 将式（2-39-b）代入式（2-37），得（2-39-b）（2-40）10/10/第53页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-54将式（2-39-a）、（2-40）代入式（2-35），经化简整理得厚壁圆筒温差应力表示式为（2-41-a）10/10/第54页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-55令 ，则上式变为（2-41-b）式（2-41）是厚壁圆筒仅存在径向温差时应力表示式。10/10/第55页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-56温差应力沿筒壁厚度分布如图2-6所表示10/10/第56页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-57n厚壁圆筒中，温差应力与温度差t成正比，而与温度本身绝对值无关，所以在圆筒内壁或外壁进行保温以减小内、外壁温度差，能够降低厚壁圆筒温差应力。n三向应力沿壁厚均为非均匀分布。其中，轴向应力是环（周）向应力与径向应力之和，即：在内、外壁面处，径向应力为零，轴向应力和环（周）向应力分别相等，且最大应力发生在外壁面处。n温差应力是因为各部分变形相互约束而产生，所以应力到达屈服极限而发生屈服时，温差应力不但不会继续增加，而且在很大程度上会得到缓解，这就是温差应力自限性，它属于二次应力。10/10/第57页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-58四、组合圆筒应力分析多层组合圆筒结构是将厚壁圆筒分为两个或两个以上单层圆筒，各层之间有一定公盈尺寸，加热使它们彼此套合在一起，冷却后各层圆筒将产生预压力，从而在各层套筒上产生预应力。这种利用紧配合方法套在一起制成厚壁圆筒称为“组合圆筒”。10/10/第58页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-59现以双层热套组合圆筒为例，如图2-7所表示，它是由内、外两层圆筒紧配合组成。套合前，内筒内半径为R1i，外半径为R1o；外筒内半径为R2i，外半径为R2o。设半径过盈量为 ，且 R1o-R2i。10/10/第59页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-60在套合压力p1,2作用下，内筒外壁产生一向内压缩径向位移，外筒内壁产生一向外膨胀径向位移，从而使内、外筒紧密配合在一起。（2-42）10/10/第60页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-61n假定 ，所以组合圆筒预应力为平面应力问题。n可由拉美公式求出组合圆筒预应力；由变形协调条件，求出内、外筒接触面间套合压力p1,2与过盈量间关系。10/10/第61页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-62（一）、组合圆筒预应力外筒（R2i r R2o）：仅受内压作用，由方程式（2-16）和式（2-18），（2-43-a）（2-44-a）10/10/第62页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-63在外筒内壁面r=R2i 处 （2-43-b）（2-44-b）10/10/第63页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-64内筒（R1i r R1o）：仅受外压作用，由方程式（2-16）和式（2-18）（2-45-a)（2-46-a)10/10/第64页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-65在内筒外壁面r=R1o处 （2-45-b）（2-46-b）10/10/第65页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-66将 ，代入式（2-42），且Rc R1o R2i，求得内、外筒接触面间套合压力 为 （2-47）10/10/第66页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-67（二）组合圆筒综合应力 式中，表示组合圆筒中综合应力，表示由pi 引发筒壁应力，为套合预应力。（2-48）10/10/第67页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-68以双层热套组合圆筒为例：内筒（R1i r Rc）：承载时综合应力由式（2-26）与式（2-45-a）叠加为 （2-49-a）10/10/第68页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-69在内筒内壁面r=R1i 处 （2-49-b）10/10/第69页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-70外筒（Rc r R2o）：承载时综合应力由式（2-24）与式（2-43-a）叠加为 （2-50-a）10/10/第70页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-71在外筒内壁面r=Rc处 (2-50-b)10/10/第71页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-72因为叠加了套合应力，使内筒内壁面环向应力降低，而外筒内壁面环向应力增加，使整个组合圆筒环向应力沿壁厚方向趋于均匀分布。10/10/第72页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-73第二节第二节 厚壁圆筒弹塑性应力分析厚壁圆筒弹塑性应力分析当应力分量组合到达某一值时，则由弹性变形状态进入塑性变形状态，即在厚壁圆筒截面上将出现塑性变形，并从内壁开始形成塑性区。10/10/第73页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-74弹性力学中，材料处于弹性范围，物体受载后应力-应变服从虎克定律，且加载、卸载时应力和应变之间一直保持一一对应线性关系。而在塑性力学中，当应力超出屈服点而处于塑性状态时，材料性质表现极为复杂。应力和应变关系呈非线性，且不相对应，即应力不但取决于最终应变，而且有赖于加载路径。10/10/第74页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-75一、简单应力状态下弹塑性力学问题一、简单应力状态下弹塑性力学问题（一）简单拉伸试验塑性现象 试验分析是研究塑性变形基本规律和各种塑性理论依据。在常温静载下，材料(通常指中低强度钢为代表金属材料)拉伸试验曲线。10/10/第75页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-7610/10/第76页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-77由上述试验看出；在初始屈服点之前，材料处于弹性阶段，应力应变服从虎克定律，10/10/第77页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-78在初始屈服极限之后，材料进入塑性状态，应力应变呈非线性关系，可用一个函数表示为 其中为加载到E点总应变，。为卸载时弹性应变，为不可恢复塑性应变。10/10/第78页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-79材料在经历塑性变形后，应力和应变之间不存在单值一一对应关系，应力不但取决于最终状态应变，而且有赖于加载路线。10/10/第79页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-80假如从E点完全卸载后，施以相反应力，由拉伸应力转为压缩应力，而且压缩应力屈服限比原始压缩屈服限有所降低，即，如图2-12所表示，这种拉伸时强化影响到压缩时压应力屈服限降低现象，称为包辛格（Bauschinger）效应。10/10/第80页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-81（二）变形体简化模型10/10/第81页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-821理想弹塑性材料模型对于软钢或强化率较低材料，含有显著塑性流动，忽略材料强化性质，可得到如图2-13（a）所表示理想弹塑性模型。其应力和应变关系为10/10/第82页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-832理想刚塑性材料模型 若材料屈服前弹性变形极其微小，视为绝对刚体。可深入简化为如图2-13（b）所表示理想刚塑性模型。在这种模型中，应力到达屈服限前变形为零，一旦应力等于屈服极限时，则塑性变形可无限制延长。10/10/第83页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-843线性强化弹塑性材料模型对于有显著强化率材料，应力应变呈近似直线关系，可简化为如图2-13（c）所表示线性强化弹塑性材料模型。其应力和应变关系为（2-52）10/10/第84页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-854线性强化刚塑性材料模型 对于有显著强化率材料，若材料屈服前弹性变形很小，可深入简化为如图2-13（d）所表示线性强化刚塑性材料模型。10/10/第85页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-86n另外，还有幂次强化材料模型，其应力和应变关系为 （2-53）n式中 A与n分别为材料强化系数与强化指数，且，。当n=0时，表示理想刚塑性材料；当n=1时，表示理想线弹性材料，如图2-13（e）所表示。10/10/第86页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-87（一）最大剪应力和八面体剪应力1最大剪应力 设已知物体内某点主应力及主方向，过该点截取一平行六面微单元体，假定微单元体各面与主平面一致，见图2-14。二、屈服条件10/10/第87页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-88微元体主剪应力作用在过每一个主方向与另外两个主方向成45夹角斜面上，且与该主方向垂直，分别以表示，见图2-15。10/10/第88页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-89其中 ，。看成用在六面微元体上主应力时，上述三个剪应力中为该六面微元体最大剪应力，即（2-54）10/10/第89页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-902八面体剪应力物体内任一点六个应力分量为已知，过该点作一特定平面，使此平面法线与三个主方向成相等夹角，这个斜面即为等倾面，见图2-16(a)。在整个坐标系中能够作出八个这种等倾面，形成一个封闭八面体(图2-17)，等倾面上剪应力称为八面体剪应力。10/10/第90页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-91设等倾面ABC平面法线用表示，与坐标轴（即主方向）夹角为 ，与主平面方向余弦分别为，即 ，。由等倾面定义，它外法线与三个坐标轴方向余弦相等，得 。即 ，故 。10/10/第91页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-92设ABC平面上总应力为 ，可分解为正应力 和剪应力 ，也可分解为沿主方向三个应力分量 ，。从力分解关系能够看出 （a）（b）将S1，S2，S3投影到法线上有 （c）10/10/第92页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-93设ABC面积为F，三角形OCB，OAC，OAB面积分别为F1、F2、F3，它们之间有以下关系 ，。由力平衡关系，可得到 10/10/第93页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-94 由此 ，将这些关系代入(b),(c)代入(a)，得八面体剪应力为 （2-55）10/10/第94页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-95特雷斯卡（Tresca）屈服条件 材料处于复杂应力状态时，当六面体上最大剪应力到达某一极限值时，材料开始进入塑性状态。10/10/第95页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-96当 时，Tresca屈服条件可表示为 即 （2-56）式中 为最大剪应力，为材料剪切屈服限，为单向拉伸时材料屈服限。10/10/第96页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-97在单向拉伸时，屈服条件为 （2-57）纯剪切试验时，屈服条件为 （2-58）10/10/第97页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-98米赛斯（米赛斯（Mises)屈服条件屈服条件 材料处于复杂应力状态时，当八面体剪应力到达一定数值时，材料开始进入塑性状态。10/10/第98页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-99依据八面体剪应力计算，当材料处于简单拉伸状态时，材料正应力与八面体剪应力关系为 屈服条件为 （2-59）10/10/第99页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-100在复杂应力状态时，把综合各应力分量当量应力与简单拉伸时拉伸应力相当，由式（2-59）有 屈服条件可表示为 （2-60-a）即 （2-60-b）10/10/第100页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-101Mises屈服条件认为，材料承载时最大剪应力等于 时，材料开始进入塑性状态，即 （2-61）10/10/第101页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-102三、厚壁圆筒弹塑性分析厚壁圆筒在承受内压载荷作用下，伴随压力增加，筒壁应力不停增加。当应力分量组合到达某一值时，由弹性变形状态进入塑性变形状态，即在筒体截面上将出现塑性变形。首先由筒体内壁面开始，逐步向外壁表面扩展，直至筒壁全部屈服。10/10/第102页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-103假设厚壁圆筒为理想弹塑性体，不考虑材料在塑性变形过程中塑性强化，筒体仅受内压 作用，筒体内半径为 ，外半径为 。10/10/第103页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-104（一）弹性极限分析当筒体仅受内压 作用，且压力 较小时，筒体处于弹性状态，其弹性应力分量表示式为 由上式可知，在内压作用下，弹性应力沿壁厚分布 ，且 ，。当内压到达筒体某一极限压力 =时，筒体内壁首先开始屈服。10/10/第104页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-105假设筒体材料屈服时应力符合Tresca屈服条件 将应力值代入，得 式中 为厚壁圆筒内壁刚进入屈服时所对应压力，称为弹性极限压力。（2-62）10/10/第105页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-106（二）弹塑性应力分析当 时，圆筒内壁屈服区向外扩展，筒体沿壁厚形成两个不一样区域，外侧为弹性区，内侧为塑性区。设筒体弹塑性区交界面为一与圆筒同心圆柱面，界面圆柱半径为 。10/10/第106页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-107假想从厚壁圆筒上远离边缘处区域截取一筒节，沿 处将弹性区与塑性区分开，并代之以对应力，如图所表示。设弹塑性区交界面上压力为 ，塑性区为一圆柱形筒，内、外半径分别为 和 ，承受内、外压力分别为 和 ；弹性区亦为一圆柱形筒，内、外半径分别为 和 ，承受内压力为 。10/10/第107页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-1081塑性区（）材料处于塑性状态时，筒壁微元体平衡微分方程依然成立，由式（2-5）设材料塑性变形时应力符合Tresca屈服条件 ，代入上式，得 积分上式为（2-63）10/10/第108页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-109由边界条件（a）由第一个边界条件代入式（2-63），求出A，再代入Tresca屈服条件和 ，可得到塑性区各应力分量表示式 （2-64-a）由第二个边界条件代入式（2-64-a）第一式，可得弹-塑性区交界面压力为 （2-65）10/10/第109页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-110筒壁材料塑性变形符合Mises屈服条件，则式（2-64-a）能够写成 （2-64-b）10/10/第110页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-1112弹性区（Rc r R0）弹性区内壁面为弹-塑性区交界面，即弹性区内壁面呈塑性状态。设Kc=R0/Rc，弹性区内壁面处应力表示式 （2-66）10/10/第111页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-112若应力符合Tresca屈服条件将式（2-66）各值代入得 （2-67）在弹-塑性区交界面Rc 处连续，即由式（2-65）和式（2-67）求得Pc 应为同一数值，由此可求出内压力pi 与所对应塑性区圆柱面半径Rc 间关系 （2-68-a）10/10/第112页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-113将式（2-67）代入拉美公式，可得弹性区各应力分量表示式 （2-69-a）10/10/第113页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-114若按Mises屈服条件，内压力pi 与所对应塑性区圆柱面半径Rc 间关系及弹性区各应力分量表示式为 （2-68-b）（2-69-b）10/10/第114页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-115由图2-19看出，塑性区因为存在塑性变形，应力重新分布，使得筒体内壁表面应力有所下降。10/10/第115页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-116（三）塑性极限分析（三）塑性极限分析 由弹塑性分析可知，当压力p不停增加时，塑性区不停扩大，弹性区不停缩小。当压力增加到某一值时，塑性区扩展到整个筒体，即RC=R0时，筒体全部进入塑性状态。10/10/第116页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-117按Tresca屈服条件 （2-70-a）（2-71-a）10/10/第117页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-118按Mises屈服条件 （2-70-b）（2-71-b）10/10/第118页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-119（四）厚壁圆筒自增强自增强处理是指筒体在使用之前进行加压处理，其压力超出内壁发生屈服压力（初始屈服压力），使筒体内壁附近沿一定厚度产生塑性变形，形成内层塑性区，而筒体外壁附近仍处于弹性状态，形成外层弹性区。当压力卸除后，筒体内层塑性区将有残余变形存在，而外层弹性区受到内层塑性区残余变形阻挡而不能完全恢复，结果使内层塑性区受到外层弹性区压缩而产生残余压应力，而外层弹性区因为收缩受到阻挡而产生残余拉应力。10/10/第119页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-1201.自增强压力计算厚壁圆筒进行自增强处理时，自增强压力必须大于筒体内壁初始屈服压力，使筒体内层成为塑性区，外层仍为弹性区。设筒体塑性区与弹性区交界面半径为RC，自增强压力为Pa，通常按Mises屈服条件确定，由式(2-68-b)得自增强压力计算公式 （2-72-a）或改写为 （2-72-b）10/10/第120页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-121n计算值最惯用方法是，假设若干个RC 值，计算自增强处理时所施加压力、残余应力（预应力）及工作压力下弹塑性区交界面处合成应力。求取最小合成应力时RC 值，从这个RC 值所计算超应变度，即为最适宜超应变度计算值。nRC 值也可按以下关系近似估算 式中Ri,R0 分别为厚壁圆筒内半径和外半径。10/10/第121页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-1222.自增强筒壁应力分析自增强筒壁应力分析经过自增强处理厚壁圆筒，工作时应力表示式可从下面三个方面求取：经自增强处理时由自增强压力Pa 作用下筒壁应力；卸载后筒壁残余应力；工作压力作用下筒壁合成应力。10/10/第122页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-123（1）在自增强压力pa作用下筒壁应力塑性区（Ri r RC），按Mises屈服条件，得各应力分量表示式 弹性区（RC r R0），按Mises屈服条件，得各应力分量表示式（2-73）（2-74）10/10/第123页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-1242）卸除自增强压力后筒壁残余应力 当自增强压力卸除后，内层将产生残余压应力，外层产生残余拉应力。残余应力计算，可按自增强处理时产生应力与卸除压力时压力改变产生应力之差来求得，即 。10/10/第124页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-125依据卸载定理，在卸载过程中，应力改变量按弹性规律确定。以卸载时压力改变p=p1p2=Pa0=Pa 为假想载荷，按式（2-24）有 （2-75-a）将式（2-72）代入，得 （2-75-b）10/10/第125页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-126塑性区残余应力，由式（2-73）减去式（2-75），得 弹性区残余应力，由式（2-74）减去式（2-75），得（2-76）（2-77）10/10/第126页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-127若将筒体加载到塑性极限压力时再卸载，则筒体残余应力由式（2-71）减去式（2-75），并代入式(2-70），得 （2-78）由以上分析可知，自增强处理后筒体中残余应力与厚壁圆筒几何尺寸K及自增强压力相关，且在筒体内壁附近残余应力为压应力。10/10/第127页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-128n应该注意是，筒体进行自增强处理时，应确保卸载后不发生反向屈服，即在残余应力状态下，筒体内壁残余应力组合不超出材料压缩屈服限，若材料符合Tresca屈服条件，应满足 （2-79）则不会发生反向屈服。10/10/第128页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-129由图2-20及式（2-76）能够看出，在内壁面 处 代入式（2-79），并由式（2-62），得到不发生反向屈服最大自增强压力 （2-80）10/10/第129页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-130由式 可知，当第一次加载压力 （且应满足 ），则卸载后在筒体内壁不会发生反向屈服。所以，在厚壁圆筒中除了初始加载产生一次塑性变形外，在以后加、卸载中均为弹性状态，称该结构所处状态为安定状态。10/10/第130页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-131（3）工作压力作用下筒壁合成应力经自增强处理后厚壁圆筒，在工作压力作用下合成应力可由自增强处理后筒壁中残余应力与工作压力下引发应力叠加求得，即 （2-81）式中，工作时筒壁合成应力；工作压力引发筒壁应力；自增强处理后筒壁残余应力。10/10/第131页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-132合成应力沿筒体壁厚分布曲线如图所表示。由图可见，自增强处理大大提升了筒壁弹性承载能力，改进了筒壁应力状态。10/10/第132页 厚壁圆筒的弹塑性应力分析Page-133n习题2-610/10/第133页
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