《运动与变形及塑性成型基本概念》由会员分享，可在线阅读，更多相关《运动与变形及塑性成型基本概念（66页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第三篇概述第三篇概述第一页，共六十六页。l金属塑性成形原理（*） 俞汉清，陈金德 编，机械工业出版社，1999年，北京。l材料成形理论基础（*） 刘雅政 主编，国防工业出版社，2004年，北京。l金属塑性加工原理（*） 陈森灿，叶庆荣 编，清华大学出版社，1991年，北京。参考书目第二页，共六十六页。金属压力加工l应用领域 机械；电子；航空航天l成形分类 冲压成形；锻造成形；拉拔成形；挤压成形；切削成形；轧制成形l成形方法 冲压成形；锻造成形；数学化无模成形；爆炸成形；电磁成形；激光成形；l发展前景 超大、超小、高精尖、高度集成第三页，共六十六页。l发展历史1678年，Hooke（虎克）：变形
2、和外力成正比。18201830年，Navier、Cauahy、Saint Venant（圣维南）：应力、应变的概念，变形体的平衡方程、几何方程、协调方程、广义虎克定律；-弹性力学的理论基础。1864年，Tresca（屈斯卡）：最大剪应力屈服条件。1871年，Levy（列维） ：三维塑性应力-应变关系。1913年，Mises（米塞斯） ：形变能屈服条件。1930年，Prandtl，Reuss（瑞斯）：增量理论。1943年，Hencky（汉基 ），Nadai，Iliushin：形变理论。1950年，塑性位势理论、有限单元法金属压力加工第四页，共六十六页。l什么是塑性变形l材料产生一定的永久变形又不
3、破坏其完整性的能力 l塑性加工是利用材料塑性而获得所需形状与尺寸的工件的一种加工方法 塑性变形第五页，共六十六页。金属压力加工第六页，共六十六页。金属压力加工第七页，共六十六页。金属压力加工第八页，共六十六页。金属压力加工第九页，共六十六页。金属压力加工第十页，共六十六页。金属压力加工第十一页，共六十六页。汽车制造第十二页，共六十六页。l主要分类 板料冲压成形模拟 体积成形模拟l主要方法 弹塑性有限元法 刚塑性有限元法 无网格法金属成形计算机模拟第十三页，共六十六页。l汽车覆盖件冲压成形过程模拟l板料液压成形过程模拟l弯管成形过程模拟l五金级进模零件成形过程模拟l金属锻造成形过程模拟l金属切削
4、成形过程模拟l金属拉拔成形过程模拟l.金属成形计算机模拟应用第十四页，共六十六页。金属成形计算机模拟应用第十五页，共六十六页。金属成形计算机模拟应用（模拟图象见（模拟图象见 栏目）栏目）第十六页，共六十六页。金属成形计算机模拟应用第十七页，共六十六页。金属成形计算机模拟应用第十八页，共六十六页。l金属塑性成形中的基本概念l应力分析、应变分析、塑性、屈服准则、本构关系等等；l不讲传统的解析计算方法，如滑移线法、上限法、下限法等等；l本课程是金属塑性成形的基础课程，是后继课程“成形工艺与装备”、“材料成形过程数值模拟”的基础；重点内容第十九页，共六十六页。l塑性成形的基本理论发展的比较久远，理论系
5、统比较完善，但随着计算机的发展和工程实际问题的需要，有限元数值方法已经完全取代了传统的理论解析计算方法；l重点学习概念，不要过分强调理论的完整性；l我们学习的目的不是为了理论解析计算，因此重点学习塑性成形理论中的一些重点基本概念；学习方法第二十页，共六十六页。第第16章章 运动与变形运动与变形 及塑性成型基本概念及塑性成型基本概念第二十一页，共六十六页。l各向同性的均匀连续体l体积力为零l变形体在表面力作用下处于平衡状态l初始应力为零l体积不变假设 由于金属塑性成形非常复杂，数学与力学的处理非常困难，因此需要做一些假设和近似处理：金属塑性成形基本假设第二十二页，共六十六页。l各向同性的均匀连续
6、体l假设材料是连续的，即在材料内不存在任何缺陷；l假设材料各质点的组织、化学成形相同；l假设材料在各方向上的物理性能和力学性能相同；金属塑性成形基本假设第二十三页，共六十六页。l体积力为零l成形过程中的外力可分为两类：表面力和体积力；l体积力是作用在物体质点上的力，例如重力、磁力和惯性力等等；l对于塑性成形来说，除了高速锤锻造、爆炸等少数成形情况，体积力相对于其它成形外力很小，可以忽略不计；金属塑性成形基本假设第二十四页，共六十六页。l变形体在表面力作用下处于平衡状态l材料成形时模具和零件处于平衡状态；l如果零件划分为有限个单元体，每个单元体仍处于平衡状态；l每个单元体的外力系的矢量和为零，外
7、力系对任一点的总力矩也为零；金属塑性成形基本假设第二十五页，共六十六页。l初始应力为零l内力是由于外力作用下产生的，内力的变化达到一定程度就会使金属产生塑性变形；l课程内容主要考虑金属由于外力的作用下产生塑性变形，不考虑金属存在初始应力情况；金属塑性成形基本假设第二十六页，共六十六页。l体积不变假设l弹性变形时，体积变化必须考虑；l塑性变形时，体积虽有微小变化，但与塑性变形量相比很小，可以忽略不计，因此一般假设金属在塑性变形前后的体积保持不变；金属塑性成形基本假设第二十七页，共六十六页。l为什么需要五点假设?l为了可以解析计算简单的塑性成形问题；l金属塑性成形基本假设与实际情况差别很大，只适用
8、于金属塑性成形解析计算方法；l由于计算机水平的发展，现代金属塑性成形计算基本不采用解析计算方法，而普遍采用计算机数值模拟方法；l解析计算方法只能分析少数简单成形问题，计算机数值模拟方法能够模拟任何复杂的金属塑性成形问题；金属塑性成形基本假设第二十八页，共六十六页。l应力的概念l内力：因外力作用面在物体内部产生的力l内力的特点： 1. 随外力的变化而变化，是“附加内力” 2. 内力是分布力系，常用其主矢量和主矩表示l应力：单位面积上的内力 应力表示内力的强度，作用于物体质点之间l目的：确定物体处于弹性或塑性阶段的强度问题或屈服条件问题都很重要，是建立在复杂应力状态下强度准则和屈服准则条件所必须的
9、基础知识应力概念第二十九页，共六十六页。p FA假设 A为任意微元截面， P为截面上的作用力，则 A截面的应力向量p A Pp也称为全应力向量，可分解为三个应力分量，即一 个正应力 和二个剪应力 应力定义 P P 第三十页，共六十六页。l应力状态表示l应力状态一般用单元体表示l单元体：材料内的质点，包围质点的无限小的几何体，常用的是正六面体xyz x z y xy yx单元体的性质 任一面上，应力均布 平行面上，应力相等应力状态第三十一页，共六十六页。l应力分量xyz x xy yx z y xz zx zy yz yz y yx x y z xy yx yz zy zx xz三个正应力分量六
10、个剪应力分量应力分量第三十二页，共六十六页。l剪应力互等定理l假设单元体处于平衡状态，则绕单元体轴向的合力矩一定为零，则过一点的两个正交面上,如果有与相交边垂直的剪应力分量,则两个面上的这两个剪应力分量一定等值、方向相对或相离xyz xy yx x z y xz zx zy yz剪应力互等定理第三十三页，共六十六页。l直角坐标系中斜截面上的应力xyz x xy yx z y xz zx zy yzOABCABCxyzO y yx yz z zy zx xy xz xpxpypzN斜面上的应力第三十四页，共六十六页。l=cos(N,x)m=cos(N,y)n=cos(N,z)斜截面外法线单位向量
11、 N=(l m n)S ABC=S S OBC=lS S OAC=mS S OAB=nS 斜截面四面体的表面积分别为四面体处于平衡状态，则 斜面上的应力ABCxyzO y yx yz z zy zx xy xz xpxpypzNFzFxFy第三十五页，共六十六页。 y yx yz z zy zx xy xz xpxpypzN斜面上的应力ABCxyzOFxFyFz第三十六页，共六十六页。l例题说明l已知某点应力张量为 斜面上的应力求过该点与三个坐标轴等倾角的斜面上的正应力和剪应力 值 第三十七页，共六十六页。由于斜面与三个坐标轴等倾角，所以斜面上的应力正应力剪应力 第三十八页，共六十六页。主平面
12、 当 向量v 在某方向时应力总矢量垂直于ABC曲面，且在该面上的剪应力为零。 向量v 称为主轴ABCxyzOpxpypzv v主应力 作用在主平面上ABC的法向应力 v主平面主应力p第三十九页，共六十六页。如果 v 为主应力，单位向量 v =(l m n)，则x、y、z坐标轴方向的应力分量分别为px、py、pz应力状态方程第四十页，共六十六页。由于，因此l、m、n不同时为零则三元齐次方程组的系数矩阵一定等于零展开方程组系数矩阵，可得应力状态特征方程应力状态方程第四十一页，共六十六页。应力张量不变量I1、I2、I3分别称为应力张量的第一、第二、第三不变量应力状态特征方程应力张量不变量第四十二页，
13、共六十六页。主应力：应力状态特征方程的三个实根一般用 1、 2 、 3表示，即三个主应力应力状态特征方程与坐标系的选取无关，应力张量的第一、第二、第三不变量I1、I2、I3也不随坐标而变化。应力张量的第一、第二、第三不变量I1、I2、I3还可以表示为应力张量不变量第四十三页，共六十六页。l例题说明l已知某点应力张量为 求应力张量的第一、第二、第三不变量I1、I2、I3应力张量不变量第四十四页，共六十六页。应力张量不变量应力张量不变量第四十五页，共六十六页。xyz x xz xy y yx yz z zx zydxdydz正交直角坐标系应力分量 x 、 y 、 z 、 xy 、 yx 、 yz
14、、 zy 、 zx 、 xz为点的坐标（x，y，z）的函数体力分量为：fx 、 fy 、 fz微元体(不一定是正六面体)处于平衡状态应力平衡方程式第四十六页，共六十六页。由于单元体处于平衡状态应力平衡方程式第四十七页，共六十六页。单元体的应力平衡微分方程忽略体力fx 、 fy 、 fz应力平衡方程式第四十八页，共六十六页。平面应力问题的平衡微分方程平面应力问题的平衡微分方程xy x xy y yxfxfy应力平衡方程式第四十九页，共六十六页。轴对称问题的平衡微分方程轴对称问题的平衡微分方程rd dq qdrdz r rq q rz q qr q qz q qxyzorq qdrdzd dq q
15、应力平衡方程式第五十页，共六十六页。轴对称问题的平衡微分方程轴对称问题的平衡微分方程应力平衡方程式第五十一页，共六十六页。l应力张量张量：与坐标系选择无关的集合。当坐标系变换时，集合的形式不改变在塑性成形理论中，应力、应变、力、速度等物理量都是张量应力张量表示为 xy yx yz zy zx xz应力张量及分解第五十二页，共六十六页。l例题说明 单向拉伸时，拉伸应力为1，若选坐标系（x，y，z），此时的应力张量为 应力张量及分解yzx 130当 zx 面绕 y 轴逆时轴旋转30o后，在新坐标系（x，y，z）下，应力张量则变为 第五十三页，共六十六页。应力张量的6个分量的具体数值与坐标的选择有关
16、，然而其所代表的点的应力（单向拉伸状态）却没有因坐标系的选择而改变应力张量及分解第五十四页，共六十六页。在塑性力学中平均应力只引起体积改变，而不引起形状改变，故可将应力张量进行分解l平均应力 m m和 0也称为应力球张量，与坐标轴选择无关，与材料体积变形有关应力球张量表示静水应力状态应力张量及分解第五十五页，共六十六页。l应力偏张量 称为应力偏张量，它是一个对称张量应力偏张量与材料形状变形有关，即与塑性变形有关应力偏张量第五十六页，共六十六页。l应力偏张量不变量l类似于应力张量，应力偏张量的状态方程可以表示为应力偏张量不变量应力偏张量不变量分别为第五十七页，共六十六页。应力偏张量不变量应力偏张量不变量用主应力表示分别为第五十八页，共六十六页。应力强度（等效应力）应力强度如果采用应力偏量表示应力强度第五十九页，共六十六页。l应变应变概念线应变（正应变）表示线长度的相对伸长或缩短量。伸长为正值，缩短为负值切应变（剪应变）表示角度变化的量。角度减小为正值，角度增加为负值第六十页，共六十六页。M N s s+ uMN应变定义线应变（正应变）MNLM N L 线应变分量角应变（剪应变）角应变分量
