STUDY OF THREE-SHEAR STRESS UNIFIED STRENGTH THEORY

材料强度理论研究是高等材料力学的一个重要研究领域,200多年来,各国学者提出了许多强度理论及试验研究结果.这些理论都是从不同的假设和力学模型出发,推导出不同的数学表达式,但一般只适用于某一类特定的材料.各种强度理论之间是否有联系?是否可能建立一个广泛适用的统一强度理论?自19世纪末以来,世界各国学者都在努力寻求建立统一强度理论,但一直没有成功.本文应用理论研究和试验验证相结合的方法,提出并验证了三剪应力统一强度理论。认为当作用于菱形十二面单元体上的三个主剪应力及其作用面上的三个正应力的函数达到某一极限值时,材料发生破坏.三剪应力统一强度理论是全应力理论,它用一个统一的线性表达式包含或逼近了现有的和其他新的各种单一和统一、线性和非线性、外凸和非凸的强度理论,形成了以单剪强度理论为下限、而以三剪应力强度理论为上限的一系列强度理论的新体系,实现了外凸强度理论和非凸强度理论的高度统一,使强度理论从适用于某一类材料、某种应力状态的单一强度理论发展为可以适用于各种材料及不同应力状态的统一强度理论,并能更大程度地发挥材料的强度潜力.通过与大量试验结果的对比分析表明：三剪应力统一强度理论可以广泛适用于各种材料及其不同的应力状态.     

“UNIFIED STRENGTH THEORY AND ITS APPLICATION” 评介

强度理论主要研究应力和应变的极限状态, 以便与容许的应力和应变进行比较. 仅仅单轴 实验及其结果是不充分的, 还需要双轴和三轴的研究. 因为不同的材料在复杂应力-应变状态 下具有不同的力学性能, 所以屈服准则和破坏准则就会起到非常重要的作用. 采用这些理论 进行研究的目的是确保土木结构和机械结构的安全性. 然而一般来说, 这些理论只能对有限 的材料及其相关的应力-应变状态进行分析, 它们并不能解决产生所有问题的每个方面, 因此, 统一强度理论就在不断地探索中. 在俞茂宏著《统一强度理论及其应用(英文版)》(Ber- lin: Springer, 2004)中, 作者首先从双剪和双剪屈服准则的概念出发, 先后建立了双剪强度理论和统 一强度理论. 统一强度理论的极限线覆盖了外凸极限线的全部区域, 并且可以扩展到非凸极 限线的区域. 该书不仅是理论、实验、应用和历史的论述, 而且是作者独特研究的专门著作. 书中的内容明显地反映出了这些特点. 书的各章目录分别为: 1绪论; 2单元体应力状态; 3统一屈服准则; 4屈服准则的验证; 5统一屈服准则的扩展; 6材料在复杂应力状态下的基本特性; 7统一强度理论; 8强度理论的实验验证; 9统一屈服准则的应用; 10结构分析的破 坏准则效应; 11历史评论; 12参考文献和书目. 各章后面有一个小结和与重要内容有关的习题. 最后一章涵盖了历史评论和从1638年到2002 年间超过1\,000种的完整的书目. 本书适用于广泛的读者,它对强度理论及其应用领域有重要贡献.     

平面应变状态下广义非线性统一强度理论的研究

基于广义Hoek-Brown准则的非线性统一强度理论不仅考虑了中间主剪应力效应及其区间性,而且将统一屈服准则、统一强度理论、岩石的非线性统一强度理论联系起来,对在三向应力状态下岩石的破坏特性比较适用。本文利用广义非线性统一强度对平面状态下岩石的强度破坏进行了研究,得到了基于广义非线性统一强度理论的包络线方程,分析了有效剪应力和内摩擦角随有效正应力的变化规律,讨论了中间主剪应力效应参数对剪切破坏包络线及内摩擦角的影响。参数分析结果表明:在平面应变状态下,有效剪应力随着中间主剪应力效应参数的增大而增大,而内摩擦角随中间主剪应力效应参数的增大趋于稳定。     

薄膜涂层材料界面纯剪破坏标准试验法的开发

界面强度是薄膜涂层材料的最重要的性能指标之一，目前尚缺乏有效的测量方法。测量界面强度的主要困难在于寻求一种便于试验的试件形状和加载方式，使得界面上能够产生不同的应力状态，即在不同的剥离应力和剪应力比的状态下发生破坏。本文采用有限元数值分析（ABAQUS），研究了几种具有简单几何形状的试件的界面应力，并基于大量的数值试验，设计了剪应力为破坏支配因素的试件形状和加载方式，并且给出了便于应用的最大界面剪应力的经验估算公式。该经验公式可以适用于各种材料组合和薄膜涂层的厚度。研究结果表明，通过对薄膜涂层材料试件的基体引入缺口以产生应力集中，进行普通的四点弯曲试验，可以进行剪应力占支配地位的界面破坏试验。利用本文提出的试件形状和相应的最大界面剪应力经验公式，可以通过破坏试验简单地得到界面的剪切强度。     

NONLINEAR UNIFIED STRENGTH MODEL OF GEOMATERIALS

将材料的破坏归结为剪切破坏,每种材料对应于特定的剪切滑动面,抗剪强度为滑动面上正应力的函数,基于不同材料的强度特性将一系列的剪切滑动面统一起来,建立了岩土材料的非线性统一强度模型.非线性统一强度模型的滑动面为β应力空间内的等倾面,在β应力空间内的强度面为圆锥面;在普通应力空间内的强度面为一系列连续光滑、外凸的锥面,在偏平面上强度曲线涵盖了从下限Matsuoka-Nakai曲线到上限Drucker-Prager圆之间的所有区域,子午面上强度线为直线.非线性统一强度模型只有3个材料参数,参数都具有明确的物理意义,通过与国内外学者已取得的岩土类材料真三轴强度试验结果的比较,表明模型可适用于多种类型的材料,并合理描述其非线性强度特性.     

岩土材料的非线性统一强度模型

将材料的破坏归结为剪切破坏,每种材料对应于特定的剪切滑动面,抗剪强度为滑动面上正应力的函数,基于不同材料的强度特性将一系列的剪切滑动面统一起来,建立了岩土材料的非线性统一强度模型.非线性统一强度模型的滑动面为β应力空间内的等倾面,在β应力空间内的强度面为圆锥面;在普通应力空间内的强度面为一系列连续光滑、外凸的锥面,在偏平面上强度曲线涵盖了从下限Matsuoka-Nakai曲线到上限Drucker-Prager圆之间的所有区域,子午面上强度线为直线.非线性统一强度模型只有3个材料参数,参数都具有明确的物理意义,通过与国内外学者已取得的岩土类材料真三轴强度试验结果的比较,表明模型可适用于多种类型的材料,并合理描述其非线性强度特性.      

线性荷载作用下外简支环板的极限荷载分析

对于线性荷载作用下外简支环板,引入统一强度理论,进行了极限荷载分析。并分别求出了两种特殊形式的线性荷载作用下的极限荷载统一解,得出参数b值及材料的拉压比α对极限荷载的影响曲线。统一强度理论中,选择不同的参数b,可以得到一系列不同的屈服准则,不同的b值可以对应不同的工程材料,其中b=0和b=1分别给出了下限解和上限解。工程实际中,α可根据实际材料的拉压强度直接确定。当α=1时,统一强度理论适用于拉压强度相同的材料,当a≠1时,适用于拉压强度不同的材料。因此文中所给出的解可以灵活应用于各种性能的材料,可以充分反映材料的SD效应及中间主应力效应。已有的Tresca准则,Mises准则,双剪应力屈服准则以及双剪统一屈服准则的解答均为本文解答的特例或线性逼近。     

考虑拉压强度差效应的厚壁圆筒承载能力分析

应用双剪统一强度理论，考虑材料的拉压异性和同性，推导了在内压力和轴力联合作用下的厚壁圆筒的塑性极限载荷表达式．在该表达式中，当反映中间主应力效应的系数取不同的值时，就能得到按Tresca屈服准则、线性逼近的Mises屈服准则和双剪应力屈服准则的计算结果，并且绘制了在相应准则下的极限应力线图．从而可知：在三维应力状态下，应用该理论，可以获得极限载荷分析的精确解；极限载荷线图与三种屈服准则的屈服曲线是相吻合的；计算的结果可以用于拉压异性和同性的材料，为工程应用提供了理论依据．     

复杂应力状态下岩土材料非线性本构模型研究

基于统一强度理论,将洛德参数引入统一强度理论,推导出材料的统一强度参数,进而分析中间主应力以及主剪应力系数对材料统一强度参数的影响。在此基础上,对邓肯张双曲线模型进行改进,使得该模型能够反映复杂应力状态下的应力应变关系。采用粘土的平面应变试验进行验证,结果表明:在平面应变情况下,当b=0.4时,模型能够较好地反映粘土的应力应变关系,及其强度参数。分析了洛德参数以及中间主应力系数对模型的影响,进一步说明岩土材料存在主应力效应。该模型能够反映不同材料在复杂应力状态下的应力应变关系,有其更为广泛的适用性。     

基于双剪统一强度理论的厚壁圆筒塑性极限载荷分析

应用双剪统一强度理论,考虑材料的拉压异性和同性,推导了在内压和轴力联合作用下的厚壁圆筒的塑性极限载荷表达式．在该表达式中,当其系数取不同的值时,就能得到按Tresca屈服准则、线性逼近的Mises屈服准则和双剪应力屈服准则进行计算的结果．     

单搭接胶接接头弹性应力的二维分析方法

提出一种能得到单搭接胶接接头二维弹性应力解析解的的一般分析方法.该方法从纵向正应力沿厚度线性分布的理论假设出发,用完整的几何方程与本构方程,在考虑了被粘物与胶层的剪应力和剥离正应力沿厚度的变化,而且严格满足包括搭接区端头胶层剪应力为零的所有边界条件下,能够准确地预测接头任意点的应力状态,并适用于被粘物/胶层几何和材料属性的任何组合.通过与以往的解析解和有限元分析结果对比表明:不仅胶层平均剪应力最大值发生在距胶层端头很近的位置处,而且平均剥离正应力最大值位置也距离接头端头很近.这与以往绝大多数理论解预测"胶层剪应力和剥离正应力最大值都发生在端头处"的结论不同;该解析解有很好的精度和较广的适用范围.     

线性强化材料厚壁圆筒的统一极限分析

运用统一强度理论对承受内压的拉压屈服强度不同的线性强化材料的厚壁圆筒进行了极限载荷分析，得到了适用于多种材料的厚壁圆筒极限载荷的统一解析式．     

强度理论百年总结

自从1900年著名的Mohr-Coulomb强度理论建立以来,已有100年的历史.在20世纪,关于材料在复杂应力状态下的强度理论进行了大量的理论研究和实验研究工作.本文对材料(包括金属材料、岩石、土、混凝土、冰、铁、聚合物、含能材料等)在复杂应力状态下强度理论(屈服准则、破坏准则等)的百年发展进行了总结,讨论了各种准则之间的关系,为研究和工程应用中的合理选择破坏准则提供了一种方法.文中还总结了三大系列强度理论、统一屈服准则、统一强度理论和其他各种强度理论,并简述了强度理论的计算机实施,以及多轴疲劳等问题.     

简支圆板在复杂荷载作用下的塑性极限荷载统一解析解

本文采用双剪统一屈服准则对受线性荷载和边缘弯矩联合作用下的简支圆板进行了塑性极限分析，考虑了联合作用的两种形式，分别给出了统一的解析解。得到了极限荷载随不同屈服准则的变化曲线。对于不同的材料，本文均能给出相应的极限荷载。已有的Tresca准则、Von Mises准则、双剪应力准则的解答是文中解答的特例或逼近。本文得到的一系列有规则变化的解析解，可以适用于各种拉压强度相同材料的简支圆板的塑性极限荷载求解。文中统一解大于Tresca单剪理论解，它可以更好地发挥材料的强度潜力，工程应用可以取得明显的经济效益。     

古典强度理论及其发展

各种机器结构的设计制造,都需要解决材料在复杂应力状态下的强度问题.由于进行复杂应力状态的材料试验较为复杂,以及各种复杂应力状态组合的无穷性,常常不可能进行一个完备的试验,来得到材料在复杂应力状态下强度的完整数据.因此人们总希望能够根据一些简单的试验 ...     

广义双剪应力准则角隅模型

本文将广义双剪应力准则变换为π平面和静水应力轴的柱坐标方程,然后将其角隅光滑化,得到了新的光滑、外凸的广义双剪应力准则角隅模型,研究结果表明,近年来作为光滑化Mohr-Coulomb理论提出的各种角隅模型,实际上并不是光滑化的Mohr-Coulomb理论,而是光滑化的广义双剪应力理论。     

纤维增强韧性基体界面力学行为

分析了纤维增强韧性基体的界面力学行为及其失效机理,按剪滞理论和应变理化规律研究微复合材料的弹塑性变形和应力状态,讨论了幂硬化和线性硬化基体的弹塑性变形和界面应力分布,并给出纤维应力和位移的表达式。按最大剪应力强度理论建立了纤维／基体界面失效准则,推导出弹塑性界面失效的平均剪应力随纤维埋入长度的变化关系。     

失效准则在广义Mohr空间的表示及应用

在广义的Mohr空间研究材料的破坏和屈服(失效),找到了主应力空间和广义Mohr空 间中失效曲面的变换,以及适用于所有失效准则的应力和失效面法向的普适相容关系. 对于 双剪强度理论,根据它在广义Mohr空间的表示,将之归于最大偏应力理论一类.     

考虑材料拉压强度异性的简支圆板塑性极限统一解

采用统一强度理论首次对简支圆板在边缘均布荷载作用下的塑性极限进行了求解，得出了相应的统一解形式以及统一强度理论参数b和拉压强度比α对塑性极限的影响曲线。所给出的解可以适用于各种不同特性的材料。利用本文的解还可以得到一系列新的结果，可以更好的发挥材料的强度潜能，取得明显的经济效益。     

复杂应力状态镍基单晶合金低周疲劳损伤模型

根据连续介质损伤力学理论,采用应变能释放率作为热力学广义力描述正交异性材料的疲劳损伤过程,引入取向函数考虑镍基单晶合金晶体取向对疲劳损伤的非线性影响,提出了一个各向异性疲劳损伤模型。应用多元线性回归分析方法,拟合疲劳试验数据可确定模型参数。从应变能释放率的应变空间表达式出发,导出了含有3个弹性常数的单晶合金应变三轴性因子,它既反映了材料性能的晶体取向相关性,又反映了正应力和剪应力的相互作用,并可退化为各向同性材料的应变三轴性因子。利用该模型对CMSX-2镍基单晶合金在应力控制对称循环拉-扭载荷作用下的低周疲劳寿命进行预测,预测值与试验值吻合的相当好,试验所得数据均落在2.2倍偏差的分布带内。