Una superficie de fluencia es una superficie de cinco dimensiones en el espacio de tensiones de seis dimensiones . La superficie de fluencia suele ser convexa y el estado de tensión en el interior de la superficie de fluencia es elástico. Cuando el estado de tensión se encuentra en la superficie, se dice que el material ha alcanzado su límite elástico y se dice que el material se ha vuelto plástico . Una mayor deformación del material hace que el estado de tensión permanezca en la superficie elástica, aunque la forma y el tamaño de la superficie pueden cambiar a medida que evoluciona la deformación plástica. Esto se debe a que los estados de tensión que se encuentran fuera de la superficie de fluencia no son permisibles en la plasticidad independiente de la velocidad , aunque no en algunos modelos de viscoplasticidad . [1]
La superficie de fluencia generalmente se expresa en términos de (y se visualiza en) un espacio de tensión principal tridimensional ( ), un espacio bidimensional o tridimensional abarcado por invariantes de tensión ( ) o una versión de la tensión tridimensional de Haigh-Westergaard. espacio . Por tanto, podemos escribir la ecuación de la superficie de fluencia (es decir, la función de fluencia) en la forma:
¿Dónde están las tensiones principales?
donde es el primer invariante principal del estrés de Cauchy y son el segundo y tercer invariantes principales de la parte desviatoria del estrés de Cauchy.
donde están las versiones escaladas de y y es una función de .
donde están las versiones escaladas de y , y es el ángulo de tensión [2] o el ángulo de Lode [3]
Invariantes utilizadas para describir superficies de rendimiento
El primer invariante principal ( ) del estrés de Cauchy ( ), y el segundo y tercer invariante principal ( ) de la parte desviatoria ( ) del estrés de Cauchy se definen como:
donde ( ) son los valores principales de , ( ) son los valores principales de y
¿Dónde está la matriz identidad?
Un conjunto relacionado de cantidades, ( ), se utiliza generalmente para describir superficies de fluencia para materiales de fricción cohesivos como rocas, suelos y cerámicas. Estos se definen como
¿Dónde está la tensión equivalente ? Sin embargo, la posibilidad de valores negativos de y el imaginario resultante hace que el uso de estas cantidades sea problemático en la práctica.
Otro conjunto relacionado de invariantes ampliamente utilizado es ( ), que describe un sistema de coordenadas cilíndrico (las coordenadas Haigh-Westergaard ). Estos se definen como:
El avión también se llama plano Rendulic . El ángulo se llama ángulo de tensión, el valor a veces se llama parámetro Lode [4] [5] [6] y la relación entre y fue dada por primera vez por Novozhilov VV en 1951, [7] ver también [8]
Las tensiones principales y las coordenadas Haigh-Westergaard están relacionadas por
También se puede encontrar una definición diferente del ángulo de Lode en la literatura: [9]
en cuyo caso las tensiones principales ordenadas (donde ) están relacionadas por [10]
Ejemplos de superficies de rendimiento
Hay varias superficies de fluencia diferentes conocidas en ingeniería y las más populares se enumeran a continuación.
Superficie productiva Tresca
El criterio de rendimiento de Tresca se considera obra de Henri Tresca . [11] También se conoce como teoría del esfuerzo cortante máximo (MSST) y criterio de Tresca-Guest [12] (TG). En términos de las tensiones principales el criterio de Tresca se expresa como
¿Dónde es el límite elástico en corte y es el límite elástico en tracción?
La Figura 1 muestra la superficie de fluencia de Tresca-Guest en el espacio tridimensional de tensiones principales. Es un prisma de seis lados y de longitud infinita. Esto significa que el material permanece elástico cuando las tres tensiones principales son aproximadamente equivalentes (una presión hidrostática ), sin importar cuánto se comprima o estire. Sin embargo, cuando una de las tensiones principales se vuelve menor (o mayor) que las demás, el material está sujeto a corte. En tales situaciones, si el esfuerzo cortante alcanza el límite elástico, entonces el material ingresa al dominio plástico. La Figura 2 muestra la superficie de fluencia de Tresca-Guest en un espacio de tensiones bidimensional, es una sección transversal del prisma a lo largo del plano.
Superficie de cedencia de von Mises
El criterio de rendimiento de von Mises se expresa en las tensiones principales como
¿Dónde está el límite elástico en tensión uniaxial?
La Figura 3 muestra la superficie de fluencia de von Mises en el espacio tridimensional de tensiones principales. Es un cilindro circular de longitud infinita con su eje inclinado en ángulos iguales a las tres tensiones principales. La Figura 4 muestra la superficie de fluencia de von Mises en un espacio bidimensional en comparación con el criterio de Tresca-Guest. Una sección transversal del cilindro de von Mises en el plano de produce la forma elíptica de la superficie de fluencia.
Criterio de Burzyński-Yagn
Este criterio [13] [14]
representa la ecuación general de una superficie de revolución de segundo orden alrededor del eje hidrostático. Algunos casos especiales son: [15]
cilindro (Maxwell (1865), Huber (1904), von Mises (1913), Hencky (1924)),
elipsoide centrado en el plano de simetría , (Beltrami (1885)),
elipsoide centrado en el plano de simetría con (Schleicher (1926)),
hiperboloide de dos hojas (Burzynski (1928), Yagn (1931)),
hiperboloide de una hoja centrada en el plano de simetría , ( Kuhn (1980))
hiperboloide de una hoja , (Filonenko-Boroditsch (1960), Gol'denblat-Kopnov (1968), Filin (1975)).
Las relaciones compresión-tensión y torsión-tensión se pueden calcular para
Las relaciones de Poisson en tensión y compresión se obtienen usando
Para materiales dúctiles la restricción
es importante. La aplicación de criterios rotacionalmente simétricos para falla frágil con
no ha sido suficientemente estudiado. [dieciséis]
El criterio de Burzyński-Yagn es muy adecuado para fines académicos. Para aplicaciones prácticas, se debe introducir en la ecuación el tercer invariante del desviador en potencia par e impar, por ejemplo: [17]
criterio de huber
El criterio de Huber consta del elipsoide de Beltrami y un cilindro de von Mises escalado en el espacio de tensión principal, [18] [19] [20] [21] ver también [22] [23]
con . La transición entre las superficies en la sección transversal es continuamente diferenciable. El criterio representa la "visión clásica" con respecto al comportamiento material inelástico:
comportamiento del material sensible a la presión para con y
comportamiento del material insensible a la presión para con
El criterio de Huber se puede utilizar como superficie de fluencia con una restricción empírica para el índice de Poisson en tensión , lo que conduce a .
El criterio de Huber modificado, [24] [23] ver también, [25] cf. [26]
Consiste en el elipsoide de Schleicher con la restricción del índice de Poisson en compresión.
y un cilindro con la transición -en la sección transversal . La segunda configuración de los parámetros y sigue con la relación compresión / tensión.
El criterio de Huber modificado se puede adaptar mejor a los datos medidos como el criterio de Huber. Para configurarlo sigue y .
El criterio de Huber y el criterio de Huber modificado deberían preferirse al criterio de von Mises ya que se obtienen resultados más seguros en la región . Para aplicaciones prácticas , en estos criterios se debe considerar el tercer invariante del desviador . [23]
Superficie de fluencia de Mohr-Coulomb
El criterio de fluencia (fallo) de Mohr-Coulomb es similar al criterio de Tresca, con disposiciones adicionales para materiales con diferentes límites elásticos a tracción y compresión. Este modelo se utiliza a menudo para modelar hormigón , suelo o materiales granulares . El criterio de rendimiento de Mohr-Coulomb se puede expresar como:
dónde
y los parámetros y son los esfuerzos de fluencia (falla) del material en compresión y tensión uniaxial, respectivamente. La fórmula se reduce al criterio de Tresca si .
La Figura 5 muestra la superficie de fluencia de Mohr-Coulomb en el espacio tridimensional de tensiones principales. Es un prisma cónico y determina el ángulo de inclinación de la superficie cónica. La Figura 6 muestra la superficie de fluencia de Mohr-Coulomb en un espacio de tensión bidimensional. En la Figura 6 y se utiliza para y , respectivamente, en la fórmula. Es una sección transversal de este prisma cónico en el plano de . En la Figura 6, Rr y Rc se utilizan para Syc y Syt, respectivamente, en la fórmula.
Superficie de rendimiento Drucker-Prager
El criterio de fluencia de Drucker-Prager es similar al criterio de fluencia de von Mises, con disposiciones para el manejo de materiales con diferentes límites elásticos a la tracción y a la compresión. Este criterio se usa con mayor frecuencia para concreto donde tanto los esfuerzos normales como los de corte pueden determinar la falla. El criterio de rendimiento de Drucker-Prager puede expresarse como
dónde
y , son los esfuerzos de fluencia uniaxiales en compresión y tensión respectivamente. La fórmula se reduce a la ecuación de von Mises si .
La Figura 7 muestra la superficie de fluencia de Drucker-Prager en el espacio tridimensional de tensiones principales. Es un cono regular . La Figura 8 muestra la superficie de fluencia de Drucker-Prager en un espacio bidimensional. El dominio elástico elíptico es una sección transversal del cono en el plano de ; se puede elegir para cruzar la superficie de cedencia de Mohr-Coulomb en diferente número de vértices. Una opción es intersecar la superficie de fluencia de Mohr-Coulomb en tres vértices a cada lado de la línea, pero generalmente se seleccionan por convención para que sean aquellos en el régimen de compresión. [27] Otra opción es intersectar la superficie de cedencia de Mohr-Coulomb en cuatro vértices en ambos ejes (ajuste uniaxial) o en dos vértices en la diagonal (ajuste biaxial). [28] El criterio de rendimiento de Drucker-Prager también se expresa comúnmente en términos de cohesión del material y ángulo de fricción .
Superficie de rendimiento Bresler-Pister
El criterio de rendimiento de Bresler-Pister es una extensión del criterio de rendimiento de Drucker Prager que utiliza tres parámetros y tiene términos adicionales para materiales que ceden bajo compresión hidrostática. En términos de las tensiones principales, este criterio de rendimiento se puede expresar como
¿Dónde están las constantes materiales? El parámetro adicional le da a la superficie de fluencia una sección transversal elipsoidal cuando se ve desde una dirección perpendicular a su eje. Si es el límite elástico en compresión uniaxial, es el límite elástico en tensión uniaxial y es el límite elástico en compresión biaxial, los parámetros se pueden expresar como
El criterio de rendimiento tiene la forma funcional
Sin embargo, se expresa más comúnmente en coordenadas Haigh-Westergaard como
La sección transversal de la superficie vista a lo largo de su eje es un triángulo suavizado (a diferencia de Mohr-Coulomb). La superficie de cedencia de Willam-Warnke es convexa y tiene derivadas primera y segunda únicas y bien definidas en cada punto de su superficie. Por lo tanto, el modelo de Willam-Warnke es computacionalmente robusto y se ha utilizado para una variedad de materiales de fricción cohesiva.
Superficies de rendimiento trigonométricas de Podgórski y Rosendahl
Normalizado con respecto a la tensión de tracción uniaxial , el criterio de Podgórski [29] en función del ángulo de tensión es
con la función de forma de la simetría trigonal en el plano
Contiene los criterios de von Mises (círculo en el plano, , ), Tresca (hexágono regular, , ), Mariotte (triángulo regular, , ), Ivlev [30] (triángulo regular, , ) y también el criterio cúbico de Sayir [31] (el criterio de Ottosen [32] ) con y los hexágonos isotoxales (equiláteros) del criterio de Capurso [30] [31] [33] con . La transición de von Mises-Tresca [34] sigue con , . Los hexágonos isogonales (equiangulares) del criterio de Haythornthwaite [23] [35] [36] que contienen el criterio de Schmidt-Ishlinsky (hexágono regular) no pueden describirse con el criterio de Podgórski.
El criterio de Rosendahl [37] [38] dice
con la función de forma de la simetría hexagonal en el plano
Contiene los criterios de von Mises (círculo, , ), Tresca (hexágono regular, , ), Schmidt-Ishlinsky (hexágono regular, , ), Sokolovsky (dodecágono regular, , ), y también el criterio bicúbico [23] [37] [39] [40] con o igualmente con y los dodecágonos isotoxales del criterio de rendimiento unificado de Yu [41] con . Los dodecágonos isogonales del criterio multiplicativo ansatz de simetría hexagonal [23] que contienen el criterio de Ishlinsky-Ivlev (dodecágono regular) no pueden describirse mediante el criterio de Rosendahl.
Los criterios de Podgórski y Rosendahl describen superficies individuales en el espacio de tensión principal sin contornos exteriores adicionales ni intersecciones planas. Tenga en cuenta que para evitar problemas numéricos, la función de parte real se puede introducir en la función de forma: y . La generalización en la forma [37] es relevante para investigaciones teóricas.
Se puede obtener una extensión sensible a la presión de los criterios con la sustitución lineal [23]
lo cual es suficiente para muchas aplicaciones, por ejemplo, metales, hierro fundido, aleaciones, hormigón, polímeros no reforzados, etc.
que describe la sensibilidad a la presión y es la función "desviatoria" [44]
describiendo la dependencia de Lode del rendimiento. Los siete parámetros materiales no negativos:
definir la forma de las secciones de meridianos y desviadores.
Este criterio representa una superficie lisa y convexa, que está cerrada tanto en tensión como en compresión hidrostática y tiene forma de gota, particularmente adecuada para describir materiales friccionales y granulares. Este criterio también se ha generalizado al caso de superficies con esquinas. [45]
Superficie de rendimiento de Bigoni-Piccolroaz
Coseno Ansatz (Altenbach-Bolchoun-Kolupaev)
Para la formulación de los criterios de resistencia, el ángulo de tensión
puede ser usado.
El siguiente criterio de comportamiento del material isotrópico.
contiene una serie de otros criterios menos generales bien conocidos, siempre que se elijan valores de parámetros adecuados.
Parámetros y describen la geometría de la superficie en el plano. Están sujetos a las restricciones
que se siguen de la condición de convexidad. En [46] [47] se propone una formulación más precisa de las terceras restricciones.
Parámetros y describir la posición de los puntos de intersección de la superficie de fluencia con el eje hidrostático (espacio diagonal en el espacio de tensión principal). Estos puntos de intersección se denominan nodos hidrostáticos. En el caso de materiales que no fallan a la presión hidrostática (acero, latón, etc.) se obtiene . En caso contrario, para materiales que fallan a presión hidrostática (espumas duras, cerámicas, materiales sinterizados, etc.), se sigue lo siguiente .
Las potencias enteras y , describen la curvatura del meridiano. El meridiano con es una línea recta y con – una parábola.
Superficie de rendimiento de Barlat
Para los materiales anisotrópicos, dependiendo de la dirección del proceso aplicado (por ejemplo, laminado), las propiedades mecánicas varían y, por lo tanto, es crucial utilizar una función de rendimiento anisotrópico. Desde 1989 Frederic Barlat ha desarrollado una familia de funciones de rendimiento para el modelado constitutivo de la anisotropía plástica. Entre ellos, el criterio de rendimiento Yld2000-2D se ha aplicado a una amplia gama de láminas metálicas (por ejemplo, aleaciones de aluminio y aceros avanzados de alta resistencia). El modelo Yld2000-2D es una función de rendimiento de tipo no cuadrático basada en dos transformaciones lineales del tensor de tensión:
:
¿Dónde está la tensión efectiva? y y son las matrices transformadas (mediante transformación lineal C o L):
donde s es el tensor de tensión desviador.
para valores principales de X' y X”, el modelo podría expresarse como:
y:
donde se identifican ocho parámetros del modelo Yld2000-2D de Barlat con un conjunto de experimentos.
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