弹塑性力学读书笔记

弹塑性力学在岩体变形加固中的应用

姓名：

xx学号：导师：

xx

弹塑性力学这门课程是《弹性力学》的延伸，经典弹塑性力学的基本要求是应力只能在屈服面以内或屈服面之上，材料在屈服面以外的力学行为是没有定义的，这意味着经典弹塑性理论只能处理稳定结构。结构需要加固力维持稳定，说明结构部分区域应力已超出屈服面。一般说来对于给定的外荷载，结构的工作区域可能是弹性区、稳定弹塑性区和非稳定弹塑性区。弹性区和稳定弹塑性区可由经典弹塑性力学处理，变形加固理论处理的是非稳定弹塑性区。本文首次提出变形加固理论的基础是非平衡态弹塑性力学，它是经典弹塑性力学的增量延拓，其理论核心是最小塑性余能密度原理，在结构上反映为最小塑性余能原理。

1变形加固理论的提出

工程结构弹塑性有限元计算表现为一系列逼近真解的迭代过程。考察某一典型的迭代步，设某一高斯点在该迭代步的初始应力为σ

0且有f(σ

0)≤0，当前应力为σ

1。应力场σ

0，σ

1都应满足平衡条件，即该应力场在结构内处处满足平衡微分方程，在边界上满足力的边界条件，在有限元分析中表示为

Σ∫BTσ

0dV=Σ∫BTσ

1dV=F

（1）

式中：

F为外荷载向量，e表示对结构所有单元求和。

经典弹塑性理论要求结构各点应力必须在屈服面之上或以内，即各点都要满足屈服条件，这意味着结构在外荷载作用下是稳定的。而本文讨论加固问题首先意味着结构在外荷载作用下是不稳定的，需要引入加固力以维持稳定。所以有必要对经典弹塑性理论进行延拓以容纳加固特点。受弹塑性迭代总是使范数不断减少的启发，本文提出一个最小塑性余能原理：

对于给定的外荷载，在所有和其平衡的应力场中，结构真实应力场的塑性余能范数最小。以此而论，弹塑性有限元计算的迭代过程就是△E的一个最小化过程。

3经典弹塑性本构关系

本文讨论关联的理想弹塑性材料，且不考虑弹塑性耦合。经典弹塑性力学的本构关系为率形式。

4非平衡态弹塑性本构关系

非平衡态弹塑性力学处理应力状态处于屈服面以外的材料行为，其本构关系基本上就是上述经典弹塑性本构关系的增量化。只有增量化才能出现应力位于屈服面以外的情形，这和弹塑性数值方法的处理方法是一致的。不过弹塑性数值方法是作为弹塑性理论的近似方法，而在本文，这些增量关系作为非平衡态弹塑性力学的本构关系，是作为事先给定的基本定义和出发点。

第一和第二最小塑性余能密度原理可统称为最小塑性余能密度原理，如上所述，其实质为增量型正交流动法则。增量型正交流动法则为正交流动法则的一阶近似。正是在这个意义上，非平衡态弹塑性力学可以看作是经典弹塑性力学在非稳定弹塑性区的一阶近似。最小塑性余能密度原理式可以认为是极值问

题式的增量对偶。如上所述，该原理是所有重要关系的出发点，是非平衡态弹塑性力学最根本的理论基石。

5最小塑性余能原理的证明和讨论

如前所述，非平衡态弹塑性力学可以看作是经典弹塑性力学在非稳定弹塑性区的一阶近似。故在此意义上最小塑性原理亦为一阶近似理论。但非平衡态弹塑性本构关系和最小塑性余能原理是完全一致的。

最小塑性余能原理适用于由关联的理想弹塑性材料组成的结构。岩土材料一般为非关联流动材料，由Radenkovic第一定理可知，在相同屈服条件下，考虑非关联效应使结构极限承载力降低，换句话说，考虑非关联效应将使加固力提高。

对于一超过极限承载力的外荷载F来说，可以构造无数多和其平衡的应力场，显然所有应力场都无法全面满足屈服条件，故每个应力场都是～种破坏模式，其塑性区构成了可行的破坏结构，并且需要加固力才能维持稳定。对于每个和外荷载平衡的应力场，加固力方案都不是唯一的，此处假设加固力方案都是相对该应力场的最优方案。根据最小塑性余能原理，在各种破坏机构中，真实的破坏机构加固力最小。注意加固力就是破坏或失稳滑动的抵抗力，所以可以说，真实的破坏机构抵抗力最小。显然当外荷载F趋近极限承载力时，上述提法就退化为潘家铮最小原理。

6总结

对于给定的外荷载，结构的工作区域包括弹性区、稳定弹塑性区和非稳定弹塑性区，结构在非稳定弹塑性区需要加固力维持稳定。经典弹塑性理论只适用于弹性区和稳定弹塑性区。变形加固理论的理论基础为非平衡态弹塑性力学，它是经典弹塑性理论的增量延拓，适用于非稳定弹塑性区。非平衡态弹塑性力学的理论核心为最小塑性余能密度原理，其理论基础为增量正交流动法则。结构在非稳定弹塑性区服从最小塑性余能原理，该原理要求在给定外荷载的情况下，结构自承力最大而加固力最小，该理论为新奥法施工技术提供了严格的理论依据。

通过《弹塑性力学》的学习，我加深了对固体力学的理解，认识到弹塑性力学用于指导实际工程有很大的发挥空间，对今后的进一步学习奠定了基础，从理论上得到进一步的加强。