- Теория Мора – Кулона — Mohr–Coulomb theory
- История развития
- Критерий разрушения Мора – Кулона
- Критерий разрушения Мора – Кулона в трех измерениях
- Поверхность разрушения Мора – Кулона в пространстве Хая – Вестергаарда
- Податливость и пластичность Мора – Кулона
- Типичные значения сцепления и угла внутреннего трения
- Смотрите также
- использованная литература
Теория Мора – Кулона — Mohr–Coulomb theory
Математическая модель, описывающая реакцию хрупкого материала на механические напряжения и определяющая сопротивление сдвигу грунтов и горных пород.
Теория Мора – Кулона — это математическая модель (см. Поверхность текучести ), описывающая реакцию хрупких материалов, таких как бетон или груды щебня, на напряжение сдвига, а также нормальное напряжение. Большинство классических инженерных материалов так или иначе следуют этому правилу, по крайней мере, в части их диапазона разрушения при сдвиге. Обычно теория применима к материалам, у которых прочность на сжатие намного превышает предел прочности на разрыв .
В геотехнике он используется для определения прочности грунтов и горных пород на сдвиг при различных эффективных напряжениях .
В проектировании конструкций он используется для определения разрушающей нагрузки, а также угла разрушения сдвиговой трещины в бетоне и подобных материалах. Кулоновское «с трением гипотеза используется для определения комбинации сдвига и нормального напряжения , что приведет к разрушению материала. Круг Мора используется для определения того, какие главные напряжения будут вызывать эту комбинацию сдвига и нормального напряжения, а также угол плоскости, в котором это произойдет. Согласно принципу нормальности напряжение, возникающее при разрушении, будет перпендикулярно линии, описывающей состояние разрушения.
Можно показать, что материал, разрушающийся в соответствии с гипотезой кулоновского трения, будет демонстрировать смещение, вносимое при разрыве, образуя угол к линии разрушения, равный углу трения . Это позволяет определить прочность материала путем сравнения внешней механической работы, вызванной смещением и внешней нагрузкой, с внутренней механической работой, вызванной деформацией и напряжением на линии разрушения. За счет сохранения энергии их сумма должна быть равна нулю, и это позволит рассчитать разрушающую нагрузку конструкции.
Обычным усовершенствованием этой модели является объединение гипотезы кулоновского трения с гипотезой Рэнкина о главном напряжении для описания отрывной трещины. Альтернативная точка зрения выводит критерий Мора-Кулона как отказ расширения .
История развития
Теория Мора – Кулона названа в честь Шарля-Огюстена де Кулона и Кристиана Отто Мора . Вклад Кулона — эссе 1773 года под названием « Essai sur une application des règles des maximis et minimis à quelques problèmes de statique relatifs à l’architecture ». Мор разработал обобщенную форму теории примерно в конце XIX века. Поскольку обобщенная форма повлияла на интерпретацию критерия, но не на ее сущность, в некоторых текстах этот критерий по-прежнему упоминается просто как « критерий Кулона» .
Критерий разрушения Мора – Кулона
Рисунок 1: Вид поверхности разрушения Мора – Кулона в трехмерном пространстве главных напряжений для c знак равно 2 , ϕ знак равно — 20 ∘ >\>
Критерий разрушения Мора – Кулона представляет собой линейную огибающую, которая получается из графика зависимости прочности материала на сдвиг от приложенного нормального напряжения. Это отношение выражается как
τ знак равно σ загар ( ϕ ) + c
где — прочность на сдвиг, — нормальное напряжение, — точка пересечения границы разрушения с осью и — наклон зоны разрушения. Величину часто называют сцеплением, а угол — углом внутреннего трения . В нижеследующем обсуждении предполагается, что сжатие положительно. Если предполагается отрицательное сжатие, его следует заменить на . τ σ c τ загар ( ϕ ) c ϕ σ — σ
Если критерий Мора – Кулона сводится к критерию Трески . С другой стороны, если модель Мора – Кулона эквивалентна модели Ренкина. Более высокие значения не допускаются. ϕ знак равно 0 ϕ знак равно 90 ∘ > ϕ
σ знак равно σ м — τ м грех ϕ ; τ знак равно τ м потому что ϕ — \ tau _ \ sin \ phi ~; ~~ \ tau = \ tau _ \ cos \ phi>
τ м знак равно σ 1 — σ 3 2 ; σ м знак равно σ 1 + σ 3 2 = — \ sigma _ > > ~; ~~ \ sigma _ = + \ sigma _ > >>
и — максимальное главное напряжение, и — минимальное главное напряжение. σ 1 > σ 3 >
Следовательно, критерий Мора – Кулона можно также выразить как
τ м знак равно σ м грех ϕ + c потому что ϕ . = \ sigma _ \ sin \ phi + c \ cos \ phi ~.>
Эта форма критерия Мора – Кулона применима к отказу на плоскости, параллельной направлению. σ 2 >
Критерий разрушения Мора – Кулона в трех измерениях
Трехмерный критерий Мора – Кулона часто выражается как
Поверхность разрушения Мора-Кулон является конусом с шестиугольным поперечным сечением в девиаторном пространстве напряжений.
Выражения для и могут быть обобщены для трех измерений путем разработки выражений для нормального напряжения и разрешенного напряжения сдвига на плоскости произвольной ориентации по отношению к осям координат (базисным векторам). Если единица измерения, нормальная к интересующей плоскости, равна τ σ
п знак равно п 1 е 1 + п 2 е 2 + п 3 е 3 = n_ ~ \ mathbf _ + n_ ~ \ mathbf _ + n_ ~ \ mathbf _ >
где три блок ортонормирована базисные векторы, и если главные напряжения выровнены с базисными векторами , то выражения для являются е я , я знак равно 1 , 2 , 3 _ , ~~ i = 1,2,3> σ 1 , σ 2 , σ 3 , \ sigma _ , \ sigma _ > е 1 , е 2 , е 3 _ , \ mathbf _ , \ mathbf _ > σ , τ
σ знак равно п 1 2 σ 1 + п 2 2 σ 2 + п 3 2 σ 3 τ знак равно ( п 1 σ 1 ) 2 + ( п 2 σ 2 ) 2 + ( п 3 σ 3 ) 2 — σ 2 знак равно п 1 2 п 2 2 ( σ 1 — σ 2 ) 2 + п 2 2 п 3 2 ( σ 2 — σ 3 ) 2 + п 3 2 п 1 2 ( σ 3 — σ 1 ) 2 . \ sigma & = n_ ^ \ sigma _ + n_ ^ \ sigma _ + n_ ^ \ sigma _ \\\ tau & = <\ sqrt <(n_ \ sigma _ ) ^ + (n_ \ sigma _ ) ^ + (n_ \ sigma _ ) ^ - \ sigma ^ >> \\ & = <\ sqrt
Затем критерий разрушения Мора – Кулона можно оценить с помощью обычного выражения
τ знак равно σ загар ( ϕ ) + c
для шести плоскостей максимального напряжения сдвига.
где — три ортонормированных единичных базисных вектора. Тогда вектор тяги на плоскости определяется выражением е я , я знак равно 1 , 2 , 3 _ , ~~ i = 1,2,3>
т знак равно п я σ я j е j (повторяющиеся индексы указывают на суммирование) = n_ ~ \ sigma _ ~ \ mathbf _ ~~~ >>
Величина вектора тяги определяется выражением
| т | знак равно ( п j σ 1 j ) 2 + ( п k σ 2 k ) 2 + ( п л σ 3 л ) 2 (повторяющиеся индексы указывают на суммирование) | = ~ \ sigma _ ) ^ + (n_ ~ \ sigma _ ) ^ + (n_ ~ \ sigma _ ) ^ >> ~~~ >>
Тогда величина напряжения, нормального к плоскости, определяется выражением
σ знак равно т ⋅ п знак равно п я σ я j п j (повторяющиеся индексы указывают на суммирование) \ cdot \ mathbf = n_ ~ \ sigma _ ~ n_ ~~ >>
Величина разрешенного напряжения сдвига на плоскости определяется выражением
Что касается компонентов, у нас есть
σ знак равно п 1 2 σ 11 + п 2 2 σ 22 + п 3 2 σ 33 + 2 ( п 1 п 2 σ 12 + п 2 п 3 σ 23 + п 3 п 1 σ 31 год ) τ знак равно ( п 1 σ 11 + п 2 σ 12 + п 3 σ 31 год ) 2 + ( п 1 σ 12 + п 2 σ 22 + п 3 σ 23 ) 2 + ( п 1 σ 31 год + п 2 σ 23 + п 3 σ 33 ) 2 — σ 2 \ sigma & = n_ ^ \ sigma _ + n_ ^ \ sigma _ + n_ ^ \ sigma _ +2 (n_ n_ \ sigma _ + n_ n_ \ sigma _ + n_ n_ \ sigma _ ) \\\ tau & = <\ sqrt <(n_ \ sigma _ + n_ \ sigma _ + n_ \ sigma _ ) ^ + (n_ \ sigma _ + n_ \ sigma _ + n_ \ sigma _ ) ^ + (n_ \ sigma _ + n_ \ sigma _ + n_ \ sigma _ ) ^ - \ sigma ^ >> \ end >>
Если главные напряжения выравниваются с базисными векторами , то выражения для АРЯ σ 1 , σ 2 , σ 3 , \ sigma _ , \ sigma _ > е 1 , е 2 , е 3 _ , \ mathbf _ , \ mathbf _ > σ , τ
Рисунок 2: Поверхность текучести Мора – Кулона в плоскости для π c знак равно 2 , ϕ знак равно 20 ∘ >\>
Рисунок 3: След поверхности текучести Мора – Кулона в плоскости для σ 1 — σ 2 — \ sigma _ > c знак равно 2 , ϕ знак равно 20 ∘ >\>
Поверхность разрушения Мора – Кулона в пространстве Хая – Вестергаарда
Поверхность разрушения (текучести) Мора – Кулона часто выражается в координатах Хая – Вестергаада . Например, функция
σ 1 — σ 3 2 знак равно σ 1 + σ 3 2 грех ϕ + c потому что ϕ — \ sigma _ > > = + \ sigma _ > > ~ \ грех \ фи + с \ соз \ фи>
[ 3 грех ( θ + π 3 ) — грех ϕ потому что ( θ + π 3 ) ] ρ — 2 грех ( ϕ ) ξ знак равно 6 c потому что ϕ . > ~ \ sin \ left (\ theta + > \ right) — \ sin \ phi \ cos \ left (\ theta + < \ cfrac > \ right) \ right] \ rho — > \ sin (\ phi) \ xi = > c \ cos \ phi.>
В качестве альтернативы в терминах инвариантов мы можем написать п , q , р
[ 1 3 потому что ϕ грех ( θ + π 3 ) — 1 3 загар ϕ потому что ( θ + π 3 ) ] q — п загар ϕ знак равно c > ~ \ cos \ phi>> ~ \ sin \ left (\ theta + > \ right) — > \ tan \ phi ~ \ cos \ left (\ theta + > \ right) \ right] qp ~ \ tan \ phi = c>
σ 1 ( 1 — грех ϕ ) 2 c потому что ϕ — σ 3 ( 1 + грех ϕ ) 2 c потому что ϕ знак равно 1 . ~ > — \ sigma _ ~ > = 1 ~.>
В инварианты Хей-Вестергард связаны с главными напряжениями от
σ 1 знак равно 1 3 ξ + 2 3 ρ потому что θ ; σ 3 знак равно 1 3 ξ + 2 3 ρ потому что ( θ + 2 π 3 ) . = >> ~ \ xi + >> ~ \ rho ~ \ cos \ theta ~; ~~ \ sigma _ = >> ~ \ xi + >> ~ \ rho ~ \ cos \ left (\ theta + > \ right) ~.>
Подстановка выражения для функции текучести Мора – Кулона дает нам
— 2 ξ грех ϕ + ρ [ потому что θ — потому что ( θ + 2 π / 3 ) ] — ρ грех ϕ [ потому что θ + потому что ( θ + 2 π / 3 ) ] знак равно 6 c потому что ϕ > ~ \ xi ~ \ sin \ phi + \ rho [\ cos \ theta — \ cos (\ theta +2 \ pi / 3)] — \ rho \ sin \ phi [\ cos \ theta + \ cos (\ theta +2 \ pi / 3)] = > ~ c ~ \ cos \ phi>
Использование тригонометрических тождеств для суммы и разности косинусов и перестановки дает нам выражение функции текучести Мора – Кулона через . ξ , ρ , θ
Мы можем выразить функцию доходности в терминах , используя соотношения п , q
ξ знак равно 3 п ; ρ знак равно 2 3 q > ~ p ~; ~~ \ rho = >> ~ q>
Податливость и пластичность Мора – Кулона
Поверхность текучести Мора – Кулона часто используется для моделирования пластического течения геоматериалов (и других материалов, связанных с трением). Многие такие материалы демонстрируют дилатационное поведение при трехосных напряжениях, которые не учитываются в модели Мора – Кулона. Кроме того, поскольку поверхность текучести имеет углы, может быть неудобно использовать исходную модель Мора – Кулона для определения направления пластического течения (в теории пластичности течения ).
Распространенным подходом является использование гладкого не связанного потенциала пластического течения. Примером такого потенциала является функция
грамм знак равно ( α c у загар ψ ) 2 + грамм 2 ( ϕ , θ ) q 2 — п загар ϕ > \ tan \ psi) ^ + G ^ (\ phi, \ theta) ~ q ^ > > -p \ tan \ phi>
где — параметр, — значение, когда пластическая деформация равна нулю (также называемая начальным пределом текучести когезии ), — угол, образующий поверхность текучести в плоскости Rendulic при высоких значениях (этот угол также называется углом растяжения). ), и является подходящей функцией, которая также является гладкой в плоскости девиаторных напряжений. α c у >> c ψ п грамм ( ϕ , θ )
Типичные значения сцепления и угла внутреннего трения
Значения когезии (также называемой прочностью сцепления ) и угла трения для горных пород и некоторых распространенных грунтов перечислены в таблицах ниже.
Материал | Прочность сцепления в кПа | Прочность сцепления в фунтах на квадратный дюйм |
---|---|---|
Рок | 10 000 | 1450 |
Ил | 75 | 10 |
Глина | От 10 до 200 | 1,5 к 30 |
Очень мягкая глина | От 0 до 48 | От 0 до 7 |
Мягкая глина | 48 к 96 | 7 к 14 |
Средняя глина | 96 к 192 | С 14 до 28 год |
Жесткая глина | 192 к 384 | 28 к 56 |
Очень жесткая глина | 384 к 766 | 28 к 110 |
Твердая глина | > 766 | > 110 |
Материал | Угол трения в градусах |
---|---|
Рок | 30 ° |
Песок | 30 ° до 45 ° |
Гравий | 35 ° |
Ил | 26 ° до 35 ° |
Глина | 20 ° |
Рыхлый песок | 30 ° до 35 ° |
Средний песок | 40 ° |
Плотный песок | От 35 ° до 45 ° |
Песчаный гравий | > 34 ° до 48 ° |
Смотрите также
- Трехмерная эластичность
- Критерий несостоятельности Хука – Брауна
- Закон Байерли
- Боковое давление грунта
- фон Мизес стресс
- Доходность (инженерная)
- Критерий текучести Друкера-Прагера — гладкая версия критерия текучести M – C
- Координаты Лоде
использованная литература
- ^ Ювинал, Роберт С. и Маршек, Курт .; Основы проектирования узлов машин. — 2-е изд., 1991, стр. 217, ISBN0-471-62281-8
- Перейти ↑ Coulomb, CA (1776). Essai sur une application des regles des maximis et minimis a quelquels issuesde statique relatifs, как архитектура. Mem. Акад. Рой. Div. Сав., Т. 7. С. 343–387.
- ^ Staat, M. (2021) Критерий Мора – Кулона типа деформации растяжения. Rock Mech. Rock Eng., DOI: 10.1007 / s00603-021-02608-7.
- ^ АМИР Р. ХОЕЙ; Расчетная пластичность в процессах порошкообразования ; Эльзевир, Амстердам; 2005; 449 с.
- ^ МАО-ХОНГ Ю; « Развитие теорий прочности материалов в условиях сложного напряженного состояния в ХХ веке »; Обзоры прикладной механики ; Американское общество инженеров-механиков, Нью-Йорк, США; May 2002; 55 (3): стр. 169–218.
- ^ НИЛЬС САБЬЕ ОТТОСЕН и МАТТИ РИСТИНМАА; Механика конститутивного моделирования ; Elsevier Science, Амстердам, Нидерланды; 2005; С. 165 и далее.
- Перейти ↑ Coulomb, CA (1776). Essai sur une application des regles des maximis et minimis a quelquels issuesde statique relatifs, как архитектура. Mem. Акад. Рой. Div. Сав., Т. 7. С. 343–387.
Источник