Tresca降伏条件
Tresca降伏条件的理论基础
Tresca屈服条件
老师,Tresca屈服条件和von Mises有什么区别?
Tresca准则是当最大剪应力达到临界值时发生屈服:
在偏应力空间中为正六边形。内接于von Mises的圆。
Tresca比von Mises更保守吗?
Tresca的屈服面位于von Mises的内侧(内接六边形)。在相同应力状态下,Tresca会先屈服。也就是说Tresca更保守(安全侧)。差异最大为15%。
在FEM中的使用
Tresca准则在屈服面的角点(角落)处数值处理复杂。实际工作中von Mises占绝大多数。在ASME BPVC等设计规范中,有时会使用Tresca应力(应力强度 = $\sigma_1 - \sigma_3$)进行评估。
总结
Tresca准则的历史背景
亨利·特雷斯卡于1864年在巴黎科学院报告了基于铅、铁、铜的挤压实验,指出当最大剪应力达到材料固有的临界值时发生屈服。(σ₁-σ₃)/2=k(k=τy)是准则公式,在主应力空间中为六角柱。圣维南(1870年)对其进行了数学公式化,成为19世纪机械工程设计的基础。
数值解法与实现
Tresca的FEM
Tresca准则在角点处回映算法复杂。商用求解器的对应情况:
没有Tresca的专用实现吗?
von Mises和Tresca的差异最大为15%。大多数问题用von Mises就足够了。需要Tresca时,可通过用户子程序(UMAT)实现。
总结
六边形屈服面的角点处理
Tresca屈服面在主应力空间中是有角点(角落)的六角柱,因此当应力状态位于角点附近时,法线向量无法唯一确定。应用Koiter(1953年)的角点法则,通过组合相邻两个面的法线来处理。在实现中,也使用在σ₁≈σ₂附近将Tresca切换为Drucker-Prager的近似方法。
Tresca降伏条件Tresca降伏条件实践指南
Tresca的实务
ASME BPVC的应力分类使用应力强度($S_I = \sigma_1 - \sigma_3$)进行评估。这相当于Tresca准则。在FEM中用von Mises计算,后处理时也输出应力强度。
实务检查清单
压力容器设计规范中的采用
ASME锅炉及压力容器规范(第VIII卷)将Tresca准则作为设计基础,许用应力定义为抗拉强度的1/3或屈服强度的2/3中较小者。自1914年首版以来持续采用,至今仍在石油精炼厂和核压力容器的法规设计中作为基准发挥作用。
Tresca降伏条件软件与求解器比较
工具
所有求解器都以von Mises为标准。Tresca应力(应力强度)可以在后处理中输出。
特雷斯卡屈服准则的起源:19世纪的金属加工研究
特雷斯卡屈服准则是亨利·特雷斯卡于1864年从为巴黎世博会进行的铅挤压实验中推导出的最大剪应力准则。比米塞斯准则保守约7%,因此在ASME第VIII卷和EN 13445(压力容器规范)中要求使用安全侧的特雷斯卡准则。在Nastran中,可以通过选项切换应力输出的MISES/TRESCA进行比较,在管道弯头设计中曾有屈服压力被低估11%的实际案例。
尖端技术
尖端
与von Mises的屈服预测差异
Tresca准则与von Mises准则相比,在纯剪切状态下给出τy=σy/2,比von Mises的τy=σy/√3小约15.5%。在等双轴拉伸(σ₁=σ₂)时两者一致。在纯剪切试验中,von Mises通常更接近实验值,Tresca则给出更保守(安全侧)的预测。
Tresca降伏条件常见问题与调试
故障
角点处收敛不良的对策
在FEM中求解Tresca模型时,主应力几乎相等的状态(Lode