应变圆(莫尔应变圆)的绘制与解读

在固体力学中,应变圆(亦称莫尔应变圆)是将平面应变状态可视化的强有力工具。通过在同一坐标系中绘制正应变与剪切应变的关系,能够直观地读取任意方向的正、横、剪切应变分量,从而为材料的变形分析、结构设计以及实验结果的校核提供便利。

  • 平面应变状态
    对于二维平面((x)–(y))内的应变,常用张量 (\boldsymbol{\varepsilon}) 表示
    [
    \boldsymbol{\varepsilon}=
    \begin{bmatrix}
    \varepsilon_{x} & \gamma_{xy}/2\[4pt]
    \gamma_{xy}/2 & \varepsilon_{y}
    \end{bmatrix}
    ]
    其中 (\varepsilon_{x},\varepsilon_{y}) 为正应变,(\gamma_{xy}) 为工程剪切应变。

  • 应变分解
    任意方向 (\theta)(相对于 (x) 轴)上的正应变 (\varepsilon_{n}) 与剪切应变 (\gamma_{n}) 可由下式得到
    [
    \begin{aligned}
    \varepsilon_{n}&=\frac{\varepsilon_{x}+\varepsilon_{y}}{2}
    +\frac{\varepsilon_{x}-\varepsilon_{y}}{2}\cos2\theta
    +\frac{\gamma_{xy}}{2}\sin2\theta,\[4pt]
    \gamma_{n}&=-(\varepsilon_{x}-\varepsilon_{y})\sin2\theta
    +\gamma_{xy}\cos2\theta .
    \end{aligned}
    ]

  • 莫尔圆的几何意义
    将 (\varepsilon_{x}) 与 (\varepsilon_{y}) 作为横坐标,(\gamma_{xy}/2) 作为纵坐标绘制点 (A(\varepsilon_{x},\gamma_{xy}/2)) 与点 (B(\varepsilon_{y},-\gamma_{xy}/2))。这两点的连线的中点为圆心 (C),半径为
    [
    R=\sqrt{\left(\frac{\varepsilon_{x}-\varepsilon_{y}}{2}\right)^{2}
    +\left(\frac{\gamma_{xy}}{2}\right)^{2}} .
    ]
    圆上任意点对应的坐标 ((\varepsilon_{n},\gamma_{n}/2)) 正好满足上述分解公式,故圆即为所有方向应变的轨迹。

2. 绘制莫尔应变圆的步骤

  1. 准备已知应变数据

    • 正应变 (\varepsilon_{x},\varepsilon_{y})(单位可为 (\mu\varepsilon) 或无量纲)
    • 工程剪切应变 (\gamma_{xy})
  2. 计算圆心坐标
    [
    \varepsilon_{c}= \frac{\varepsilon_{x}+\varepsilon_{y}}{2},\qquad
    \gamma_{c}=0 .
    ]

  3. 求半径
    [
    R=\sqrt{\left(\frac{\varepsilon_{x}-\varepsilon_{y}}{2}\right)^{2}
    +\left(\frac{\gamma_{xy}}{2}\right)^{2}} .
    ]

  4. 在 ((\varepsilon,\gamma/2)) 坐标系中作图

    • 横轴:正应变 (\varepsilon)
    • 纵轴:剪切应变的二分之一 (\gamma/2)
    • 标记点 (A(\varepsilon_{x},\gamma_{xy}/2)) 与点 (B(\varepsilon_{y},-\gamma_{xy}/2))
    • 以 (C(\varepsilon_{c},0)) 为圆心,半径 (R) 画圆。
  5. 读取任意方向的应变

    • 取角度 (\theta),在圆上作与横轴正向夹角为 (2\theta) 的射线。
    • 该射线与圆的交点坐标即为 ((\varepsilon_{n},\gamma_{n}/2))。
    • 正应变 (\varepsilon_{n}) 为横坐标,剪切应变 (\gamma_{n}=2\times)纵坐标。

3. 示例:已知应变状态的圆图绘制

已知材料在平面内的应变为
[
\varepsilon_{x}=1200\ \mu\varepsilon,\qquad
\varepsilon_{y}=400\ \mu\varepsilon,\qquad
\gamma_{xy}=800\ \mu\varepsilon .
]

  1. 圆心
    [
    \varepsilon_{c}= \frac{1200+400}{2}=800\ \mu\varepsilon .
    ]

  2. 半径
    [
    R=\sqrt{\left(\frac{1200-400}{2}\right)^{2}
    +\left(\frac{800}{2}\right)^{2}}
    =\sqrt{(400)^{2}+ (400)^{2}}=566.0\ \mu\varepsilon .
    ]

  3. 作图(略图)

    • 点 (A(1200,400))(因为 (\gamma_{xy}/2=400))
    • 点 (B(400,-400))
    • 圆心 (C(800,0)),半径 566。
  4. 读取 (\theta=30^{\circ}) 方向的应变

    • 在圆上作与横轴正向夹角 (2\theta=60^{\circ}) 的射线。
    • 交点坐标约为 ((\varepsilon_{n}=950,\ \gamma_{n}/2=260))。
    • 因此 (\varepsilon_{n}=950\ \mu\varepsilon,\ \gamma_{n}=520\ \mu\varepsilon)。

此过程可通过 Excel、MATLAB 或 Python(Matplotlib)快速实现,便于批量处理实验数据。

4. 常见误区与注意事项

  • 剪切应变的取值
    在莫尔圆中使用的是 (\gamma/2) 作为纵坐标,若直接使用 (\gamma) 会导致圆半径错误两倍。

  • 角度对应关系
    圆上射线的夹角为 (2\theta),而非 (\theta)。忽略这一点会使读取的方向应变产生相位误差。

  • 平面应变假设
    应变圆仅适用于平面应变或平面应力状态。若存在显著的 (z) 方向应变,需要采用三维应变椭圆或其他方法。

  • 符号约定
    工程剪切应变 (\gamma_{xy}) 与张量剪切应变 (\varepsilon_{xy}) 的关系为 (\gamma_{xy}=2\varepsilon_{xy})。在公式推导和绘图时保持一致的符号体系。

5. 小结

莫尔应变圆通过几何方式把二维应变状态浓缩为一个圆形图形,使得:

  • 任意方向的正、剪切应变可在同一图中快速读取;
  • 正应变的极值(最大、最小)对应圆的最左、最右端点;
  • 主应变方向(即正应变极值方向)与圆心连线垂直,便于辨识材料的主轴。

掌握圆的推导、绘制与解读步骤后,工程师能够在实验数据分析、有限元后处理以及结构安全评估中更加高效、准确地使用应变圆这一经典工具。