Antiplane axisymmetric elastic-plastic shear in an isotropic hardening material

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The paper presents an analytical solution to the problem of axisymmetric antiplane shear. The deformable material is enclosed between two cylindrical surfaces, one of which is fixed, and the other moves along the generatrix. This problem models a shear-off testing scheme. We use a geometrically nonlinear formulation of the elastic-plastic problem, taking the multiplicative decomposition of the deformation gradient tensor into elastic and plastic parts. The elastic properties of the specimen are described by the Mooney–Rivlin hyperelastic model. We consider an isotropic hardening material with the hardening law that is an arbitrary monotonic function of the accumulated plastic strain. The Tresca yield condition is utilized. The original nonlinear coupled system of partial differential equations is reduced to ordinary linear differential equations, the solution of which requires the calculation of definite integrals. The resulting solution includes deformation in the elastic range, the initiation of plastic flow, propagation of the plastic deformation region, and subsequent intensive plastic flow. The solution is illustrated with examples of materials with linear hardening, quadratic hardening, and Voce-type hardening with saturation. For these examples, ''force – displacement'' relationships, the distribution of accumulated plastic strain over the sample cross-section, and data on the distortion of material fibers, which were located in the radial direction before deformation, are
presented.

About the authors

Georgiy M. Sevastyanov

Institute of Machinery and Metallurgy, Khabarovsk Federal Research Center, Far-East Branch of RAS

Author for correspondence.
Email: akela.86@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4755-5305
SPIN-code: 9223-1950
Scopus Author ID: 56803833800
ResearcherId: M-8548-2016
https://www.mathnet.ru/person59678

Cand. Phys. & Math. Sci.; Leading Researcher; Lab. of Mechanics of Materials and Structures

Russian Federation, 681005, Komsomolsk-on-Amur, Metallurgov st., 1

References

  1. Shutov A. V., Kaygorodtseva A. A. Sample shapes for reliable parameter identification in elasto-plasticity, Acta Mech., 2020, vol. 231, pp. 4761–4780. DOI: https://doi.org/10.1007/s00707-020-02758-9.
  2. Arutyunyan N. Kh., Radayev Yu. N. Elastoplastic torsion of a cylindrical rod for finite deformations, J. Appl. Math. Mech., 1989, vol. 53, no. 6, pp. 804–811. DOI: https://doi.org/10.1016/0021-8928(89)90090-7.
  3. Sevastyanov G. M., Burenin A. A. Finite strain upon elastic-plastic torsion of an incompressible circular cylinder, Dokl. Phys., 2018, vol. 63, pp. 393–395. EDN: NFBQYY. DOI: https://doi.org/10.1134/S1028335818090094.
  4. Sevastyanov G. M., Bormotin K. S. Finite-strain elastic-plastic torsion: Analytical and FEM modeling for nonmonotonically hardening polymers, PNRPU Mechanics Bulletin, 2023, no. 3, pp. 124–136. EDN: WQVCPT. DOI: https://doi.org/10.15593/perm.mech/2023.3.11.
  5. Sevastyanov G. M. Finite-strain elastic-plastic torsion: Comparison of von Mises and Tresca materials, Materials Physics and Mechanics, 2023, vol. 51, no. 2, pp. 140–150. EDN: KEMBBZ. DOI: https://doi.org/10.18149/MPM.5122023_13.
  6. Xue Z., Pontin M. G., Zok F. W., Hutchinson J. W. Calibration procedures for a computational model of ductile fracture, Eng. Fract. Mech., 2010, vol. 77, no. 3, pp. 492–509. DOI: https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2009.10.007.
  7. Tvergaard V., Hutchinson J. W. Numerical simulation of cropping, J. Appl. Mech., 2014, vol. 81, no. 7, 071002. DOI: https://doi.org/10.1115/1.4026891.
  8. Aleksandrov S. E., Goldstein R. V. Motion of a rigid bar in a rigid-viscoplastic medium: The influence of the model type on the solution behavior, Mech. Solids, 2015, vol. 50, no. 4, pp. 389–396. EDN: UZWWOB. DOI: https://doi.org/10.3103/S0025654415040044.
  9. Alexandrov S., Date P. An alternative interpretation of axial friction test results for viscoplastic materials, Mech. Time-Depend. Mater., 2018, vol. 22, pp. 259–271. EDN: VBBPGU. DOI: https://doi.org/10.1007/s11043-017-9372-x.
  10. Burenin A. A., Kovtanyuk L. V., Mazelis A. L. Development of a rectilinear axisymmetric viscoplastic flow and elastic aftereffect after its stop, J. Appl. Mech. Tech. Phys., 2010, vol. 51, no. 2, pp. 261–268. EDN: MXCWLJ. DOI: https://doi.org/10.1007/s10808-010-0036-8.
  11. Liu I. S. A note on the Mooney–Rivlin material model, Continuum Mech. Thermodyn., 2012, vol. 24, pp. 583–590. DOI: https://doi.org/10.1007/s00161-011-0197-6.
  12. Kellermann D. C., Attard M. M. An invariant-free formulation of neo-Hookean hyperelasticity, ZAMM, 2016, vol. 96, no. 2, pp. 233–252. DOI: https://doi.org/10.1002/zamm.201400210.
  13. Korobeynikov S. N. Families of Hooke-like isotropic hyperelastic material models and their rate formulations, Arch. Appl. Mech., 2023, vol. 93, pp. 3863–3893. EDN: GMCDFC. DOI: https://doi.org/10.1007/s00419-023-02466-5.
  14. Lee E. H. Elastic-plastic deformation at finite strains, J. Appl. Mech., 1969, vol. 36, no. 1, pp. 1–6. DOI: https://doi.org/10.1115/1.3564580.
  15. Levitas V. I. Large deformation of materials with complex rheological properties at normal and high pressure. New York, Nova Science Publ., 1996.
  16. Feng B., Levitas V. I., Hemley R. J. Large elastoplasticity under static megabar pressures: Formulation and application to compression of samples in diamond anvil cells, Int. J. Plasticity, 2016, vol. 84, pp. 33–57. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2016.04.017.
  17. Rogovoi A. A. Formalizovannyi podkhod k postroeniiu modelei mekhaniki deformiruemogo tverdogo tela. Chast' II [Formalized Approach to Constructing Models of the Mechanics of a Deformable Solid. Part II]. Moscow; Izhevsk, Izhevskii Institut Komp’iuternykh Issledovanii, 2023, 318 pp. (In Russian)
  18. Sevastyanov G. M., Begun A. S., Burenin A. A. Finite-strain elastic-plastic circular shear in materials with isotropic hardening, Prikl. Mat. Mekh., 2024, vol. 88, no. 2, pp. 313–340 (In Russian). EDN: XUAKYF. DOI: https://doi.org/10.31857/S0032823524020108.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Figure 1. Realization of antiplane axisymmetric shear (the region of sample deformation is highlighted in gray; the equipment is shaded)

Download (171KB)
3. Figure 2. Types of hardening functions

Download (113KB)
4. Figure 3. Dependence of the applied load on the punch displacement. The asterisks mark the moment of complete transition of the sample to the plastic state. The rightmost point of each graph corresponds to the value of accumulated plastic strain on the inner surface of the sample equal to 1. The linear section of each graph corresponds to purely elastic deformation

Download (111KB)
5. Figure 4. Distribution of plastic strain over the sample cross-section for three hardening functions: solid lines — at the moment of complete transition of the sample to the plastic state, dashed lines — at the moment when the amount of accumulated plastic strain on the inner surface of the sample reaches a value of 1

Download (196KB)
6. Figure 5. Distortion of the material fibers that were initially located in the radial direction (dimensionless axial displacement $w(r/R_0)/R_0$): solid lines — at the moment of complete transition of the sample to the plastic state, dashed lines – at the moment when the amount of accumulated plastic strain on the inner surface of the sample reaches a value of 1

Download (197KB)

Copyright (c) 2024 Authors; Samara State Technical University (Compilation, Design, and Layout)

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».