Elastic-plastic analysis of rotating solid shaft by maximumreduced stress yield criterion

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

An elasto-plastic rotating solid cylinder under plane strain condition is investigated. The analysis is based on infinitesimal strain theory, maximum reduced stress yield criterion, its associated flow rule and perfectly plastic material behavior. It is assumed that angular velocity is monotonically increasing from 0 to the maximum value and then is monotonically reducing down to 0. In this investigation both loading and unloading phases are considered. It is assumed that angular velocity varies slowly with time, so angular acceleration can be neglected. Under above mentioned assumptions, there is only one non-trivial equilibrium equation in a cylinder. It is established that with increasing angular velocity four plastic regions appear in a cylinder. The last one forms at angular velocity which exceeds fully-plastic limit. Stresses image points of plastic regions lie on different sides and corners of yield surface. As the angular speed decreases, the whole cylinder behaves elastically again. At particular value of angular velocity secondary plastic flow may starts at the center of cylinder. Replasticization is possible only for sufficiently high maximum angular speed and the entire cylinder may be replasticized. Four secondary plastic regions may appear in the cylinder under unloading. The stresses image points in primary and secondary regions lie on opposite sides and corners of yield surface. In the present analysis it is assumed that the entire cylinder becomes replasticized just at stand-still. In this case only two secondary plastic regions emerge. Exact solutions for all stages of deformation are obtained. The systems of algebraic equations for determination of integration constants and border radii are formulated. The obtained results are illustrated by the distributions of stresses and plastic strains in the cylinder rotating at different speeds. Presented solutions are compared with known analytical solutions based on Tresca's criterion.

About the authors

Aleksandr Nikolaevich Prokudin

Institute of Metallurgy and Mechanical Engineering Far-Eastern Branch of RAS

Email: sunbeam_85@mail.ru
Candidate of technical sciences, Head Scientist Researcher

References

  1. Sadd M. H., Elasticity: Theory, Applications, and Numerics, Elsevier, Academic Press, Amsterdam, New York, 2014
  2. Timoshenko S., Theory of Elasticity, McGraw Hill, New York, 2010
  3. Nadai A., Theory of Flow and Fracture of Solids, v. 1, McGraw Hill, New York, 1950
  4. Hodge P. G., Balaban M., "Elastic—plastic analysis of a rotating cylinder", Int J. Mech. Sci., 4:6 (1962), 465-476
  5. Gamer U., "On the applicability of Tresca's yield condition to the rotating solid shaft", Rev. Roum. Sci. Techn.-Mec. Appl., 29:1 (1984), 27-30
  6. Gamer U., Sayir M., "Elastic-plastic stress distribution in a rotating solid shaft", Z. angew. Math. Phys., 35:5 (1984), 601-617
  7. Gamer U., Mack M., Varga I., "Rotating elastic-plastic solid shaft with fixed ends", Int. J. Eng. Sci., 35:3 (1997), 253-267
  8. Lindner T., Mack W., "Residual stresses in an elastic-plastic solid shaft with fixed ends after previous rotation", Z. angew. Math. Mech., 78:2 (1998), 75-86
  9. Mack W., "The rotating elastic-plastic solid shaft with free ends", Tech. Mech., 12:2 (1991), 119-124
  10. Gamer U., Lance R. H., "Stress distribution in a rotating elastic-plastic tube", Acta Mechanica, 50 (1983), 1-8
  11. Mack W., "Rotating elastic-plastic tube with free ends", Int. J. Solids Str., 27:11 (1991), 1461-1476
  12. Eraslan A. N., "On the linearly hardening rotating solid shaft", Eur. J. Mech.-A/Solids, 22:2 (2003), 295-307
  13. Eraslan A. N., "Von Mises' yield criterion and nonlinearly hardening rotating shafts", Acta Mechanica, 168 (2004), 129-144
  14. Eraslan A. N. and T. Akis, "On the plane strain and plane stress solutions of functionally graded rotating solid shaft and solid disk problems", Acta Mechanica, 181 (2006), 43-63
  15. Akis T., Eraslan A. N., "Exact solution of rotating FGM shaft problem in the elastoplastic state of stress", Arch. Appl. Mech., 77 (2007), 745-765
  16. Argeso H., Eraslan A. N., "A computational study on functionally graded rotating solid shafts", Int. J. Comput. Methods Eng. Sci. Mech., 8:6 (2007), 391-399
  17. Eraslan A. N., Arslan E., "Plane strain analytical solutions to rotating partially plastic graded hollow shafts", Turkish J. Eng. Env. Sci., 31:5 (2007), 273-287
  18. Nejad M.Z., Fatehi P., "Exact elasto-plastic analysis of rotating thick-walled cylindrical pressure vessels made of functionally graded materials", Int. J. Eng. Sci., 86 (2015), 26-43
  19. Schmidt R., "Über den Zusammenhang von Spannungen und Formänderungen im Verfestigungsgebiet", Ing. Arch., 3 (1932), 215-235
  20. Ишлинский А. Ю., "Гипотеза прочности формоизменения", Ученые записки МГУ. Механика, 1940, № 46, 117-124
  21. Hill R., "On the inhomogeneous deformation of a plastic lamina in a compression test", Phil. Mag, Ser. 7, 41:319 (1950), 733-744
  22. Ivlev D. D., "On the development of a theory of ideal plasticity", J. Appl. Math. Mech., 22:6 (1958), 1221-1230
  23. Ишлинский А. Ю., Ивлев Д. Д., Математическая теория пластичности, Физматлит, М., 2003, 704 с.
  24. Буренин А. А., Ткачева А. В., Щербатюк Г. А., "К расчету неустановившихся температурных напряжений в упругопластических телах", Вычислительная механика сплошных сред, 10:3 (2017), 245-259
  25. Буренин А. А., Ткачева А. В., Щербатюк Г. А., "К использованию кусочно-линейных пластических потенциалов в нестационарной теории температурных напряжений", Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 22:1 (2018), 23-39
  26. Буренин А. А., Каинг М., Ткачева А. В., "К расчету плоских напряженных состояний в теории неустановившихся температурных напряжений в упругопластических телах", Дальневост. матем. журн., 18:2 (2018), 131-146
  27. Cai Q., Pang M., Zhang Y.-Q., Liu X., "Elastic-plastic stress distribution of rotating annular disc based on twin-shear stress yield criterion", J. Zhejiang Univ., Eng. Sci., 42:9 (2008), 1540-1544
  28. Zhao D.-W., Xie Y.-J., Liu X.-H., Wang G.-D., "Three-dimensional analysis of rolling by twin shear stress yield criterion", J. Iron Steel Res. Int., 13 (2006), 21-26
  29. Zhu X., Pang M., Zhang Y., "Estimation of burst pressure of pipeline using twin-shear stress yield criterion", Chinese J. Appl. Mech., 28:2 (2011), 135-138

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2020 Samara State Technical University

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».