wulihang的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/wulihang

博文

为何受力物体中会出现应力集中现象?

已有 8867 次阅读 2014-10-26 03:47 |系统分类:科研笔记|关键词:学者

  为何受力物体中会出现应力集中现象?进而线弹性断裂力学可以得到应力强度因子K呢?大概有人会认为这是力学的自然结论,它就像人长有五官一样的是个常识。没有想到幕后的主宰其实是看似与力学极不相干的热力学中的第二定律在起着支配作用。我们知道,力学范畴中的能量规律是能量守恒定律,也就是热力学中的第一定律,这里看似没有热力学第二定律什么事。

  其实,如果仅仅按照能量守恒定律的要求,对于几何形状具有突变、甚或体内含有孔洞或尖锐裂纹的受力物体,其中的弹性应力分布无论是集中于突变处还是在整个构件中均匀分布都是不违背能量守恒定律要求的。那么为何实际上应力要采取“集中”的方式分布呢?光是能量守恒定律是给不出回答的。

  当然,弹性力学本身是可以求解出应力集中的情况的,但对于解释“为何会有应力集中现象”的理论性仍显不足。实际上力学讨论的对象物体都只能是所谓的热力学系统,都必然受到热力学第二定律的支配。对于一个含裂纹的受力物体,在热力学看来就是一个开放系统的等温问题,自由能处于极小值是它的稳定态要求,即弹性变形能取极小值是构件的稳定平衡态。我们知道,热力学第二定律表述了一个热力学系统中有序与无序的对立统一。看看自由能的表达式

G=H-TS

  在受力构件的情形下,U代表了弹性应变能,是有序的表征;TS代表了由熵决定的无序程度。在忽略掉弹性变形过程中的过程热效应的情况下,也就是说,在构件受力变形后,环境输入给构件的总的变形能一部分成为了构件中的应变能,另一部分成为了由于微观结构的变形引起的熵改变(相应的能量占有份额是熵改变量与温度的乘积 TΔS)。由于不受力物体的微观结构是自然处于对称性最高的状态,也就是说是熵值最大的状态。受力发生某方向上的弹性变形意味着微观结构构型的对称性降低、有序性升高,熵值也随之减小。所以说,物体发生弹性变形是一个系统自由能上升的状态。由于热力学第二定律的要求,系统会尽量将较高的自由能值集中分布在一个体积分数尽可能小的范围内,从而保障整个物体中的总自由能值保持在一个较低的数值,自由能的集中就是应力集中的原因。

  所以说,在满足能量守恒定律的各种应力分布模式中,热力学第二定律决定了唯一合理的"应力集中"的分布模式。可见,即使是所谓的纯弹性力学问题,热力学也都在其中扮演了主导的角色。没有热力学第二定律就没有应力集中现象,也就没有应力强度因子K!

   




http://blog.sciencenet.cn/blog-1252987-838576.html

上一篇:相对论长度缩短效应的真实性
下一篇:关于定域子体系(弹性固体)中的统计熵问题

2 陈昌晔 余皓

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (11 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2020-6-3 15:40

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部