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固体热膨胀在本构方程上的表现

已有 6062 次阅读 2015-6-18 12:01 |个人分类:生活点滴|系统分类:科研笔记

 

      连续介质力学有一个历史性的瓶颈问题:弹性体的本构方程。应力为零则应变为零;反之,应变为零则应力为零。

      1950-60期间,学者们问的是:塑性。在应力为零时,应变并不为零,这种塑性应变与变形历史有关。如何表现这类变形?引入增量变形:对重新加载,增量变形还是弹性形式的,从而增量变形的本构关系与变形历史无关。

理论上,如果要采用与变形历史无关的弹性理论来表征有塑性变形的介质,则被研究的介质就是一般意义上的已变形介质。

这就有问题了:初始变形是任意的,如果在本构方程中:把初始应变放进来,如何定义初始应力?

一个方案是:初始应变与初始应力的物性参数和当前的参数一样,其哲理基础是物质的客观不变性。其复杂性在于:以有初始变形的变形后任意位形为参考来定义增量应变。理性力学属于这条理论路线。其数学形式只能使张量或流形变换类的抽象数学。

另一个方案是:初始应变与初始应力的本构关系为塑性方程;增量应变与应力为弹性本构方程。把变形力学的本构方程分解为两块的合成。这是教科书上标准的理论,也是工程上最为广泛的采用的理论。但是,其理论缺点在于:应变概念的不协调,从而后期的发展是:弹性变形张量与塑性变形张量的乘积分解。

无论是那个方案,面对的问题是:应力平衡方程不足于在确定当前增量变形的同时也确定初始变形。从而,就必须建立一组附加的方程:初始变形与当前变形的关系方程。

塑性力学的办法是:用变形总应变的迹(客观不变量)来引入塑性应变,从而引入偏应变、偏应力作为塑性部分,剩下的就是弹性应变(应力)。但是,理论上难于证明其合理性,只能看成是近似。它把问题在形式上化为先求解总变形,尔后分解为塑性的和弹性的。理论上问题就来了:如何把一个变形分解为可逆部分的和不可逆部分的?

那就求助于热力学!这样,那个时代的呼声就是:把变形力学建立在热力学基础之上。

第一下这条路线就蒙了:热膨胀!把热应变定义为温度增量的线性函数,那么热应力呢?形式定义是可以的,但是难于有本质定义。只要把温度变化考虑进来,就只有两条看来可行的路:1)令物性参数为温度的函数,其缺陷是:热膨胀不支持。因为,即便应力为零,热应变也是温度增量的线性函数,你无法把这个项放到弹性参数里。

2)引入热应力,重新定义应变;那这个应变就包含两个部分:微结构变形(热运动)产生的宏观应变(与变形路径有关);宏观形态变现出的位移性应变(与具体变形路径无关)。这条路线就是理性力学的路线。物性参数是参考温度的函数,但不是增量温度的函数。

     




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