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  • 弹性力学的矩阵形式和张量形式
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    2019-03-13 21:31:39

    张量:指的是一种表现的形式。如零阶张量是标量,一阶张量为矢量,二阶张量为矩阵的形式。

    张量是一种“动态”的表现形式,任何秩-2的张量都可以表现为矩阵的形式,但是所有的矩阵不一定都是秩-2的张量。

    在弹性力学中矩阵的张量是以笛卡尔坐标为主,坐标取值都是统一的变量,其他代换形式弹性常数都以拉梅常数为主

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  • 力学专业程序实践:用MATLAB解决力学问题的方法与实例出版时间:...下篇以项目的方式介绍了用MATLAB解决理论力学、弹性力学、计算力学以及实验力学等学科典型问题的方法、思路以及实例。《力学专业程序实践:用MATL...

    力学专业程序实践:用MATLAB解决力学问题的方法与实例

    出版时间:2013年版

    内容简介

    《力学专业程序实践:用MATLAB解决力学问题的方法与实例》分为上下两篇,上篇针对力学数据处理的特点介绍了MATLAB最核心的内容,包括MAT-LAB编程、计算和绘图;下篇以项目的方式介绍了用MATLAB解决理论力学、弹性力学、计算力学以及实验力学等学科典型问题的方法、思路以及实例。《力学专业程序实践:用MATLAB解决力学问题的方法与实例》可作为高等院校力学专业或航空航天、机械类专业本科生和研究生的参考教材,亦可为相关专业的教师和研究人员提供参考。

    目录

    上篇 MATLAB使用初步

    第1章 MATLAB简介

    1.1 MATLAB的功能

    1.1.1 “laIlguage”——MATLAB是一种语言

    1.1.2 “computing”——MATLAB可以用来计算

    1.1.3 “visualization”——MATLAB是数据可视化工具

    1.2 MATLAB的体系

    1.2.1 MATLAB主体部分

    1.2.2 MATLAB工具箱

    1.3 MATLAB的特点

    1.3.1 MATLAB的优势

    1.3.2 MATLAB的劣势

    第2章 MATLAB快速入门

    2.1 Help yOurself

    2.1.1 Help浏览器

    2.1“2 Help命令

    2.2 MATLAB操作简述

    2.2.1 MATLAB界面

    2.2.2 MATLAB Editor

    第3章 MATLAB编程

    3.1 数据的表述

    3.1.1 数据类型

    3.1.2 数据结构

    3.2 基本程序结构语法

    3.2.1 程序构成

    3.2.2 选择结构和循环结构的语法

    3.3 I/O方法

    3.3.1 命令窗口区的输入和输出

    3.3.2 MATLAB变量的输入/输出

    3.3.3 文本文件的读写

    3.3.4 二进制文件的读写

    3.3.5 图像文件的读写

    第4章 MATLAB计算

    4.1 线性代数

    4.1.1 矩阵的基本运算

    4.1.2 矩阵的特征参数

    4.1.3 矩阵的分解及线性方程组求解

    4.2 多项式及插值

    4.2.1 多项式表示及运算

    4.2.2 插值

    4.3 数据分析及统计

    4.3.1 基本数据统计

    4.3.2 Fouriero分析

    4.4 微积分

    第5章 MATIAB绘图

    5.1 二维数据

    5.1.1 plot详解

    5.1.2 实际操作中的一些重要问题

    5.1.3 二维数据的其他方式表示

    5.2 三维数据

    5.2.1 三维曲面

    5.2.2 二维等值线

    5.3 四维数据

    5.3.1 简单四维数据

    5.3.2 切片

    5.3.3 等势线与等势面

    5.4 多维数据

    5.5 MATLAB绘图细节

    5.5.1 图形说明

    5.5.2 颜色问题

    5.5.3 句柄图形——啦制绘图的每一个细节

    5.6 MATLAB图形的输出

    5.6.1 输出方式

    5.6.2 要注意的几个问题

    第6章 图形用户界面

    6.1 GUI初步

    6.1.1 初识GUI编程

    6.1.2 GuI编程要素——控件、消息与回调函数

    6.2 GUI编程实例

    6.2.1 问题描述

    6.2.2 实现过程

    6.2.3 功能增强

    下篇 典型力学问题程序实践

    第7章 求解傅科摆的运动轨迹

    7.1 傅科摆的动力学方程

    7.2 dsolve求解常微分方程

    第8章 求解滑动摆系统的运动形式

    8.1 滑动摆的动力学方程

    8.2 用ode45求解常微分方程

    第9章 可视化一个弹性力学的解析解

    9.1 对径受压圆盘的应力分布

    9.2 应力分布的可视化过程

    9.2.1 数据矩阵的生成

    9.2.2 绘图中的细节考虑

    9.2.3 可视化结果

    9.3 动画显示加载过程的应力变化

    9.3.1 动画制作的基本概念

    9.3.2 两种生成frame的方式

    9.3.3 对径受压圆盘加载过程的动画显示

    第10章 编写一个简单的有限元程序

    10.1 用有限元求解问题的思路和步骤

    10.1.1 总体思路

    10.1.2 求解步骤

    10.2 用MATLAB编写简单有限元程序

    10.2.1 流程

    10.2.2 算例实现

    第11章 用PDE Toolbox进行有限元计算

    11.1 偏微分方程的基本概念

    11.1.1 三类偏微分方程

    11.1.2 偏微分方程的三种边界条件

    11.2 PDE Toolbox求解的基本过程

    11.2.1 窗口操作界面简介

    11.2.2 求解的基本步骤

    11.3 实例——用PDE Toolbox求解平面应力问题

    11.3.1 受均布载荷的悬臂梁问题

    11.3.2 含中心圆孔矩形板的拉伸问题

    11.4 PDE Toolbox应用深入

    11.4.1 复杂边界条件的设置和复杂载荷的施加

    11.4.2 数据结果的输出与保存

    第12章 后处理Abaqus的计算结果

    12.1 商业有限元软件结果后处理的必要性

    12.2 Abaqus计算结果的后处理

    12.2.1 问题描述

    12.2.2 操作过程

    第13章 处理和绘制拉伸实验的数据

    13.1 拉伸实验数据处理概述

    13.2 低碳钢拉伸实验数据处理及绘制

    13.2.1 目标及要求

    13.2.2 具体实现过程

    第14章 实现一个光学引伸计

    14.1 光学引伸计

    14.1.1 引伸计及光学引伸计

    14.1.2 光学引伸计的实现流程

    14.2 图像采集的实现

    14.2.1 MATI.AB图像采集工具箱

    14.2.2 用MAI、LAB采集实验图像——实例

    14.3 含标记点图像的处理

    14.3.1 处理图像得到应变数据

    14.3.2 实际测量中需要考虑的一些细节

    14.4 光学引伸计实例

    14.4.1 数据后处理光学引伸计

    14.4.2 实时测量光学引伸计

    14.5 光学引伸计测量实例

    14.5.1 实验布置与实验仪器

    14.5.2 数据处理与分析

    参考文献

    展开全文
  • 摘要: 对于高分子材料的仿真,业界一般使用经典的弹塑性本构模型来描述其应力应变关系, 但其真实的应力应变关系与经典的弹塑性本构模型存在一定差异,从而导致仿真与实际测试之间的差异.Abaqus提供UMAT/VUMAT子...

    摘要: 对于高分子材料的仿真,业界一般使用经典的弹塑性本构模型来描述其应力应变关系, 但其真实的应力应变关系与经典的弹塑性本构模型存在一定差异,从而导致仿真与实际测试之间的差异.Abaqus提供UMAT/VUMAT子程序接口,让用户可以自己构建新的材料本构模型.通过撰写新的材料本构子程序实现高分子材料应力应变关系在仿真中的准确描述,减少仿真与测试之间的差异.同时,在卸载段可以通过卸载标志符的选择定义不同的卸载路径,方便用户使用.

    关键词: 高分子材料; 本构关系; Abaqus; UMAT; VUMAT

    中图分类号: TB324; TB115.1文献标志码: B

    引言

    高分子材料在日常生活中有着广泛的应用,因此其不可避免地出现在仿真分析中.当前没有一种商业软件具有适合高分子材料的材料本构模型.Abaqus是一款优秀的商业软件,其提供的子程序接口UMAT/VUMAT允许用户根据使用需求自定义材料本构.[1]使用该方法,可有效解决在仿真中由于材料本构不适用而导致的仿真与实际测试差异过大的问题.

    1高分子材料本构一般描述方法

    业界通常使用弹塑性本构定义高分子材料的材料属性.屈服强度一般取材料曲线上第一个峰值点.弹性模量的取法有2种不同的方式:对于应力应变关系曲线有明显直线段的,以第一段直线的斜率作为材料的弹性模量(切线法);对于曲线没有明显直线段的材料,则使用原点与屈服点连成的直线的斜率作为弹性模量(割线法).2种方式与真实应力应变曲线的比较见图1.图 1高分子材料测试材料曲线与仿真曲线比较

    由图1可知,无论使用何种方式,仿真使用的应力应变曲线都与实际材料的应力应变曲线有较大差异.将切线法获得材料数据代入到手机电池盖三点弯曲中进行仿真,见图2,其仿真与测试力位移曲线在最高点的差异约为23%,见图3.

    对于手机等一些电子类产品,高分子材料的仿真非常重要.在跌落或弯折测试中,高分子材料的应力应变关系与弹塑性本构的差异造成仿真预测不准确,必须定义正确的高分子材料本构.

    2Abaqus VUMAT子程序

    Abaqus提供丰富的材料本构模型库,能够满足绝大多数仿真材料模型的需要;同时,还提供UMAT/VUMAT子程序接口,让用户可以用FORTRAN语言编程,自己定义需要的材料本构模型,对Abaqus材料库中没有包含的材料进行计算.几乎可以把用户材料属性赋予Abaqus中的任何单元,其中UMAT用在隐式仿真计算中,VUMAT用在显式仿真计算中.由于隐式计算与显式计算的差别,导致UMAT与VUMAT也有一定的差异,但是经过简单的改写即可完成它们之间的转换.

    本文使用准静态仿真分析方法,属于显式求解,所以只介绍VUMAT.

    3高分子材料VUMAT本构介绍

    由图1可知,高分子材料的本构与弹塑性本构最大的差异在于弹性段是直线还是曲线.弹性段的路径也直接影响到卸载的路径.因此,对高分子材料本构的定义关键在于非线性弹性段的实现,即要根据当前的应力值实时获取下一增量步所用的弹性模量值.程序整体流程见图4.

    图 4程序整体流程

    3.1弹性段多段线性的实现

    在弹性段,程序根据弹性模量和泊松比计算应力增量.由于弹性段为非线性,需要根据应力或应变更新用于计算的弹性模量值,直至达到屈服点,因此需要在输入文件中输入材料真实应力应变曲线,通过查表计算的函数,根据当前应力σ所在的位置,计算当前的弹性模量.应力应变曲线输入时,输入格式为:

    用查表的方法,直到σn

    3.2卸载路径的选择

    屈服发生后,需要选择弹性模量参与相关计算,有2个作用:一是用来计算屈服后加载段的应力试探值(不对该增量步真实应力产生影响,只起对比判断的作用);二是用来作为屈服后卸载的路径(为实现不同卸载路径,在程序中设置一个flag位,其值由用户自己输入),用户可以根据实际的需要选择卸载的路径.如图4中,共设置3种卸载路径:沿切线卸载、沿割线卸载以及沿曲线卸载等.用户也可以根据需要增加其他的卸载方式.

    4子程序的验证

    为验证子程序是否能实现设计的功能,取一个1/8的网格模型进行单轴拉伸仿真,单元类型为C3D8R.输出其应力应变曲线,与材料真实应力应变曲线比较,见图5.

    图 5使用VUMAT后加载应力应变曲线与材料曲线对比

    使用VUMAT后,加载的应力应变曲线与材料测试得到的真实应力应变曲线完全重合,说明VUMAT可以完全反映材料在加载过程中的力学行为.在卸载过程中,分别实现沿弹性段的切线、割线以及曲线卸载.

    为进一步验证,将VUMAT用于图2所示的手机电池盖三点弯模型中进行仿真与试验对比.在使用弹塑性本构模型时,仿真与测试力位移曲线的最大差异约为23%,而引入使用VUMAT编写的高分子材料本构后,其仿真与测试的差异减少到4.5%,见图6.从实际项目的验证结果看,使用VUMAT后电池盖测试的力位移曲线与仿真的力位移曲线基本重合,仿真与测试的差异也明显减小.将该本构应用于其他高分子材料和实际案例,其仿真精度均明显改善,也说明该子程序在实际工程中的适用性.

    图 6使用VUMAT后电池盖力位移曲线对比

    5结束语

    使用VUMAT子程序后,高分子材料在加载段的力学特性与测试的真实应力应变曲线一致,同时将其应用在工程实际问题上,也与测试曲线基本一致,验证该程序的适用性.由于高分子材料的卸载特性较为复杂,还需进一步研究,所以程序只给出3种方式供用户按照实际需求进行选择.

    参考文献:

    [1]庄茁, 张帆, 岑松, 等. 基于Abaqus的有限元分析和应用[M]. 北京: 清华大学出版社, 2009: 509512.

    展开全文
  • 弹性力学 弹性力学是固体力学的重要分支,它研究弹性物体在外力和其它外界因素作用下产生的变形和内力,也称为弹性理论。它是材料力学、结构力学、塑性力学和某些交叉学科的基础,广泛应用于建筑、机械、化工、航天...

    弹性力学
    弹性力学是固体力学的重要分支,它研究弹性物体在外力和其它外界因素作用下产生的变形和内力,也称为弹性理论。它是材料力学、结构力学、塑性力学和某些交叉学科的基础,广泛应用于建筑、机械、化工、航天等工程领域。

    弹性体是变形体的一种,它的特征为:在外力作用下物体变形,当外力不超过某一限度时,除去外力后物体即恢复原状。绝对弹性体是不存在的。物体在外力除去后的残余变形很小时,一般就把它当作弹性体处理。

    弹性力学的发展简史  人类从很早时就已经知道利用物体的弹性性质了,比如古代弓箭就是利用物体弹性的例子。当时人们还是不自觉的运用弹性原理,而人们有系统、定量地研究弹性力学,是从17世纪开始的。

    弹性力学的发展初期主要是通过实践,尤其是通过实验来探索弹性力学的基本规律。英国的胡克和法国的马略特于1680年分别独立地提出了弹性体的变形和所受外力成正比的定律,后被称为胡克定律。牛顿于1687年确立了力学三定律。

    同时,数学的发展,使得建立弹性力学数学理论的条件已大体具备,从而推动弹性力学进入第二个时期。在这个阶段除实验外,人们还用最粗糙的、不完备的理论来处理一些简单构件的力学问题。这些理论在后来都被指出有或多或少的缺点,有些甚至是完全错误的。  在17世纪末第二个时期开始时,人们主要研究梁的理论。到19世纪20年代法国的纳维和柯西才基本上建立了弹性力学的数学理论。柯西在1822~1828年间发表的一系列论文中,明确地提出了应变、应变分量、应力和应力分量的概念,建立了弹性力学的几何方程、运动(平衡)方程、各向同性以及各向异性材料的广义胡克定律,从而奠定了弹性力学的理论基础,打开了弹性力学向纵深发展的突破口。

    第三个时期是线性各向同性弹性力学大发展的时期。这一时期的主要标志是弹性力学广泛应用于解决工程问题。同时在理论方面建立了许多重要的定理或原理,并提出了许多有效的计算方法。1855~1858年间法国的圣维南发表了关于柱体扭转和弯曲的论文,可以说是第三个时期的开始。在他的论文中,理论结果和实验结果密切吻合,为弹性力学的正确性提供了有力的证据;1881年德国的赫兹解出了两弹性体局部接触时弹性体内的应力分布;1898年德国的基尔施在计算圆孔附近的应力分布时,发现了应力集中。这些成就解释了过去无法解释的实验现象,在提高机械、结构等零件的设计水平方面起了重要作用,使弹性力学得到工程界的重视。在这个时期,弹性力学的一般理论也有很大的发展。一方面建立了各种关于能量的定理(原理)。另一方面发展了许多有效的近似计算、数值计算和其他计算方法,如著名的瑞利-里兹法,为直接求解泛函极值问题开辟了道路,推动了力学、物理、工程中近似计算的蓬勃发展。

    从20世纪20年代起,弹性力学在发展经典理论的同时,广泛地探讨了许多复杂的问题,出现了许多边缘分支:各向异性和非均匀体的理论,非线性板壳理论和非线性弹性力学,考虑温度影响的热弹性力学,研究固体同气体和液体相互作用的气动弹性力学和水弹性理论以及粘弹性理论等。磁弹性和微结构弹性理论也开始建立起来。此外,还建立了弹性力学广义变分原理。这些新领域的发展,丰富了弹性力学的内容,促进了有关工程技术的发展。

    弹性力学的基本内容  弹性力学所依据的基本规律有三个:变形连续规律、应力-应变关系和运动(或平衡)规律,它们有时被称为弹性力学三大基本规律。弹性力学中许多定理、公式和结论等,都可以从三大基本规律推导出来。

    连续变形规律是指弹性力学在考虑物体的变形时,只考虑经过连续变形后仍为连续的物体,如果物体中本来就有裂纹,则只考虑裂纹不扩展的情况。这里主要使用数学中的几何方程和位移边界条件等方面的知识。

    求解一个弹性力学问题,就是设法确定弹性体中各点的位移、应变和应力共15个函数。从理论上讲,只有15个函数全部确定后,问题才算解决。但在各种实际问题中,起主要作用的常常只是其中的几个函数,有时甚至只是物体的某些部位的某几个函数。所以常常用实验和数学相结合的方法,就可求解。

    数学弹性力学的典型问题主要有一般性理论、柱体扭转和弯曲、平面问题、变截面轴扭转,回转体轴对称变形等方面。

    在近代,经典的弹性理论得到了新的发展。例如,把切应力的成对性发展为极性物质弹性力学;把协调方程(保证物体变形后连续,各应变分量必须满足的关系)发展为非协调弹性力学;推广胡克定律,除机械运动本身外,还考虑其他运动形式和各种材科的物理方程称为本构方程。对于弹性体的某一点的本构方程,除考虑该点本身外还要考虑弹性体其他点对该点的影响,发展为非局部弹性力学等。

    弹性力学中的基本假定

    (1)假定物体是连续的,就是假定整个物体的体积都被组成这个物体的介质所填满,不留下任何空隙。

    (2)假定物体是完全弹性的,就是假定物体完全服从胡克定律——应变与引起该应变的那个应力分量成比例。

    (3)假定物体是均匀的,就是整个物体是由同一材料组成的。

    (4)假定物体是各向同性的,就是物体内一点的弹性在所有各个方向都相同。

    (5)假定位移和形变是微小的。

    塑性力学
    塑性力学是固体力学的一个分支,它主要研究物体超过弹性极限后所产生的永久变形和作用力之间的关系以及物体内部应力和应变的分布规律。

    塑性力学和弹性力学的区别在于,塑性力学考虑物体内产生的永久变形,而弹性力学不考虑;和流变学的区别在于,塑性力学考虑的永久变形只与应力和应变的历史有关,而不随时间变化,而流变学考虑的永久变形则与时间有关。

    塑性力学的发展简史 塑性变形现象发现较早,然而对它进行力学研究,是从1773年库仑提出土的屈服条件开始的。特雷斯卡于1864年对金属材料提出了最大剪应力屈服条件。随后圣维南于1870年提出在平面情况下理想刚塑性的应力-应变关系,他假设最大剪应力方向和最大剪应变率方向一致,并解出柱体中发生部分塑性变形的扭转和弯曲问题以及厚壁筒受内压的问题。莱维于1871年将塑性应力-应变关系推广到三维情况。1900年格斯特通过薄管的联合拉伸和内压试验,初步证实最大剪应力屈服条件。

    此后20年内进行了许多类似实验,提出多种屈服条件,其中最有意义的是米泽斯1913年从数学简化的要求出发提出的屈服条件(后称米泽斯条件)。米泽斯还独立地提出和莱维一致的塑性应力-应变关系(后称为莱维-米泽斯本构关系)。泰勒于1913年,洛德于1926年为探索应力-应变关系所作的实验都证明,莱维-米泽斯本构关系是真实情况的一级近似。  为更好地拟合实验结果,罗伊斯于1930年在普朗特的启示下,提出包括弹性应变部分的三维塑性应力-应变关系。至此,塑性增量理论初步建立。但当时增量理论用在解具体问题方面还有不少困难。早在1924年亨奇就提出了塑性全量理论,由于便于应用,曾被纳戴等人,特别是伊柳辛等苏联学者用来解决大量实际问题。

    虽然塑性全量理论在理论上不适用于复杂的应力变化历程,但是计算结果却与板的失稳实验结果很接近。为此在1950年前后展开了塑性增量理论和塑性全量理论的辩论,促使从更根本的理论基础上对两种理论进行探讨。另外,在强化规律的研究方面,除等向强化模型外,普拉格又提出随动强化等模型。

    20世纪60年代以后,随着有限元法的发展,提供恰当的本构关系已成为解决问题的关键。所以70年代关于塑性本构关系的研究十分活跃,主要从宏观与微观的结合,从不可逆过程热力学以及从理性力学等方面进行研究。

    在实验分析方面,也开始运用光塑性法、云纹法、散斑干涉法等能测量大变形的手段。另外,由于出现岩石类材料的塑性力学问题,所以塑性体积应变以及材料的各向异性、非均匀性、弹塑性耦合、应变弱化的非稳定材料等问题正在研究之中。

    塑性力学的内容 人们对塑性变形基本规律的认识主要来自于实验。从实验中找出在应力超出弹性极限后材料的特性,将这些特性进行归纳并提出合理的假设和简化模型,确定应力超过弹性极限后材料的本构关系,从而建立塑性力学的基本方程。解出这些方程,便可得到不同塑性状态下物体内的应力和应变。

    塑性力学研究的基本试验有两个。一是简单拉伸实验,另一是静水压实验。从材料简单拉伸的应力-应变曲线可以看出,塑性力学研究的应力与应变之间的关系是非线性的,它们的关系也不是单值对应的。而静水压可使材料可塑性增加,使原来处于脆性状态的材料转化为塑性材料。

    为了便于计算,人们往往根据实验结果建立一些假设。比如:材料是各向同性和连续的;材料的弹性性质不受影响;只考虑稳定材料;与时间因素无关等。在复杂应力状态下,各应力分量成不同组合状况的屈服条件,以及应力分量和应变分量之间的塑性本构关系是塑性力学的主要研究内容,也是分析塑性力学问题时依据的物理关系。

    屈服条件是判断材料处于弹性阶段还是处于塑性阶段的根据。对金属材料,最常用的屈服条件有最大剪应力屈服条件(又称特雷斯卡条件)和弹性形变比能屈服条件(又称米泽斯条件)。这两个屈服条件数值接近,它们的数学表达式都不受静水压力的影响,而且基本符合实验结果。

    对于理想塑性模型,在经过塑性变形后,屈服条件不变。但如果材料具有强化性质,则屈服条件将随塑性变形的发展而改变,改变后的屈服条件称为后继屈服条件或加载条件。  反映塑性应力-应变关系的本构关系,一般应以增量形式给出,这是因为塑性力学中需要考虑变形的历程,而增量形式可以反映出变形的历程,反映塑性变形的本质。用增量形式表示塑性本构关系的理论称为塑性增量理论。

    研究表明,应力和应变的增量关系与屈服条件有关。增量理论的本构关系在理论上是合理的,但应用起来比较麻烦,因为需要积分整个变形路径才能得到最后的结果。因此,在塑性力学中又发展出塑性全量理论,即采用全量形式表示塑性本构关系的理论。

    除上述基本理论外,塑性力学还包括简单塑性问题、受内压厚壁圆筒问题、长柱体的塑性自由扭转问题、塑性力学平面问题、塑性极限分析;塑性动力学;粘塑性理论;塑性稳定性等多方面内容。

    塑性力学在工程实际中有广泛的应用。例如研究如何发挥材料强度的潜力;如何利用材料的塑性性质以便合理选材,制定加工成型工艺;塑性力学理论还用于计算材料的残余应力等。

    流变学
    流变学是力学的一个新分支,它主要研究物理材料在应力、应变、温度湿度、辐射等条件下与时间因素有关的变形和流动的规律。

    张悉妮发明的“SEE技术及其行业应用和衍生产品技术”就是一个应用“电子流变”理论成功开发出“实用技术”和“照明产品”、“绿色照明新光源——聪明灯”的实际例子。  因此,流变论及其流变学和流变技术,在物理应用的深度和广度上将越来越发挥出重大作用。

    流变学的发展简史  流变学出现在20世纪20年代。学者们在研究橡胶、塑料、油漆、玻璃、混凝土,以及金属等工业材料;岩石、土、石油、矿物等地质材料;以及血液、肌肉骨骼等生物材料的性质过程中,发现使用古典弹性理论、塑性理论和牛顿流体理论已不能说明这些材料的复杂特性,于是就产生了流变学的思想。英国物理学家麦克斯韦和开尔文很早就认识到材料的变化与时间存在紧密联系的时间效应。

    麦克斯韦在1869年发现,材料可以是弹性的,又可以是粘性的。对于粘性材料,应力不能保持恒定,而是以某一速率减小到零,其速率取决于施加的起始应力值和材料的性质。这种现象称为应力松弛。许多学者还发现,应力虽然不变,材料棒却可随时间继续变形,这种性能就是蠕变或流动。

    经过长期探索,人们终于得知,一切材料都具有时间效应,于是出现了流变学,并在20世纪30年代后得到蓬勃发展。1929年,美国在宾厄姆教授的倡议下,创建流变学会;1939年,荷兰皇家科学院成立了以伯格斯教授为首的流变学小组;1940年英国出现了流变学家学会。当时,荷兰的工作处于领先地位,1948年国际流变学会议就是在荷兰举行的。法国、日本、瑞典、澳大利亚、奥地利、捷克斯洛伐克、意大利、比利时等国也先后成立了流变学会。

    流变学的发展同世界经济发展和工业化进程密切相关。现代工业需要耐蠕变、耐高温的高质量金属、合金、陶瓷和高强度的聚合物等,因此同固体蠕变、粘弹性和蠕变断裂有关的流变学迅速发展起来。核工业中核反应堆和粒子加速器的发展,为研究由辐射产生的变形打开新的领域。

    在地球科学中,人们很早就知道时间过程这一重要因素。流变学为研究地壳中极有趣的地球物理现象提供了物理-数学工具,如冰川期以后的上升、层状岩层的褶皱、造山作用、地震成因以及成矿作用等。对于地球内部过程,如岩浆活动、地幔热对流等,现在则可利用高温、高压岩石流变试验来模拟,从而发展了地球动力学。

    在土木工程中,建筑的土地基的变形可延续数十年之久。地下隧道竣工数十年后,仍可出现蠕变断裂。因此,土流变性能和岩石流变性能的研究日益受到重视。

    在力、热、声、光、电领域,有广泛的应用。如,在“张悉妮聪明灯实验室”里,就发生了一系列新的电灯故事。再一次证明了,“一切现代文明,都是从电灯开始的”这一论断。电灯,如同一位百岁人瑞一样,跨入了“19”、“20”、“21”三个世纪。现在,在我们的生活里常见的电灯主要有三类,一类叫“白炽灯”,一类叫“荧光灯”,一类叫“聪明灯”。“白炽灯”是1879年爱迪生的发明,它是电灯的起点;“荧光灯”是1938年飞利浦的发明,它是电灯的壮士;“聪明灯”是2003年张悉妮的发明,它是电灯的新宠。这都是流变理论在流变学和流变技术领域得到广泛应用的证例。

    流变学的研究内容  流变学研究内容是各种材料的蠕变和应力松弛的现象、屈服值以及材料的流变模型和本构方程。

    材料的流变性能主要表现在蠕变和应力松弛两个方面。蠕变是指材料在恒定载荷作用下,变形随时间而增大的过程。蠕变是由材料的分子和原子结构的重新调整引起的,这一过程可用延滞时间来表征。当卸去载荷时,材料的变形部分地回复或完全地回复到起始状态,这就是结构重新调整的另一现象。

    材料在恒定应变下,应力随着时间的变化而减小至某个有限值,这一过程称为应力松弛。这是材料的结构重新调整的另一种现象。蠕变和应力松弛是物质内部结构变化的外部显现。这种可观测的物理性质取决于材料分子(或原子)结构的统计特性。因此在一定应力范围内,单个分子(或原子)的位置虽会有改变,但材料结构的统计特征却可能不会变化。

    当作用在材料上的剪应力小于某一数值时,材料仅产生弹性形变;而当剪应力大于该数值时,材料将产生部分或完全永久变形。则此数值就是这种材料的屈服值。屈服值标志着材料有完全弹性进入具有流动现象的界限值,所以又称弹性极限、屈服极限或流动极限。同一材料可能会存在几种不同的屈服值,比如蠕变极限、断裂极限等。在对材料的研究中一般都是先研究材料的各种屈服值。

    在不同物理条件下(如温度、压力、湿度、辐射、电磁场等),以应力、应变和时间的物理变量来定量描述材料的状态的方程,叫作流变状态方程或本构方程。材料的流变特性一般可用两种方法来模拟,即力学模型和物理模型:在简单情况(单轴压缩或拉伸,单剪或纯剪)下,应力应变特性可用力学流变模型描述。在评价蠕变或应力松弛试验结果时,利用力学流变模型有助于了解材料的流变性能。这种模型已用了几十年,它们比较简单,可用来预测在任意应力历史和温度变化下的材料变形。

    力学模型的流变模型没有考虑材料的内部物理特性,如分子运动、位错运动、裂纹扩张等。当前对材料质量的要求越来越高,如高强度超韧性的金属、高强度耐高温的陶瓷、高强度聚合物等。对它们的研究就必须考虑材料的内部物理特性,因此发展了高温蠕变理论。这个理论通过考虑了固体晶体内部和晶粒颗粒边界存在的缺陷对材料流变性能的影响,表达出材料内部结构的物理常数,亦即材料的物理流变模型。

    流变学的研究方法  流变学从一开始就是作为一门实验基础学科发展起来的,因此实验是研究流变学的主要方法之一。它通过宏观试验,获得物理概念,发展新的宏观理论。例如利用材料试件的拉压剪试验,探求应力、应变与时间的关系,研究屈服规律和材料的长期强度。通过微观实验,了解材料的微观结构性质,如多晶体材料颗粒中的缺陷、颗粒边界的性质,以及位错状态等基本性质,探讨材料流变的机制。

    对流体材料一般用粘度计进行试验。比如,通过计算球体在流体中因自重作用沉落的时间,据以计算牛顿粘滞系数的落球粘度计法;通过研究的流体在管式粘度计中流动时,管内两端的压力差和流体的流量,以求得牛顿粘滞系数和宾厄姆流体屈服值的管式粘度计法;利用同轴的双层圆柱筒,使外筒产生一定速度的转动,利用仪器测定内筒的转角,以求得两筒间的流体的牛顿粘滞系数与转角的关系的转筒法等。

    对弹性和粘弹性材料的实验方法分为蠕变试验、应力松弛试验和动力试验三种:对材料进行蠕变实验一般有对材料试件施加恒定的拉力,以研究材料的拉伸蠕变性能的拉伸法;在专门的剪力仪中对材料施加恒定的剪力,研究材料的剪切蠕变性能;利用三轴仪,对材料试件施加轴向应力和静水压力,研究材料的单向或三向压缩蠕变性能;利用扭转流变仪,对材料试件施加恒定的扭力,研究材料的扭转蠕变性能;以及在梁形试件上施加恒定的弯矩,研究材料挠度蠕变性能的弯曲法等。

    应力松弛实验是将材料试件置于应力松弛试验仪上,使试件产生一恒定的变形,测定试件所受应力随时间的衰减,研究材料的流变性能,也可以计算材料松弛时间的频谱。这种试验也可在弯曲流变仪、扭转流变仪、压缩流变仪上进行,此法适用于高分子材料和金属材料。

    除蠕变和应力松弛这类静力试验外,还可进行动力试验,即对材料试件施加一定频谱范围内的正弦振动作用,研究材料的动力效应。此法特别适用于高分子类线性粘弹性材料。通过这种试验可以求得两个物理量:由于材料发生形变而在材料内部积累起来的弹性能量;每一振动循环的能量耗散。动力试验可以测量能量耗散和频率的关系,通过这个规律可以与蠕变试验比较分析,建立模型。

    在上述的各种试验工作中,还要研究并应用各种现代测量原理和方法,大型电子计算机的出现对流变学领域的研究产生了深远的影响,如对于非线性材料的大应变、大位移的复杂课题已用有限元法或有限差分方法进行研究。

    随着经济和工业化的发展,流变学将有广阔的发展领域,并已逐步渗透到许多学科而形成相应的分支,例如高分子材料流变学、断裂流变力学、土流变学、岩石流变学以及应用流变学等等。在理论研究上,已超出均匀连续介质的概念,开始探索离散介质、非均匀介质以及非相容弹性介质的流变特性。实验原理和测试技术的研究以及电子计算机的应用,将在流变学的发展中显示重要的地位和发挥巨大的作用。

    连续介质力学
    它是研究质量连续分布的可变形物体的运动规律,主要讨论一切连续介质普遍遵从的力学规律。例如,质量守恒、动量和角动量定理、能量守恒等。弹性体力学和流体力学有时综合讨论称为连续介质力学。

    基本假设  连续介质力学的最基本假设是“连续介质假设”,即认为真实的流体和固体可以近似看作连续的,充满全空间的介质组成,物质的宏观性质依然受牛顿力学的支配。这一假设忽略物质的具体微观结构(对固体和液体微观结构研究属于凝聚态物理学的范畴),而用一组偏微分方程来表达宏观物理量(如质量,数度,压力等)。这些方程包括描述介质性质的方程(constitutive equations)和基本的物理定律,如质量守恒定律,动量守恒定律等。

    研究对象  固体:固体不受外力时,具有确定的形状。固体包括不可变形的刚体和可变形固体。刚体在一般力学中的刚体力学研究;连续介质力学中的固体力学则研究可变形固体在应力,应变等外界因素作用下的变化规律,主要包括弹性和塑性问题。

    弹性:应力作用后,可恢复到原来的形状。

    塑性:应力作用后,不能恢复到原来的形状,发生永久形变。

    流体:流体包括液体和气体,无确定形状,可流动。流体最重要的性质是粘性(viscosity,流体对由剪切里引起的形变的抵抗力,无粘性的理想气体,不属于流体力学的研究范围)。从理论研究的角度,流体常被分为牛顿流体和非牛顿流体。

    牛顿流体:满足牛顿粘性定律的流体,比如水和空气。

    非牛顿流体:不满足牛顿粘性定律的流体,介乎于固体和牛顿流体之间的物质形态。

    主要分支学科  基本分支学科:固体力学、弹性力学、塑性力学、断裂力学 、流体力学、流体静力学、流体运动学、流体动力学

    应用分支学科和交叉学科:结构力学、材料力学、爆炸力学、空气动力学、等离子体动力学、磁流体动力学

    断裂力学
    断裂力学的起源与发展

    最早的断裂力学思想  1921年英国科学家Griffith研究“为什么玻璃的实际强度比从它的分子结构所预期的强度低得多?”,推测“由于微小的裂纹所引起的应力集中而产生”,提出适合于判断脆性材料的与材料裂纹尺寸有关的断裂准则——能量准则。

    断裂力学发展的背景  蓬勃发展的近代先进科学技术,对传统的强度理论提出了挑战。  1) 高强度材料和超高强度材料的使用;2) 构件的大型化;3) 全焊接结构的使用。

    断裂力学的形成  1957年,美国科学家G.R.Irwin提出应力强度因子的概念, 线弹性断裂理论的重大突破,应力强度因子理论作为断裂力学的最初分支——线弹性断裂力学建立起来。

    断裂力学的发展  现代断裂理论大约是在1948—1957年间形成,它是在当时生产实践问题的强烈推动下,在经典Griffith理论的基础上发展起来的,上世纪60年代是其大发展时期。我国断裂力学工作起步至少比国外晚了20年,直到上世纪70年代,断裂力学才广泛引入我国,一些单位和科技工作者逐步开展了断裂力学的研究和应用工作。

    断裂力学是起源于20世纪初期,发展于20世纪后期,并且仍在不断发展和完善的一门科学。因此,它是具有前沿性和挑战性的研究成果,研究含裂纹物体的强度和裂纹扩展规律的科学。固体力学的一个分支。又称裂纹力学。它萌芽于20世纪20年代A.A.格里菲斯对玻璃低应力脆断的研究。其后,国际上发生了一系列重大的低应力脆断灾难性事故,促进这方面的研究,并于50年代开始形成断裂力学。根据所研究的裂纹尖端附近材料塑性区的大小,可分为线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学;根据所研究的引起材料断裂的载荷性质,可分为断裂(静)力学和断裂动力学。

    断裂力学的任务是:求得各类材料的断裂韧度;确定物体在给定外力作用下是否发生断裂,即建立断裂准则;研究载荷作用过程中裂纹扩展规律;研究在腐蚀环境和应力同时作用下物体的断裂(即应力腐蚀)问题。断裂力学已在航空、航天、交通运输、化工、机械、材料、能源等工程领域得到广泛应用。

    线弹性断裂力学应用线弹性理论研究物体裂纹扩展规律和断裂准则。1921年格里菲斯通过分析材料的低应力脆断,提出裂纹失稳扩展准则格里菲斯准则。1957年G.R.欧文通过分析裂纹尖端附近的应力场,提出应力强度因子的概念,建立了以应力强度因子为参量的裂纹扩展准则。线弹性断裂力学可用来解决脆性材料的平面应变断裂问题,适用于大型构件(如发电机转子、较大的接头、车轴等)和脆性材料的断裂分析。实际上,裂纹尖端附近总是存在塑性区,若塑性区很小(如远小于裂纹长度),则可采用线弹性断裂力学方法进行分析。

    弹塑性断裂力学应用弹性力学、塑性力学研究物体裂纹扩展规律和断裂准则,适用于裂纹体内裂纹尖端附近有较大范围塑性区的情况。由于直接求裂纹尖端附近塑性区断裂问题的解析解十分困难,因此多采用J积分法、COD(裂纹张开位移)法、R(阻力)曲线法等近似或实验方法进行分析。通常对薄板平面应力断裂问题的研究,也要采用弹塑性断裂力学。弹塑性断裂力学在焊接结构的缺陷评定、核电工程的安全性评定、压力容器和飞行器的断裂控制以及结构物的低周疲劳和蠕变断裂的研究等方面起重要作用。弹塑性断裂力学的理论迄今仍不成熟,弹塑性裂纹的扩展规律还有待进一步研究。

    断裂动力学 采用连续介质力学方法 ,考虑物体惯性,研究固体在高速加载或裂纹高速扩展下的断裂规律。断裂动力学的主要研究内容为:①断裂准则,包括裂纹在高速加载下的响应及起始和失稳扩展准则、高速扩展裂纹的分叉判据。②高速扩展裂纹尖端附近的应力应变场。③裂纹高速扩展的极限速度。④裂纹高速扩展的停止(止裂)原理。⑤高应变率条件下的材料特性及其对高速扩展裂纹阻力的影响。⑥裂纹高速扩展中的能量转换。⑦高速碰撞下的侵彻和穿孔问题。断裂动力学研究方法分理论分析和动态实验两方面。断裂动力学已在冶金学、地震学、合成化学以及水坝工程、飞机和船舶设计、核动力装置和武器装备等方面得到一些实际应用,但理论尚不够成熟。

    流体力学
    主要研究在各种力的作用下,流体本身的状态,以及流体和固体壁面、流体和流体间、流体与其他运动形态之间的相互作用的力学分支。

    是力学的一个重要分支,它主要研究流体本身的静止状态和运动状态,以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律。在生活、环保、科学技术及工程中具有重要的应用价值。

    流体力学中研究得最多的流体是水和空气。它的主要基础是牛顿运动定律和质量守恒定律,常常还要用到热力学知识,有时还用到宏观电动力学的基本定律、本构方程和物理学、化学的基础知识。

    1738年伯努利出版他的专著时,首先采用了水动力学这个名词并作为书名;1880年前后出现了空气动力学这个名词;1935年以后,人们概括了这两方面的知识,建立了统一的体系,统称为流体力学。

    除水和空气以外,流体还指作为汽轮机工作介质的水蒸气、润滑油、地下石油、含泥沙的江水、血液、超高压作用下的金属和燃烧后产生成分复杂的气体、高温条件下的等离子体等等。

    气象、水利的研究,船舶、飞行器、叶轮机械和核电站的设计及其运行,可燃气体或炸药的爆炸,以及天体物理的若干问题等等,都广泛地用到流体力学知识。许多现代科学技术所关心的问题既受流体力学的指导,同时也促进了它不断地发展。1950年后,电子计算机的发展又给予流体力学以极大的推动。[编辑本段]流体力学的发展简史

    流体力学是在人类同自然界作斗争和在生产实践中逐步发展起来的。古时中国有大禹治水疏通江河的传说;秦朝李冰父子带领劳动人民修建的都江堰,至今还在发挥着作用;大约与此同时,古罗马人建成了大规模的供水管道系统等等。

    对流体力学学科的形成作出第一个贡献的是古希腊的阿基米德,他建立了包括物理浮力定律和浮体稳定性在内的液体平衡理论,奠定了流体静力学的基础。此后千余年间,流体力学没有重大发展。

    直到15世纪,意大利达·芬奇的著作才谈到水波、管流、水力机械、鸟的飞翔原理等问题;17世纪,帕斯卡阐明了静止流体中压力的概念。但流体力学尤其是流体动力学作为一门严密的科学,却是随着经典力学建立了速度、加速度,力、流场等概念,以及质量、动量、能量三个守恒定律的奠定之后才逐步形成的。

    17世纪,力学奠基人牛顿研究了在流体中运动的物体所受到的阻力,得到阻力与流体密度、物体迎流截面积以及运动速度的平方成正比的关系。他针对粘性流体运动时的内摩擦力也提出了牛顿粘性定律。但是,牛顿还没有建立起流体动力学的理论基础,他提出的许多力学模型和结论同实际情形还有较大的差别。

    之后,法国皮托发明了测量流速的皮托管;达朗贝尔对运河中船只的阻力进行了许多实验工作,证实了阻力同物体运动速度之间的平方关系;瑞士的欧拉采用了连续介质的概念,把静力学中压力的概念推广到运动流体中,建立了欧拉方程,正确地用微分方程组描述了无粘流体的运动;伯努利从经典力学的能量守恒出发,研究供水管道中水的流动,精心地安排了实验并加以分析,得到了流体定常运动下的流速、压力、管道高程之间的关系——伯努利方程。

    欧拉方程和伯努利方程的建立,是流体动力学作为一个分支学科建立的标志,从此开始了用微分方程和实验测量进行流体运动定量研究的阶段。从18世纪起,位势流理论有了很大进展,在水波、潮汐、涡旋运动、声学等方面都阐明了很多规律。法国拉格朗日对于无旋运动,德国赫尔姆霍兹对于涡旋运动作了不少研究……。在上述的研究中,流体的粘性并不起重要作用,即所考虑的是无粘流体。这种理论当然阐明不了流体中粘性的效应。  19世纪,工程师们为了解决许多工程问题,尤其是要解决带有粘性影响的问题。于是他们部分地运用流体力学,部分地采用归纳实验结果的半经验公式进行研究,这就形成了水力学,至今它仍与流体力学并行地发展。1822年,纳维建立了粘性流体的基本运动方程;1845年,斯托克斯又以更合理的基础导出了这个方程,并将其所涉及的宏观力学基本概念论证得令人信服。这组方程就是沿用至今的纳维-斯托克斯方程(简称N-S方程),它是流体动力学的理论基础。上面说到的欧拉方程正是N-S方程在粘度为零时的特例。

    普朗特学派从1904年到1921年逐步将N-S方程作了简化,从推理、数学论证和实验测量等各个角度,建立了边界层理论,能实际计算简单情形下,边界层内流动状态和流体同固体间的粘性力。同时普朗克又提出了许多新概念,并广泛地应用到飞机和汽轮机的设计中去。这一理论既明确了理想流体的适用范围,又能计算物体运动时遇到的摩擦阻力。使上述两种情况得到了统一。

    20世纪初,飞机的出现极大地促进了空气动力学的发展。航空事业的发展,期望能够揭示飞行器周围的压力分布、飞行器的受力状况和阻力等问题,这就促进了流体力学在实验和理论分析方面的发展。20世纪初,以儒科夫斯基、恰普雷金、普朗克等为代表的科学家,开创了以无粘不可压缩流体位势流理论为基础的机翼理论,阐明了机翼怎样会受到举力,从而空气能把很重的飞机托上天空。机翼理论的正确性,使人们重新认识无粘流体的理论,肯定了它指导工程设计的重大意义。

    机翼理论和边界层理论的建立和发展是流体力学的一次重大进展,它使无粘流体理论同粘性流体的边界层理论很好地结合起来。随着汽轮机的完善和飞机飞行速度提高到每秒50米以上,又迅速扩展了从19世纪就开始的,对空气密度变化效应的实验和理论研究,为高速飞行提供了理论指导。20世纪40年代以后,由于喷气推进和火箭技术的应用,飞行器速度超过声速,进而实现了航天飞行,使气体高速流动的研究进展迅速,形成了气体动力学、物理-化学流体动力学等分支学科。

    以这些理论为基础,20世纪40年代,关于炸药或天然气等介质中发生的爆轰波又形成了新的理论,为研究原子弹、炸药等起爆后,激波在空气或水中的传播,发展了爆炸波理论。此后,流体力学又发展了许多分支,如高超声速空气动力学、超音速空气动力学、稀薄空气动力学、电磁流体力学、计算流体力学、两相(气液或气固)流等等。  这些巨大进展是和采用各种数学分析方法和建立大型、精密的实验设备和仪器等研究手段分不开的。从50年代起,电子计算机不断完善,使原来用分析方法难以进行研究的课题,可以用数值计算方法来进行,出现了计算流体力学这一新的分支学科。与此同时,由于民用和军用生产的需要,液体动力学等学科也有很大进展。

    20世纪60年代,根据结构力学和固体力学的需要,出现了计算弹性力学问题的有限元法。经过十多年的发展,有限元分析这项新的计算方法又开始在流体力学中应用,尤其是在低速流和流体边界形状甚为复杂问题中,优越性更加显著。近年来又开始了用有限元方法研究高速流的问题,也出现了有限元方法和差分方法的互相渗透和融合。

    从20世纪60年代起,流体力学开始了流体力学和其他学科的互相交叉渗透,形成新的交叉学科或边缘学科,如物理-化学流体动力学、磁流体力学等;原来基本上只是定性地描述的问题,逐步得到定量的研究,生物流变学就是一个例子。[编辑本段]流体力学的基本假设

    流体力学有一些基本假设,基本假设以方程的形式表示。例如,在三维的不可压缩流体中,质量守恒的假设的方程如下:在任意封闭曲面(例如球体)中,由曲面进入封闭曲面内的质量速率,需和由曲面离开封闭曲面内的质量速率相等。(换句话说,曲面内的质量为定值,曲面外的质量也是定值)以上方程可以用曲面上的积分式表示。

    流体力学假设所有流体满足以下的假设:质量守恒,动量守恒,连续体假设。

    在流体力学中常会假设流体是不可压缩流体,也就是流体的密度为一定值。液体可以算是不可压缩流体,气体则不是。有时也会假设流体的黏度为零,此时流体即为非粘性流体。气体常常可视为非粘性流体。若流体黏度不为零,而且流体被容器包围(如管子),则在边界处流体的速度为零。[编辑本段]流体力学的研究内容

    流体是气体和液体的总称。在人们的生活和生产活动中随时随地都可遇到流体,所以流体力学是与人类日常生活和生产事业密切相关的。大气和水是最常见的两种流体,大气包围着整个地球,地球表面的70%是水面。大气运动、海水运动(包括波浪、潮汐、中尺度涡旋、环流等)乃至地球深处熔浆的流动都是流体力学的研究内容。

    20世纪初,世界上第一架飞机出现以后,飞机和其他各种飞行器得到迅速发展。20世纪50年代开始的航天飞行,使人类的活动范围扩展到其他星球和银河系。航空航天事业的蓬勃发展是同流体力学的分支学科——空气动力学和气体动力学的发展紧密相连的。这些学科是流体力学中最活跃、最富有成果的领域。

    石油和天然气的开采,地下水的开发利用,要求人们了解流体在多孔或缝隙介质中的运动,这是流体力学分支之一 ——渗流力学研究的主要对象。渗流力学还涉及土壤盐碱化的防治,化工中的浓缩、分离和多孔过滤,燃烧室的冷却等技术问题。

    燃烧离不开气体,这是有化学反应和热能变化的流体力学问题,是物理-化学流体动力学的内容之一。爆炸是猛烈的瞬间能量变化和传递过程,涉及气体动力学,从而形成了爆炸力学。

    沙漠迁移、河流泥沙运动、管道中煤粉输送、化工中气体催化剂的运动等,都涉及流体中带有固体颗粒或液体中带有气泡等问题,这类问题是多相流体力学研究的范围。

    等离子体是自由电子、带等量正电荷的离子以及中性粒子的集合体。等离子体在磁场作用下有特殊的运动规律。研究等离子体的运动规律的学科称为等离子体动力学和电磁流体力学,它们在受控热核反应、磁流体发电、宇宙气体运动等方面有广泛的应用。

    风对建筑物、桥梁、电缆等的作用使它们承受载荷和激发振动;废气和废水的排放造成环境污染;河床冲刷迁移和海岸遭受侵蚀;研究这些流体本身的运动及其同人类、动植物间的相互作用的学科称为环境流体力学 (其中包括环境空气动力学、建筑空气动力学)。这是一门涉及经典流体力学、气象学、海洋学和水力学、结构动力学等的新兴边缘学科。  生物流变学研究人体或其他动植物中有关的流体力学问题,例如血液在血管中的流动,心、肺、肾中的生理流体运动和植物中营养液的输送。此外,还研究鸟类在空中的飞翔,动物在水中的游动,等等。

    因此,流体力学既包含自然科学的基础理论,又涉及工程技术科学方面的应用。此外,如从流体作用力的角度,则可分为流体静力学、流体运动学和流体动力学;从对不同“力学模型”的研究来分,则有理想流体动力学、粘性流体动力学、不可压缩流体动力学、可压缩流体动力学和非牛顿流体力学等。

    流体力学的研究分支  纳维-斯托克斯方程(Navier-Stokes equations),以克劳德-路易·纳维(Claude-Louis Navier)和乔治·盖伯利尔·斯托克斯命名,是一组描述象液体和空气这样的流体物质的方程。这些方程建立了流体的粒子动量的改变率(加速度)和作用在液体内部的压力的变化和耗散粘滞力(类似于摩擦力)以及重力之间的关系。这些粘滞力产生于分子的相互作用,能告诉我们液体有多粘。这样,纳维-斯托克斯方程描述作用于液体任意给定区域的力的动态平衡。

    他们是最有用的一组方程之一,因为它们描述了大量对学术和经济有用的现象的物理过程。它们可以用于建模天气,洋流,管道中的水流,星系中恒星的运动,翼型周围的气流。它们也可以用于飞行器和车辆的设计,血液循环的研究,电站的设计,污染效应的分析,等等。

    纳维-斯托克斯方程依赖微分方程来描述流体的运动。这些方程,和代数方程不同,不寻求建立所研究的变量(譬如速度和压力)的关系,而是建立这些量的变化率或通量之间的关系。用数学术语来讲,这些变化率对应于变量的导数。这样,最简单情况的0粘滞度的理想流体的纳维-斯托克斯方程表明加速度(速度的导数,或者说变化率)是和内部压力的导数成正比的。

    这表示对于给定的物理问题的纳维-斯托克斯方程的解必须用微积分的帮助才能取得。实用上,只有最简单的情况才能用这种方法解答,而它们的确切答案是已知的。这些情况通常设计稳定态(流场不随时间变化)的非湍流,其中流体的粘滞系数很大或者其速度很小(小的雷诺数)。

    对于更复杂的情形,例如厄尔尼诺这样的全球性气象系统或机翼的升力,纳维-斯托克斯方程的解必须借助计算机。这本身是一个科学领域,称为计算流体力学。

    (1)基本假设  在解释纳维-斯托克斯方程的细节之前,首先,必须对流体作几个假设。第一个是流体是连续的。这强调它不包含形成内部的空隙,例如,溶解的气体的气泡,而且它不包含雾状粒子的聚合。另一个必要的假设是所有涉及到的场,全部是可微的,例如压强,速度,密度,温度,等等。

    该方程从质量,动量,和能量的守恒的基本原理导出。对此,有时必须考虑一个有限的任意体积,称为控制体积,在其上这些原理很容易应用。该有限体积记为Ω,而其表面记为?Ω。该控制体积可以在空间中固定,也可能随着流体运动。这会导致一些特殊的结果,我们将在下节看到。[编辑本段]流体力学的研究方法

    进行流体力学的研究可以分为现场观测、实验室模拟、理论分析、数值计算四个方面:  现场观测是对自然界固有的流动现象或已有工程的全尺寸流动现象,利用各种仪器进行系统观测,从而总结出流体运动的规律,并借以预测流动现象的演变。过去对天气的观测和预报,基本上就是这样进行的。

    不过现场流动现象的发生往往不能控制,发生条件几乎不可能完全重复出现,影响到对流动现象和规律的研究;现场观测还要花费大量物力、财力和人力。因此,人们建立实验室,使这些现象能在可以控制的条件下出现,以便于观察和研究。

    同物理学、化学等学科一样,流体力学离不开实验,尤其是对新的流体运动现象的研究。实验能显示运动特点及其主要趋势,有助于形成概念,检验理论的正确性。二百年来流体力学发展史中每一项重大进展都离不开实验。

    模型实验在流体力学中占有重要地位。这里所说的模型是指根据理论指导,把研究对象的尺度改变(放大或缩小)以便能安排实验。有些流动现象难于靠理论计算解决,有的则不可能做原型实验(成本太高或规模太大)。这时,根据模型实验所得的数据可以用像换算单位制那样的简单算法求出原型的数据。

    现场观测常常是对已有事物、已有工程的观测,而实验室模拟却可以对还没有出现的事物、没有发生的现象(如待设计的工程、机械等)进行观察,使之得到改进。因此,实验室模拟是研究流体力学的重要方法。

    理论分析是根据流体运动的普遍规律如质量守恒、动量守恒、能量守恒等,利用数学分析的手段,研究流体的运动,解释已知的现象,预测可能发生的结果。理论分析的步骤大致如下:首先是建立“力学模型”,即针对实际流体的力学问题,分析其中的各种矛盾并抓住主要方面,对问题进行简化而建立反映问题本质的“力学模型”。流体力学中最常用的基本模型有:连续介质、牛顿流体、不可压缩流体、理想流体、平面流动等。

    其次是针对流体运动的特点,用数学语言将质量守恒、动量守恒、能量守恒等定律表达出来,从而得到连续性方程、动量方程和能量方程。此外,还要加上某些联系流动参量的关系式(例如状态方程),或者其他方程。这些方程合在一起称为流体力学基本方程组。  求出方程组的解后,结合具体流动,解释这些解的物理含义和流动机理。通常还要将这些理论结果同实验结果进行比较,以确定所得解的准确程度和力学模型的适用范围。

    从基本概念到基本方程的一系列定量研究,都涉及到很深的数学问题,所以流体力学的发展是以数学的发展为前提。反过来,那些经过了实验和工程实践考验过的流体力学理论,又检验和丰富了数学理论,它所提出的一些未解决的难题,也是进行数学研究、发展数学理论的好课题。按目前数学发展的水平看,有不少题目将是在今后几十年以内难于从纯数学角度完善解决的。

    在流体力学理论中,用简化流体物理性质的方法建立特定的流体的理论模型,用减少自变量和减少未知函数等方法来简化数学问题,在一定的范围是成功的,并解决了许多实际问题。

    对于一个特定领域,考虑具体的物理性质和运动的具体环境后,抓住主要因素忽略次要因素进行抽象化也同时是简化,建立特定的力学理论模型,便可以克服数学上的困难,进一步深入地研究流体的平衡和运动性质。

    20世纪50年代开始,在设计携带人造卫星上天的火箭发动机时,配合实验所做的理论研究,正是依靠一维定常流的引入和简化,才能及时得到指导设计的流体力学结论。

    此外,流体力学中还经常用各种小扰动的简化,使微分方程和边界条件从非线性的变成线性的。声学是流体力学中采用小扰动方法而取得重大成就的最早学科。声学中的所谓小扰动,就是指声音在流体中传播时,流体的状态(压力、密度、流体质点速度)同声音未传到时的差别很小。线性化水波理论、薄机翼理论等虽然由于简化而有些粗略,但都是比较好地采用了小扰动方法的例子。

    每种合理的简化都有其力学成果,但也总有其局限性。例如,忽略了密度的变化就不能讨论声音的传播;忽略了粘性就不能讨论与它有关的阻力和某些其他效应。掌握合理的简化方法,正确解释简化后得出的规律或结论,全面并充分认识简化模型的适用范围,正确估计它带来的同实际的偏离,正是流体力学理论工作和实验工作的精华。

    流体力学的基本方程组非常复杂,在考虑粘性作用时更是如此,如果不靠计算机,就只能对比较简单的情形或简化后的欧拉方程或N-S方程进行计算。20世纪30~40年代,对于复杂而又特别重要的流体力学问题,曾组织过人力用几个月甚至几年的时间做数值计算,比如圆锥做超声速飞行时周围的无粘流场就从1943年一直算到1947年。

    数学的发展,计算机的不断进步,以及流体力学各种计算方法的发明,使许多原来无法用理论分析求解的复杂流体力学问题有了求得数值解的可能性,这又促进了流体力学计算方法的发展,并形成了“计算流体力学”。

    从20世纪60年代起,在飞行器和其他涉及流体运动的课题中,经常采用电子计算机做数值模拟,这可以和物理实验相辅相成。数值模拟和实验模拟相互配合,使科学技术的研究和工程设计的速度加快,并节省开支。数值计算方法最近发展很快,其重要性与日俱增。  解决流体力学问题时,现场观测、实验室模拟、理论分析和数值计算几方面是相辅相成的。实验需要理论指导,才能从分散的、表面上无联系的现象和实验数据中得出规律性的结论。反之,理论分析和数值计算也要依靠现场观测和实验室模拟给出物理图案或数据,以建立流动的力学模型和数学模式;最后,还须依靠实验来检验这些模型和模式的完善程度。此外,实际流动往往异常复杂(例如湍流),理论分析和数值计算会遇到巨大的数学和计算方面的困难,得不到具体结果,只能通过现场观测和实验室模拟进行研究

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弹性力学本构方程