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理性力学关于连续介质大变形的概念

已有 10526 次阅读 2012-12-17 16:53 |个人分类:生活点滴|系统分类:科研笔记|关键词:学者| 概念, 力学, 变形

 

       很多人望文生义,把变形分成为:微小变形,大变形,和介于两者间的中等变形。作为工程上的直观分类,很好!但是,作为力学理论上的分类,则不妥。

 

       自上世纪50年代起,连续介质大变形的概念就在几番研究后成为一个公说公有理,婆说婆有理的概念。

       在连续介质变形力学中,大变形概念是用应变定义来决定的。由于出现了很多的定义,最末了,Hill 给出一个和稀泥的结论:只要是可以自圆其说的定义,就都是同等正确的。

      

       最为普遍的、被人们不加深入思考的大变形概念是:对均匀各向同性介质,大变形就是高阶小量(在格林应变概念中是一阶位移导数项的乘积)在应变中不可忽略的情况。在我国,这个概念独占鳌头,其它概念被排斥。

 

       爱里克松等人则认为,所谓的连续介质大变形是无法在参考位形上建立自然的标准直角系,而只能沿物质的流形性(物质的内在几何属性)来建立初始系的那类物质的变形。而如果使用直角系作为初始系的话,则只能把物性定义为各向异性的。从而,简单扼要的说,各向异性介质的变形就是大变形。

 

       Truessdell 则认为,用变形能概念,把变形能用应变的几何不变量表出,如果只考察两个物性系数的,就是小变形,如果需要考察三个及以上物性系数的,就是大变形。他据此引出了很多的物质分类和超弹性概念,是目前的现代力学中热衷于采用的大变形概念。

 

       Biot 则认为,任何变形都是增量变形,因为所有的连续介质在我们考察前就已经有了一个变形的历史,从而,原有的变形将决定当前的增量变形。换句话说,如果原有的变形的影响不能被忽略的话,这个变形就是大变形。搞波动理论研究的热衷于这个概念,因为它给出了增量变形的理论,而弹性波动恰恰是增量变形。

 

       此后的研究工作扩充到:与变形路径有关的变形就是大变形,有变形记忆效应的变形就是大变形。从而,Noll 近期提出,热力学效应必须考察进来的变形就是大变形。目前,文献中更为多的提法是:有多尺度效应的变形就是大变形。

 

       总而言之,所谓的大变形是一个指简单的弹性近似不足于解决问题的变形。

 

       最早在工程上成功的处理大变形问题的是Kirchhoff, von Karmann 等发展的板壳理论。

       其思路为:取中面,建立拖带系,要求微元体满足经典弹性力学方程;由于板壳厚度方向的非线性可以逼近为应力关于厚度的线性变化(这样在板壳的内外表面,应力是非对称的),从而,在乘以厚度坐标后,再关于厚度方向取积分,就定义了弯矩,从而,使得应力的非线性项得到保留。这样,就引入了弯矩的线性方程。而von Karmann则进一步的把变形后的曲率变化引起的非线性项用等效载荷的概念保留下来。

       这样,板壳的运动方程是两组:弯矩的线性方程,面内平均应力的线性方程。

       Kirchhoff, von Karmann 等发展的板壳理论的核心在于:不直接的引入反对称应力,而是用弯矩概念,由对称应力概念间接的引出它们的效果。

 

       换句话说,板壳的变形就是典型的大变形问题。在现代几何力学中,它可以用非对称混合应力张量同时满足协变运动方程和逆变运动方程得到(陈理性力学)。

 

       由此看来,所谓的大变形就是:需要两组运动方程才能描述的变性,理论上,应变至少有6个独立量表达。而经典的格林对称应力只有3个独立量,从而,也就是说,对称应力不足于描述的变形就是大变形。

 

       作为一个推论,要研究疲劳、断裂等深层次的力学问题,只能使用大变形概念, 也就必定是使用非对称应力概念, 至于是由非对称应变概念引出,还是由对称应变加上各向异性弹性, 则个人喜好了。然而,更为关键的是:需要两组方程。

       理论研究工作的重要性在此就体现出来了。

 

 



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2 朱桂海 李菁华

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