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本构关系

2020-04-09 21:00

反映物质宏观性质的数学模型。在力学领域,它被用来描述各种材料在不同工作状态下所特有的力学性质。其主要内容是应力张量和运动学变量之间的关系,如胡克定律、牛顿黏性定律、圣维南理想塑性定律等。当涉及热力学效应时,还包括热传导方程和状态方程。

由经验可知,对于相同的外部作用因素,不同材料的响应通常是不一样的。这就是说,如果我们要计算物体在荷载作用下所产生的位移、应变、应力分布等效应,除了那些对所有材料普遍适用的基本方程外,包括质量守恒定律、动量守恒定律、动量矩守恒定律、能量守恒定律和熵不等式,还应补充反映具体材料特性的本构方程,才能构成连续介质力学的完备方程组,进而在一定的初始条件和边界条件下解决问题。

在建立本构关系时,应遵循一定的公理。应用比较广泛的有两种公理体系:Noll三公理体系和Eringen八公理体系。

Noll三公理体系

本构理论公理体系的核心部分。其内容为:①确定性公理。质点在任一时刻的应力由组成物体的所有物质点的运动史惟一确定;当所有质点的运动与时间无关时,称此种物质为无记忆的,比如弹性体,此时应力只与变形有关。②局部作用公理。只考虑物质点X邻域内诸点的运动史对X的作用,离开X有限距离的其他物质点的运动与X上的应力无关。③客观性公理。物质的性质不随观察者的变化而变化。

Eringen八公理体系

包括的物理现象比Noll三公理体系的更为广泛,其内容为:因果公理、确定性公理、等存在公理、客观性公理、物质不变性公理、邻域公理、记忆公理和相容性公理。

严格地说,世间万物中,每一种材料、在每一种工作状态下,都有其独特的力学性质,也就对应了一种本构关系。但实践表明,我们可以定义几种理想物质,每一种理想物质有一个本构方程。这些理想模型能相当精确地反映工程中常用到的大多数材料的力学性能。例如,理想弹性固体,其本构方程表示为应力张量与应变张量之间的线性关系,即广义胡克定律;牛顿黏性流体,其本构关系为应力张量(Tij)和变形速率张量(Dkl)之间的线性关系,Tij=KijklDkl;黏弹性固体,包括麦克斯韦模型和凯尔文模型等。其他如塑性物质、黏塑性物质、弹塑性物质及热力耦合、电力耦合等物质的本构方程。

在水利工程中,研究岩石、土壤的本构关系是极为重要且亟待完善的工作。

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