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时变固体力学的主要研究内容
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发布时间:2023-06-26 作者: 浏览数:327
固体力学 (Solid mechanics),是连续介质力学的一个分支,其研究固体材料的行为,特别是其在力、温度变化、相变和其他外部或内部因素作用下的运动和变形。

固体力学是民用、航空航天、核、生物医学、机械工程、地质学以及许多物理学分支(例如材料科学)的基础。它在许多其他领域有着特定的应用,例如理解生物的解剖结构,以及假牙和外科植入物的设计。固体力学最常见的实际应用之一是欧拉-伯努利梁方程。固体力学广泛地使用张量来描述应力、应变以及它们之间的关系,由于固体的材料用途广泛,如钢、木材、混凝土、生物材料、纺织品、地质材料和塑料,因而固体力学是一门庞大的学科。
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基本方面

固体是一种材料,在自然或工业过程或作用中,其能够在给定的时间范围内承受相当大的剪切力。这是固体和流体的明显区别,因为流体也支持法向力,即垂直于它们作用的材料平面的力,法向应力是该材料平面单位面积的法向力。与法向力相比,剪切力平行于而不是垂直于材料平面,单位面积的剪切力被称为剪应力。因此,固体力学研究固体材料和结构的剪切应力、变形和失效。


固体力学中最常见的主题包括:


  • 结构的稳定性,检查结构受到扰动或部分/完全失效后,是否能恢复到给定的平衡。


  • 动力系统和混沌,处理对给定初始位置高度敏感的机械系统。


  • 热力学,基于热力学原理导出的模型分析材料。


  • 生物力学,应用于生物材料(如骨骼、心脏组织)的固体力学。


  • 地质力学,应用于地质材料(如冰、土壤、岩石)的固体力学。


  • 固体和结构的振动,检测源于振动颗粒和结构的振动和波的传播,即在机械、土木、采矿、航空、海事/海洋、航空航天工程中,至关重要的振动和波的传播。


  • 断裂和损伤力学,处理固体材料中的裂纹-扩展的力学。


  • 复合材料,应用于由多种化合物组成的复合材料的固体力学,如增强塑料、增强混凝土、玻璃纤维。


  • 变分公式和计算力学,由固体力学的不同分支产生的数学方程的数值解,例如有限元法 (finite element method)。


  • 实验力学,设计和分析实验方法,以检验固体材料和结构性能。

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固体力学与连续介质力学的关系

如下表所示,固体力学居于连续介质力学的中心位置。流变学领域呈现出固体力学和流体力学之间的重叠。
响应模型

材料具有静止形状,并且其形状由于应力作用而偏离静止形状。其偏离静止形状的量称为变形,变形与原始尺寸的比例称为应变。如果施加的应力足够低(或施加的应变足够小),几乎所有固体材料都表现为应变与应力成正比;其比例系数叫做弹性模量。其变形区间被称为线性弹性区间。由于易于计算,固体力学分析师通常使用线弹性材料模型。然而,真实材料通常表现出非线性性质。随着新材料的使用和旧材料已经无法满足需求,非线性材料模型变得越来越普遍。


这些是描述固体受到外加应力如何响应的基本模型:


  • 弹性,当施加的应力消除时,材料恢复到未变形状态。线性弹性材料,即那些变形与施加载荷成比例的材料,可以用线性弹性方程(如胡克定律)来描述。


  • 粘弹性,这些材料具有弹性,但也具有阻尼特性。当施加和消除应力时,必须克服阻尼效应,并在材料内部转化为热量,从而在应力-应变曲线中形成磁滞回线。这意味着材料响应具有时间依赖性。


  • 可塑性,当施加的应力小于屈服值时,具有弹性的材料通常表现为弹性;当应力大于屈服应力时,材料表现出塑性,不会恢复到以前的状态。也就是说,屈服后发生的变形是永久性的。


  • 粘塑性,结合粘弹性和塑性理论,适用于凝胶和泥浆等材料。


  • 热弹性,机械与热响应之间存在耦合。一般来说,热弹性与非等温或绝热条件下的弹性固体有关。最简单的理论包括傅立叶热传导定律,与物理上更现实模型的先进理论相反。

固体力学时间表

1452-1519年,列奥纳多·达·芬奇做出了许多贡献。


1638年,伽利略·伽利雷出版了《Two New Sciences》一书,在书中他讨论了简单结构的失效。


1660年,罗伯特·胡克的胡克定律。


1687年,艾萨克·牛顿出版了《Philosophiae Naturalis Principia Mathematica》,其中包含牛顿运动定律。


1750年,欧拉-伯努利梁方程。


1700-1782年,丹尼尔·伯努利介绍了虚拟功的原理。


1707-1783年,莱昂哈德·欧拉发展了柱的屈曲理论。


1826年,克劳德·路易斯·纳维尔发表了一篇关于结构弹性行为的论文。


1873年,卡洛·阿尔贝托·卡斯蒂利亚诺 (Carlo Alberto Castigliano) 提交了他的论文《Intorno ai sistemi elastici 》,其中包含了他利用应变能偏导数计算位移的理论。该定理利用最小功的方法作为特别的例子。


1874年,奥托·莫尔正式提出了超静定结构的概念。


1922年,铁木辛柯修正了欧拉-伯努利梁方程。


1936年,哈代·克罗斯出版了力矩分配法,这是连续框架设计中的一个重要创新。


1941年,Alexander Hrennikoff利用网格框架解决了平面弹性问题的离散化。


1942年,库朗将一个领域划分为有限的子区域。


1956年,在关于“复杂结构的刚度和挠度”的论文中,特纳、克劳夫、马丁和托普引入了“有限元法”的名称,并被广泛认为是目前已知方法的第一个综合处理方法。


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