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关于本构关系理论的一些新认识

已有 3448 次阅读 2020-7-30 19:49 |系统分类:论文交流

1.文献[2]~[11]可见对耗散型材料而言,其本构关系除了应受到连续介质力学本构理论的公理化体系的规范之外,还应受到最小耗能原理的规范,因为该公理化体系中的许可性原理目前尚未包含最小耗能原理。考虑最小耗能原理的规范作用,实际上相当于给出了建立包括有限变形在内的,有关耗散型材料本构关系的具体指南,因为由文献[2]~[5]可见仅从本构关系“应受到本构理论的公理化体系的规范”这一条件,并不能给出本构关系的具体表达式,但在增加了本构关系“还应受到最小耗能原理的规范”这一条件之后,则有可能按文献[6]~[11]介绍的方法和途径,求得本构关系的具体表达式。

2. Mises类比于弹性应变增量可以由弹性位势函数对应力微分得到,提出了塑性势的概念并建立了经典塑性力学中增量型本构关系的所谓塑性位势理论(即非关联流动法则)。以后在塑性力学中根据Drucker假设,又得到了屈服函数可视为塑性势的结论,并由此建立了所谓关联流动法则型增量理论。由于上述两种理论表明,塑性应变增量矢应与塑性势的等位面或屈服面正交,所以又被称为正交法则假设。以后如笔者在文献[1]~[4]已经介绍的那样正交法则假设还被推广来建立内变量理论的本构关系并被称为广义正交法则假设。需要指出的是,虽然上述正交或广义正交法则已被普遍认可和接受,但应该承认它基本上还只是一种假设。对诸如对它究竟适用于一些什么情况?其中的所谓“塑性势”或“势函数”究竟是什么?以及它们究竟具有什么样的物理内涵等关键问题也不甚明确。然而现在由文献[6]~[9]可以看出,正交或广义正交法则实际上是当以[6](4)式式表示的约束条件中的m=1时,在耗散型材料的耗能率表达式[7](2)是一位势函数情况下的必然结果。即当耗散型材料的耗能过程所受到的以[6](4)式式表示约束条件中的m=1时,只要表征上述耗能过程的耗能率表达式是一位势函数,则正交或广义正交法则就成立,否则就不成立,显然这样就以一种比较严谨的方式指明了正交或广义正交法则的适用范围。另外,由文献[7]~[9]还可看出,正交或广义正交法则中的所谓“塑性势”或“势函数”,实际上就是耗散型材料在耗能过程中所应满足的约束条件,并且约束条件是否能被视为“势函数”并不取决于约束条件本身,而是取决于这个耗能过程的耗能率表达式是否是一位势函数,从而明确了“塑性势”或“势函数”的物理内涵。这样就从理论上澄清了有关正交或广义正交法则的一些在此之前还不甚明确的关键问题,并在客观上使正交或广义正交法则从一种假设升华为一种理论。鉴于迄今为止虽然已经提出了多种本构关系理论并形成了许多学派,但现有的各种本构关系理论在当其真的被用来建立工程上所需要的本构关系具体表达式时,仍然都还存在着许多不能令人满足之处,以至目前在实用中占主导地位的实际上依然是由塑性位势理论及Drucker假设引伸出来的所谓正交和广义正交法则假设。显然,笔者在[6]中提出的新本构关系理论,已为正确地理解和应用正交和广义正交法则奠定了坚实的理论基础。

3.虽然经典塑性力学中的关联流动法则,已经朦胧地反映出了耗散型材料的本构关系与屈服准则之间的联系,但由于它毕竟只是根据Drucker假设得到的结论,因此还不能认为是一种理性认识。[6]在一般情况下证明了耗散型材料的本构关系与其在耗能过程中所应满足的包括屈服条件在内的各种约束条件(即[6](4))之间是有联系的,并且揭示了“这种联系的纽带就是最小耗能原理”。由基于最小耗能原理的本构关系的一般表达形式[11](1)式知,只要已知Helmholtz自由能ψ和耗散型材料耗能过程所必需满足的约束条件([6](4)式)的具体表达式,则由[11](1)式即可确定全部本构关系。这样就把一个“怎样建立本构关系的问题”转化成一个“怎么寻找相应的Helmholtz自由能ψ及相应的耗能过程所需满足的约束条件的问题”。对于人们最关心的内变量演化方程而言,由于它们仅与耗能过程所应满足的约束条件有关,因此只要已知这些约束条件的具体表达式,则由[7](1)式即可得到所有的内变量演化方程的具体表达式。文献[9]~[10]中已按上述思路具体导出了经典塑性力学中的各种增量型本构关系以及粘塑性力学中Bingham体和Maxwell体的本构关系的具体表达式。另外[8]还表明,只要已知作为耗能过程约束条件的应变强化准则和损伤强化准则(即[8](1)式)的具体表达式,则由[8](2)式即可确定相应于文献[12]中的金属在各向异性损伤情况下的内变量演化方程。

需要指出的是,目前工程上常用的一种确定材料增量型应力、应变关系的方法(即在首先确定材料的屈服或强度准则之后,再借助正交法则假设来建立相应的增量型应力、应变关系),实际上就是上述基于最小耗能原理的本构关系理论,在耗能率表达式是一位势函数且只存在一个以屈服或强度准则表示的约束条件情况下的一种特例。显然,基于最小耗能原理的本构关系理论,不仅为这种已为工程界熟悉的经典方法找到了理论依据,而且还解决了在耗能率表达式不是位势函数,并且可能具有多个约束条件情况下建立本构关系的方法问题,这就大大拓展了这种经典方法的适用范围,从而为建立不同性能材料的本构关系具体表达式,提供了一种新的有效方法和途径。

 

参考文献 

[1] 为笔者<科学网>博客之博文关于本构关系理论.

[2] 为笔者<学网>博客之博文研究本构关系的公理化方法.

[3] 为笔者<科学网>博客之博文“内变量与耗散型材料的本构关系”.

[4] 为笔者<科学网>博客之博文基于内变量理论的本构关系.

[5] 为笔者<科学网>博客之博文关于许可性原理对本构关系的限制.

[6] 为笔者<科学网>博客之博文基于最小耗能原理的本构关系理论.

[7] 为笔者<科学网>博客之博文应用之一: 导出广义规范材料的本构关系.

[8] 为笔者<科学网>博客之博文应用之二: 导出广义正交法则假设.

[9] 为笔者<科学网>博客之博文“应用之三: 导出塑性力学中各种增量型本构关系.

[10] 为笔者<科学网>博客之博文应用之四: 导出Bingham体和Maxwell体的本构关系.

[11] 为笔者<科学网>博客之博文“应用之五: 线弹性力学中的本构关系也可作为一种特殊情况由基于最小耗能原理的

    本构关系理论导出”.

[12] 李灏. 材料形变失稳的各向异性损伤准则及其在成形极限中的应用. 华中工学院学19851.




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