非平衡态/不可逆过程的热力学理论(Ⅰ)

一切物理过程或现象都具有瞬时性和不可逆性,迄今为止的所有热力学和连续介质力学理论皆因为或多或少的理想化假设而不能对这些过程或现象的物理本质作出精确的客观描述。新理论与传统理论的根本分歧在于把热形式的变化和机械形式的变化视作共同存在于同一物理过程或现象中互相耦合的两个方面,它们的有机组合则通过传统的热量概念的舍弃而得到实现;耗散能密度和有效能密度被定义为互相排斥的两个独立变量,对物体转动、变形以及体积变化的描述被统一起来,物理过程的不可逆本质成为新理论的固有特征。新理论不需要对材料的本构方程作任何预先假设。相反,这些本构方程将在求解过程中自动地推解出来,只需要输入材料变形的初始斜率及有关加载历史的数据。在新理论中,体积能密度和表面能密度可以相互转换,或者说体积相对于面积的变化是有限值而不是如传统理论中所假设的那样,在取极限过程中趋近于零而忽略不计,也正是该假设导致在传统理论中热变化和机械变化的相互独立(解耦)。新理论保留了非线性和有限变形,从而可以通过设置恰当的力或位移边界条件来求解任何边值问题。平衡态/不可逆过程被证明具有唯一解,非平衡态/不可逆过程则被证明具有确定的极限解且受到平衡态/不可逆过程的限界。等能...     

考虑损伤的内变量黏弹-黏塑性本构方程

基于Rice 不可逆内变量热力学框架,在约束构型空间中讨论材料的蠕变损伤问题. 通过给定具体的余能密度函数和内变量演化方程推导出考虑损伤的内变量黏弹-黏塑性本构方程. 通过模型相似材料单轴蠕变加卸载试验对一维情况下的本构方程进行参数辨识和模型验证,本构方程能很好地描述黏弹性变形和各蠕变阶段.不同的蠕变阶段具有不同的能量耗散特点. 受应力扰动后,不考虑损伤的材料系统能自发趋于热力学平衡态或稳定态. 在考虑损伤的整个蠕变过程中,材料系统先趋于平衡态再背离平衡态发展. 能量耗散率可作为材料系统热力学状态偏离平衡态的测度;能量耗散率的时间导数可用于表征系统的演化趋势;两者的域内积分值可作为结构长期稳定性的评价指标.      

多孔硅橡胶有限变形的弹性行为

针对孔隙度较大 (孔隙度大于 5 0 % )的硅橡胶材料在压缩情况下的大变形 ,提出了可描述此类可压橡胶材料力学行为的应变能密度函数 ,推导了硅橡胶材料的本构方程。利用硅橡胶材料的单轴压缩实验进行了材料参数拟合 ,讨论了多孔硅橡胶的孔隙度和体积变形对压缩性能的影响     

智能复合材料的化学-力学完全耦合理论及有限元计算

许多智能复合材料例如生物组织和聚合物胶体,都表现出多场耦合行为.目前化学-力学耦合理论属于一个比较新的领域,还不成熟.本文主要研究化学一力学耦合行为,并在ABAQUS软件中进行了数值模拟计算.应用力学平衡方程、离子扩散方程和包含力学-化学耦合因素的的本构关系椎导出了力学-化学耦合的等效积分形式,建立力学-化学耦合的有限元方程.在ABAQUS软件中开发用户单元子程序,进行数值模拟.计算结果表明:力学与化学存在着相互耦合作用,浓度变化能引起固体的变形,同样力学作用也能引起浓度重分布:由于耦合作用,固体的有效性能与扩散性质都发生了改变:力学-化学耦合作用过程实际是机械能与化学能之间能量转换过程;最终,研究体中械能与化学能达到相互平衡状态,且质量守恒.本文的理论和方法可应用于模拟生物组织、粘土等材料的力学-化学耦合行为.     

考虑损伤的内变量黏弹--黏塑性本构方程

基于Rice不可逆内变量热力学框架,在约束构型空间中讨论材料的蠕变损伤问题.通过给定具体的余能密度函数和内变量演化方程推导出考虑损伤的内变量黏弹--黏塑性本构方程.通过模型相似材料单轴蠕变加卸载试验对一维情况下的本构方程进行参数辨识和模型验证,本构方程能很好地描述黏弹性变形和各蠕变阶段.不同的蠕变阶段具有不同的能量耗散特点.受应力扰动后,不考虑损伤的材料系统能自发趋于热力学平衡态或稳定态.在考虑损伤的整个蠕变过程中,材料系统先趋于平衡态再背离平衡态发展.能量耗散率可作为材料系统热力学状态偏离平衡态的测度;能量耗散率的时间导数可用于表征系统的演化趋势;两者的域内积分值可作为结构长期稳定性的评价指标.     

基于物理中面FGM简支梁的弯曲行为

基于一阶非线性梁理论,利用物理中面概念导出了FGM梁的基本方程,分析了热载荷作用下简支FGM梁的弯曲行为.当坐标面置于功能梯度材料(FGM)梁的物理中面上时,其本构方程中,面内力与弯矩并不耦合,使得问题的控制方程以及边界条件得以简化.分析中假设功能梯度材料性质只沿梁厚度方向、并按成分含量的幂指数形式变化;利用打靶法数值地求解了所得方程.数值结果表明:热载荷作用下,夹紧FGM梁发生过屈曲变形,而简支梁则发生较为复杂的热弯曲变形;在同一热载荷作用下,简支FGM梁将会产生三种构形问题;剪切变形对夹紧FGM梁的热变形影响比简支梁更明显.     

考虑温度效应的弹性损伤一般理论

现有的各种损伤理论基本上都是关于等温问题的 ,且在不同程度上依赖于某些经验假设。本文在严格的不可逆热力学理论基础之上 ,建立了考虑温度效应的弹性损伤一般理论。推导出热弹性各向同性与各向异性损伤材料全部本构方程的一般形式 ,其中包括应力 应变关系、熵密度方程、损伤对偶张量表达式、热 固 损伤耦合的热传导方程和损伤演化方程。它们的特殊形式包含了等温各向同性与各向异性弹性损伤的本构方程     

考虑前屈曲耦合变形时功能梯度简支梁的稳定性分析

在某些边界条件下,功能梯度材料（FGM）梁会由于拉弯耦合产生前屈曲耦合变形,而该变形对FGM梁的稳定性有影响。本文假设FGM梁的材料性质只沿厚度方向进行变化,基于经典非线性梁理论和物理中面概念,推导出FGM梁的平衡方程以及包含前屈曲耦合变形影响的屈曲控制方程,并用打靶法进行数值求解。讨论了前屈曲耦合变形、梯度指数以及材料性质的温度依赖等因素对FGM梁非线性变形和稳定性的影响。     

基于耗散能密度的疲劳裂纹扩展规律研究

在疲劳裂纹扩展过程中,裂纹尖端的能量耗散决定了裂纹扩展能力.研究基于耗散能密度的裂纹扩展规律更有物理意义.耗散能密度是材料疲劳性能的一种表征参数,实验测得了镍基高温合金GH4169材料室温和450℃高温的耗散能密度与控制应力幅值的关系曲线.参照Paris公式的形式提出了基于耗散能密度的裂纹扩展方程,并通过疲劳裂纹扩展试验测量了GH4169材料在室温和450℃高温下的裂纹扩展速率与耗散能密度的关系.试验结果的总体趋势与所提出的扩展方程一致.     

层裂损伤的细观数值分析

采用体胞模型的分析方法推导了材料在弹塑性变形阶段的孔洞增长方程。假设所有孔洞的内外半径之比相同,用数值方法定性分析了材料在层裂损伤过程中孔洞数密度分布的变化。通过分析孔洞数密度分布、孔洞体积累积百分比、不同大小孔洞所占体积份额的计算结果,指出初始损伤对损伤演化有直接影响。     

复杂网络研究的一些统计物理学方法及其背景

介绍近年来复杂网络研究中常用的几种统计物理学方法（平均场理论、主方程、率方程、生成函数）的物理背景、发展历史、观点、思想和方法.回顾了物理学在研究连续相变、自组织临界现象、流行病传播等问题时是如何发展、运用平均场理论,以及平均场理论的思想、方法在从平衡态向非平衡态研究的延伸过程中的演化过程.简介了主方程、率方程和生成函数的相关物理思想和概念.在最后一节介绍了一些运用这些方法研究复杂网络的成果,包括一些最著名以及值得注意的网络演化模型的平均场方法、主方程和率方程方法求解,一些网络统计性质的解析求解,以及一些网络上物理过程特征描述的解析分析等.      

深部岩体变形破坏的特征能量因子与应用

深部岩体在高地应力作用下储存了大量的弹性应变能。在开挖或爆破扰动作用下，原有的平衡状态被打破，围岩中形成了有势场和不平衡应力场。在不平衡力场和扰动场的共同作用下，岩体的变形与破坏表现出了诸如分区破裂化、大变形、岩爆以及人工地震等非线性行为。传统的连续介质理论并不能考虑岩体的构造特性与含能特性，因此无法很好地解释深部岩体的特殊非线性力学现象。特征能量因子从能量的角度出发，结合统计物理学观点，为分析深部岩体在动静荷载组合作用下的变形和破坏过程提供了有效的理论支撑。本文主要对特征能量因子进行了简要介绍，并回顾了其在深部岩体分区破裂以及动力诱发围岩不可逆变形等非线性工程灾害现象中的应用。     

多孔材料吸能行为对相对密度和冲击速度的依赖性

多孔材料是一种优异的吸能缓冲材料,但由于其变形模式的非单一性以及动态应力应变曲线的难获取性,其吸能行为对相对密度和冲击速度的依赖性关系还并不完全明朗。本文基于不需要提前作本构假定的波传播法,开展了多孔材料的吸能行为研究。采用多孔材料的细观有限元模型进行Taylor冲击虚拟实验,获取全场质点速度时程曲线,结合Lagrange分析法得到多孔材料的局部应力应变信息,进而探讨了动态吸能性能对材料相对密度和冲击速度的依赖性。研究结果表明多孔材料的吸能行为可依据变形模式分为三个阶段。在冲击模式下,多孔材料单位体积吸能与相对密度成线性增加关系,此时惯性起主导作用;在过渡模式下,惯性的主导作用减弱,单位体积吸能量的增加速率随相对密度的增加而减弱;在准静态模式下,多孔材料只能发生微小的变形,其吸能很少。本文进一步获得了区别于多孔材料准静态应力-应变曲线的动态应力-应变状态曲线,并考察了其与相对密度之间的关系。结果表明：随着相对密度的增加,多孔材料的动态压实应变将变小,而动态塑性平台应力将提高。     

土的本构方程与热力学

介绍一种基于热力学理论建立土力学本构方程的一般性理论框架. 这一方法利用两个势函数即自由能势函数和耗散势函数(或屈服函数)以及固定的过程和框架, 建立土的本构方程. 简要介绍了建立热力学本构方程中所用到的热力学内变量理论, 利用Legendre变换建立了热力学势函数之间以及各耗散函数与屈服函数之间的关系;利用自由能势函数和耗散势函数(或屈服函数)建立土的本构方程及其具体步骤. 最后讨论了土力学本构方程研究的意义以及它和应用之间的关系.      

用于板料成形反向模拟的特殊应力更新算法

提出了一种改进的反向模拟法,以最终构型为研究对象,采用Euler坐标系,基于虚功原理获得有限元列式. 改进的反向模拟法采用了一种基于塑性流动理论的本构方程,可以充分考虑应变历史对塑性变形的影响. 为了避免流动理论应力更新算法过程中关于未知量\Delta\lambda 的非线性方程的求解,引入等效应力思想,无需Newton-Raphson迭代直接计算未知量\Delta \lambda . 盒形件的拉深实例中,传统的基于塑性形变本构方程的反向模拟法和改进的基于塑性流动本构方程的反向模拟法计算结果,分别与基于增量有限元法的正向数值模拟求解器LS-DYNA计算结果进行对比. 通过获得的坯料轮廓、成形极限图、等效应变分布、计算效率等的比较,验证了所提出的基于塑性流动理论本构模型的应力更新算法的有效性.      

塑性损伤本构模型的自由能势函数研究

自由能势函数是不可逆热力学量及其共轭量的标量泛函,是广义标准材料模型的重要组成.论文根据损伤状态、过程、作用和伪势的定义和定理,分析了损伤耗散势的数学和物理含义,探讨了损伤耗散势的理论基础和描述耗散势的一般理论方法.研究了耗散势、损伤作用和自由能势函数的相互关系,给出了满足上述基本原理的自由能表达式,基于增量最小原理的变分形式得到了损伤理论基本方程的数值离散方程,实验模拟验证了该文理论和数值方法的正确性和有效性.     

冲击载荷下盐岩的力学性能和本构关系研究

利用直径75mm的大尺寸SHPB实验装置开展盐岩的动态压缩性能实验研究,得到了其动态应力应变曲线。分析表明,在冲击压缩载荷作用下,盐岩材料有明显的损伤软化现象和应变率效应。针对实验曲线,通过引入描述材料强度随应变率强化的应变率增强因子和随不可逆变形发展而弱化的损伤因子,提出了含损伤率的相关动态本构模型,拟合得到的本构方程形式比较简单,能够较好地反映盐岩动态实验加载过程的主要特征,具有一定的工程应用价值。     

布居数反转的非平衡流模拟计算——对流动激光器性能的研究

Ⅰ.引言40年代不可逆过程热力学已形成一个新的领域。60年代初对扩散、传热、导电、弛豫以及热电、电磁等不可逆过程的各种唯象处理已被综合为统一的体系——非平衡态热力学。由于热机、气体放电、热核聚变以及天体物理、地球物理等方面的研究和发展,流体力学与非平衡态物理学相结合而形成的非平衡流问题的研究已扩展到广泛的领域,流体力学与非平      

物理变分原理及其在电磁介质中的应用

和数学变分原理的意义不同,物理变分原理是物理界的客观规律,是基本规律.热力学定律是能量守恒定律,指任一自然过程的能量总是守恒的;但同时又是物理变分原理,指从一种状态变化到另一无限接近的状态,在所有可能的稳定过程中,真实过程的能量取极小值,因而又是动量定律.特别是对于存在迁移变分的过程和偏离平衡态不大的不可逆过程,物理变分原理特别有效,可以用来推求连续介质的控制方程,且尚未完全研究透彻.本文对这一原理及其在电磁介质中的某些应用进行了一些研究.     

GEOMETRIC AND MATHEMATICAL ANALYSIS OF THE ASSUMPTION OF SMALL DEFORMATION1)

小变形是材料力学最基本的概念之一。材料力学中众多的推理和演绎都是在小变形假设条件下完成的, 若对概念的认识不清晰, 会得到错误的结果。本文通过某超静定结构建立变形协调方程的过程中, 将同一小变形假设应用于不同的几何关系却得到不同的变形协调方程的例子, 指出了小变形假设使用中的误区所在, 并进一步通过几何和数学分析辨析了小变形假设的本质、含义及应用条件, 澄清误解, 为今后类似小变形概念的应用提供了理论保证。