混凝土徐變力學(xué)10

變溫粘彈性的一般理論前言

研究對(duì)象

主要研究對(duì)象主要內(nèi)容

:

1.變溫松弛曲線的概念(relaxationcurveundernon-constanttemperaturestate)2.確定沿任一變溫歷史的變溫松弛曲線的方法

3.終態(tài)溫度等效松弛曲線的概念(equivalentrelaxationcurveattheterminaltemperature)

4.采用上述曲線建立三維變溫粘彈性本構(gòu)關(guān)系(thegeneralconstitutiveequationsofvisco-elasticmaterialsundernon-constanttemperaturestates)5.證明熱流變簡(jiǎn)單材料理論是本文理論的一個(gè)特例,由此說(shuō)明本文理論是實(shí)用的!二.變溫松弛曲線

意義:

正如恒溫粘彈性理論基于材料在恒溫下的松弛曲線,變溫粘彈性理論則應(yīng)基于材料在變溫下的松弛曲線.

特點(diǎn):

恒溫下,應(yīng)力沿時(shí)間軸松弛變溫下,應(yīng)力沿變溫歷史曲線T=T(t)松弛

圖1中的曲線C是變溫歷史T=T(t)曲線,σ0是初始溫度T0時(shí)的初始應(yīng)力;曲線S則是沿變溫歷史T=T(t)的變溫松弛曲線,它是T-t-σ坐標(biāo)內(nèi)的空間曲線.

圖二為一族變溫松弛曲線,始發(fā)溫度不同,但后繼溫度歷史相似.

初始溫度:Ti=T(ti)

溫度歷史:T=T(ti+t)

曲線族Si

i=0,1,2,…,k,…n

結(jié)論反映了在溫度歷史T=T(t)(0<t<tn)中的不同時(shí)刻施加單位應(yīng)變所對(duì)應(yīng)的不同的松弛規(guī)律.

溫度歷史雖然都是由同一函數(shù)T=T(t)給出,但是具體溫度歷史不同,因而彼此松弛曲線不同.

思考如何得到變溫松弛曲線?

實(shí)驗(yàn)?

對(duì)設(shè)備要求較高,且溫度歷史數(shù)不勝數(shù),不可窮盡!

由此,我們想:

既然恒溫松弛曲線容易得到,能否由一組恒溫松弛曲線確定出沿任一變溫歷史的變溫松弛曲線?三.如何確定變溫松弛曲線方法:

由一組恒溫松弛曲線確定材料沿任一溫度歷史的變溫松弛曲線考慮兩種情況:

一溫度突變時(shí)松弛應(yīng)力按某一規(guī)律突變;

二溫度突變時(shí),松弛曲線有一過(guò)渡段

步驟如圖3,用階梯折線來(lái)近似溫度歷史曲線T=T(t).

當(dāng)ΔTk=tk+1-tk→0時(shí),階梯折線逼近曲線T=T(t).

由此,沿階梯折線水平段的松弛是在一系列不同溫度下的恒溫松弛;階梯豎段突變值隨ΔTk→0而逐漸減少.2.記Tk=T(tk),k=0,1,2,….,材料在T0,T1,….下的一組恒溫松弛曲線見(jiàn)圖4,其對(duì)應(yīng)的松弛函數(shù)分別記為

HT0(t),HT1(t),……

如圖,用階梯折線來(lái)近似某一變溫松弛過(guò)程:

初始應(yīng)力HT0(0)→HT1(t1),溫度發(fā)生突變T0→T1,則如何確定HT1(t1),即圖中C點(diǎn)的松弛應(yīng)力?松弛應(yīng)力的計(jì)算1.Maxwell模型,見(jiàn)Figure.5

突變前溫度為T(mén)0,有:

突變后為T(mén)1,有:

溫度突變時(shí),粘壺不能產(chǎn)生瞬時(shí)應(yīng)變,有:

故有:

得

把Maxwell模型的參數(shù)改寫(xiě)成圖4中恒溫松弛曲線的值,得

(4)

標(biāo)準(zhǔn)線性固化模型突變前溫度為T(mén)0,突變后溫度為T(mén)1,

溫度突變時(shí)Voigt模型不能產(chǎn)生瞬時(shí)應(yīng)變,

故有

得

即有

(5)一般的松弛模型

“任意粘彈性模型”是指彈簧和粘壺的任意組合.

溫度突變時(shí),凡與粘彈性并聯(lián)的部分都不會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)應(yīng)變,仍由彈簧部分決定溫度突變后的松弛剩余應(yīng)力,仍有(5)式結(jié)果.在式子中,

因?yàn)?/p>

所以必有故在松弛曲線上一定存在一個(gè)與等值的點(diǎn),記做C,見(jiàn)圖4,其值為由于粘性元件需要響應(yīng)時(shí)間，所以在瞬時(shí)沒(méi)有應(yīng)變！接著應(yīng)力從C點(diǎn)沿松弛(t2-t1)長(zhǎng)時(shí)間,到達(dá)D點(diǎn),溫度再次發(fā)生突變,到達(dá)E點(diǎn).E點(diǎn)是變溫松弛曲線S(T,t)上的又一個(gè)點(diǎn)S(T2,t2),其值為如此繼續(xù)下去,便可得到變溫松弛曲線S(T,t)上的一系列近似點(diǎn)A、C、E、G、…..、P。可以證明,當(dāng)Δtk→0時(shí),點(diǎn)A、C、E、G、…..、P

作為變溫松弛曲線上的一系列近似點(diǎn)誤差→0

結(jié)論

目前,恒溫松弛曲線的實(shí)驗(yàn)已成熟,利用一組材料的恒溫松弛曲線,按以上算法,編寫(xiě)小程序,對(duì)任一溫度歷史,計(jì)算機(jī)可迅速確定出A、C、E、G、…..、P各點(diǎn),由此可擬合出一條過(guò)這些點(diǎn)的近似變溫松弛曲線.考慮溫度的過(guò)度過(guò)程四終態(tài)溫度等效松弛曲線

問(wèn)題的提出非恒定非均勻溫度場(chǎng)物體上的一個(gè)質(zhì)點(diǎn)X,它從0時(shí)刻起至tn時(shí)刻,經(jīng)歷叻溫度歷史T(t)和應(yīng)變歷史ε(t)(0<t<tn),現(xiàn)在求該質(zhì)點(diǎn)在終了時(shí)刻tn、終態(tài)溫度Tn=T(tn)時(shí)的松弛剩余應(yīng)力.解決思路如圖:為一族變溫松弛曲線,在區(qū)間[0,tn]內(nèi)的某一時(shí)刻tk(溫度為T(mén)k)施加應(yīng)變?cè)隽喀う?tk),其應(yīng)力將沿Sk曲線松弛.到了終了時(shí)刻tn,它松弛了tn-tk

長(zhǎng)時(shí)間,松弛剩余應(yīng)力為:

由線性疊加原理,從0時(shí)刻到tn期間所施加的應(yīng)變,在tn時(shí)刻的松弛剩余應(yīng)力為:(7)

式中的是一族變溫松弛函數(shù)Sk(t)在終態(tài)溫度Tn的函數(shù)值.

定義一個(gè)函數(shù)G(t),令

則G(t)是終態(tài)溫度平面T=Tn內(nèi)的一條平面曲線,見(jiàn)上圖..采用函數(shù)G(t),上式可以寫(xiě)成:(9)

上式表明,沿溫度歷史T=T(t),在應(yīng)變歷史ε(t)的作用下,沿一族變溫松弛曲線Si(i=0,1,2,….)松弛到tn時(shí)刻,等價(jià)于在應(yīng)變歷史ε(t)的作用下,沿恒溫Tn下的一條曲線G(t)松弛到tn時(shí)刻.由此,我們稱G(t)是沿溫度歷史T=T(t)在終態(tài)溫度為T(mén)n時(shí)的等效松弛曲線.五三維變溫粘彈性本構(gòu)方程

采用終態(tài)溫度等效松弛曲線G(t),對(duì)于三維情況,上式成為:(10)(11)設(shè)在時(shí)刻,溫度為T(mén)()時(shí),線膨脹系數(shù)為,在微小時(shí)間間隔內(nèi),溫度改變?yōu)?引起的線應(yīng)變?yōu)?(12)

由線性疊加原理,從0時(shí)刻到tn時(shí)刻,經(jīng)歷了溫度歷史T(t),應(yīng)變歷史ε(t)及線膨脹,在tn時(shí)刻的松弛剩余應(yīng)力為:

對(duì)各項(xiàng)同性材料,類似恒溫粘彈性力學(xué)的推導(dǎo),用t代替tn表示終態(tài)時(shí)刻,得其中,六熱流變簡(jiǎn)單材料理論的推導(dǎo)

熱簡(jiǎn)單材料的概念:

是指這樣一種材料,它們?cè)跍囟萒時(shí)的恒溫松弛函數(shù)HT(t)和某一基溫T0下的恒溫松弛函數(shù)g(t)=HT0(t)有以下關(guān)系:

其中稱為移位函數(shù),且由以上定義,對(duì)任意溫度T有即熱簡(jiǎn)單材料彈性模量不隨溫度變化,在任意溫度下其恒溫松弛曲線的初始應(yīng)力都相同.變溫松弛曲線的確定劃分時(shí)間為n段由于溫度突變時(shí)熱簡(jiǎn)單材料的松弛剩余應(yīng)力不變,故圖11中,B與C.D與E.F與G各點(diǎn)的應(yīng)力值相等.

故有:從A點(diǎn)經(jīng)B.C.D…P點(diǎn)相當(dāng)于沿g(ξ)從g(0)連續(xù)松弛了:

長(zhǎng)時(shí)間.

當(dāng)時(shí),

由此便得:

變溫松弛函數(shù)S(T,t)在t時(shí)的精確解:

就是沿溫度歷史的變溫松弛曲線:物理意義終態(tài)溫度等效松弛曲線的確定由終態(tài)溫度等效松弛曲線的定義可