本构关系 constitutive relations
反映物质宏观性质的数学模型。又称本构方程。归纳宏观实验结果,建立有关物质的本构关系是连续介质力学和流变学的重要研究课题。最熟知的本构关系有胡克定律、牛顿粘性定律(见粘度)、理想气体状态方程、热传导方程等。
建立本构关系时,为保证理论的正确性,须遵循一定的公理 ,即所谓本构公理 。例如纯力学物质的本构公理有三:确定性公理(物体中的物质点在时刻t的应力状态由物体中各物质点的运动历史唯一确定)、局部作用公理(物体中的物质点的应力状态与离开该物质点有限距离的其他物质点的运动无关)和客观性公理(物质的力学性质与观察者无关)。若考虑更复杂的情况,本构公理的数目就相应增多。求解连续介质动力学初边值问题,本构关系是不可少的;否则就无法把握所研究连续介质的特殊性,在数学上表现为控制方程不封闭,其解不能唯一确定。建立物质的本构关系是流变学的重要任务,可通过实验方法、连续介质力学方法和统计力学的有机结合来完成。然而,尚未找到一个普适的本构关系,需根据研究对象和流动形态选用合适的本构关系。理性力学除对本构关系进行极为一般的研究外,还对弹性物质、粘性物质、塑性物质、粘弹性物质、粘塑性物质、弹塑性物质以及热和力耦合、电磁和力耦合、热和力以及电磁耦合等物质的本构关系进行具体研究。
1. 本构关系是指材料力学性质的数学表达式。注意这里的几个点:是相对某种材料而言的;反应的是材料的力学性能;是一种公式形式出现的(数学表达式),如应力应变关系,弯矩曲率关系,荷载挠度关系等等都是本构关系。指是一般而言更多的时候是专指应力应变关系。
2. 材料的本构关系是描述材料特性的数学表达式。它是描述材料在时、空中的内部结构的力、温度、变形等之间的关系和运动规律的数学表达式。它描述的是一个变形或运动过程。材料的本构关系包括时间、温度、力、变形、加速度等多种因素,但在常温、不考虑与时间有关的因素的短期静力加载的情况下,材料的本构关系就是应力与应变关系。--摘自大连理工大学宋玉普教授的一本关于混凝土的书(书名没记住)。
3. 在力学问题中,往往涉及到两个场:运动场和力场.力场由平衡方程来描述,运动场由几何方程来描述,注意到这两个场方程是与具体的物质无关的,具体的物质,则由本构关系来描述,这也就是,在两在场之间,必须加以限定,或者说必须给出他们之间的联系,这个联系,或者限定,就是本构关系.它实际上是一种限定关系.
在线弹性力学中,本构关系就是应力——应变关系,更确切地说,就是虎克定律(Hook's Law),但在其它地方,就远不是这些了,比如在塑性力学中,它还包括屈服准则,加载、卸载条件,流动法则等等。在爆炸、冲击等动力学问题中,还要引入应变率效应,在几何非线性中,还要引入不同类型的本构关系(增量型),以考虑转动的影响,总之,不同的情况下,本构关系会有所区别,这个就要具体问题,具体分析了 。
现阶段,一般的静力学和动力学中所谓的本构关系都是数学型的本构关系,也称作宏观型的本构关系,这种本构关系,只对材料的特性作以数学上的描述,而不涉及到材料的微观机理。也有物理型的本构关系,但一般的人用不到。本构关系也在不断地发展中,新型的本构关系(如微加工过程中,材料可能只有几层原子厚,这时,宏观的,数学型的本构关系可能不适用,必须其它型的,流体的本构关系,也有别于固体的本构关系,可能稍简单些)仍是力学工作者的不断探索的问题。本构关系近些年来倾向于用张量来描述。
4.弹性力学中的本构方程又称物理方程,它和几何方程、平衡方程一起统称控制方程。在塑性力学中的本构方程又分为全量形式和增量形式。
推广胡克定律,除机械运动本身外,还考虑其他运动形式和各种材科的物理方程称为本构方程。 |