热力学第二定律与弹性变形分布的理论研究

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金属材料弹塑性变形下的断裂破坏问题,是固体力学研究中的一个难题。由于断前材料中塑性性质处在各向异性,且不均匀连续状态,塑性本构关系难于确定,如何准确地计算断前结构应力场就成了一件复杂困难的事情,为了解决这一问题,多数学者重点研究材料后屈曲的塑性性质,研究各种位错形态的应力场,取得了许多进展。本文用热力学第二定律研究金属材料弹性变形的分布规律,换了一个研究角度,以帮助上述问题的解决。  金属材料弹性变形现象是一个简单的热力学过程。热力学第一定律给出的功能原理,将确定弹性变形大小,热力学第二定律给出的熵增原理,则确定弹性变形的分布。用热力学思想分析材料的弹性变形过程,首次得到以下几点新的认识:  1、从功能原理可推导虚位移原理、虚应力原理,进而推导平衡方程、几何方程,以上原理方程其物理属性均为热力学第一定律,只能用于求解弹性变形大小,不能确定弹性变形分布。从熵增原理可推导最小变形能原理,其对应泛函的欧拉方程是变形协调方程,以上原理条件均为热力学第二定律的应用,它独立于热力学第一定律,可用于确定弹性变形的分布。  2、本构关系不是热力学第二定律的应用条件。对不同物理场,熵增是场中能量分布的走向,熵极大时能量达到满足边界条件的最均匀状态,物理场处于稳定平衡状态。物理场中主要物理量对能量的表达则是场中本构关系,对弹性变形场,应力、应变和变形能的关系是其本构关系,它由材料性质确定,即与热力学定律无关。弹性力学中,对几何方程求导再整理得到变形协调方程,求导会改变方程的物理属性,几何方程给出的结构变形中应变与位移的等价关系,属热力学第一定律属性。而变形协调方程可由热力学额第二定律的最小变形能原理推导出,给出结构弹性变形的分布条件,属热力学第二定律属性。  3、由最小作用量原理或熵增原理都可推导出最小变形能原理,即受力结构真实发生的弹性变形,使外力在其上做功取最小值或内力势能取最小值,这是弹性变形的唯一真实存在的极值原理。功能原理其物理意义是能量守恒、是不变分原理,由它不能推导出极值原理。但弹性力学从其出发建立了最小势能原理、最小余能原理,进而也能得出最小变形能原理。由于用热力学第一定律条件并不能推导出热力学第二定律条件,弹性力学建立该极值原理的逻辑推导过程是否存在问题,原理是否正确则需要深入讨论。  通常弹性变形大小与分布可用变形能场、应力场和应变场的大小与分布描述。从热力学定律出发,这些场的控制方程应分别是功能原理和最小变形能原理,平衡方程和应力协调方程,几何方程和变形协调方程。本构方程仅表达了各物理场间内在关系。文中用热力学第二定律思想,分析了杆件应力场分布求解,讨论有限元法求解中弹性变形分布规律的控制条件。研究表明应用热力学第二定律的最小变形能原理,求解弹性变形应力场的分布是合理可行的。这就为解决结构断前弹塑性变形下的变形能场、应力场的分布建立了新的思路,会促进这一难题尽早解决。
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