基本介紹
- 中文名：黏彈性體
- 外文名：Viscoelastic body
- 特點：同時具有彈性和粘性
- 變形過程：隨時間變化的過程
- 例子1：高分子材料
- 例子2：築路與建築材料
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粘彈性體概述
許多固態新物質、新材料的力學特性超出了彈性的範疇，這樣使得粘彈性理論的出現和發展成為必然。同時具有彈性和粘性兩種不同機理的形變，綜合地體現為粘性流體和彈性固體兩者的特性的材料稱為粘彈性體。粘彈性體材料受力後的變形過程是一個隨時間變化的過程，卸載後的恢復過程又是一個延遲過程，因此粘彈性體內的應力不僅與當時的應變有關，而且與應變的全部變化歷史有關。這時應力與應變間的一一對應關係已不復存在。常見的粘彈性體如高分子材料、築路與建築材料、高溫下的金屬等。
在很多情況下，例如在室溫條件下鋼的變形，時間因素的影響是很小的，以致可以忽略不計，彈性理論和彈塑性理論能夠合理地使用。然而在另外一些情況下，時間效應卻是重要的，例如在高溫環境中的金屬材料，可以在較低的應力下屈服，隨著時間的流逝它能積累很大的變形。對於岩石，相對於地質時間尺度的地殼運動來說，它的流變性質也是不能忽略的。在這些情況下，在變形過程的分析中考慮時間因素是完全必要的。
粘彈性理論概述
介質的變形和應力隨時間變化的這種特性稱為粘性，例如塑膠、橡膠、油漆、樹脂、玻璃、陶瓷、混凝土以及金屬等工業材料，岩石、土壤、瀝青、石油和礦物等地質材料，肌肉、骨骼、血液等生物材料，同時具有彈性和粘性兩種不同機理的形變，綜合地體現為粘性流體和彈性固體兩者的特性，材料的這種性質稱為粘彈性。材料的粘彈性性質依賴於時間、溫度、負荷、載入速率和應變幅值等條件，在這些有關的條件中，時間和溫度的影響尤其明顯。
馮元禎指出，生物材料往往具有明顯的粘彈性。幾乎所有的生物固體都是粘彈性體，只不過有的粘性較強，有的彈性較強，程度上有所差別。在生物醫學工程方面的許多專著和論文集都論述了生物體的粘彈性性能。聚合物科學和塑膠工業的迅速發展，現代技術中金屬材料在高溫條件下的廣泛套用(如噴氣發動機、蝸輪透平、航天裝置和核動力設備等)，生物和地質學等工程科學的深入研究，都使得材料的流變機理、粘彈性理論與套用的研究顯得越來越重要。粘彈性力學是固體力學的基礎內容，成為連續體力學的一個重要部分，正愈來愈廣泛地套用於工程之中。而對粘彈性接觸問題，也相應地大量出現。對由此可見，粘彈性接觸問題在工程實際中有廣闊的套用前景。近年來，隨著農業生產機械化程度的提高，提出了許多有著重要意義的新問題。市場對於產品的質量要求更為苛刻，機械化的收穫方式對農產品的收穫最佳時間、高效準確的分離方法、以及對產品質量的評估和控制也提出了更高的要求。為滿足這些要求，許多相關的學科與農業工程相結合，出現了一些新興的研究方法與套用技術。
粘彈性體的研究概況
粘彈性體的研究進展從十九世紀三十年代開始，人們發現某些物體具有經典彈性理論無法解釋的與時間有關的力學性質。例如，1835年，Weber發現蠶絲具有彈性後效現象;1865年，Kelvin發現鋅具有粘性性質;後來Maxwen指出，這些粘性現象可以用一個一階線性微分方程來描述，並提出應力鬆弛時間概念。到了二十世紀三十年代，美國賓漢教授倡議成立流變學會。流變學的發展同世界經濟和工業化進程密切相關。現代工業需要耐高溫、耐蠕變的高質量的合金和高強度的聚合物。在土木工程中，地基的變形可延續數十年之久，地下隧道竣工數十年後，仍可發現蠕變斷裂等等，這些現象都需要一種新的理論——粘彈性理論來解釋，並解決相應的問題。現代工業化的需要，使得粘彈性理論不斷發展，隨著研究成果的積累，進入九十年代，已具有相當的水準。
ZienkiewieZ和wattonA採用微分型本構關係，套用增量疊加的方法分析平面粘彈性體的應力和變形。計算中將總時間分成幾個時間段，假定在每一個微小的時間段內應力保持不變，在該段時間內產生的蠕變變形在下一時刻作為初應變與載荷和溫度變化一起按彈性解求出位移增量，逐步疊加得到總位移量。但微分型本構關係中的參數較難從實驗所得的曲線中求得，且難以考慮溫度對粘彈性回響的影響，所以絕大多數的研究都採用積分型本構關係。 ArgyriS等採用積分型本構關係，假定粘彈材料具有熱流變簡單性質，用移位函式考慮其對松馳特性的影響。體積模量分別假定為常量或時間的函式，對平面和軸對稱粘彈性體採用逐步增量疊加和全量計算得出每個瞬時的變形。將完整的應變和溫度歷史的增量本構關係併入程式，使該程式也能用於線粘彈性材料，作為例子他們計算了具有鋼(彈性)外殼的固體柱在緩慢和突然冷卻下的應力和變形。考慮到固體柱材料的泊松比接近1/2，為避免應力、應變穿過單元時發生振盪，Yadagiri和Reddy建議用選擇積分點的方法，即對形狀變化部分和體積變形部分分別採用3階和2階高斯積分規則。由於粘結接頭在航天運載工具、複合材料元件以及眾多輕結構元件中大量使用，粘結接頭的研究日趨深入。
考慮到粘結層與被粘物體相比很薄，Yadagiri等假設應力沿粘結層厚度不變，將線粘彈性材料的粘結層和被粘物體分別劃分為6節點和8節點等參單元，計算粘結層沿長度方向的應力分布。不同於以上使用的常規有限元法，即空間部分用有限元法、時間部分用差分法，Adam提出的空間一時間單元用於線粘彈性分析，該方法將形函式矩陣N(X，t)分成兩個矩陣，分別與時間變數和空間變數有關，與常規有限元法相比簡化了計算。利用粘彈性一彈性相應原理，將粘彈性問題變換成域內的彈性問題，用有限元法求解，然後再依靠數值反變換得到原粘彈性問題的解。
