土木专业外文翻译.doc

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1、液体与固体的流变学4.1弹性与粘性性能目前所讨论的材料的行为有关其短期压力的反应。这种反应是唯一需要考虑是否材料是一种理想的弹性固体。然而，在实践中，大多数工程材料会有附加组件，并且具有时间的依赖性。这种反应是粘性材料特性，因此，材料显示出既有即时的弹性元件的应激反应和时间依赖性粘性组件的固体指作为一种粘弹性材料。因为大多数工程在一定条件下的拉压都呈现时间依赖的特性，因此，严格的来说，应该都将其定义为粘弹性材料。然而，在实际上此术语是主要用来描述在常温下其时间依赖性反应，例如沥青和聚合物等特别大的材料。弹性、 粘性和粘弹性材料之间的区别可参见图 4.1 和考虑材料的三种类型对相同的瞬时载荷-时

2、间曲线 （如图，在突然施加荷载和在删除卸载）的响应。对于一种弹性的材料，所有的应变是瞬时的；当外部荷载移除，所有的应变被恢复原位。对于纯粘性物料时，应变随时间在荷载作用不断地变化并且不可恢复。对于中间情形的粘弹性材料，当外荷载作用时，瞬时应变也会发生变化。然而，还有附加的应变在荷载作用下随时间而增加，当荷载移除部分恢复。图 4.1 所示，在应用瞬间，瞬间释放在的弹性 ； 负载的负载时间周期的三种不同类型的材料响应粘性 ；粘弹性。已经有人讨论了一种理想的固体材料的弹性反应和通过 (胡克定律) 的应力和应变之间的关系，如下所示 （4.1）其中代表应变、代表应力，以及E 表示弹性模量。粘性的反应可以

3、通过应力和应变比率之间的类似关系描述。即为，粘性材料中施加拉力。 （4.2）其中是应变的斜率，代表应力，是粘滞系数。西米对于一种理想粘性材料（牛顿流体）中剪切荷载作用下。 ， （4.3）在这里是剪力的斜率 ；为剪应力，是粘滞系数。 假设，泊松比为 0.5，我们有 （4.4）最后，我们可以显示广义的应变速率方程的牛顿流体方程与 方程 2.25 相同的形式，在第 2 章： (4.5)4.2简单的流变模型力学模型是用来描述粘弹性材料的性能最方便的方式。这些模型的建立可通过各种组合的流变的基本要素。图 4.2 所示这里考虑的三个基本要素。胡克原理或弹簧，是完全的弹性体 ；全部深裂至试样的能量作为应变能

4、量存储。其应力，应变行为可由式子表达，其中，在这种情况下，E 表示弹簧的刚度。牛顿原理或阻尼器，是完美粘性体。所有传递给它的能量以及应力与应变率效应可由方程 4.2得出，。图 4.2 他三基本流变元素：胡克（弹簧），牛顿 （阻尼器），圣维南。圣维南原理表示物体在应力作用下的运动会受到它与所依赖的水平表面之间的摩擦力的阻碍。如果所施加的力超过了摩擦力，物体将发生移动。因为物体一旦克服摩擦力，它将产生加速度，这是不切实际的，圣维南原理只用于联同其他原理，它表示屈服强度是独立的时间。由于这三个基本原理，与日益复杂的流变模型可建立了适宜组合的元素，以模拟真实材料的粘弹性行为。简单的模型可以被组合通过计

5、算在压力作用下有时间依赖性反应的固体和流体。这种模式被称为流变模型和力学建模和宏观的表征的依赖时间的应激处理的分支被称为流变学。它包括固体和液体，两者都表现在实践 （胡克弹簧） 固体或液体 （牛顿阻尼） 的理想模型。对于土木工程应用，还有需要处理固体和液体，作为很多更重要的建筑材料正在施工现场上则仍处于其流体的状态 （例如波特兰水泥混凝土和沥青混凝土）。4.3流体的流变学评估流体的应力与应变之间的关系，至关重要的是描述他们的行为，它不像固体那样可以简单直接描述，在这里可以直接施加载荷（应力）和变形（应变），可测定在加载试样上直接测量。在流体测量是物体的本质，以文书被统称为粘度计。更常见的粘度计

6、是同轴圆柱类型，外筒在额定的受控的角速度和内筒是静止不动 （如图 4.3）。保持内筒静止所需的扭矩被衡量外缸角速度一个函数。如果两个气缸之间的差距是充分的小，然后为理想牛顿流体下列关系可以导出。 （4.6）代表扭矩、是粘度的流体。和的内圆和外圆的半径，分别地，h 是气缸盖的高度和室转筒的角速度。因此，在与存在线性关系，类似于之间的剪切应力和剪切应变速率。因此，如果直接的应力和应变速率可以在流体中获得，那么对一种同轴的粘度计角速度的扭矩测量的曲线可以获得性质相似。对于牛顿流体来说，曲线会是线性的并且经过原点 ；曲线的斜率可以求得，通过方程4.6的粘度系数的计算。这种曲线被称为流动曲线，是表征流体

7、的基础。图 4.3 概要描述一种同轴圆筒旋转粘度计测量流体的流变性能。测得的流量曲线表明许多流体中的行为比那个定义为理想牛顿流体的更复杂。有四种不同类型的液体，如图 4.4 所示，其中三个非牛顿流体。在剪切增稠流体中，表明较大的阻力，流动随着应变率的增加而提高。在剪切变稀中，粘度以更大的斜率降低，表明剪切应力作用下，粒子之间的约束被打破，从而允许液体更容易流动。这两种类型的流体有时称为假塑性，并且他们的流量曲线可以由以下的一般方程： （4.7）其中代表流体特征，是流程的指标 ；，行为是剪切增稠和，它是剪切变稀。虽然这些液体并没有单一的粘度值，他们经常被认为像牛顿在给定的剪切中定义的表观粘度 （

8、如图）。图4.4三种类型的流体的流变学性能如流动曲线：剪力变稀，剪力增稠，材料的宾汉姆屈服点。流动曲线的屈服（图 4.4 c） 是典型的流体流量，在开始前初始应力必须克服。如果超过屈服后的流量曲线是线性的，然后流体（图.4.5）的宾汉姆流体模型描述的行为。阻尼器和摩擦的一系列中，并在无应力可以转入阻尼器，直到摩擦力被克服。宾汉姆流体模型是显示只有通过固体悬浮液，如水泥粘贴和新鲜搅拌混凝土、流体的状态。屈服应力表示 的絮凝结构的（见图 1.15）。图4.5宾汉姆流体模型流动曲线并不一定是可逆的 ；那就是，减少剪切速率，向下的弧线与向上的分支滞环可能形成。这是剪切变稀流体的特征，在增加剪切伴随逐渐

9、衰弱的絮凝结构，尤其在悬浮颗粒，在初始混合和剪切分离颗粒和减少它们之间的引力逐渐崩溃。如图4.6a 所示。如果这次分裂维持和携带进入下降分支，所需的相同的应变速率的剪应力是低于上升的曲线，如图 4.6a 所示。如果周期，当流体处于静息状态，完成后，结合可以重新形成下, 一个测试周期提供相同的曲线，这种材料据说是触变性（图 4.6b）。非触变性流体中第二次测试将导致上升的曲线相同于第一次降支测试 （如图4.6c）。在土木工程中我们经常要处理悬浮液，而不是纯液体（如水泥浆液扩散、 新拌混凝土和沥青水泥），其流动可以用以前讨论过的模型来描述。在场的悬浮的固体影响流变参数 ；浓度和粒径大小很重要。这种

10、关系的一个例子是，如下所示： 其中 悬浮物的粘性 纯液体的粘性 部分固体颗粒的体积 当颗粒充满时最大体积 在低密度固体中与悬浮物有关的粘性图4.6阐述的触变性和飞触变性流体的流动曲线表现出：第一循环剪和迟滞，第二循环的流体触变性；第二个周期流体的飞触变。非牛顿流体，也可以描述为粘弹性材料的粘性成分支配。流变模型来描述这种行为是类似于那些在下一节中描述的粘弹性固体用的。4.4粘弹性固体流变学图 4.2 所述的基本要素的不同组合，能模拟固体的流变行为。与他们，日益复杂的流变模型可能建立实际工程材料的行为。最简单的流变模型，那些只有两种元素组成：麦斯威尔模型、 开尔文模型和普朗特模型。这些都是图4.

11、7 中所示。图 4.7 两元素相应的流变模型。4.4.1麦斯威尔模型麦斯威尔模型包括弹簧、 阻尼器一系列。在相同应力作用于这两个元素，所以总应变等于两个元素应变的总和。弹簧的拉伸给出了；阻尼作用下拉伸服从关系。微分中与时间有关，总和，得出了 （4.8） 现在考虑麦斯威尔模型对两个极限荷载情况下的反应：恒定应力和恒变形。在恒定应力下，所以方程4.8 成为 （4.8a） 那就是，将瞬时的 （弹性） 应变，由式子给出了，这是可恢复的，其次是线性增加的应变，这是不能恢复，如图4.7a中所示。这种类型的行为通常称为徐变 （见 4.5）。另一方面给出，如果一种应变突然应用到系统并且保持恒定，则应力作为时间的函数可 (4.8b)求解，我们将得到 (4.8c)这意味着是指数应力松弛，如图 4.7a 所示。4.4.2开尔文模型开尔文（或等应变）模型由一个弹簧和阻尼器并联组成。在这种情况下，每个元素中的伸长率保持不变。因此， 以及 ，所以， (4.9)在压力恒定下，我们可再次得到徐变行为与方程4.9 的解 （4.9a）那就是，应变，在没有阻尼器的情况下直接获得，相反是指数形式。恒定应变下，还有一些应力松弛和压力保持不变，在，如图4.7b 中所示。如果材料是给出了一个突然的位移，然后被释放，还有指数应变松弛，给出了下式 （4.9b）