① 决定性原理:一个物质点p在现在时刻的应力状态只依赖于它的全部运动的历史。即材料当前的应力状态由其运动的历史决定。 可表述为以下两种说法:
",材料对其曾经经历的运动有“记忆”能力; ",材料的力学行为具有历史“遗传性” 。
② 局部作用原理:材料质点的行为可以用其无穷小领域的行为来表征,即某质点的应力状态只与其相邻的其他质点的行为相关。
③ 坐标不变性原理:本构方程必须不依赖于坐标系的选择,应该写成张量形式
——必须采用与坐标系无关的张量来表述。
④ 客观性原理:也称为物质不变或物质无关原理 两种表述方法:
● 本构方程是客观的,它不随参考架的选取而异。对于作不同运动的两个观察者,本构方程必须是相同的。
● 本构方程是客观的,它不依赖于物体作为一个整体在空间所作的平移和转动 ??3. 根据本构方程客观性原理,讨论速度梯度分解的意义。
??4. 简述材料函数与本构方程在概念上的区别与联系。为什么有了本构方程的概念后还要引入材料函数的概念?
??5. 根据本构方程所表征的流变性,介质可分成哪几类?每类介质的流变性各有什么主要特征?
6. 写出流变准数(德博拉数)的定义式,并阐述通常的“流体”与“固体”概念的时间相对性。
NDe=Q材料的特征弛豫时间松弛时间== t过程进行的时间观察时间NDe在是指观察条件下,材料力学响应的特征时间和过程进行时间(观察时 间)的比值。可用于判断材料在某个力学条件下的力学响应是以固体特性为主还是以流体特性为主。(流体、固体概念的时间相对性)
① 观察时间相当长,或松弛时间比较起来相当短,材料的力学响应为拟流体。 ② 观察时间(或过程进行时间)极短,而松弛时间相对较长,则材料力学响应的特点为拟固体。
③ 观察时间和松弛时间在量级相当时,材料的力学响应就表现为粘弹性,材料为粘弹体。
7. 写出幂律模型和Cross模型,并说明方程中各参数的意义。
n-in-1??=k|?=k|?|幂律模型:流体的粘度表述为 a 本构方程为 ?|
其中:?a为流体视粘度,k为稠度系数,?为剪切速率 n幂指数 Cross模型:流体的粘度表述为?=????0???;?0为零剪切速率粘度;??为n1?(??)无限剪切速率粘度;?和n可由实验测定。本构方程为?=(????0???)
1?(??)n8. 根据幂指数的不同,幂律模型可以描述哪几种流体的流变性?绘出每类流体的应力—变形速率和表观(视)粘度—变形速率示意图。
n =1 牛顿模型 K =η;n <1 拟塑性模型; n >1 胀流性模型。 9. 请解释剪切稀释和剪切增稠的概念。
剪切增稠:视粘度随剪切速率的增大而增大的现象 剪切稀释:视粘度随剪切速率的增大而降低的现象
10.根据一般聚合物溶液视粘度曲线,分析幂律模型对描述聚合物溶液流变性的适应范围。
幂律模型是工程应用上最著名和最为广泛采用的非牛顿粘度模型,它在一定的变形速率范围内可以描述许多粘性流体的流变行为:
高分子溶液,熔体,蛋白质,涂料,纸浆等悬浮液,某些浓稠固液悬浮系。 特别注意:
幂律模型只适用于特定的流体(如聚合物溶液)在中等剪切速率条件下的流动。超范围的应用将导致错误甚至荒谬的结果。
11.简述塑性本构方程的意义。写出两种常用的塑性本构方程,并解释其中流变参数(材料常数)意义。
塑性本构方程:描述具有屈服应力的流体流变性的本构方程 宾汉模型;|τ| ≤ |τy|
;|τ| > |τy|
;
Herschel-Bulkley模型:|τ| ≤ |τy|
超过屈服应力后的流动曲线不再是直线。n>1、n=1、n<1描述超过屈服应力后的流变曲线与幂律模型相同的流体。12.阐述触变性和反触变性的概念。
触变性:在固定剪切速率下,材料的视粘度随剪切时间的增长而逐渐降低。 反触变性或震凝性在固定剪切速率下,材料的视粘度随剪切时间的增长而逐渐增大。
13. 触变性与剪切稀释特性有何本质的不同?
触变性是一种时间依赖性效应,触变性是指在恒定的剪切速率和温度下表现出的表观粘度随时间可逆性减小的现象,而剪切稀释是视粘度随剪切速率的增大而降低的现象,是一种切变速率依赖性。
14. 模拟材料力学特性的主要理想元件有哪几个?
(1)弹簧(弹性元件)(2)粘壶(粘性元件)(3)摩擦(塑性元件) 15. 写出模拟线性粘弹性元件的本构方程。
为屈服应力;
为塑性粘度。
?G
=?松驰时间
16. 试推导Maxwell本构方程。
应力关系: τ =τ =τ (1) 应变关系: γ = γ +γ (2)
弹性应变:;两侧对时间求导
粘性应变速率将式(2)对时间求导,得
或写成
松弛时间
17. 简述Kelvin模型的基本构成,并推导其本构方程。
Kelvin模型的基本构成:——用一个弹性元件和一个粘性元件并联组成的模型; 本构方程推导:应力关系:
;应变关系:
γ=τsG;
γ.==DsτD G
18. 试比较Maxwell和Kelvin力学模型,由这两种不同的模型得到的本构方程所描述的介质流变行为有何不同? 第四章习题
1. 流变性测量对流场的基本要求是什么?
2.试推导牛顿流体在圆管内流动的速度和流量方程。 根据管流的特点,
首先由任意半径r处的剪应力表达式。根据稳定管流加速度为0,该流体柱受力: ①
圆
管
两
端
面
的
外
加
压
力
差
推出?rz=-?pr; 2l;
对牛顿流体在圆管中层流,其速度分布方程积分,并代
人边界条件
通过从r到r+dr的圆环柱体的体积流量为:
,流量
。
3. 在圆管中稳定流动实验中可直接测得的参数为压差和流量,如果利用所测得压差和流量数据可以确定流体的粘度
和壁面剪切速率
能否
根据这两式的计算结果绘制一般流体的视粘度曲线?为什么? 4.试推导牛顿流体在狭缝内压力流动的速度和流量方程。
5. 在推导牛顿流体的圆管流动、狭缝流动、同轴环隙流动的粘度和剪切速率时,分别引入了那些假设条件?这些假设条件对于流体流变性的测量有哪些限制? 6. 绘出落球粘度计的原理简图,并简述其基本原理。
7. 落球粘度计需要对Stokes方程进行哪些校正?实际应用的落球粘度计如何处理这些问题?
8. 落球粘度计能否用于研究非牛顿粘性?为什么?
9. 绘出同轴圆筒流变仪原理简图,并导出确定视粘度和剪切速率的计算式。 10. 请分析导致同轴圆筒流变仪测量误差的原因,并详细论述其误差修正的方法。