如图,一个物体上的微小元()由于物体的变形(拉伸旋转等)变成了变形后的()。由图可知,即。现在我们记PQ的长为,P'Q'的长为。不难得到, 。
现在我们展开, 带入:
现在我们引入大变形应变Green-Lagrange strain 。
所以我们可以得到大变形理论应变:
我们都熟悉小变形应变公式,也就是说,小变形的情况应该是这个高阶项小到可以忽略的情况,一般来说(个人观点),应变小于2%比较适合使用小变形理论。仅个人拙见,不足之处还请指正。
说一个片面的简单的区分方法,小变形是指变形后的物体,其力的作用的大小,方向和作用点不随变形后物体的变化而变化,即忽略物体变形带来的力的改变。大变形就是要考虑力随着物体变形而变化。
这里的力指的广义力。
初学连续介质力学,一点思考。
小变形(原始尺寸原理):参考构型下算梯度
大变形(有限变形):当前构型下算梯度
摘几页我的笔记,有兴趣点我看文章。
小变形的原理:
接下来是大变形问题:
罒ω罒初学,有误请指正~
很多人用大变形来描述小变形的相对面,其实是不准确的,准确的叫法应该叫“有限变形理论”。有限变形理论是固体力学、连续体力学的一部分。有时间可以看这方面的书,我在这里就简要讲一下两者的区别。
问题1:
小变形理论是用来做什么的,小变形理论是有限变形理论的特殊情况,直接研究有限变形理论不好么,为甚么把小变形单独拿出来谈?
回答:
小变形理论或者小变形假定是线性力学理论的一部分。
线性力学理论有两个假定,一个是小变形假定,另一个就是本构关系的材料线弹性假定(胡克定律)。这两个线性保证了力学微分方程的线性。
力学的微分方程的得到参看《弹性力学》:力学三大方程包括 几何方程(应变—位移关系:小变形假定后变为线性)+物理方程(应力—应变本构关系:材料线弹性后变为线性)+平衡方程(应力—体力关系:本来就是线性的)三大方程线性,力学(总)微分方程线性。
微分方程的线性再加上边界条件的线性(这里不详细展开了,接触问题是*明显的边界条件非线性导致的非线性问题),就得到线性力学理论。
线性力学理论有什么作用呢?
回答就是:(力学||这里其实无论哪一门科学)微分方程和边界条件都为线性时,可以直接得到问题的解(不管几阶微分方程,这里详见《高等数学》微分方程—几种可解的微分方程—线性微分方程一定可解)。
从而力的独立作用原理,或者也可以叫做,力的叠加原理也得以实现。
他们都是根据 (力学||这里。)线性微分方程解的叠加原理 (不解释,自己百度,解=通解+特解,什么时候可以线性叠加?)得到。因为独立作用,所以可以互相叠加。所以每一个物理量(比如梁的挠度,和水平向位移)都可以通过单一作用得到的结果,代数加和即可。
问题2
大变形、或者将,有限变形导致了什么。或者讲,非线性理论和线性理论相比,有什么不同。
回答:
按照力学微分方程和边界条件的线性非线性,我们把非线性问题分为
1、 材料非线性(即本构关系非线性 比如 弹塑性力学 )
2、几何非线性(包括 大变形||有限变形理论 和 压杆稳定||屈曲分析(略去不谈))
3、接触非线性(边界条件非线性)
这几类。
这三种非线性直接导致的结果是:(力学||无论哪门科学的)非线性的微分方程是无法直接解的超越方程。(自己百度“超越方程”并参照《高等数学》—微分方程—几种不能直接解的微分方程—什么你说没有,除去能直接解的几种,剩下的不都不能直接解么?)这种方程一般不能直接得到解析解,只能得到数值解(自己百度“解析解”和“数值解”),而数值解的解法一般为迭代法(*着名的为牛顿迭代法,自己百度“牛顿迭代法”。)
问题3
有限变形假定与小变形假定的关系,即,有限变形理论加入了那些条件简化为小变形理论(现在想想真是废话,当然加入了小变形假定的条件) 以及
这个过程在方程——几何方程(应变—位移关系:小变形假定后变为线性)中——是如何实现的。
回答:
这个其他回答里说了,我就不再多说一遍了,涉及到张量,不懂张量的话,可以看我关于张量问题的回答。
小熊酱:怎么通俗地理解张量?
小变形理论,和大变形理记,都属于弹性理论范围,核心概念有应变,位移和位置坐标(就是听起来很高大上的物质(点)坐标,)。物质点位移是物质点位置坐标的函数。位移对坐标求偏导数就是应变。
小变形理论是指,所有物质点之间都有相对位移,但是所有物质点的位置坐标都没有动。这是一种很神奇的现象,所有物质点的位置不动就没有相对运动,没有相对运动,哪来相对位移。所有的理论书籍都不会描述,一般人看到的都是严密的高等数学的公式推导,高阶小量的省略简化。很多以“小”字命名的理论,简单一点的说,就是sin(θ)≈θ cos(θ)≈0.
事实上,由于采用了偏微分方程进行物理描述,连续介质理论已经发展到头了,其求解难度是太大了,有限元解法的可扩展性也不太大。气体,液体,还有固体,大多都趋向于用离散介质模型,用(或者转化为)常微分方程描述,进行动力学求解。