流变学基础

湘潭大学土木工程与力学学院TheFoundationofRheology流变学基础流变学绪论IntroductiontoRheology湘潭大学土木工程与力学学院流变学基础绪论主要内容什么是流变学流变学发展简史流变学学科地位流变学学科分类流变学的应用湘潭大学土木工程与力学学院流变学基础绪论几个特殊实验现象(无管虹吸)众所周知，在虹吸实验中，当虹吸管提离液面，虹吸就停止。但对高分子液体，如聚异丁烯的汽油溶液等很容易表演无管虹吸实验，即把虹吸管提起很高，液体还是源源不断地从杯上抽起。更简单地，连虹吸管也不要，将装满该流体的烧杯微倾，使流体流下，这过程一旦开始，就不会中止，直至杯中流体都流光。湘潭大学土木工程与力学学院流变学基础绪论几个特殊实验现象(无管虹吸)试想水为什么不行呢?因为水流自由表面是不稳定的。而高分子流体有使拉伸液流自由表面稳定下来的性质。这说明高分子液体具有可纺丝性，正是由于这种性质使尼龙等成为重要的合成纤维。湘潭大学土木工程与力学学院流变学基础绪论几个特殊实验现象(无管虹吸)湘潭大学土木工程与力学学院流变学基础绪论几个特殊实验现象(挤出胀大)湘潭大学土木工程与力学学院流变学基础绪论几个特殊实验现象(爬杆)湘潭大学土木工程与力学学院流变学基础绪论什么是流变学“流变”(Rheology)一词来源于古希腊哲学家Heraolitus所说“”，意即“万物皆流”，甸译为“流变”，取意“一切皆流，一切皆变”。流变学是研究物质流动与变形的发生与发展的一般规律的科学。vaπατρει湘潭大学土木工程与力学学院流变学基础绪论什么是流变学山，经历长久的地质年代可发生流动；水，在突然施加暂短外力的情况下可表现为弹性体。这些现象说明，物质本身固有的弹性和粘性这一对内在性质，因外界力的作用时间而相互转化。实质上，这种弹性和粘性是组成物体的各质点之间相对运动的表现。流变学：当外界作用的历程和参数为已知时，在某一瞬间物体中某一点的应力和应变是怎样的？湘潭大学土木工程与力学学院流变学基础绪论什么是流变学流变学是根据应力、应变和时间来研究物质流动和变形的构成与发展一般规律的学科，它的任务是用描述真实材料特性的模型，把物体、构形、力系三者联系起来（有时需要包括温度、熵、自由能等量），即建立包括时间因素的本构方程，以描述材料在各种复杂外界条件下的流动和变形特性。流变学理论基础的建立，首先是物理模型，尔后才是数学模型。湘潭大学土木工程与力学学院流变学基础绪论流变学发展简史十九世纪三十年代开始，人们发现物体在很多情况下具有经典理论无法解释的与时间有关的力学特性。例如：Weber于1835年研究铀丝时发现弹性滞后现象。l865年，Kelvin发现锌具有粘性性质，其内阻抗与变形速度不成比例。两年后，Maxwell进一步提出物体的粘性导数的函数。湘潭大学土木工程与力学学院流变学基础绪论流变学发展简史同时，人们还不断发现有许多流体，其剪切应力与剪切速率间不呈线性关系，这样的流体统称非牛顿流体。非牛顿流体力学是根据已知的本构方程研究其流动规律(如传质，传热，压力损失现象），可以用一个一阶线性微分方程来描述，提出应力松弛时间概念，认为粘性就等于弹性模量与松弛时间的乘积。1874年，Boltzmann发展了线粘弹性理论，认为给定时间的应力不仅取决于该时间的变形，而且也取决于以前的变形，从而建立适用于线性范畴的叠加原理。这些工作使流变学渐具雏型。湘潭大学土木工程与力学学院流变学基础绪论流变学发展简史1945年Reiner指出，欲使爬杆现象的Weissenberg效应不出现，必须施以正比于转速平方的压力。稍后，Rivlin得到不可压缩弹性圆柱体扭转的精确解，使主体扭转时为什么会伸长的Poynting效应问题自然获得解决。这两项工作更深一层的意义是，在建立非线性本构方程方面走向了一般化方法发展的第一步。这个成功鼓舞着人们研究非线性本构关系的勇气，从而开始了对非线性粘弹理论的攻势，并由此导致整个流变学的蓬勃发展。湘潭大学土木工程与力学学院流变学基础绪论流变学发展简史随着生产力的提高，根据生产需要和学科发展的内在规律，流变学逐渐形成独立学科。1929年，美国首先成立了流变学学会。同年，流变学家协会会志创刊。1932年，荷兰皇家科学院成立粘度协会，1950年改称荷兰流变学学会。1940年，英国成立流变学家俱乐部，1950年改称英国流变学学会。1950年，德、法、日、瑞典、澳、奥地利、捷、意、比、以色列、印度等国家先后成立了流变学学会。为进行国际间的学术交流，首届国际流变学会议于1948年9月在荷兰召开。以后每隔五年，在不同的会员国召开一次会议。湘潭大学土木工程与力学学院流变学基础绪论流变学发展简史1961年，国际流变学学报创刊。1975年下半年又从季刊改为月刊。Truesdell在第四届国际流变学会议上介绍了流动和变形的理性力学，奠定了流变学更严密的理论基础。随着理性力学从小变形理论到有限变形理论、从物性的线性理论到非线性本构理论、从古典物体模型到微结构理论、从协调理论到非协调连续统理论的发展，流变学在1965年以后发展到一个新的阶段。它从描述现象的唯象论，发展到考虑物质内部“质点”结构的实体论阶段。湘潭大学土木工程与力学学院流变学基础绪论流变学发展简史李四光在地质力学中根据岩体蠕变现象研究了地壳运动规律。陈宗基从宏观和微观两个方面先后提出粘土的流变本构方程、二次时间效应及片架结构理论，稍后，他又对岩石和软弱夹层进行研究，从板块理论出发深入研究我国地震机制。钱人元对聚合物稀镕液及本体粘弹性与大分子结构关系等也有较深入的研究。我国流变力学工作开展较早，并在某些领域卓有成绩。例如：湘潭大学土木工程与力学学院流变学基础绪论流变学发展简史此外，对黄土流变性质、土基应力分布、通用线性模型的研究，以及化纤、橡胶、塑料、金属、合金、棍凝土、沥青等材料的加工工艺与产品性能的流变学研究也取得一定成果。在泥石流、石油钻井泥浆、玻璃与陶瓷、岩石与土等方面也开展了流变学研究工作。值得特别提到的是，最近我国在生物流变学方面的工作发展十分迅速。我校袁龙蔚、张纯源教授的工作。总之，生产的需要产生了流变学；反过来，流变学的应用又推动了生产的发展。湘潭大学土木工程与力学学院流变学基础绪论¾¾一般力学一般力学与力学基础重点研究一般质点系和刚体系¾¾固体力学固体力学重点研究固体¾¾流体力学流体力学重点研究流体(液体和气体)¾¾工程力学工程力学研究工程中的力学问题流变学学科地位流变学流变学实践性强、理论深邃的实验科学，涉及多学科交叉的边缘科学湘潭大学土木工程与力学学院流变学基础绪论所有的流变现象归根结底都是力学现象。一般力学：研究Euolid固体；弹性力学：研究Hooke固体，变形取决于指定时刻作用的力，而与以前加载的历程无关；流体力学：研究Pascal和Newton液体。牛顿流体力学的基本假设则是：剪切应力与剪切速率间呈现线性关系。流变学学科地位湘潭大学土木工程与力学学院流变学基础绪论固体材料当荷载逐渐增大时，其变形逐渐取决于加载速度；流变学学科地位物体的应力、应变、时间之间不是简单的函数关系，因而流变系数一般是应力与应变的不变量及其时间导数的函数。应力愈接近于材料屈服点，时间因素的作用既愈大。人们不断发现人们不断发现湘潭大学土木工程与力学学院流变学基础绪论根据已知的本构方程研究其流动规律(如传质，传热，压力损失，边界层流等)流变学学科地位流变学流变学研究非牛顿流体的应力与应变的速率及其他流动量间的关系，从而建立本构方程或流变状态方程。非牛顿流体非牛顿流体剪切应力与剪切速率间不呈线性关系的流体湘潭大学土木工程与力学学院流变学基础绪论流变学处于弹性力学、塑性力学、流体力学的前沿，是物理、化学、力学交叉产生新的生长点;涉及物理学、聚合物化学、胶体化学、化工原理、地学、生物学、医学、农学等;应用到的数学有积分交换、张量计算、泛函分析、微分几何、数理逻辑、概率论等。流变学学科地位湘潭大学土木工程与力学学院流变学基础绪论流变学学科分类理论流变学流流变变学学应用流变学用数学、物理、化学、热力学对物体进行宏、细、微观流变性能的理论分析探讨各种流变量测仪的原理和方法，设计高效能新型流变仪在理论指导下解决工农业、医学和国防中的生产工艺、计量诊断、产品质量等问题；把流变学的概念和方法应用于建筑结构、工程防震、石油开发、水坝设计、地基基础、原子能反应堆等各类工程湘潭大学土木工程与力学学院流变学基础绪论流变学学科分类聚合物流变学流流变变学学岩土流变学用数学、物理、化学、热力学对物体进行宏、细、微观流变性能的理论分析探讨各种流变量测仪的原理和方法，设计高效能新型流变仪在理论指导下解决工农业、医学和国防中的生产工艺、计量诊断、产品质量等问题；把流变力学的概念和方法应用于建筑结构、工程防震、石油开发、水电坝设计、地基基础、原子能反应堆等各类工程食品流变学生物流变学金属流变学湘潭大学土木工程与力学学院流变学基础绪论流变学的应用国防地质土木工程化纤与塑料工业石油工业生物流变学既有很强的基础理论性，又有极为广泛的实际应用性，具有无限创新的前景。湘潭大学土木工程与力学学院流变学基础绪论现代国防的发展，如空间飞行器、核反应堆、深潜器、装甲车等都需要了解金属合金、陶瓷晶须在高温、高压下承受复杂荷载历程及经受辐射等极端条件下的性能，这就使得对合金和晶须由扩散引起的松弛及反映位错过程的复杂应力状态下蠕变变形的研究不可缺少。松驰是随塑性变形的增大，应力按比例减小。结构因素是合金、晶须蠕变过程中起决定性作用的因素。所以从微观着手，考虑宏观与微观缺陷，对材料的疲劳、断裂以及结构物的动力响应和随机振动，从流变学的角度来研究就显得格外重要。流变学的应用(国防)湘潭大学土木工程与力学学院流变学基础绪论流变学的应用(国防)又如，导弹弹头的防微波干扰、喷气飞机结构的复合材料化、固体推进药柱分析，以及深水核潜艇上用作浮桶的玻璃钢空心球和亚音速歼击机上气密座舱罩等材料的优质化，都需要弄清楚材料微观组元的流变性能，然后进行“分子设计”，一旦有了设计，就能够把规定力学性能的材料制造出来。湘潭大学土木工程与力学学院流变学基础绪论流变学的应用(国防)现今，宇航事业的发展，使得运动的速度由高速到超高速、荷载由高压到超高压，并且一些材料处于失重状态，从而过去的静态分析或准静态分析不再有效，力需要与电磁现象结合，变形需要与热相结合，失重状态下材料与结构性能变异的探讨以及动态问题的研究日益显得更加重要，这些都在促进流变学的继续发展。湘潭大学土木工程与力学学院流变学基础绪论流变学的应用(地质)为了很好地理解地壳、上地幔的运动状态，就需要深入地研究岩体材料在不同温度、围压、裂隙水等环境条件下的流变特性。同时，地壳本身就是处于永恒的流变状态，应变速率为每秒10-16～10-14毫米，而且变形状态取决于构造应力的历史。湘潭大学土木工程与力学学院流变学基础绪论流变学的应用(地质)地球的自转，地幔的热对流，加上地壳的蠕变，使能量逐渐积累、转移，从而引起一系列新的运动，甚至发生地震；地震是大地构造活动的表现之一，板块运动的科学论据业已建立，板块运动的划分也大致与全球地震带的分布是一致的，但是，至今还无法解释运动的驱动力。湘潭大学土木工程与力学学院流变学基础绪论流变学的应用(地质)从地震活动性的“移动”这个角度来看，我国新疆的天山地带自成一个体系，贺兰山以东，秦岭以北，阴山以南另成一个体系，东北与东南地区则是比较稳定的地区，可是从新港、天津经海域、磨山至北京一线是不稳定地带，在东南的台湾省也不例外，这些都有待于进一步研究。湘潭大学土木工程与力学学院流变学基础绪论流变学的应用(地质)除地震预报以外，就工程抗震来说，需要进行近场地面、地基抗震、结构抗震的确定性分析和概率性分析，从现场观测到室内实验。震源机制分析近近场场地地面面运运动动分分析析震源运动学，主查建立震源的某些函数关系震源断裂力学，主要是确定有效应力场地震波传播分析体波传播分析表面波传播分析湘潭大学土木工程与力学学院流变学基础绪论流变学的应用