
【化】 deformation work; work of deformation
变形功(Deformation Work)是工程力学与材料科学中的核心概念,指物体在外部载荷作用下发生形状或体积变化时,外界所做的机械功。这一过程涉及能量从机械能向物体内部应变能的转化。
根据连续介质力学理论,变形功的数学表达为: $$ W = int{V} left( int{0}^{epsilon{ij}} sigma{ij} , depsilon{ij} right) dV $$ 其中$sigma{ij}$为应力张量,$epsilon_{ij}$为应变张量,积分路径取决于材料特性(弹性/塑性)。
弹性变形功
完全可逆的能量存储过程,遵循胡克定律,如弹簧的压缩功。能量密度计算公式为: $$ w = frac{1}{2} E epsilon $$ (参考:《材料力学基础》第5版,清华大学出版社)
塑性变形功
不可逆的能量耗散,主要转化为热能,常见于金属成型工艺。其功值可通过真实应力-应变曲线下的面积计算。
粘性变形功
与时间相关的能量耗散,存在于聚合物、生物组织等粘弹性材料,满足: $$ W = int eta dot{epsilon} dt $$ (η为粘性系数,引自《工程粘弹性》ASME Press)
• 材料韧性评估:通过应力-应变曲线积分计算断裂功
• 机械设计:预测构件在循环载荷下的能量积累
• 地质力学:分析岩石层在构造运动中的能量存储
(注:相关实验方法详见ASTM E1820标准)
变形功是金属塑性加工领域的重要概念,指外力在材料变形过程中所做的功,其核心定义和应用可综合如下:
变形功指金属塑性加工时,运动工具对坯料施加外力所做的功。根据能量守恒定律,外力做功(( W ))主要转化为两部分:坯料内部的塑性变形功(( W_d ))和坯料与工具接触面的摩擦功(( W_f ))。
公式表达为:
$$
W = W_d + W_f
$$
若以功率形式表示,则为:
$$
W = intV sigma{ij} dot{varepsilon}_{ij} , dV + int_F tau_f |v_f| , dF
$$
其中,第一项为塑性变形功率(与应力、应变率相关),第二项为摩擦功率(与摩擦应力、相对速度相关)。
通过功平衡法(能量守恒定律)可求解变形力。外力瞬时做功(( dW_0 ))等于塑性变形功增量(( dW_p ))与摩擦功增量(( dW_f ))之和:
$$
dW_0 = dW_p + dW_f
$$
其中,( dW_p = (sigma_1 dvarepsilon_1 + sigma_2 dvarepsilon_2 + sigma_3 dvarepsilon_3) dV ),适用于瞬态分析。
物理学中,“功”定义为力与位移的乘积(( W = F cdot s )),变形功是这一概念在塑性力学中的具体化,强调能量转化与耗散过程。
如需进一步了解公式推导或具体案例,可参考知网百科及塑性成形教材。
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