
【機】 volumetric strain
體積應變(Volumetric Strain)是材料力學和連續介質力學中的重要概念,指物體在受力或環境變化時,其總體積相對于原始體積的變化率。該物理量用于描述材料在承受靜水壓力或均勻應力時的體積膨脹或收縮行為,是一個無量綱标量。
物體變形後體積變化量(ΔV)與原始體積(V₀)的比值,數學表達式為:
$$ epsilon_v = frac{Delta V}{V_0} $$ 其中 (epsilon_v) 為體積應變(正值為膨脹,負值為壓縮)。
材料壓縮性表征
體積應變直接反映材料的可壓縮性。例如,在土力學中,飽和黏土的體積應變用于分析地基沉降;在流體力學中,氣體體積應變與壓強變化相關(理想氣體定律 (frac{Delta V}{V_0} = -frac{Delta P}{K}),(K) 為體積模量)。
與應力狀态的關聯
在各向同性材料中,體積應變由平均應力(靜水壓力)引起,關系式為:
$$ epsilon_v = frac{1-2 u}{E} (sigma_x + sigma_y + sigma_z) $$
其中 (E) 為彈性模量,( u) 為泊松比,(sigma_i) 為主應力。
不可壓縮材料特性
當泊松比 ( u = 0.5) 時(如橡膠、水),體積應變恒為零,表示材料不可壓縮。
術語 | 與體積應變的關聯 |
---|---|
線應變 | 描述單向長度變化,體積應變是三向線應變的疊加((epsilon_v approx epsilon_x + epsilon_y + epsilon_z)) |
剪切應變 | 僅改變形狀而不影響體積,與體積應變正交 |
體積模量 | 體積應變的倒數((K = -V_0 frac{dP}{dV})),表征抗壓縮能力 |
權威參考來源:
體積應變是材料力學中描述物體體積變化程度的重要概念,具體解釋如下:
體積應變指物體在外力或溫度變化等因素作用下,單位體積的改變量。它等于變形後體積變化量(ΔV)與原體積(V)的比值。例如,若物體體積從V變為V+ΔV,則體積應變θ=ΔV/V。
在無限小應變條件下,體積應變可通過以下公式表示: $$ θ = frac{ΔV}{V} $$ 對于三維直角坐标系,體積應變等于三個正交方向正應變(線應變)之和,即: $$ θ = ε_x + ε_y + ε_z $$ 這一關系表明體積變形僅與正應變相關,與切應變無關。
體積應變屬于應變的一種類型,其他常見應變還包括描述長度變化的線應變(正應變)和角度變化的角應變(切應變)。
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