
【化】 deformation work; work of deformation
變形功(Deformation Work)是工程力學與材料科學中的核心概念,指物體在外部載荷作用下發生形狀或體積變化時,外界所做的機械功。這一過程涉及能量從機械能向物體内部應變能的轉化。
根據連續介質力學理論,變形功的數學表達為: $$ W = int{V} left( int{0}^{epsilon{ij}} sigma{ij} , depsilon{ij} right) dV $$ 其中$sigma{ij}$為應力張量,$epsilon_{ij}$為應變張量,積分路徑取決于材料特性(彈性/塑性)。
彈性變形功
完全可逆的能量存儲過程,遵循胡克定律,如彈簧的壓縮功。能量密度計算公式為: $$ w = frac{1}{2} E epsilon $$ (參考:《材料力學基礎》第5版,清華大學出版社)
塑性變形功
不可逆的能量耗散,主要轉化為熱能,常見于金屬成型工藝。其功值可通過真實應力-應變曲線下的面積計算。
粘性變形功
與時間相關的能量耗散,存在于聚合物、生物組織等粘彈性材料,滿足: $$ W = int eta dot{epsilon} dt $$ (η為粘性系數,引自《工程粘彈性》ASME Press)
• 材料韌性評估:通過應力-應變曲線積分計算斷裂功
• 機械設計:預測構件在循環載荷下的能量積累
• 地質力學:分析岩石層在構造運動中的能量存儲
(注:相關實驗方法詳見ASTM E1820标準)
變形功是金屬塑性加工領域的重要概念,指外力在材料變形過程中所做的功,其核心定義和應用可綜合如下:
變形功指金屬塑性加工時,運動工具對坯料施加外力所做的功。根據能量守恒定律,外力做功(( W ))主要轉化為兩部分:坯料内部的塑性變形功(( W_d ))和坯料與工具接觸面的摩擦功(( W_f ))。
公式表達為:
$$
W = W_d + W_f
$$
若以功率形式表示,則為:
$$
W = intV sigma{ij} dot{varepsilon}_{ij} , dV + int_F tau_f |v_f| , dF
$$
其中,第一項為塑性變形功率(與應力、應變率相關),第二項為摩擦功率(與摩擦應力、相對速度相關)。
通過功平衡法(能量守恒定律)可求解變形力。外力瞬時做功(( dW_0 ))等于塑性變形功增量(( dW_p ))與摩擦功增量(( 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 ),適用于瞬态分析。
物理學中,“功”定義為力與位移的乘積(( W = F cdot s )),變形功是這一概念在塑性力學中的具體化,強調能量轉化與耗散過程。
如需進一步了解公式推導或具體案例,可參考知網百科及塑性成形教材。
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