粘弹性层状体系的力学分析
粘弹性层状体系的力学分析
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二.粘弹性半空间体的解
开尔文模型
(g)
(e)
(h)
反演
12
三.粘弹性地基板
用“粘弹性模型”代替弹性板和弹性地基，求解板的位移、反力、弯矩。
弹性板的位移：
拉 普 拉 斯 变 换
(a)
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三.粘弹性地基板
马克斯韦尔模型
粘弹性算子 代替弹性常数
拉普拉斯反演
粘弹性半空间体位移
(a)
(b)
(c)
是荷载的 汉克尔-拉普拉 斯变换。 粘弹性算子E(s) 代替弹性模量E 不同的粘弹性模 型，算子E(s)有 不同表达式
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二.粘弹性半空间体的解
马克斯韦尔模型
(d)
(e)
(f)
反演
开尔文双层体系表面垂直位移公式：
15
谢谢大家！
7
一.粘弹性模型理论
初始状态的应变和应力为常量：
初始状态应变为常量及荷载应力为定值：
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一.粘弹性模型理论
四单元模型
应力松弛、蠕变行为，更确切的描述粘弹性材料的流变性质
9
二.粘弹性半空间体的解
求解方法
拉普拉斯变换
圆面积均布荷载：
当t=0时，上式整理得到：
在t=0时，由粘弹性地基板挠度公式可得到弹性地基板的挠度公式
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四.粘弹性双层体系
用“粘弹性模型”代替弹性层和半空间体，根据弹性层状体系理论解进行 拉普拉斯变换，再反演即可求得各分量。
马克斯韦尔双层体系表面垂直位移公式：
粘弹性层状体系的力学分析
粘弹性层状体系的力学分析
01 02
粘弹性模型理论 粘弹性半空间体的解 粘弹性地基板
chapter7粘弹性
静态的粘弹性
力学松弛
应力松弛
滞后现象 动态粘弹性 力学损耗(内耗)
4
第7章 聚合物的粘弹性
本章的主要内容 内部尺度－－弹性和粘性结合 粘 弹 性
外观表现－－4个力学松弛现象 时温等效原理－－实用意义， 主曲线，WLF方程
为了加深对聚合物粘弹性的理解和掌握 力学模型 描述
5
第7章 聚合物的粘弹性
二、静态粘弹性
塑料的玻璃化温度在动态条件下,比静态来的高,就是 说在动态条件下工作的塑料零件要比静态时更耐热,因此 不能依据静态下的实验数据来估计聚合物制品在动态条件 下的性能.
25
第7章 聚合物的粘弹性
60Km/h 0 2
~300Hz t
图10
26
t
第7章 聚合物的粘弹性
t 0 sin t t 0 sin t - 0 某处所受的最大应力 外力变化的角频率 在受到正弦力的作用时应变落后于应力的相位差
第7章 聚合物的粘弹性
一、粘弹性的基本概念
1.理想弹性固体：受到外力作用形变很小，符合胡克定 律 ＝E1=D1,E1普弹模量, D1普弹柔量.
特点:受外力作用平衡瞬时达到,除去外力应变立即恢复. 2.理想的粘性液体：符合牛顿流体的流动定律的流体,＝ 特点:应力与切变速率呈线性关系,受外力时应变随时间线 性发展,除去外力应变不能恢复.
（t）
t
0
E1
0 应力
t1
t2
t
E1 普弹形变模量
图1 理想弹性体（瞬时蠕变）普弹形变
9
第7章 聚合物的粘弹性
（t）
（t）
t (t)=
0 (t<t1)
应用弹性层状体系理论进行分析和计算路面结构的应力
中，在弹性层状体系内微分单元体上，应力 分量有三个法向应力 r、、和 z及, 三对剪应力：
rz zr , r r , z z
• 当层状体系表面作用着轴对称荷载时， 各应力、形变和位移分量也对称于对称 轴，即它们仅是r和z的函数。因而,
r r 0, z z 三0 对剪应力只剩下
荷载面中轴处的弯沉值 0 限定为1mm，求面
层应有的厚度h。
解：由
0
2 p
E0
0
可得
0
0E0 2 p
0.1 65 2 0.5 14
0.464
E0
E1
65 280
0.232, 从纵轴E0
E1
0.232
处引一水平线，同 0 0.464 的曲线相交作一垂线与横轴相 交得：
h D 0.66, h 0.66 28 18.5cm
，已制
成计算软件，可计算距荷载作用面中心轴r 处的路表弯沉值。
图4 弹性层状体系单圆均布荷载弯沉计算诺谟图
[例1] 已知 p 0.5MN / m2 , 14cm, E0 45MN / m2 , E1 180 MN / m2 , h 20cm
求荷载作用面中轴处的弯沉 0 。
解： E0
E1
整个路面结构在力学性质上属于非线性的弹粘-塑性体。
由于不同材料层组成的路面结构的抗疲劳性 能和使用的耐久性，不允许各结构层在行车 作用下产生塑性变形的累加，尽量将变形控 制在弹性工作阶段，加之高等级道路较厚的 结构厚度、较高的强度、行车作用的瞬时性 （通过路面某点百分之几秒），将其视作线 性弹性体，应用弹性层状体系理论进行分析 和计算路面结构的应力、应变和位移。
22 0 （6）
粘弹性
外力的方向运动以减小或者消除内部应力,如果T很高(>>Tg),链运动摩擦
阻力很小,应力很快松弛掉了,所以观察不到,反之,内摩擦阻力很大,链段 运动能力差,应力松弛慢,也观察不到.只有在Tg温度附近的几十度的范围
内应力松弛现象比较明显.(链由蜷曲变为伸展,以消耗外力)
21
第8章 聚合物的粘弹性
0
玻璃态 高弹态 粘流态 t
2 0
0 0
sin tcost - dt
W 0 0sin
又称为力学损耗角,常用tan表示内耗的大小
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第8章 聚合物的粘弹性
③内耗的表达
当 t 0sin t时, 应力 ( t ) 0sin t
展开 : ( t ) 0 cos sin t 弹性形变的动力 0sin cost 消耗于克服摩擦阻力
27
第8章 聚合物的粘弹性
③滞后现象与哪些因素有关?
a.化学结构:刚性链滞后现象小,柔性链滞后现象大.
b.温度：当不变的情况下,T很高滞后几乎不出现,温度很低, 也无滞后.在Tg附近的温度下，链段既可运动又不太容易，此 刻滞后现象严重。 c. : 外力作用频率低时,链段的运动跟的上外力 的 变化,滞 后现象很小. 外力作用频率不太高时,链段可以运动,但是跟不上外力的变 化,表现出明显的滞后现象.
外力作用频率很高时,链段根本来不及运动,聚合物好像 一块刚性的材料,滞后很小
28
第8章 聚合物的粘弹性
2.内耗:
①内耗产生的原因: 当应力与形变的变化相一致时,没有滞后现象,每次形变所 作的功等于恢复形变时所作的功,没有功的消耗
如果形变的变化跟不上应力的变化,发生滞后现象,则每 一次循环变化就会有功的消耗(热能),称为力学损耗,也叫内 耗. 外力对体系所做的功：一方面用来改变链段的构象(产生 形变),另一方面提供链段运动时克服内摩擦阻力所需要的能量 .
第7章、粘弹性分析
第七章、粘弹性7.1 基本概念弹性：外力 外力撤除 粘弹性 弹性+粘性 →形变 →应力 →储存能量→能量释放 →形变恢复 粘性：外力 外力撤除 →形变 →应力 →应力松弛 →永久形变→能量耗散理想弹性：服从虎克定律σ＝E·ε应力与应变成正比，即应力只取决于应变。
εtσ/Et t 0dt d εησ⋅=εtσ/ηt 0 理想粘性：服从牛顿流体定律 应力与应变速率成正比，即应力只取决于应变速率 dt d εησ⋅=牛顿流体定律的比例常数为粘度ηdtd εησ⋅=dtdx y y x dt d dt d ⋅==1)(εyx应变速率为速度梯度∴粘度η等于单位速度梯度时的剪切应力，反映了分子间由于相互作用而产生的流动阻力，即内摩擦力的大小，单位为Pa·S弹性(1)储能：能量储为应变能(2)可逆：记忆形状，(3)瞬时：不依赖时间E＝E（σ, ε, T）虎克固体(1)耗能：能量耗为热能(2)不可逆：无形状记忆(3)依时：应变随时间发展E＝E（σ, ε ,T, t）牛顿流体粘性熵弹性聚合物是典型的粘弹体聚合物是典型的粘弹体粘性：分子链滑移，应力松弛拉伸应力松弛聚合物的应力松弛：t7.2 静态粘弹性受恒定应力或应变的作用E＝E（σ, ε ,T, t）7.2.1 静态粘弹性现象（1）蠕变：在一定的温度和恒定应力的作用下，观察试样的应变随时间增加而增大的现象。
理想弹性体：σ＝E·εεtσ/E应力恒定，故应变恒定εtσ/η理想粘性体 dtd εησ⋅=应力恒定，故应变速率为常数，应变以恒定速率增加聚合物：粘弹体①理想弹性，即瞬时响应： 由键长、键角提供②推迟弹性形变，即滞弹部分：③粘性流动：链段运动整链滑移 εt①③ ②εt εt线形聚合物 交联聚合物（2）应力松弛：在一定的温度和恒定应变的作用下，观察试样的应力随时间增加而衰减的现象。
σtE·ε理想弹性体：σ＝E·ε 应变恒定，故应力恒定σt理想粘性体 dtd εησ⋅=应变恒定，应变速率为0，故应力为0聚合物：粘弹体σ tσ0交联聚合物线形聚合物由于交联聚合物分子链的质心不能位移，应力只能松驰到平衡值7.2.2. 线性粘弹性模型线性粘弹性：可由服从虎克定律的线性弹性行为和服从牛顿定律的线性粘性行为的组合来描述的粘弹性。
黏弹性流体力学研究中的弹性效应分析
黏弹性流体力学研究中的弹性效应分析引言黏弹性流体是一种特殊的流体，其流动特性既受到黏性的影响，也受到弹性的影响。
在研究黏弹性流体力学时，必须考虑到弹性效应对流体流动行为的影响。
本文将详细分析黏弹性流体力学研究中的弹性效应，以期深入理解这一领域。
黏弹性流体的特性黏弹性流体具有独特的流动特性，其特点如下： 1. 延展性: 黏弹性流体能够以较小的应力下发生很大的变形。
2. 回弹性: 黏弹性流体在停止外力作用后能够恢复原状或接近原状。
3. 补偿时间: 黏弹性流体具有补偿能力，可以在流动中适应外界环境变化。
4. 结构耗散: 黏弹性流体的流动过程中存在结构的重组和破坏。
弹性效应对黏弹性流体力学研究的影响黏弹性流体力学研究在很大程度上依赖于弹性效应的考虑，弹性效应对流体流动的影响主要体现在以下几个方面：弹性模量的测定弹性模量是衡量黏弹性流体中弹性效应的重要参数，它可以通过实验方法测定得到。
常用的测定方法包括剪切杆测试、剪切振动测试和动态拉伸测试等。
这些方法通过施加外力并测量流体的应变来计算弹性模量，从而揭示流体中弹性效应的特征。
力学行为的描述黏弹性流体力学中，弹性效应对力学行为的描述起着重要的作用。
流体的粘滞效应和弹性效应共同决定了流体的力学行为。
根据流变学理论，可以通过引入弹性效应的流体模型来描述流体的力学行为，例如，Maxwell模型、Kelvin模型和Oldroyd模型等。
这些模型可用于模拟黏弹性流体的应力-应变关系。
流动行为的预测弹性效应在预测黏弹性流体流动行为中发挥着重要作用。
在模拟黏弹性流体的流动过程时，必须考虑到弹性效应对流体动力学行为的影响。
通过引入弹性效应的流体模型，可以预测黏弹性流体在不同流动条件下的行为，如层流和湍流过渡、流动的稳定性和剪切层的形成等。
弹性效应的尺度依赖性弹性效应在黏弹性流体力学中的研究中还表现出尺度依赖性。
尺度效应是指由于尺度效应引起的材料力学性质随尺度的改变而发生变化，在弹性效应的研究中，尺度效应尤为重要。
粘弹性基本力学模型
粘弹性基本力学模型粘性:在外力作用下，分子与分子之间发生位移，材料的变形和应力随时间变化的变种特性称为粘性。
理想的粘性流体其流动形变可用牛顿定律来描述:应力与应变速率成正比。
因此，材料的本构关系的数学表达式应是反映应力-应变-时间-温度关系的方程。
粘弹性:塑料对应力的响应兼有弹性固体和粘性流体的双重特性称粘弹性。
材料既有弹性，又有粘性。
粘弹性依赖于温度和外力作用的时间。
其力学性能随时间的变化，称为力学松弛，包括应力松弛、蠕变等。
其力学行为介于理想弹性体和理想粘性体之间。
理想弹性体的形变与时间无关，形变瞬时达到，瞬时恢复。
理想粘性体的形变随时间线性发展。
粘弹性体介于这两者之间，其形变的发展具有时间依赖性，也就是说不仅具有弹性而且有粘性。
这种力学性质随时间变化的现象称为力学松弛现象或粘弹性现象。
橡胶对形变同时具有粘性响应和弹性响应。
粘性响应与形变速率成正比，而弹性响应与形变程度成正比。
粘性响应通常以阻尼延迟器为模型，而弹性响应则以金属弹簧为模型。
采用如下两种基本力学元件，即理想弹簧和理想粘壶。
理想弹簧用于模拟普弹形变，其力学性质符合虎克(Hooke)定律，应变达到平衡的时间很短，可以认为应力与应变和时间无关:σ=Eε其中σ为应力;E为弹簧的模量。
理想粘壶用于模拟粘性形变，其应变对应于充满粘度为η的液体的圆筒同活塞的相对运动，可用牛顿流动定律描述其应力应变关系:将弹簧和粘壶串联或并联起来可以表征粘弹体的应力松弛或蠕变过程。
应力松弛:就是在固定的温度和形变下，聚合物内部的应力随时间增加而逐渐衰减的现象。
这种现象也在日常生活中能观察到，例如橡胶松紧带开始使用时感觉比较紧，用过一段时间后越来越松。
也就是说，实现同样的形变量，所需的力越来越少。
未交联的橡胶应力松弛较快，而且应力能完全松弛到零，但交联的橡胶，不能完全松弛到零。
应力松弛同样也有重要的实际意义。
成型过程中总离不开应力，在固化成制品的过程中应力来不及完全松弛，或多或少会被冻结在制品内。
7 粘弹性
t
18
第7章 聚合物的黏弹性
2、应力松弛 Stress Relaxation
• 在恒定温度和形变下，维持此形变所需的应力随时间增加而逐渐衰减
0e
0
t
松弛时间 交联高分子 应力衰减至某一平衡值
Crosslinked polymer
Linear polymer
0
t
未交联高分子 应力最终衰减至零
4
第7章 聚合物的黏弹性
5. 力学松弛 聚合物的力学性质随时间变化的现象，叫力学松弛。 包括蠕变及其回复，应力松弛和动态力学实验等。 蠕变 静态的黏弹性 力学松弛 动态黏弹性 力学损耗(内耗)
5
应力松弛 滞后现象
第7章 聚合物的黏弹性
二、静态黏弹性 应力或应变恒定，不同时间时，聚合物材料所表现出来 的黏弹现象。
恒值 (t>t2)
＝
t1
t2
t
3-----本体粘度
分子间滑移，不可恢复
11
图3 理想粘性流动蠕变
第7章 聚合物的黏弹性
当聚合物受力时，以上三种形变同时发生，聚合物的总形变 方程:
2+3 1
1 2 3
t
( t ) 1 2 3 -t
(1 e ) t E1 E2 3
32
tanδ由小到大的顺序：
第7章 聚合物的黏弹性
内耗受温度影响较大
Tg以下，高聚物受外力作用后形变很小， 仅键长、键角变化，速度快，几乎跟得上 应力变化，内耗小
Tg Tf
T Tan
温度升高，高分子向高弹态过渡。链段开始运动，而体系粘度还很大， 链段运动时受到摩擦阻力比较大，高弹形变显著落后于应力的变化，内 耗也大 温度进一步升高，链段运动比较自由，内耗变小 因此，在玻璃化转变区域出现内耗峰 温度继续升高，高分子向粘流态过渡。由于分之间互相滑移，内耗急剧 增加
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弹性单元
粘性单元
塑性单元
粘弹性理论主要研究应力—应变的关系
4
一.粘弹性模型理论
马克斯韦尔模型
串联单元的应变为两个单元的应变之
和，且两个单元应力相等。
保持物体的应变为常量，得到应力与 时间的关系：
应力松弛
开尔文双层体系表面垂直位移公式：
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二.粘弹性半空间体的解
开尔文模型
(g)
(e)
(h)
反演
12Biblioteka .粘弹性地基板用“粘弹性模型”代替弹性板和弹性地基，求解板的位移、反力、弯矩。
弹性板的位移：
拉 普 拉 斯 变 换
(a)
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三.粘弹性地基板
马克斯韦尔模型
应力与时间关系图
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一.粘弹性模型理论
开尔文模型
并联单元的应力为两个单元的应力之 和，且两个单元应变相等。
变形延迟
保持物体的应力为常量，得到应变与 时间的关系：
弹性后效
应变与时间关系图
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一.粘弹性模型理论
三单元模型
粘弹性层状体系的力学分析
粘弹性层状体系的力学分析
01 02
粘弹性模型理论 粘弹性半空间体的解 粘弹性地基板
03 04
粘弹性双层体系
2
一.粘弹性模型理论
马克斯韦尔模型
粘 弹 性 模 型
开尔文模型
三单元模型
四单元模型
3
一.粘弹性模型理论
圆面积均布荷载：
当t=0时，上式整理得到：
在t=0时，由粘弹性地基板挠度公式可得到弹性地基板的挠度公式
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四.粘弹性双层体系
用“粘弹性模型”代替弹性层和半空间体，根据弹性层状体系理论解进行 拉普拉斯变换，再反演即可求得各分量。
马克斯韦尔双层体系表面垂直位移公式：
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一.粘弹性模型理论
初始状态的应变和应力为常量：
初始状态应变为常量及荷载应力为定值：
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一.粘弹性模型理论
四单元模型
应力松弛、蠕变行为，更确切的描述粘弹性材料的流变性质
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二.粘弹性半空间体的解
求解方法
拉普拉斯变换
粘弹性算子 代替弹性常数
拉普拉斯反演
粘弹性半空间体位移
(a)
(b)
(c)
是荷载的 汉克尔-拉普拉 斯变换。 粘弹性算子E(s) 代替弹性模量E 不同的粘弹性模 型，算子E(s)有 不同表达式
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二.粘弹性半空间体的解
马克斯韦尔模型
(d)
(e)
(f)
反演