速度梯度场#

速度梯度场描述了材料内部速度场的空间变化,反映了各部分之间的相对运动,是研究材料变形和流动的基础

速度向量表示为

\[ \mathbf{v} = \dot{\mathbf{u}}(t) = \dot{\mathbf{x}}(t) = \frac{\partial \mathbf{x}}{\partial t} \in \mathbb{R}^{3}, \]

速度梯度场定义为

\[\begin{split} \mathbf{L} = \nabla\mathbf{v} = \frac{\partial \mathbf{v}}{\partial \mathbf{x}} = \begin{bmatrix} \frac{\partial v_{1}}{\partial x_{1}} & \frac{\partial v_{1}}{\partial x_{2}} & \frac{\partial v_{1}}{\partial x_{3}} \\ \frac{\partial v_{2}}{\partial x_{1}} & \frac{\partial v_{2}}{\partial x_{2}} & \frac{\partial v_{2}}{\partial x_{3}} \\ \frac{\partial v_{3}}{\partial x_{1}} & \frac{\partial v_{3}}{\partial x_{2}} & \frac{\partial v_{3}}{\partial x_{3}} \end{bmatrix}, \end{split}\]

显然有

\[ \text{tr}(\nabla\mathbf{v}) = \nabla\cdot\mathbf{v}. \]

根据定义,速度梯度场还可以表示为

\[ \mathbf{L} = \nabla\mathbf{v} = \frac{\partial \mathbf{v}}{\partial \mathbf{x}} = \frac{\partial \mathbf{v}}{\partial \mathbf{X}}\frac{\partial \mathbf{X}}{\partial \mathbf{x}} = \frac{\partial^2 \mathbf{u}}{\partial \mathbf{X}\partial t}\frac{\partial \mathbf{X}}{\partial \mathbf{x}} = \dot{F}F^{-1}. \]

速度梯度场分解#

速度梯度场的分解将真实形变与刚体旋转有效区分,为客观描述奠定基础

将速度梯度分解为对称部分和反对称部分

\[ \mathbf{L} = \mathbf{D} + \mathbf{W}, \]
  • \(\mathbf{D} = \frac{1}{2}(\mathbf{L}+\mathbf{L}^{T})\):应变率张量,描述材料的拉伸、压缩和剪切等变形速率

\[ D_{ij} = \frac{1}{2}\left(\frac{\partial v_{i}}{\partial x_{j}} + \frac{\partial v_{j}}{\partial x_{i}}\right) \]
  • \(\mathbf{W} = \frac{1}{2}(\mathbf{L}-\mathbf{L}^{T})\):旋转率张量,描述材料的刚体旋转速率

\[ W_{ij} = \frac{1}{2}\left(\frac{\partial v_{i}}{\partial x_{j}} - \frac{\partial v_{j}}{\partial x_{i}}\right) \]

几何解释#

几何方程 中可以看到,位移梯度决定了应变,因此速度梯度场决定了物体的变形速率。以微元在 \(xOy\) 平面上的剪切应变为例,考虑两种特殊情况:

\[ 2\varepsilon_{xy} = \frac{\partial u_{x}}{\partial y} + \frac{\partial u_{y}}{\partial x}, \]

1. \(\frac{\partial u_{x}}{\partial y} = \frac{\partial u_{y}}{\partial x}\)

../../../_images/sym-shear-1.png

Fig. 20 对称剪切#

如图,沿 \(x\) 方向与沿 \(y\) 方向的剪切应变等大反向,表现为对称剪切变形。此时,对称轴保持不动,剪切应变完全描述了物体的形变,无冗余信息

\[ \mathbf{L} = \mathbf{D} \neq 0,\quad \mathbf{W} = 0. \]

2. \(\frac{\partial u_{x}}{\partial y} = - \frac{\partial u_{y}}{\partial x}\)

../../../_images/rotation.png

Fig. 21 刚体旋转#

如图,沿 \(x\) 方向和 \(y\) 方向的剪切应变等大同向,表现为刚体旋转。此时,剪切应变包含了刚体旋转的分量,不能准确反映物体的真实形变

\[ \mathbf{L} = \mathbf{W}, \mathbf{D} = 0. \]

综上,速度梯度(或位移梯度)场既包含形变(对称部分),也包含刚体旋转(反对称部分)。对于一般的速度(或位移)梯度,可以将其分解为对称剪切变形与刚体旋转的叠加

../../../_images/general.png

Fig. 22 一般形变的分解#

于是,\(\mathbf{D}\)(对称部分-对称剪切)描述了微元的真实形变,包括剪切和体积变化;\(\mathbf{W}\) (反对称部分-垂直方向的剪切差异)描述了微元的局部刚体旋转

通过对速度梯度场的分解,可以有效剔除刚体旋转的影响,使应力率等物理量在不同参考系下保持客观性,从而为大变形下本构关系的建立提供理论基础

极分解#

\(F\) 进行极分解

\[ F = QU, \]

其中,\(Q\) 是正交矩阵(旋转变换矩阵),\(U\) 是对称正定矩阵,于是

\[ \mathbf{L} = (\dot{Q}U+Q\dot{U})U^{-1}Q^{T} = \dot{Q}Q^{T} + Q\dot{U}U^{-1}Q^{T} \]

由于 \(\dot{Q}Q^{T} + Q\dot{Q}^{T} = 0\),故

\[\begin{split} \begin{equation} \begin{aligned} \mathbf{D} = \frac{1}{2}(\mathbf{L}+\mathbf{L}^{T})&=\frac{1}{2}(Q\dot{U}U^{-1}Q^{T} + QU^{-1}\dot{U}Q^{T})\\ &=\frac{1}{2}Q(\dot{U}U^{-1} + U^{-1}\dot{U})Q^{T}, \end{aligned} \end{equation} \end{split}\]

以及

\[ \begin{equation} \begin{aligned} \mathbf{W} = \mathbf{L} - \mathbf{D} = \frac{1}{2}Q(\dot{U}U^{-1} - U^{-1}\dot{U})Q^{T} + \dot{Q}Q^{T}. \end{aligned} \end{equation} \]

刚体旋转阶段#

\(F\) 记录了从初始到当前的全部运动,当某一段运动为刚体旋转时,\(U\) 保持不变(不为 0),即

\[ \dot{U} = 0, \]

此时

\[ \mathbf{D} = 0, \]

以及

\[ \mathbf{W} = \mathbf{L} = \dot{Q}Q^{T} = -Q\dot{Q}^{T}. \]

局部体积变化速率#

\(J= \det(F)\),则

\[ \dot{J} = J\ \text{tr}(\dot{F}F^{-1}) = J\ \text{tr}(\mathbf{L}) = J\ \text{tr}(\nabla\mathbf{v}) = J\ (\nabla\cdot\mathbf{v}), \]

该公式表明,单位体积的变化速率 \(\dot{J}\),等于体积本身 \(J\) 乘以速度梯度场张量的迹(速度场的散度)

对于等容行为,有

\[ J = 1 \Rightarrow \dot{J} = 1 \Rightarrow \text{tr}(\nabla\mathbf{v}) = \nabla\cdot\mathbf{v} = 0. \]