泊松比(Poisson’s ratio)提供了有关不同材料在负载下如何变形的关键信息,将施加载荷的方向称为纵向(longitudinal direction),将垂直方向称为横向(lateral directions)
当在一个方向对材料施加载荷时,材料也会在横向上变形。 泊松比是告诉我们材料在横向会变形多少的参数。
当施加纵向载荷时,结果表明横向产生的应变是相等的,它们与纵向应变成正比,横向应变与纵向应变之比实际上是一个材料常数。
此材料常数即为泊松比(法国著名数学家Simeon Denis Poisson提出)
为什么在等式中加入一个减号?
因为按照国际惯例,拉伸应变为正,压缩应变为负
对于横向应变与纵向应变符号相反的典型情况,我们得到正泊松比
上述方程及概念仅适用于各向同性材料(isotropic),这些材料在所有方向上都具有相同的属性,同时假设材料在弹性区变形,当涉及塑性变形时,事情会变得得更加复杂
泊松比是一个无量纲的材料属性,它告诉我们,当我们在纵向上拉动材料时,它会在横向上收缩多少。
泊松比的理论值范围为-1.0-0.5,在实践中,大多数真实材料的泊松比介于0-0.5之间,大多数金属的泊松比约为0.3
以下是一些选定材料的典型值:
下面看看泊松比的不同值如何影响材料在荷载下的变形,
泊松比为0时,施加纵向拉力,横向没有变形,以这种方式表现的一种材料是软木(cork),这种特性使其成为某些应用中非常有用的材料。例如葡萄酒的软木塞,在压缩时不会横向膨胀,
此外还有负泊松比的材料,
这些称为拉胀材料,它们在拉动时横向膨胀,压缩时横向收缩。这些大多是工程材料,如特殊泡沫,而不是自然界中自然产生的材料。
下图显示了如何获得负泊松比,
可见材料被压缩,其纵向和横向尺寸都减少了。
泊松比是连续介质力学中一个非常重要的参数,用于确定物体如何响应施加的应力,下面是一个单轴拉伸案列,
纵向X方向的应变(
σ
x
\sigma _x
σx )由胡克定律给出,即
σ
x
\sigma _x
σx /E,横向应变是纵向应变乘以泊松比得到的。
但三轴应力(tri-axial stress),在三个方向都有应力,这种情况下,不能只用胡克定律(Hooke’s law)来确定横向应变,因为还会受到Y和Z方向应变的影响。
一个方向上的应变将取决于施加在所有三个方向上的应力,我们可以使用胡克定律,结合泊松比方程和叠加原理得到,应变方程,如X方向:
将这个方程重新排列成更实用的形式,如下:
同样获得Y和Z方向的应变方程:
这些方程构成了广义的胡克定律(Generalised Hook’s law),可用于确定三轴应力情况下的变形。
体积应变是负载下物体体积变化的量度,可以将三个方向的应变相加来计算体积应变。使用广义胡克定律的方程来扩展体积应变方程:
下面讨论泊松比理论范围内的最大值,即
μ
\mu
μ=0.5情况下的材料,将
μ
\mu
μ=0.5带入体积应变方程,可以得到
e
v
\ e_v
ev =0,这意味着泊松比为0.5的材料,材料的体积在变形时保持不变,这些被称为不可压缩材料(incompressible materials)。
橡胶就是不可压缩材料的一个例子。
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