本节介绍机械效应的平衡,并展示如何由此得出应力功率的定义。首先,定义外力对当前构型Ωc中物体所做功的速率:其中t是表面力,bf是体积力,v是速度场,所有这些都在当前构型中表示。利用柯西应力定理(方程(4.138))和散度定理(方程(4.54)),该方程可以写成:因此,外部功率(Pext)等于内部机械功率(也称为应力功率Pint)加上动能的时间导数(DK/Dt)。 从这个方程可以看出,单位当前体积的应力功率是
它可以通过方程(4.79)转换为参考体积:其中Jσ是Kirchhoff应力τ。从这个方程中,我们说τ和d是功共轭应力和变形速率度量。 应力功率的表达式可以转换为其他应力度量。首先,从方程(4.150)回想起
,将其代入方程(4.203)得到:这说明第一Piola-Kirchhoff应力与变形梯度的时间导数是功共轭的。
单位参考体积的应力功率也可以用第二Piola-Kirchhoff应力S来表示。回顾方程(4.150)中
,得到:
项FT dF可以通过代入F = RU, d = l - w, Ḟ = RU̇ + ṘU, 和 Ṙ = wR来简化,得到:
其中Green应变(方程(4.119))定义为:EG = 1/2[U2 - I],因此:
因此,第二Piola-Kirchhoff应力与Green应变的时间导数是功共轭的。
在开发本构方程时,使用功共轭的应力和应变度量很重要。下表总结了三对最常用的应力和应变度量:
表4.2 功共轭应力和变形率度量