環(huán)境作用動(dòng)力學(xué)基礎及應用

第12卷第2期裝備環(huán)境工程015年4月EOUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING環(huán)境作用動(dòng)力學(xué)基礎及應用封先河(西南技術(shù)工程硏究所,重慶400039)摘要:目的優(yōu)化原有的環(huán)境作用動(dòng)力學(xué)理論模型。方法在原有環(huán)境作用動(dòng)力學(xué)理論模型的基礎上,提岀環(huán)境適應性、環(huán)境響應性、變化重復性等3個(gè)概念,修改蠕變動(dòng)力學(xué)理論模型的假設2。結果形成了由8個(gè)定義、2個(gè)假設組成的更加完善的環(huán)境作用動(dòng)力學(xué)理論模型。結論新的環(huán)境作用動(dòng)力學(xué)理論模型涵蓋了蠕變動(dòng)力學(xué)理論模型和原有的環(huán)境作用動(dòng)力學(xué)理論模型,應用范圍得到大大擴展。關(guān)鍵詞:環(huán)境作用動(dòng)力學(xué);環(huán)境適應性;環(huán)境響應性;變化重復性DOI:10.7643/isn.1672-92422015.02.004中圖分類(lèi)號:T011文獻標識碼文章編號:1672-9242(2015)02-0015-04Basement and Application of Dynamics of Environmental EffectFENG Xian(Southwest Technology and Engineering Research Institute, Chongqing 400039, China)ABSTRACT: Objective To optimize intrinsic theoretical model of dynamics of environmental effect. MethodsBased on intrinsic dynamics of environmental effect, three new idea were put forward, including the environmentadaptability of object, responding to environment of object and changing repetition of object, and assumption 2 of theintrinsic dynamics of environmental effect was amended. Results A new theoretical model of dynamics ofenvironmental effect was formed which was constructed of 8 definitions and 2 assumptions. Conclusion Thetheoretical model of dynamics of environmental effect includes creep dynamic model and intrinsic dynamics ofenvironmental effect, and its application scope get to greatly expandKEY WORDS: dynamics of environmental effect; environment adaptability of object; responding to environment ofobject; changing repetition of object環(huán)境作用動(dòng)力學(xué)理論模型發(fā)表后,有不少同行追(t,T))存在以下的物理意義。問(wèn)變化進(jìn)程、活化粒子和假設二中對數時(shí)間導數的物1)環(huán)境作用σ。在蠕變過(guò)程中,環(huán)境作用σ是應理意義等問(wèn)題。經(jīng)過(guò)深入思考,環(huán)境作用動(dòng)力學(xué)理論力、應變或位移作用,可以看成蠕變物體所處拉壓環(huán)模型的方程中四個(gè)相乘項(σ,W(T),I(1+1),(1-P境對蠕變物體的作用。蠕變過(guò)程可以看成蠕變物體收稿日期:2014-12-01;修訂日期:2015-01-05Received:2014-12-01; Revised:2015-01-09中國煤化工作者簡(jiǎn)介:封先河(1967—),男,重慶巴南人,研究員級高工,主要研究方向為環(huán)境試驗及理論CNMHGBiography: FENG Xian-he(1967-), Male, from Banan, Chongqing, Researcher level senior engineer, Research Tocus: environmental test and theory裝備環(huán)境工程2015年4月的變化過(guò)程,蠕變可以看成蠕變物體長(cháng)度特征的變化。物體性能特征變化總是在一定內部或外部環(huán)境1.2環(huán)境作用條件下產(chǎn)生的,環(huán)境條件不同,物體變化的速率和規定義1:在物體的變化過(guò)程中,影響變化過(guò)程的獨律不同。立、有效的作用的積,稱(chēng)為環(huán)境作用σ。包括表面揮2)活化粒子濃度W(T)。在蠕變過(guò)程中,組成物發(fā)作用、外部應力作用、內部擴散作用、內部質(zhì)量作用體的活化粒子在蠕變作用σ下,產(chǎn)生位置變化。事作用等。即實(shí)上,蠕變物體所有粒子中,只有活化粒子對蠕變作G=O1×O2用σ產(chǎn)生響應,非活化粒子并沒(méi)用對蠕變作用σ產(chǎn)特別注意:這里的環(huán)境作用包括物體內部的環(huán)境生響應。如果活化能級很低,那么物體所有粒子都作用和物體外部的環(huán)境作用,不僅僅局限于物體外部可能是活化粒子,這樣物體所有粒子都會(huì )響應環(huán)境的環(huán)境作用的作用。環(huán)境作用σ可以是時(shí)間和溫度的函數,也可是恒3)/(1+1)。最初引入對數時(shí)間導數,是為了和定的常數,還可以隨變化度量值或變化進(jìn)程P變化。實(shí)驗結果相符合,因為在實(shí)驗中發(fā)現,對數時(shí)間觀(guān)測到的蠕變量相等?，F在可以這樣解釋:物體承受σ1.3環(huán)境適應性作用的過(guò)程中,會(huì )逐步適應σ作用,相對物體來(lái)說(shuō),定義2:在物體的所有宏觀(guān)變化過(guò)程中,物體通過(guò)σ作用隨時(shí)間減小了,代價(jià)是物體在σ作用下發(fā)生改變自身的結構、性能,減緩環(huán)境作用對物體的作用了形狀、性質(zhì)的變化。就像人在新環(huán)境(如高原等)強度的現象,叫做物體的環(huán)境適應性S。物體的環(huán)境總要適應一段時(shí)間一樣。物體在σ作用下,也會(huì )改適應性S可以用式(2)表示變自身性質(zhì)、形狀,減小作用σ的強度,逐步適應這個(gè)作用。4)(1-P(1,T)。在蠕變過(guò)程中,組成物體的活化粒子在蠕變作用σ下,產(chǎn)生位置變化,到達最終位置式中:t為時(shí)間。當不存在環(huán)境適應性時(shí)S≡1;當的粒子,將不承受蠕變作用a,只在最終位置的附近存在環(huán)境適應性時(shí),S可以近似用1/(+1)表示做熱運動(dòng),對變化速率沒(méi)有貢獻。對于不存在最終位物體的環(huán)境適應性S與特定的物體和特定的環(huán)境置的變化過(guò)程,可以看成沒(méi)有已經(jīng)發(fā)生變化的粒子,作用有關(guān)。同一物體對有的環(huán)境作用存在環(huán)境適應按照定義,P≡0性,對有的環(huán)境作用不存在環(huán)境適應性,需要針對具筆者認為:可以將物體變化的上述四個(gè)特征引入體的變化過(guò)程確定。多數物體對多數環(huán)境作用存在蠕變動(dòng)力學(xué)理論模型,通過(guò)適當的擴充概念,可以擴適應性,特別是生物體,一般都存在很強的環(huán)境適應展該模型的適用范圍到物理變化、化學(xué)變化、生物變性。正是生物體的這個(gè)環(huán)境適應性,成為達爾文進(jìn)化化,形成一個(gè)更加完善的、描述物體宏觀(guān)性能變化的論的生物進(jìn)化的動(dòng)力模型——環(huán)境作用動(dòng)力學(xué)理論模型。部分非生物體的環(huán)境適應性依然存在。如拉伸金屬的冷作硬化,就是對拉伸作用的一種適應;固體環(huán)境作用動(dòng)力學(xué)理論模型材料的蠕變,減緩了外部應力、應變作用,就是對外部應力、應變作用的適應1.1基本觀(guān)點(diǎn)14環(huán)境響應性環(huán)境作用動(dòng)力學(xué)理論模型認為物體由大量粒子定義3:組成物體的所有粒子中,在環(huán)境作用下部組成,是孤立的平衡系統。每個(gè)粒子存在變化和未變分或全部粒子產(chǎn)生相應變化的現象,叫做物體的環(huán)境化兩個(gè)狀態(tài)。按照統計物理的等幾率原理,粒子的微響應性U。物體的環(huán)境響應性U可以用式(3)表示觀(guān)狀態(tài)滿(mǎn)足確定的最可幾分布:能級g1,s2,…,g1,…;簡(jiǎn)并度w,w2,…,w,…;W(T)粒子數a,a2,…,a式中:W(中國煤化工近有粒子都環(huán)境作用動(dòng)力學(xué)理論模型還認為物體宏觀(guān)的形響應時(shí)物體的HCNMHG分粒子響應態(tài)和性質(zhì)的變化都是在一定的環(huán)境作用下產(chǎn)生的。時(shí),物體的環(huán)境響應性U等于活化粒子濃度。第12卷第2期封先河:環(huán)境作用動(dòng)力學(xué)基礎及應用17些環(huán)境作用于物體上時(shí),組成物體的所有粒子變化進(jìn)程P是一個(gè)微觀(guān)量,難以測量。一個(gè)具體都會(huì )響應這個(gè)環(huán)境作用。如力作用于自由物體時(shí),組的物理化學(xué)變化過(guò)程,只能用一個(gè)宏觀(guān)的物理量來(lái)成物體的所有粒子都會(huì )產(chǎn)生加速度。另一些環(huán)境作描述變化進(jìn)行的過(guò)程,這個(gè)物理量必須與變化進(jìn)程P用于物體上時(shí),組成物體的所有粒子中,只有部分粒相對應。子會(huì )響應這個(gè)環(huán)境作用。如常溫環(huán)境下塑料的熱老定義7:組成物體的所有粒子中,與變化進(jìn)程P成化過(guò)程中,只有能級很高的極少數塑料分子,才會(huì )分線(xiàn)性對應關(guān)系的宏觀(guān)物理量,稱(chēng)為物體的變化度量解老化。當組成物體的所有粒子都響應環(huán)境作用時(shí),值。簡(jiǎn)稱(chēng)變化度量值Ⅰ,即相當于全部粒子都是活化粒子,W(T)≡1(t,T)=K×P(t,T)+C1.5活化粒子濃度式中:C,K為常數。定義8:組成物體的所有粒子,在環(huán)境作用下單次定義4:粒子能級n高于某個(gè)特征能量值E的?；蚨啻萎a(chǎn)生變化的的現象,叫做物體的變化重復性Q子稱(chēng)為活化粒子。組成物體的粒子,有的只能產(chǎn)生一次變化,有的假設1:組成物體的所有粒子中,能夠產(chǎn)生物理化可以無(wú)限次產(chǎn)生變化,這將影響活化粒子濃度的大學(xué)變化的活化粒子的特征能量值E,由與溫度無(wú)關(guān)的小,需要區分E0和與溫度有關(guān)的E兩部分組成?？梢杂靡粋€(gè)函數當組成物體的所有粒子只能產(chǎn)生1次變化,如氯來(lái)描述溫度有關(guān)的Er,函數的自變量為熱力學(xué)溫度,酸鉀分解成氯化鉀和氧氣的變化過(guò)程中,氯酸鉀分子它與組成物體的粒子間相互作用有關(guān),可以通過(guò)實(shí)驗只能變化1次,這時(shí)物體的活化粒子中未發(fā)生變化部數據確定。作為一個(gè)近似的估計,E可以用溫度的二分的濃度可以表示為:次函數表示。即Q(1,T)=1-P(t,T)E=E+E7≈E+T+gT當組成物體的所有粒子可以無(wú)限次產(chǎn)生變化式中:gf為常數;T為熱力學(xué)溫度;E為特征能量時(shí),如組成物體的一個(gè)粒子在環(huán)境作用下產(chǎn)生位置值;E為E中與溫度無(wú)關(guān)的部分;E為E中與溫度有移動(dòng),這個(gè)粒子的位置移動(dòng)可以產(chǎn)生多次,相當于P關(guān)的部分(t,T)≡0。這時(shí)物體的活化粒子中不存在發(fā)生變化定義5:組成物體的所有粒子中,活化粒子數N占部分,故Q(1,T)≡1。物體的變化重復性Q可以用式總粒子數N的比,稱(chēng)為物體的活化粒子濃度W(T)。(9)表示NW(T)=N(5)1-P=1K+C-/(,7活化粒子濃度與溫度有關(guān),可以通過(guò)統計物理進(jìn)行計算。式(6)可以近似表示固體、液體、氣體的活化可以無(wú)限次產(chǎn)生變化的物體Q≡1,只能產(chǎn)生1次粒子濃度W:變化的物體由式(9)確定。W(T)≈eE,/kT(6)1.7環(huán)境作用動(dòng)力學(xué)方程1.6變化重復性假設2:在物體的宏觀(guān)變化過(guò)程中,物體的變化進(jìn)定義6:組成物體的所有粒子中,已經(jīng)發(fā)生變化的程P對時(shí)間的導數,與環(huán)境作用σ、物體的環(huán)境適應粒子數占所有粒子數的比,稱(chēng)為物體的變化進(jìn)程。簡(jiǎn)性S、物體的環(huán)境響應性U、物體的變化重復性Q的積稱(chēng)變化進(jìn)程P,它是一個(gè)0-1之間的無(wú)量綱數。所有成正比。即粒子都未發(fā)生變化時(shí),變化進(jìn)程P=0;所有粒子都發(fā)生dP(t. T=jxS()xU(T)xo(t,T)xo(10)變化時(shí),變化進(jìn)程P=1;部分粒子發(fā)生變化時(shí),變化進(jìn)程P在0和1之間。式中:為比例系數,同時(shí)平衡量綱。變化進(jìn)程P的重要性在于:相同活化粒子濃度可2理論模型的應用能具有不同的變化速度。因為隨著(zhù)變化的進(jìn)行,活化粒子中有一部分已經(jīng)產(chǎn)生了變化,這些粒子對變化速YH中國煤化工率是沒(méi)有貢獻的,只有未產(chǎn)生變化的活化粒子,才對2.1應用特點(diǎn)CNMHG變化速度產(chǎn)生影響環(huán)境作用動(dòng)力學(xué)的應用范圍為:由大量微觀(guān)粒子裝備環(huán)境工程2015年4月組成的物體,在影響物體變化過(guò)程的有效環(huán)境作用子基元反應速率方程一致,式(14)在反應初期與式下,變化過(guò)程的定量描述。(14)近似,后期存在差異。針對具體的物體和環(huán)境作用,首先應該確定物體變化過(guò)程中物體的環(huán)境適應性、物體的環(huán)境響應3結論性、物體的變化重復性等特征,對式(2),(3),(9)作岀選擇。然后選擇描述物體變化過(guò)程的變化度量值環(huán)境作用動(dòng)力學(xué)能夠描述宏觀(guān)物體在環(huán)境作用,并確定環(huán)境作用σ和式(⑦)的具體函數。確定環(huán)境下的變化過(guò)程,物體僅限于由大量微觀(guān)粒子組成的宏作用σ時(shí),應考慮到環(huán)境作用a可以是時(shí)間和溫度觀(guān)物體,變化過(guò)程不僅限于物理變化過(guò)程和化學(xué)變化的函數,也可以是恒定的常數,還可以隨變化度量值過(guò)程?；蜃兓M(jìn)程P變化。確定式(7)的具體函數時(shí),應考宏觀(guān)物體在環(huán)境作用下的變化過(guò)程,雖然極其復慮到變化開(kāi)始時(shí)的變化度量值Ⅰ和變化結束時(shí)的變雜,但只要能夠準確描述宏觀(guān)物體所受的環(huán)境作用化度量值。確定宏觀(guān)物體變化過(guò)程的3個(gè)特征(物體的環(huán)境適應最后,帶入式(10)得到常微分方程,求解得到變性、物體的環(huán)境響應性、物體的變化重復性),就可以化度量值。對于簡(jiǎn)單的變化過(guò)程,可以得到函數通應用環(huán)境作用動(dòng)力學(xué)描述其變化過(guò)程。解,由具體的實(shí)驗數據確定通解系數;對于復雜的變新的環(huán)境作用動(dòng)力學(xué)理論模型涵蓋了蠕變動(dòng)力化過(guò)程,只能得到數值解。學(xué)理論模型和原有的環(huán)境作用動(dòng)力學(xué)理論模型,動(dòng)力22外力F作用下物體的運動(dòng)學(xué)方程的物理意義更加明確,方便人們針對具體的變化過(guò)程進(jìn)行應用。以物體的速度ν為變化度量值,環(huán)境作用a為外力F。組成物體的全部粒子對外力作用都產(chǎn)生加速參考文獻度,U=1;粒子可以無(wú)限次產(chǎn)生速度變化,Q≡1;物體[ PETER ATKINS, julio de paula. Atkins' Physical Che對外力作用不存在適應性,S=1。應用式(10)有ical[M]. Beijing: Higher Education Press, 2009[2 CHENG H S, HOU TT, FENG(11)令j=1m,=F,dWdr=a,有1274.F:(12)[3J HILLES H M, ORTEGA F, RUBIO RG, et aL. Long-time Re23雙分子基元化學(xué)反應Polymer: Evidence of Glasslike Dynamics in Two Dimensions[J Physical review Letters, 2004, 92(25): 255503以生成物濃度Cc為變化度量值,環(huán)境作用a為質(zhì)[4 GILLENA K T, BERNSTEINA R, WILSON M H Predicting量作用,即兩分子濃度的積CCB。物體對質(zhì)量作用and Confirming the Lifetime of O-rings[J]. Polymer Degrada-不存在適應性,S=1。假定組成物體的全部粒子可以tion and Stability, 2005(87): 257-270無(wú)限次產(chǎn)生反應,故Q≡1;應用式(10)有[5] BOUALEM N, SEREIR Z Accelerated Aging of UnidirectiondCcal Hybrid corLes under the Long-term Elevated Temper=×W(T)×CAxC13)ature and Moisture Concentration[J]. Theoretical and Applied令j=1,dCd=v,并代入式(13),有Fracture Mechanics, 2011(55): 68-75CA×C(14) [6] DUSAN KRAJCINOVIC, ANTONIO RINALDI.Thermody-namics and Statistical Physics of Damage Processes in假定組成物體的全部粒子只能產(chǎn)生1次反應,故si-ductile Solids[J]. Mechanics of Materials, 2005(37)Q=1-CK。應用式(10)有315d=jxW(T)×(1、1dCcCc)×CA×CB(15) [7 GALWEY K ANDREW, BROWN E MICHAEL. APPlicationof the Arrhenius Equation to Solid State Kinetics: Can This be令j=1,dCd=v,并代入式(13)。有Justifid[J). Thermochimica Acta, 2002, 286: 91-95中國煤化工的分數階模型V=e×(1-Cc)× CAXCR(16)|S陳宏善,侯婷U中國科學(xué):4CNMHG(10):1267式中:K由式(7)決定。式(14)與化學(xué)動(dòng)力學(xué)雙分(下轉第74頁(yè))74裝備環(huán)境工程2015年4月WANG Jian-zhang, YAN Feng-yuan, XUE Qun-ji. TribolI0陳君,閻逢元,王建章海水環(huán)境下TC鈦合金腐蝕磨損性cal Behaviors of Some Polymeric Materials in Sea Water!J]能的研究摩擦學(xué)學(xué)報,2012,32(1):1-6.Chinese Science Bulletin, 2009(22):3558--3564CheN Jun, YAN Feng-yuan, WANG Jian-zhang. Corrosie6]袁成清,嚴新平,白秀琴.試論海洋摩擦學(xué)的內涵、研究范Wear Properties of TCa Titanium Alloy in Artificial Seawater疇及其研究進(jìn)展[機械工程學(xué)報,2013(19):95-103.小 Tribology,2012,32(1):1-6YUAN Cheng-qing, YAN Xin-ping, BAl Xiu-qin. Discus- [11] ASSI F, BOHNI H. Study of Wear-Corrosion Synergy with asion on Connotation and Research Scopes of Ocean TribologyNew Microelectrochemical Technique[J]. Wear, 1999(1)and Its Research Progress[J] Journal of Mechanical Engineer-505-514ng,2013(19):95-103[12] IWABUCHI A, LEE J W, UCHIDATE M. Synergistic Effect⑦7]姜曉霞,李詩(shī)卓,李曙.金屬的腐蝕磨損[M!北京:化學(xué)工of Fretting Wear and Sliding Wear of Co-alloy and Ti-alloy業(yè)出版社,2003in Hanks' Solution[J Wear, 2007(1-6): 492--500JIANG Xiao-xia, LI Shi-zhuo, LI Shu. Corrosive Wear of [13 IWABUCHI A, SONODA T, YASHIRO H, et al. ApplicationMetals[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 200of potential Pulse Method to the Corrosion behavior of the8]任晢.KFRP在鹽水環(huán)境下腐蝕與摩擦磨損性能研究及壽Fresh surface formed by scratching and Sliding in Corrosive命預測D]哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),201Wear[J].Wear,1999(1):181-189REN Zhe. The Research of Corrosion Friction and Wear Prop-[l14]裴召輝.可控氣氛摩擦試驗機研制及聚合物材料在不同氣erties and Life Prediction of KERP Under Salt Water[D). Har氛中摩擦學(xué)性能研究Φ.北京:機械科學(xué)研究總院,2009bin: Harbin Institute of Technology, 2011PEI Zhao-hui. Development of Atmosphere Controlled Tri19 KIM M H, RHEE KY, PARK SJ. Plasma Treatment and Itsbometer and Study on Tribological Properties of Polymers inEffects on the Tribological Behavior of Basalt/Epoxy WoverDifferent Gases[D]. Beijing: China Academy of Machinery SciComposites in a Marine Environment[J]. Polymers and Polence and Technology, 2009er Composites, 2011,(1): 29-34(上接第18頁(yè))I12]王登霞,李暉,孫巖,等.HNBR自然老化規律及儲存壽命預測研究[J裝備環(huán)境工程,2013,10(6):23--28.CHEN Hong-shan, HOU Ting-ting, FEGN Yarfrac-WANG Deng-xia. LI Hui. sun Yan, et al. Weather aging oftional Model for the Physical Aging of Polymers[J]. ScientiaHNBR and Its Storage Life Prediction[J]. Equipment Environ-Sinica( Physica Mechanica Astronomica), 2010, 40(10)mental Engineering. 2013. 10(6): 23--281267—1274.3孫偉星,劉山尖,歐陽(yáng)昕,等.橡膠隔振器壽命預測及加速⑨封先河蠕變動(dòng)力學(xué)模型及其在彈簧蠕變中的應用科試驗研究進(jìn)展裝備環(huán)境工程,2013,10(1:57-6學(xué)通報,2012,57(25):23542358SUN Wei-xing, LIU Shan-jian, OUY ANG Xin, et al. AdvancFENG Xian-he Creep Dynamic Model and Its Application toes in fatigue life prediction and accelerated test of rublthe Creep of SpringlJ] Chinese Science Bulletin, 2012, 57Vibration Isolator[J]. Equipment Environmental Engineering(25):2354—23582013,10(1):57-6010封先河,魏小琴壓縮氟硅橡膠O形密封圈蠕變老化行為[l4陳宏善,侯婷婷,馮養平.聚合物物理老化的分數階模型研究門(mén)中國科學(xué):物理學(xué)力學(xué)天文學(xué),2014,44(5)小中國科學(xué):物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)2010,40(10):12671274.FENG Xian-he, WEI Xiao-qin. Creep/ Aging Behavior StudyCHENG Hong-shan, HOU Ting-ting, FENG Yang-pingof Compressed Fluorinated Silicone Rubber O Ring[ J]. Scien-Polymer Physics Aging Score Rank Model[J). Scientia Sinicatia Sinica( Physica Mechanica Astronomica), 2014, 44(5)Physica Mechanica Astronomica), 2010, 40(10): 1267-86-4911274.l先河可.環(huán)境作用動(dòng)力學(xué)及其在武器裝備定壽延壽中的應5 GREENFIELD E. Creep of Metals at High Temperature[M]用小裝備環(huán)境工程,2014,11(4):23-28.London: Mills Boon Lid. 1972FENG Xian-he. Dynamics of Environmental Effect and Its [16 HOANG ERIG中國煤化工rediction of aApplication in Weapon Service Life Determination and Exten-Blue pe100 wand stabilision[J]. Equipment Environmental Engineering, 2014, 11(4)ty,2008,93:lCNMHG23-28