位移场

力学中的位移场是指物体当中的所有点，其位移向量所组成的向量场^[1][2]。位移向量以一个点或是粒子原来的位置为准，标明其新的位置。例如，固体形变的效果就可以用位置场来表示。

公式

在考虑位移之前，需要定义形变之前的状态。此状态下，所有点的座标都知道，而且可以用以下函数描述： $${\displaystyle {\vec {R}}_{0}:\Omega \to P}$$ 其中

• ${\displaystyle {\vec {R}}_{0}}$是位移向量
• ${\displaystyle \Omega }$是物体的所有点
• ${\displaystyle P}$是物体的所有点在空间中的位置。

此一状态也常常是没有外力的状态。

给定物体的其他状态，其中所有点的座标可以用${\displaystyle {\vec {R}}_{1}}$来描述，则二个物体状态之间的位移场为： $${\displaystyle {\vec {u}}={\vec {R}}_{1}-{\vec {R}}_{0}}$$ 其中${\displaystyle {\vec {u}}}$是位移场，物体的每一个点都有一个对应的位移向量。

位移分量

连续体的运动

物体的位移可以分为二个分量：刚体位移以及形变。

• 刚体位移包括物体的平移或旋转，物体的形状、大小都维持不变。
• 形变表示物体形状或大小的变化，从未形变的组态${\displaystyle \kappa _{0}({\mathcal {B}})}$变成形变后的组态${\displaystyle \kappa _{t}({\mathcal {B}})}$。

连续体组态的变化可以用位移场来描述。位移场是物体中所有点的位移向量组合成的场，可以找到形变后组态和形变前组态之间的关系。物体中二点之间的距离改变，若且唯若物体出现形变。若物体有位移，但没有形变，即为刚体运动。

位移梯度张量

依照Lagrange描述法及Eulerian描述法，可以定义两种位移梯度张量。

粒子i的位移可以表示为下式。未变形组态${\displaystyle P_{i}}$的粒子，在变形组态${\displaystyle p_{i}}$，其位移向量为${\displaystyle p_{i}-P_{i}}$，以下表示为${\displaystyle u_{i}}$或${\displaystyle U_{i}}$。

物质坐标（Lagrangian描述法）

用${\displaystyle \mathbf {X} }$代替${\displaystyle P_{i}}$，用${\displaystyle \mathbf {x} }$代替${\displaystyle p_{i}\,\!}$，这二个都是从坐标系统原点到对应点的向量，可得位移向量的Lagrangian描述法： $${\displaystyle \mathbf {u} (\mathbf {X} ,t)=u_{i}\mathbf {e} _{i}}$$ 其中${\displaystyle \mathbf {e} _{i}}$是定义空间（局部参考框架（英语：lab frame））坐标系统基的正交单位向量。

若用物质坐标表示位移场，${\displaystyle \mathbf {u} }$会是${\displaystyle \mathbf {X} }$的函数，位移场是： $${\displaystyle \mathbf {u} (\mathbf {X} ,t)=\mathbf {b} (t)+\mathbf {x} (\mathbf {X} ,t)-\mathbf {X} \qquad {\text{or}}\qquad u_{i}=\alpha _{iJ}b_{J}+x_{i}-\alpha _{iJ}X_{J}}$$ 其中${\displaystyle \mathbf {b} (t)}$是表示刚体移动的位移向量。

位移向量相对物质坐标的偏导数可得物质位移梯度张量${\displaystyle \nabla _{\mathbf {X} }\mathbf {u} \,\!}$。可得 $${\displaystyle \nabla _{\mathbf {X} }\mathbf {u} =\nabla _{\mathbf {X} }\mathbf {x} -\mathbf {R} =\mathbf {F} -\mathbf {R} \qquad {\text{or}}\qquad {\frac {\partial u_{i}}{\partial X_{K}}}={\frac {\partial x_{i}}{\partial X_{K}}}-\alpha _{iK}=F_{iK}-\alpha _{iK}}$$ 其中${\displaystyle \mathbf {F} }$是物质位移梯度张量，而${\displaystyle \mathbf {R} }$为旋转。

空间坐标（Eulerian描述法）

在Eulerian描述法下，未变形组态的粒子${\displaystyle P}$，延伸到其变形组态的向量为位移向量： $${\displaystyle \mathbf {U} (\mathbf {x} ,t)=U_{J}\mathbf {E} _{J}}$$ 其中${\displaystyle \mathbf {E} _{i}}$是定义物质坐标系统的基的正交单位向量。

若用空间坐标表示位移场，${\displaystyle \mathbf {U} }$会是${\displaystyle \mathbf {x} }$的函数，位移场是： $${\displaystyle \mathbf {U} (\mathbf {x} ,t)=\mathbf {b} (t)+\mathbf {x} -\mathbf {X} (\mathbf {x} ,t)\qquad {\text{or}}\qquad U_{J}=b_{J}+\alpha _{Ji}x_{i}-X_{J}}$$

空间导数，也就是位移向量相对空间坐标的偏导数，即为空间位移梯度张量${\displaystyle \nabla _{\mathbf {x} }\mathbf {U} \,\!}$，可得 $${\displaystyle \nabla _{\mathbf {x} }\mathbf {U} =\mathbf {R} ^{T}-\nabla _{\mathbf {x} }\mathbf {X} =\mathbf {R} ^{T}-\mathbf {F} ^{-1}\qquad {\text{or}}\qquad {\frac {\partial U_{J}}{\partial x_{k}}}=\alpha _{Jk}-{\frac {\partial X_{J}}{\partial x_{k}}}=\alpha _{Jk}-F_{Jk}^{-1}\,,}$$ 其中${\displaystyle \mathbf {F} ^{-1}=\mathbf {H} }$空间位移梯度张量。

物质坐标和空间坐标的关系

${\displaystyle \alpha _{Ji}}$是物质坐标和空间坐标的单位向量${\displaystyle \mathbf {E} _{J}}$及${\displaystyle \mathbf {e} _{i}\,\!}$的方向馀弦，因此 $${\displaystyle \mathbf {E} _{J}\cdot \mathbf {e} _{i}=\alpha _{Ji}=\alpha _{iJ}}$$

${\displaystyle u_{i}}$和${\displaystyle U_{J}}$的关系为 $${\displaystyle u_{i}=\alpha _{iJ}U_{J}\qquad {\text{or}}\qquad U_{J}=\alpha _{Ji}u_{i}}$$

已知 $${\displaystyle \mathbf {e} _{i}=\alpha _{iJ}\mathbf {E} _{J}}$$ 因此 $${\displaystyle \mathbf {u} (\mathbf {X} ,t)=u_{i}\mathbf {e} _{i}=u_{i}(\alpha _{iJ}\mathbf {E} _{J})=U_{J}\mathbf {E} _{J}=\mathbf {U} (\mathbf {x} ,t)}$$

结合变形组态以及未变形组态的坐标系统

常常会叠合变形组态及未变形组态的坐标系统，是在${\displaystyle \mathbf {b} =0\,\!}$下的结果，而方向馀弦变成克罗内克δ函数 $${\displaystyle \mathbf {E} _{J}\cdot \mathbf {e} _{i}=\delta _{Ji}=\delta _{iJ}}$$

在材料（未变形）的坐标里，位移可以表示为： $${\displaystyle \mathbf {u} (\mathbf {X} ,t)=\mathbf {x} (\mathbf {X} ,t)-\mathbf {X} \qquad {\text{or}}\qquad u_{i}=x_{i}-\delta _{iJ}X_{J}}$$

在空间（已变形）的坐标里，位移可以表示为： $${\displaystyle \mathbf {U} (\mathbf {x} ,t)=\mathbf {x} -\mathbf {X} (\mathbf {x} ,t)\qquad {\text{or}}\qquad U_{J}=\delta _{Ji}x_{i}-X_{J}}$$

相关条目

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