Лекции Алексеевой
.pdfРазложение тензора деформаций на шаровую и девиаторную часть
|
x |
1 |
yx |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x 0 |
|
1 |
yx |
|
1 |
zx |
|
|
|
|
|
||||||||||
|
2 |
2 |
zx |
|
|
|
0 |
|
0 |
|
|
|
2 |
|
2 |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
1 |
xy |
|
y |
1 |
zy |
|
|
|
|
0 |
|
0 |
|
|
1 |
xy |
|
y 0 |
1 |
zy |
|
; |
|
T T 0 D |
|||||||||||||
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
2 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
0 |
0 |
0 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
1 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
xz |
|
yz |
|
z |
|
|
|
|
xz |
|
|
yz |
|
z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
2 |
|
2 |
|
|
шаровой тензор |
|
|
2 |
|
|
2 |
|
0 |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
девиатор деформаций |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
x y z |
|
– средняя деформация |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Первые инварианты: |
|
- шарового тензора |
I Ш 3 |
0 |
e , |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
- девиатора |
|
I D ( |
x |
|
0 |
) ( |
y |
|
0 |
) ( |
z |
|
0 |
) 3 |
0 |
3 |
0 |
0 , |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для шарового тензора происходит только изменение объема без изменения формы. Для девиатора происходит только изменение формы без изменения объема.
Обобщенный закон Гука
В случае малых деформаций зависимость между напряжениями и деформациями линейная и носит название обобщенного закона Гука.
y |
|
|
y |
|
|
yz |
yx |
|
xy |
|
|
zy |
|
|
xz |
x |
|
zx |
|
x |
z |
|
|
|
|
|
z |
|
|
Эксперименты показывают, что в изотропном материале угловая деформация зависит только от соответствующего касательного напряжения
γxy |
τxy |
, γyz |
τyz |
, |
γzx |
τ |
zx |
, |
(1) |
|
G |
G |
G |
||||||||
|
|
|
|
|
|
G – модуль упругости второго рода
Линейные деформации возникают только из-за нормальных напряжений.
Для одноосного НС закон Гука: |
ε |
σ |
, где |
– продольная деформация. |
||||
E |
||||||||
Закон Пуассона: |
|
|
|
|
, |
– коэффициент Пуассона |
||
|
|
|||||||
поп прод |
||||||||
|
Действующее напряжение |
|
|
|
|
Соответствующая деформация |
||||||||||
x |
|
|
|
|
x x |
, y z v x v |
x |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
E |
|
|
|
|
|
|
|
E |
y |
|
|
|
|
y |
|
y |
, |
x z v |
y |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
E |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E |
|
|
||||
z |
|
|
|
|
z |
|
z , |
y x v |
z |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E |
|
E |
|
|||
На основании принципа суперпозиции |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
x |
1 |
|
|
x v y z |
, |
|
|
|
|
|
|
|||
|
E |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
y |
1 |
|
|
y v x z , |
|
|
|
|
(2) |
|||||
|
E |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
z v x y |
. |
|
|
|
|
|
|
||||
|
z |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
E |
|
|
|
|
|
|
|
|
γxy |
τxy |
, |
|
|
γyz |
τyz |
, γzx |
|
τ |
zx |
|
, |
(1) |
||||
G |
|
|
G |
|
|
G |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
1 |
|
|
x v y z , |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
E |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
y |
1 |
|
|
y v x z , |
|
|
|
|
(2) |
|||||||
|
|
|
E |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
z |
1 |
|
|
z v x y . |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
E |
|
|
|
|
|
|
|
|
Формулы (1) и (2) - обобщенный закон Гука Так как углы сдвига зависят только от соответствующих касательных
напряжений, то одновременно с касательными напряжениями обратятся в нуль и угловые деформации. Значит для изотропного тела главные оси напряженного и деформированного состояний совпадают.
|
|
Закон Гука для объемной деформации |
|
||||||
|
|
|
e εx εy εz |
|
|||||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
E |
σx (σy σz ) σy (σx σz ) σz (σx σy ) |
||||||||
|
|
1 2 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
(σx σy σz ) |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
E |
|
|
|
||
|
|
Поскольку |
|
σx σy σz |
3 0 I1 , то |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
e |
3 1 2 |
0. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
E |
|
|
|
Относительное изменение объема пропорционально |
|||||||||
|
|
первому инварианту НС. |
|
||||||
При 0 |
0 , должно быть e 0 , тогда 1 2 0, откуда |
v 0,5 . |
Потенциальная энергия деформации в общем случае НС
Потенциальная энергия, накопленная в элементарном объеме определяется суммой работ сил, распределенных по поверхности этого объема
dU dW
Нормальная сила xdydz на |
Касательная сила xzdydz на |
||||||||||||||
перемещении xdx совершает работу |
перемещении xzdx совершает работу |
||||||||||||||
dW |
1 |
σ |
x |
dy dz |
x |
dx |
dW |
1 |
|
xz |
dy dz |
xz |
dx |
||
x |
2 |
|
|
|
|
xz |
2 |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
сила |
путь |
|
|
|
|
сила |
путь |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dU dW 1 dV x x y y z z xy xy xz xz yz yz |
|
(3) |
|||
|
|
|
|
2 |
|
|
|
Удельная потенциальная энергия деформации U0 - это энергия, |
|
||||||
|
|
|
|
накопленная единицей объема тела |
|
||
|
|
|
|
|
|
||
|
U0 dU |
|
1 x x y y z z xy xy xz xz yz yz |
, |
(4) |
||
|
|
dV |
|
2 |
|
|
|
Подставим в (4) вместо деформаций их выражения по (1), (2):
U0 21E x x y z y y x z z z x y
21G τ2xy τ2xz τ2yz 21E σ2x σ2y σ2z 2 (σxσy σyσz σzσx ) 21G τ2xy τ2xz τ2yz
Вглавных напряжениях
U0 21E σ12 σ22 σ32 2 (σ1σ2 σ2σ3 σ3σ1)
Выразим U 0 через инварианты НС.
Для этого прибавим и отнимем удвоенные произведения нормальных напряжений:
|
U |
|
|
1 |
|
σ2 σ2 |
σ2 |
|
2 (σ σ |
σ |
|
σ |
|
σ |
σ |
) 2(σ σ |
σ |
|
σ |
|
σ |
σ |
) |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
0 |
|
2E |
1 |
2 |
3 |
|
1 2 |
|
2 |
|
3 |
3 |
1 |
1 2 |
|
2 |
|
3 |
3 |
1 |
|
|
|
|
|
1 |
σ12 |
σ22 |
σ32 |
2σ1σ2 |
2σ2σ3 2σ3σ1 2(1 ) σ1σ2 |
σ2 |
σ3 |
σ3σ1 |
|
|
||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
2E |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
I2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
σ1 σ2 σ3 |
I1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U |
|
|
1 |
I 2 |
2(1 )I |
|
. |
(5) |
|
|
|||||||
|
0 |
|
2E 1 |
|
2 |
|
|
Потенциальная энергия изменения объема и изменения формы тела
Удельную потенциальную энергию деформации U0 тоже можно
представить как сумму: U0 =U0об + U0ф
U0об – энергия изменения объема. Она накоплена в шаровом тензоре.
|
I1 |
3 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I2 0 0 0 |
0 |
0 0 3 02 |
I12 |
|
|
|
||||||
|
3 |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
I 2 |
|
|
I 2 |
3 2 2v |
1 2v |
|
|
||
U0об |
|
I12 2(1 |
) |
1 |
|
|
1 |
|
|
I12 |
(6) |
||
|
3 |
6E |
|
6E |
|||||||||
|
2E |
|
|
|
|
|
|
|
|
U0ф – энергия изменения формы или энергия формоизменения. Она накоплена в девиаторе напряжений.
|
|
|
|
U |
|
U |
|
U |
|
|
|
1 |
I 2 |
2(1 )I |
|
|
1 2v I 2 |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
0ф |
|
|
0 |
|
0об |
|
|
2E 1 |
|
|
|
2 |
|
6E |
|
1 |
|
|
|
|
||||
|
1 |
3I 2 |
6(1 )I |
|
I 2 |
2vI 2 |
|
|
1 |
2I 2 |
(1 |
v) |
6(1 )I |
|
|
|
(1 v) 2I 2 |
6I |
|
||||||||||
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
6E |
1 |
|
|
2 |
|
1 |
|
1 |
|
|
|
6E |
1 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
6E |
1 |
|
2 |
|
U0ф |
(1 v) |
|
z |
2 |
6 |
x y |
y z |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
2 |
|
|
2 |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
6E |
2 x y |
|
z x xy yz zx |
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1 v) 2 2 |
2 2 |
2 2 |
4 |
|
y |
|
4 |
|
z |
4 |
|
x |
6 |
x |
|
y |
6 |
|
z |
6 |
|
|
x |
|
|||||||||
|
6E |
x |
y |
z |
x |
|
|
|
y |
|
z |
|
2 |
|
2 |
y |
|
|
|
z |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
2 |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 xy yz zx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
(1 v) 2 2x 2 2y 2 2z 2 x y 2 y z 2 z x 6 2xy 2yz 2zx |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
6E |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U0ф |
|
(1 v) ( x y )2 ( y z )2 ( z x )2 6 |
2xy |
2yz |
2zx |
|
|
|
|
(7) |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
6E |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|