Скачиваний:
19
Добавлен:
08.11.2022
Размер:
13.28 Mб
Скачать

Разложение 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 y σz ) σy x σz ) σz x σy )

 

 

1 2

 

 

 

 

 

 

 

x 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

1σ2

2σ3 3σ1 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 + U

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