22533

Свойства тензора напряжений. Главные напряжения

Лекция

Производство и промышленные технологии

Свойства тензора напряжений. Главные напряжения Тензор напряжений обладает свойством симметрии. Для доказательства этого свойства рассмотрим приведенный в лекции 5 элементарный параллелепипед с действующими на его площадках компонентами тензора напряжений. Отличные от нуля моменты создают компоненты верхняя грань и права грань: После сокращения на элемент объема dV=dxdydz получим Аналогично приравнивая нулю сумму моментов всех сил относительно осей Оу и Ог получим еще два соотношения Эти условия симметрии и тензора напряжений...

Русский

2013-08-04

95 KB

13 чел.

Сопротивление материалов Сагадеев В.В.

Лекция № 6. Свойства тензора напряжений. Главные напряжения

   Тензор напряжений обладает свойством симметрии. Для доказательства этого свойства рассмотрим приведенный в лекции 5 элементарный параллелепипед с действующими на его площадках компонентами тензора напряжений. Так как тело находится в равновесии, следовательно, находится в равновесии любая его часть, в том числе и элементарный объем. Запишем одно из шести уравнений равновесия этого объема, а именно — сумму моментов всех сил относительно оси Ох. Все силы, кроме двух, либо не создают момента относительно ocи Ох, либо взаимно уничтожаются. Отличные от нуля моменты создают компоненты (верхняя грань) и (права грань):

После сокращения на элемент объема dV=dxdydz получим

Аналогично, приравнивая нулю сумму моментов всех сил относительно осей Оу и Ог, получим еще два соотношения

   Эти условия симметрии и тензора напряжений называются также условиями парности касательных напряжений: касательные напряжения, действующие по двум взаимно перпендикулярным площадкам в направлениях, ортогональных ребру, образованному пересечением этих площадок, равны по величине. С учетом этих свойств из девяти компонент тензора напряжений независимыми оказываются шесть компонент.

   Покажем теперь, что компоненты тензора напряжений определенные для трех взаимно перпендикулярных площадок, полностью характеризуют напряженное состояние в точке, т. е. позволяют вычислить компоненты вектора напряжений на площадках, произвольно ориентированных относительно выбранной системы координат. Для этого рассмотрим элементарный объем, образованный сечением параллелепипеда, изображенного на рис. 1, плоскостью, пересекающей координатные оси и имеющей единичный вектор нормали



Рис.1. Элементарный четырехгранник с компонентами напряженного состояния.

 

п с компонентами nx, ny, nz. На гранях полученного таким образом бесконечно малого тетраэдра действуют напряжения, показанные на рис. 1. При этом вектор напряжений pn на наклонной площадке разложен па составляющие рx, рy, рz вдоль координатных осей. Площади граней, ортогональных координатным осям и вектору нормали, обозначим соответственно dFx, dFy, dFz, dF. Эти площади связаны между собой соотношениями

dFx=dFnx, dFy=dFny, dFz=dFnz

(1)

вытекающими из того, что грани, ортогональные координатным осям, есть проекции наклонной площадки на соответствующую координатную плоскость.

   Проектируя силы, действующие на гранях элементарного тетраэдра, на координатные оси, получим уравнения равновесия для рассматриваемого объема. Например, проекции всех поверхностных сил на ось Ох дают

   С учетом соотношений (1) после сокращения на dF получим уравнение, связывающее проекцию рx вектора напряжений с соответствующими компонентами тензора напряжений. Объединяя это уравнение с двумя аналогичными уравнениями, полученными проектированием сил на оси Оy и Оz, приходим к следующим соотношениям

(2)

носящим название формул Коши. Эти формулы определяют вектор напряжений на произвольно выбранной площадке с вектором п через компоненты тензора напряжений.

Формулы (2) позволяют вычислить через компоненты тензора напряжений

полное напряжение

(3)

нормальное напряжение

(4)

и касательное напряжение

(5)

   Среди всех возможных направлений вектора нормали n существуют такие направления, для которых вектор напряжений pn параллелен вектору п. На соответствующих площадках действуют только нормальные напряжения, а касательные напряжения отсутствуют. Такие площадки называются главными, а нормальные напряжения на этих площадках называются главными напряжениями. Пусть площадка с единичным вектором нормали является главной. Условия коллинеарности векторов pn и n есть условия пропорциональности их компонент:

С учетом формул Коши получим систему линейных однородных уравнений относительно неизвестных компонент nx, ny, nz вектора нормали к главной площадке

Эта система уравнений имеет ненулевое решение, если определитель, составленный из коэффициентов уравнений, обращается в нуль:

(6)

Раскрывая определитель, приходим к кубическому уравнению относительно главного напряжения

(7)

Здесь введены обозначения

(8)

(9)

 

Уравнение (7) называется характеристическим уравнением для тензора напряжений. Коэффициенты (9) этого уравнения называются инвариантами тензора напряжений. Решение кубического уравнения (8) имеет три вещественных корня которые обычно упорядочиваются .

   Каждому значению (j=1, 2, 3) соответствует вектор n j, характеризующий положение j-й главной площадки, с компонентами n j1, n j2, n j3. Для нахождения этих компонент достаточно в уравнения подставить найденное значение и решить любые два из этих уравнений совместно с условием нормировки

   Главные напряжения обладают важным свойством: по сравнению со всеми другими площадками нормальные напряжения на главных площадках принимают экстремальные значения. Для доказательства этого свойства достаточно исследовать на экстремум нормальное напряжение как функцию nx, ny, nz при дополнительном ограничении. Можно показать, что три главные площадки, соответствующие главным напряжениям , взаимно перпендикулярны или, что то же самое, векторы nj и nk, соответствующие различным значениям j и k —; ортогональны. Условие ортогональности имеет вид

(10)

Кубическое уравнение (8) можно переписать в виде

(11)

Приводя это уравнение к виду (8), получим следующие выражения для инвариантов (9) через главные напряжения:

(12)

Термин «инвариантность» обозначает независимость некоторой величины от выбора системы координат.

Введем среднее напряжение по формуле

(13)

Тензор напряжений можно представить в виде суммы двух тензоров , где

(14)

   Первый тензор называется шаровым, он характеризует изменение объема тела без изменения его формы. Второй тензор, называемый девиатором, характеризует изменение формы. Особенностью девиатора напряжений является равенство нулю его первого инварианта:

(15)

   Найдем положение площадок, на которых касательные напряжения принимают экстремальные значения. Для этого нужно отыскать экстремумы касательного напряжения. Экстремальные касательные напряжения действуют на площадках, параллельных одной из главных осей и образующих с двумя другими осями угол . По величине эти напряжения равны

(16)

При этом на площадках с экспериментальными касательными напряжениями присутствуют нормальные напряжения, которые равны

   Фигура, которую образуют площадки с экстремальными касательными напряжениями, изображена на рис. 2. Она принадлежит к классу параллелоэдров и представляет собой 12-гранник с гранями в виде ромбов, отношение диагоналей которых равно .



Рис.2. Параллепоэдр распределения экстремальных касательных напряжений

 

Таким образом, общая теория напряженного состояния позволяет охватывать, в целом, весь комплекс видов сопротивлений, как простого, так и сложного характера.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

77314. ФЕНОМЕНЫ ПРИСУТСТВИЯ И ВОВЛЕЧЁННОСТИ В СРЕДАХ ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ 27 KB
  Ключевым понятием позволяющим отличить виртуальную реальность от трехмерной графики является феномен присутствия определяемый как перцептивная иллюзия непосредственности или чаще как sense of beening there ощущение нахождения себя там в противоположность наблюдению за изображением со стороны. Отдельно указывается что при переживании присутствия пользователь забывает о машинах поставляющих ему изображения. Изучению присутствия посвящен достаточно обширный пласт работ которые в основном концентрируются на определении...
77315. ФЕНОМЕН ПРИСУТСТВИЯ И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕШЕНИЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ЗАДАЧ В СРЕДАХ ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ 125.5 KB
  Эта статья посвящена изучению особенностей взаимодействия пользователя с виртуальной реальностью состояния присутствия его влияние на способности пользователя решать задачи на пространственное преобразование тест кубики Коса. Основным фактором определяющим виртуальную реальность в отличие от объемной компьютерной графики является состояние присутствия которое большинством авторов характеризуется как ощущение пребывания в другом мире отличающееся от обычного для компьютерной графики наблюдения за картинкой на экране Fencott 1999;...
77316. К обоснованию проекта визуализационной компоненты виртуального испытательного стенда 82 KB
  Характерным в этой работе является во-первых огромная роль технологий виртуальной реальности в визуализации а во-вторых неразрывная связь системы визуализации и мощной вычислительной модели для которой система визуализации служит средством управления численным экспериментом. Вычислительный компьютерный эксперимент известный с 70-ых годов становится реальным инструментом исследования после появления супер-производительных параллельных вычислителей и мощных средств визуализации включая средства виртуальной реальности. Предметом...
77317. SEARCH AND ADAPTATION OF METAPHORS FOR HUMAN-COMPUTER INTERACTION 47.5 KB
  on The complexity of the metphor serching is relted to the fct tht the serch re is very wide the whole world. t this point serch of metphors is often spontneous nd unstructured process. Tht is why it is importnt to py ttention to resonble methods of selection nd dpttion of the interfce metphors. In this rticle we would like to highlight the min fctors ffecting the process of finding interfce metphors nd to tell bout the methods of selection nd...
77318. Практика разработки видов отображения в системах компьютерной визуализации 27 KB
  Вид отображения определим как абстракцию графического вывода содержащую спецификацию визуальных объектов их атрибутов их взаимо-расположения возможной динамики и способов взаимодействия. В процессе визуализация модельные сущности связываются с видом отображения так что суть поведение особенности и атрибуты модельных сущностей представляются в конкретном графическом выводе точно идентифицирующем все визуальные свойства в которые переходят атрибуты соответствующего вида отображения. Можно говорить о видах отображения как о стандартных...
77319. СТРУКТУРА F-ЗАМЫКАНИЙ В СРЕДЕ RiDE 36.5 KB
  Перечисление наборов глобальных имён блоков данных которое предполагалось давать в неком подобии дизъюнктивной нормальной формы: 1ый набор имён или 2ой набор. Такой момент наступает когда в ходе вычисления сформированы все блоки данных имена которых перечислены в одном из указанных наборов назовём такой набор готовым. C; аргументами для этого запуска служат уже сформированные блоки данных поименованные некоторым готовым набором. Мы называем блоки данных с перечисленными в S именами предпосылками для активации.
77320. Structure of f-closures of RiDE environment 29 KB
  Bkhterev The distributed computtion support system we propose RiDE is built round the simple formlism of fclosure f is from future. Originlly we imgine fclosure consisting of five following fields. This field defines the moment in time fter which the system my ctivte the given fclosure.
77321. ТРЕХМЕРНАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ В СИСТЕМЕ ИСКУССТВЕННОГО ВИДЕНИЯ ДЛЯ ПИЛОТОВ МАЛОЙ АВИАЦИИ 1.39 MB
  Это вызвано тем что данные летательные аппараты перемещаются на относительно небольшой высоте в области действия природного ландшафта и искусственных высотных объектов и управляются пилотом в ручном режиме а не на автопилоте. На основе этих данных пилотажный монитор должен в реальном режиме времени строить трёхмерное представление о реальной картине окружающей самолёт. Экран пилотажного монитора Программа пилотажного монитора получает данные от сервера данных о текущих параметрах полёта и в режиме реального времени строит соответствующее...
77322. C89 COMPILER FOR MCp 0411100101 CPU 21.5 KB
  Produced by «MultiClet» Corp. high performance processors of MCp family are based on original EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing) architecture. Traditional EPIC solutions with very long instruction words (VLIW) suggest to compose programs from words containing independent commands for different functional units