Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен из Plane штамма )
Перейти к навигации Перейти к поиску

В механике сплошной среды , то теория бесконечно малой деформации представляет собой математический подход к описанию деформации твердого тела , в котором смещение материала частиц предполагаются значительно меньше ( на самом деле, бесконечно меньше) , чем любая соответствующая размерность тела; так что его геометрия и основные свойства материала (такие как плотность и жесткость ) в каждой точке пространства можно считать неизменными из-за деформации.

При таком предположении уравнения механики сплошной среды значительно упрощаются. Этот подход можно также назвать небольшую теорию деформации , теорию малых смещений , или небольшой теорию смещения-градиент . Это контрастирует с теорией конечных деформаций, в которой сделано противоположное предположение.

Теория бесконечно малых деформаций обычно применяется в гражданском строительстве и машиностроении для анализа напряжений конструкций, построенных из относительно жестких эластичных материалов, таких как бетон и сталь , поскольку общей целью при проектировании таких конструкций является минимизация их деформации при типичных нагрузках . Однако это приближение требует осторожности в случае тонких гибких тел, таких как стержни, пластины и оболочки, которые подвержены значительному вращению, что делает результаты ненадежными. [1]

Тензор бесконечно малых деформаций [ править ]

Для бесконечно малых деформаций одного тела континуума , в котором градиент смещения (тензор второго порядка) мал по сравнению с единицей, то есть , можно выполнить геометрическую линеаризацию любого одного из (бесконечного числа возможно) тензоров деформации , используемого в конечной деформации теории, например тензор лагранжевой деформации и тензор эйлеровой деформации . При такой линеаризации не учитываются нелинейные члены или члены второго порядка тензора конечных деформаций. Таким образом, мы имеем

или же

а также

или же

Эта линеаризация подразумевает, что лагранжевое описание и эйлерово описание примерно одинаковы, поскольку существует небольшая разница в материальных и пространственных координатах данной материальной точки в континууме. Следовательно, компоненты градиента смещения материала и компоненты градиента пространственного смещения приблизительно равны. Таким образом, мы имеем

или же

где находятся компоненты тензора бесконечно малой деформации , также называемый тензор деформации Коши , линейный тензор деформации , или малого тензора деформации .

или используя другие обозначения:

Кроме того, поскольку градиент деформации может быть выражен как где - тождественный тензор второго порядка, мы имеем

Кроме того, из общего выражения для лагранжевых и эйлеровых тензоров конечных деформаций имеем

Геометрическое происхождение [ править ]

Рис. 1. Двумерная геометрическая деформация бесконечно малого материального элемента.

Рассмотрим двумерную деформацию бесконечно малого прямоугольного элемента материала с размерами от (фиг.1), который после деформации, принимает форму ромба. Из геометрии рисунка 1 мы имеем

Для очень малых градиентов смещения, то есть , мы имеем

Нормальное напряжение в направлении оси прямоугольного элемента определяются

и зная это , у нас есть

Точно так же нормальная деформация в -направлении и -направлении становится

В Engineering сдвиговой деформация , или изменение угла между двумя первоначально ортогональными материальными линиями, в этом случае линии и определяются как

Из геометрии рисунка 1 мы имеем

Для малых поворотов, то есть и есть мы имеем

и, опять же, для малых градиентов смещения имеем

таким образом

Меняя местами и и и , можно показать, что

Точно так же для самолетов - и - у нас есть

Можно видеть, что компоненты тензорной деформации сдвига тензора бесконечно малых деформаций могут быть затем выражены с использованием определения инженерной деформации , как

Физическая интерпретация [ править ]

Из теории конечных деформаций имеем

Для бесконечно малых деформаций имеем

Разделив на, мы имеем

Для малых деформаций мы предполагаем , что , таким образом, второй член с левой стороны будет выглядеть так : .

Тогда у нас есть

где , - единичный вектор в направлении , а выражение в левой части - нормальная деформация в направлении . Для частного случая в направлении, т. Е. Имеем

Аналогично для и мы можем найти нормальные деформации и , соответственно. Следовательно, диагональные элементы тензора бесконечно малых деформаций являются нормальными деформациями в координатных направлениях.

Правила трансформации штамма [ править ]

Если мы выберем ортонормированную систему координат ( ), мы можем записать тензор в терминах компонентов по отношению к этим базовым векторам как

В матричной форме

Вместо этого мы можем легко выбрать другую ортонормированную систему координат ( ). В этом случае компоненты тензора разные, скажем

Компоненты деформации в двух системах координат связаны соотношением

where the Einstein summation convention for repeated indices has been used and . In matrix form

or

Strain invariants[edit]

Certain operations on the strain tensor give the same result without regard to which orthonormal coordinate system is used to represent the components of strain. The results of these operations are called strain invariants. The most commonly used strain invariants are

In terms of components

Principal strains[edit]

It can be shown that it is possible to find a coordinate system () in which the components of the strain tensor are

The components of the strain tensor in the () coordinate system are called the principal strains and the directions are called the directions of principal strain. Since there are no shear strain components in this coordinate system, the principal strains represent the maximum and minimum stretches of an elemental volume.

If we are given the components of the strain tensor in an arbitrary orthonormal coordinate system, we can find the principal strains using an eigenvalue decomposition determined by solving the system of equations

This system of equations is equivalent to finding the vector along which the strain tensor becomes a pure stretch with no shear component.

Volumetric strain[edit]

The dilatation (the relative variation of the volume) is the first strain invariant or trace of the tensor:

Actually, if we consider a cube with an edge length a, it is a quasi-cube after the deformation (the variations of the angles do not change the volume) with the dimensions and V0 = a3, thus

as we consider small deformations,

therefore the formula.


Real variation of volume (top) and the approximated one (bottom): the green drawing shows the estimated volume and the orange drawing the neglected volume

In case of pure shear, we can see that there is no change of the volume.

Strain deviator tensor[edit]

The infinitesimal strain tensor , similarly to the Cauchy stress tensor, can be expressed as the sum of two other tensors:

  1. a mean strain tensor or volumetric strain tensor or spherical strain tensor, , related to dilation or volume change; and
  2. a deviatoric component called the strain deviator tensor, , related to distortion.

where is the mean strain given by

The deviatoric strain tensor can be obtained by subtracting the mean strain tensor from the infinitesimal strain tensor:

Octahedral strains[edit]

Let () be the directions of the three principal strains. An octahedral plane is one whose normal makes equal angles with the three principal directions. The engineering shear strain on an octahedral plane is called the octahedral shear strain and is given by

where are the principal strains.[citation needed]

The normal strain on an octahedral plane is given by

[citation needed]

Equivalent strain[edit]

A scalar quantity called the equivalent strain, or the von Mises equivalent strain, is often used to describe the state of strain in solids. Several definitions of equivalent strain can be found in the literature. A definition that is commonly used in the literature on plasticity is

This quantity is work conjugate to the equivalent stress defined as

Compatibility equations[edit]

For prescribed strain components the strain tensor equation represents a system of six differential equations for the determination of three displacements components , giving an over-determined system. Thus, a solution does not generally exist for an arbitrary choice of strain components. Therefore, some restrictions, named compatibility equations, are imposed upon the strain components. With the addition of the three compatibility equations the number of independent equations are reduced to three, matching the number of unknown displacement components. These constraints on the strain tensor were discovered by Saint-Venant, and are called the "Saint Venant compatibility equations".

The compatibility functions serve to assure a single-valued continuous displacement function . If the elastic medium is visualised as a set of infinitesimal cubes in the unstrained state, after the medium is strained, an arbitrary strain tensor may not yield a situation in which the distorted cubes still fit together without overlapping.

In index notation, the compatibility equations are expressed as

Special cases[edit]

Plane strain[edit]

Plane strain state in a continuum.

In real engineering components, stress (and strain) are 3-D tensors but in prismatic structures such as a long metal billet, the length of the structure is much greater than the other two dimensions. The strains associated with length, i.e., the normal strain and the shear strains and (if the length is the 3-direction) are constrained by nearby material and are small compared to the cross-sectional strains. Plane strain is then an acceptable approximation. The strain tensor for plane strain is written as:

in which the double underline indicates a second order tensor. This strain state is called plane strain. The corresponding stress tensor is:

in which the non-zero is needed to maintain the constraint . This stress term can be temporarily removed from the analysis to leave only the in-plane terms, effectively reducing the 3-D problem to a much simpler 2-D problem.

Antiplane strain[edit]

Antiplane strain is another special state of strain that can occur in a body, for instance in a region close to a screw dislocation. The strain tensor for antiplane strain is given by

Infinitesimal rotation tensor[edit]

The infinitesimal strain tensor is defined as

Therefore the displacement gradient can be expressed as

where

The quantity is the infinitesimal rotation tensor. This tensor is skew symmetric. For infinitesimal deformations the scalar components of satisfy the condition . Note that the displacement gradient is small only if both the strain tensor and the rotation tensor are infinitesimal.

The axial vector[edit]

A skew symmetric second-order tensor has three independent scalar components. These three components are used to define an axial vector, , as follows

where is the permutation symbol. In matrix form

The axial vector is also called the infinitesimal rotation vector. The rotation vector is related to the displacement gradient by the relation

In index notation

If and then the material undergoes an approximate rigid body rotation of magnitude around the vector .

Relation between the strain tensor and the rotation vector[edit]

Given a continuous, single-valued displacement field and the corresponding infinitesimal strain tensor , we have (see Tensor derivative (continuum mechanics))

Since a change in the order of differentiation does not change the result, . Therefore

Also

Hence

Relation between rotation tensor and rotation vector[edit]

From an important identity regarding the curl of a tensor we know that for a continuous, single-valued displacement field ,

Since we have

Strain tensor in cylindrical coordinates[edit]

In cylindrical polar coordinates (), the displacement vector can be written as

The components of the strain tensor in a cylindrical coordinate system are given by:[2]

Strain tensor in spherical coordinates[edit]

In spherical coordinates (), the displacement vector can be written as

Spherical coordinates (r, θ, φ) as commonly used in physics: radial distance r, polar angle θ (theta), and azimuthal angle φ (phi). The symbol ρ (rho) is often used instead of r.

The components of the strain tensor in a spherical coordinate system are given by [2]

See also[edit]

  • Deformation (mechanics)
  • Compatibility (mechanics)
  • Stress
  • Strain gauge
  • Stress–strain curve
  • Hooke's law
  • Poisson's ratio
  • Finite strain theory
  • Strain rate
  • Plane stress
  • Digital image correlation

References[edit]

  1. ^ Boresi, Arthur P. (Arthur Peter), 1924- (2003). Advanced mechanics of materials. Schmidt, Richard J. (Richard Joseph), 1954- (6th ed.). New York: John Wiley & Sons. p. 62. ISBN 1601199228. OCLC 430194205.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  2. ^ a b Slaughter, William S. (2002). The Linearized Theory of Elasticity. New York: Springer Science+Business Media. doi:10.1007/978-1-4612-0093-2. ISBN 9781461266082.

External links[edit]