应力应变张量分解
塑性力学第二章-应力和应变分析
主偏应力分量表示
J2
1 2 2 2 ( S1 S 2 S 3 ) 2
简单拉伸问题
1 , 2 3 0
J2 1 1 2 2 2 3 2 3 1 2 1 2 6 3
定义等效应力
3J 2
1 I 2 [( 1 2 ) 2 ( 2 3 ) 2 ( 3 1 ) 2 ] 6
I2
1 1 2 2 2 eij eij (e1 e2 e3 ) 2 2
简单拉伸问题
1 , 2 3
I2 1 3 2 2 2 2 [( 1 2 ) ( 2 3 ) ( 3 1 ) ] 6 4
i j ij i i jj
xy 1 i 2 j ij 2 11 21 x 12 22 y 13 13 z
11 22 xy 12 21 yx 12 23 yz
m
0
ij m ij eij
应变张量的不变量 主应变:
1 , 2 , 3
I1 x y z
2 2 2 I 2 x y y z z x xy yz zx
2 2 2 I 3 x y z 2 xy yz zx x yz y zx z xy
pij...l pij...lii jj ...ll
二阶张量
pij pijii jj
pi piii
一阶张量
应力是二阶张量
ij ijii jj
r rr ri rj ij
rx rx x ry ry y rx ry xy ry rx yx
1-张量及应力应变概念 同济大学弹塑性力学
u
u2(uy) x2=y
图1.1 位移矢量的分解
3
u ux ex u y ey uz ez u1e1 u2e2 u3e3 ui ei
i 1
(1-1)
指标:对于一组性质相同的n个量可以用相同的名字加不
同的指标来表示,例如位移u的分量可用ui(i=1,2,3)表示, 这里的i就是指标。今后约定,如果不标明取值范围,则拉 丁字母i,j,k,· · · 均表示三维指标,取值1,2,3,例如, 采用ui可以表示u1、 u2和 u3三个数值,这种名字加指标的 记法称为指标符号。 指标符号的正确用法: (1) 三维空间中任意点的三个直角坐标通常记为x,y和z。 指标符号可缩写成xi ,其中x1= x, x2= y, x3= z。
这里, m I1 3,我们定义 m ij 为球应力张量,又称球形 应力张量,简称为球张量,球形应力张量表示各向均匀受 m 又常写作 p 。而 Sij 力状态,有时也称静水压力状态, 则称为偏斜应力张量,简称为应力偏量。将原应力状态减 去静水压力即可得到应力偏量状态。球张量引起物体的体 积改变,而应力偏量则引起物体的形状改变。
z n
同理,可以得到张量方程:
pi ij n j
τyx γ
px x
σx β
y
(1-7)
α
如果作用在这个倾斜 面上只有正应力,而没有
τzx
剪应力,则倾斜面上的总应力就是主应力,倾斜面的方 向就是主应力方向,用ζ表示,它在各坐标轴上的投影 (1-8)
为:
pi ni
1.4 主应力分布图
1.3 应力张量的分解
(1) ii 11 22 33 3 (2) ij ij 1111 1212 1313 21 21 22 22 23 23
第五章 应力张量 应变张量与应力应变关系
1、 2、 3是方程(5-7)的三个根,所
以,也可以将特征方程写成
( 1 )( 2 )( 3 ) 0
展开后有 3 ( 1 2 3 ) 2 ( 1 2 2 3 3 1 ) 1 2 3 0
与式(5-7)比较,得
I1 I2
方程(7)有三组解:
第一组是 m0, n0
第二组是 m0, n1/ 2
第三组是 m1/ 2, n0
有了m、n就可以从(4)中求得相应的l,并运用
(5)式得到相应的极值剪应力 ,由(2)式
得到极值剪应力面上的正应力 。 同理可从(3)和(4)中分别消去m和n,按上述 方法又可以得到六组解,但其中三组是重复的, 独立的解答一共六组,如表5-1所示。 表中前三组解答对应于主平面,其上剪应力为零; 而后三组解答对应于经过主轴之一而平分其他两 主轴夹角的平面,如图5-5示,其上剪应力为
1 和 2 的方向可取与 ν (3) 垂直平面上的任
意方向。即与ν (3) 垂直的方向都是主方向。
如果 123,则 ν (1)ν (2)、ν (2)ν (3)、
ν (3)ν (1)三者可以是零,也可以不是零,这
说明三个主方向可以相互垂直,也可以不垂 直,也就是说,任何方向都是主方向。
(3)主应力的极值性 命题1:最大(或最小)主应力是相应点处任 意截面上正应力的最大(或最小)值。
r r
这就是极坐标下的应力分量与直角坐标下应力 分量的转换公式。
反过来,取直角坐标系为新坐标系,极坐标系 旧坐标系,根据(5-2)式,用极坐标应力分量 表示直角坐标应力分量的关系为:
x xrxrr xx 2xrxr
cos2 r sin2 2sin cosr
2应力与应变分析
1 3 1 3
1 3
(2.3.1)
等斜面上的剪应力
τ N = PN 2 − σ N 2 =
1 2 (σ 1 − σ 2 ) 2 + (σ 2 − σ 3 )2 + (σ 3 − σ 1 )2 = J2 3 3
等斜面上的合应力
PN = 1 σ 12 + σ 2 2 + σ 3 2 3
2 2 2
剪应力强度、有效剪应力 有效剪应力) 纯剪应力τs(剪应力强度 有效剪应力)
τ s = J2
(2.3.4)
(2.3.5)
§2.4
主应力空间与π 平面上的应力分量, 洛德角与洛德参数
主应力空间:以三 主应力空间 个主应力为轴而组 成的笛卡儿坐标系
π 平面[偏(量)平 平面 偏 量 平
面] :垂直于等倾线 On的平面称π 平面, 其方程为 σ1 + σ 2 + σ 3 = 3 ⋅ r (2.4.1)
π 平面上应力在x、y轴上的投影为
x = O′P′cos 30° − O′P3′ cos 30° 1 2 3 1 = (σ 1 − σ 3 ) = (σ 1 − σ 3 ) 3 2 2 y = O′P2′ − (O′P′ + O′P3′) sin 30° 1 2σ 2 − σ 1 − σ 3 2 1 = × = (2σ 2 − σ 1 − σ 3 ) 2 3 6
σ N − I 1σ N − I 2σ N − I 3 = 0
3 2
(2.1.9)
上式中(应力张量不变量 )
I1 = σ x + σ y + σ z 2 2 2 I 2 = − (σ xσ y + σ yσ z + σ zσ x ) + τ xy + τ yz + τ zx 2 2 2 I 3 = σ xσ yσ z + 2τ xyτ yzτ zx − (σ xτ yz + σ yτ zx + σ zτ xy )
地质学 应力与应变分解
当三对主应力大小不等时,物体就会发生形状的变化。 最大主应力(σ1)与最小主应力(σ3)之差称为应力差。其 它条件相同时,应力差愈大,其所引起的物体形状变化愈 明显。
第二节
变形与应变
物体受力作用后,其内部各质点的相互位置发生改变, 称为变形。可以是体积的改变,也可以是形状的改变,也 可以是体积和形状同时改变。 一.变形的方式 变形的方式有五种:拉伸、挤压、剪切、弯曲和扭转。 二.应变 应变是指物体变形的相对量。是衡量物体变形程度的 一个度量概念。 物体的变形程度,即应变的大小,可以从两个方面进 行描述:线应变、剪应变。
六.应力集中 当物体内部质点分布不均匀(如有孔洞、缺口或微裂 隙)时,就会产生局部应力集中而易于变形甚至破裂。 应力集中是地壳岩石变形中常见的现象。
复ห้องสมุดไป่ตู้习 题
1.名词解释:应力、应力差、应变、线应变、剪应变、强 度极限、应变椭球体、剪裂角、共轭剪裂角。 2.正应力、剪应力、主应力、最大主应力(σ1)、最小主 应力(σ3)、主应力轴、最大应变主轴(A轴)、最小应 变主轴(C轴) 、主平面的含义。 3.最大主应力(σ1)与最大应变主轴(A轴),最小主应力 (σ3)与最小应变主轴(C轴)的延伸方向是否一致?
1.线应变 是指物体内某方向上单位长 度线段的改变量。 设物体中某线段变形前的长 度为l0,变形后为l1,其长度改变 量为 △l=l1-l0。则: 线应变ε=△l/l0。 ε值的正或负,取决于线应变的性质。伸长为正值 (+),缩短为负值(-)。
2.剪应变 物体变形时,其内部相交直线之间的夹角往往会发生 变化。我们将物体内初始相互垂直的两条交线变形后其直 角的角度改变量(ψ)称为角剪应变。 角剪应变的正切函数值称为剪应变(γ)=tanψ。 顺时针偏斜为正值;逆时针为负值。 三.岩石变形的阶段 岩石与其它固体物质一样,在外力 持续作用下,其变形过程一般可以分为: 弹性变形、塑性变形、断裂变形三个阶 段。
应力球张量和应力(1)
1 ij ' ij ' 2G
应力球张量和应力偏张量
• 应力球张量只能使物体产生体积变化 • 应力偏张量使物体产生形状变化,而不 能产生体积变化,材料的塑性变形就是 由应力偏张量引起的 • 根据应力偏张量可以判断变形的类型
总结
1 x x y z , E + + 1 y y z x , E + + 1 z z x y , E
2G yz yz zy 2G zx zx xz 2G
2 2 2
1 2 2 2 2 2 2 [( x y ) ( y z ) ( z x ) 6( xy yz zx )] 6 x ' xy xz yx y ' yz J3 ' zx zy z '
0
m
0
0 0 m
式中: m ( x y z ) / 3
ij
ij + ij m
为平均应变;
:应变偏张量,表示表示变形单元体形状的变化;
:应变球张量,表示应变单元体体积的变化。
ij m
弹性应力应变关系
广义虎克定律:
1 x x y z , E 1 y y z x , E 1 z z x y , E
σm = σm
应力球张量
σm +
' 3
' 2
工程塑性力学(第二章)应变分析、应力分析和屈服条件
或
σ 11 σ 12 σ 13 σ 21 σ 22 σ 23 σ 31 σ 32 σ 33
定义了一个量 Σ ,表征该点的应力状态,在坐标系 Oxyz 中。如果变换到另一个 坐标系 Ox ′y′z′
σ′ τ′ x xy τ ′ xz τ′ σ ′y τ ′yz yx τ′ τ′ σ′ zx zy z
仍然表征同一应力状态,仍为 Σ 。在数学上,在坐标变换时,服从一定坐标变换 式的 9 个数所定义的量叫做二阶张量。此二阶张量称为应力张量:
I1 = σ 1 + σ 2 + σ 3 I 2 = −(σ 1σ 2 + σ 2σ 3 + σ 3σ 1 ) I 3 = σ 1σ 2σ 3
(2-11)
应力偏量 S ij 也是一种应力状态,同样也有不变量。进行类似的推导(或将
I1、I 2、I 3 式中的 σ x 、 σ y 和 σ z 分别用 s x 、 s y 和 sz 代替)即得应力偏量的三个不
2 J2 。 3
(2)等效应 2 + (σ 2 − σ 3 ) 2 + (σ 3 − σ 1 ) 2 2 1 2 2 2 = (σ x − σ y ) 2 + (σ y − σ z ) 2 + (σ z − σ x ) 2 + 6(τ xy + τ yz + τ zx ) (2-17) 2 = 3J 2
s xy = τ xy , s yz = τ yz , s zx = τ zx ,……
(2-4)
则应力偏张量:
⎡σ x − σ m τ xy τ xz ⎤ ⎡ s x s xy s xz ⎤ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ σ y −σm τ yz ⎥ = ⎢ s yx s y s yz ⎥ = S ij = σ ij − σ mδ ij (2-5) ⎢ τ yx ⎢ τ zx ⎢ ⎥ τ zy σz −σm⎥ ⎣ ⎦ ⎣ s zx s zy s z ⎦ 应力球张量表示各向均值应力状态,即静水压力情况。由于静水压力不影响 屈服,所以塑性变形只与应力偏量有关,因此在塑性力学中应力偏量的研究很重 要。
弹性力学-应力和应变
σ x τ xy τ xz σ xx σ xy σ xz τ xy σ y τ yz 或σ xy σ yy σ yz τ z τ yz σ z σ xz σ yz σ zz
写法: 采用张量下标记号的应力写法 写法: 把坐标轴x、 、 分别 把坐标轴 、y、z分别 表示, 用x1、x2、x3表示, 或简记为x 或简记为 j (j=1,2,3),
s j = σ j −σm, ( j = 1,2,3)
应力偏张量也有三个不变量: 应力偏张量也有三个不变量:
(3 −13)
J1 = s1 + s2 + s3 = σ1 +σ2 +σ3 −3σM = 0 1 2 2 2 J2 = −(s1s2 + s2s3 + s3s1) = (s1 + s2 + s3 ) 2 J3 = s1s2s3
3
偏张量的第二不变量 J2 有关。 有关。
四、等效应力 1.定义: 定义: 定义 相等的两个应力状态的力学效应相同, 如果假定 J2相等的两个应力状态的力学效应相同,那么
对一般应力状态可以定义: 对一般应力状态可以定义:
σ ≡ 3J2 =
1 2
(σ1 −σ2 )2 + (σ2 −σ3 )2 + (σ3 −σ1)2
三、等斜面上的应力 等斜面:通过某点做平面 ,该平面的法线与三个应力主轴
夹角相等 坐标轴与三个应力主轴一致, 设在这一点取 x1, x2 , x3 坐标轴与三个应力主轴一致, σ 3 则等斜面法线的三个方向余弦为
l1 = l2 = l3 =1/ 3
(3 − 20)
八面体面: 八面体面:
满足(3-20)式的面共有八个,构成 满足( 20)式的面共有八个, 一个八面体,如图所示。 一个八面体,如图所示。 等斜面常也被叫做八面体面。 等斜面常也被叫做八面体面。 若八面体面上的应力向量用F 表示,则按( 若八面体面上的应力向量用F8表示,则按(3-3)式有 1 2 2 2 2 2 2 2 F = (σ1l1) + (σ2l2 ) + (σ3l3) = (σ1 +σ2 +σ3 ) (3− 21) 8 3
第三章 应力-应变及其基本方程
一点的应力状态
z
xx
z
zx zy
xz yz
xy
yx
y y
ij yxx
xy y
xz yz
zx zy z
应力分量的值与坐标系的
选取有关. 3
在空间应力状态下,如适当的选择坐标轴, 使其在该坐标系内的剪应力为零而只剩正应力。 则这样三个相互垂直的坐标轴的方向就是应力 张量的主方向,与主方向垂直的面叫主平面, 该面上存在的正应力叫主应力。三个主应力的 大小与坐标轴的选择无关。
22
应力路径
➢几种加载方式的说明
单调加载和循环加载:
23
应变张量的分解
物体内部 任意一点 的变形状态可以由六 个应变分量来表示:
三个正应变: x , y , z 三个剪应变: xy , yz , zx
24
应变张量的分解
=
+
立方体变形
纯体积变形
m ( x y z ) / 3
纯畸变变形
应力张量分解及其不变量
体积变形
剪切变形
应力张量 ij 球应力张量 m 偏应力张量 Sij
ij Sij m ij
m 0 0
0
m
0
mij
0 0 m
m (1 2 3 ) / 3
Sij ij mij Syxx
xy Sy
xz yz
zx zy Sz
平面上法向应变:
3m
平面上剪应变:
2 2 2 J2
应变空间与应变平面
26
各种剪应变
➢ 八面体上正应变:
8
1 3
(1
x
ij
1 2
yx
1
2 xy
1 2
塑性力学 第二章 应力状态与应变状态
c 平均应力为 m 3 因此,在与 平面平行的平面上的各点 表示了这样一些点的应力状态,即它们具有 相同的弹性体积变形。
26
§2-6 应变张量及其分解 一、应变与位移的关系 1 1、小变形情况 ij ui , j u j ,i 2 2、大变形(有限变形)情况 设变形前的初始时刻t=0,物体内A点的坐 标为ai a1 , a2 , a3 ,经过变形后,在t时刻它移 到 A 。相对于同一坐标系的坐标为 xi x1, x2 , x3 变形前后的位置一一对应,可由 xi 的单值连续 函数表示 xi xi a j , t 。同样也可以表示为 a i 的 单值连续函数 ai ai x j , t 。
1 MP1 max ( 1 3 ) 2 MP2 MP 1P 2P 1
1 1 ( 1 3 ) 1 2 2 2 1 3 2 2
1925年Lode提出参数
20
MP2 2 2 1 3 2s2 s1 s3 MP 1 3 s1 s3 1
22
(1)应力空间中过原点并与坐标轴成等角的 直线L L直线的方程为 1 2 3 。该直线上 的点代表物体上承受静水应力的点。L直线上 的点所对应的应力状态将不产生塑性变形。 (2)应力空间中过原点而与L直线垂直的平 面—— 平面 平面的方程为 1 2 3 0 。该平面 上的所有点平均应力为零,只有应力偏张量, 因此这个平面也叫偏量平面。位于该平面上 的点对应于不引起体积变形的应力状态。
17
§2-5 三向应力圆 Lode应力参数 Haigh-Westergaard应力空间
一、三向应力圆
我所认识的应力应变关系讲解
我所认识的应力应变关系应力应变都是物体受到外界载荷产生的响应。
物体由于受到外界载荷后,在物体内部各部分之间要产生互相之间的力的作用,由于受到力的作用就会产生相应的变形;或者由于变形引起相应的力的作用。
则一定材料的物体其产生的应力和应变也必然存在一定的关系。
一应力-应变关系影响本构关系的因素有很多,例如材料、环境、加载类型(载荷、温度)、加载速度(动载荷、静载荷)等,当然,本构关系有很多类型,包括弹性、塑性、粘弹性、粘塑性、各向同性、各向异性本构关系,那么首先来叙述一下简单情况本构关系,所谓简单情况就是六个应力分量x y xy yz zx、、z 、、、只有一个不为零,六个应变分量x y xy yz zx、、z 、、、只有一个自由变化,应力应变关系图1-1。
图1-1 应力应变关系图图中OA 为线弹性阶段,AB 为非线弹性阶段,故OB 为初始弹性阶段,C 点位初始屈服点,s为初始屈服应力,CBA 为弹性阶段卸载,这一阶段中E ,初始弹性阶段结束之后,应力继续增大,进入塑性阶段,CDE 为强化阶段,应变强化硬化,EF 为颈缩阶段,应变弱化软化。
如果在进入塑性阶段卸载后再加载,例如在D点卸载至零,应力应变关系自D点沿'DO∥OA,其中DO到达'O点,且''OO为塑性应变p,DG为弹性应变e,总应变为它们之和。
此后再继续加载,为应力应变关系沿ODEF变化,D点为后继屈服点,OD为后继弹性阶段,'s后继屈服应力,值得一提的是初始屈服点只有一个,而后继屈服点有无数个(由加载历史决定)。
若在卸除全部载荷后反向加载,弹性阶段'COC,s s,而在强化阶段',称为Bauschinger效应。
DOD,s s从上述分析得出材料弹塑性行为有一定的特殊性,主要表现在:弹性应力应变关系是线性,且是单值对应关系,而塑性应力应变关系是非线性的非单值对应。
因为通常情况下物体不仅仅处于简单应力状态,那么复杂应力状态下应力应变关系又如何呢?如果我们将材料性质理想化即假设材料是连续的、均匀的、各向同性的,忽略T、t的影响,忽略净水压力对塑性变形的影响,可以将应力应变关系归结为不同的类型,包括理想线弹性模型、理想刚塑性模型、线性强化刚塑性模型、理想弹塑性模型、线性强化弹塑性模型、幂强化模型、等向强化模型、随动强化模型。
弹性力学-第三章 应力张量 应变张量-1
上述方程为
的齐次线性方程组, 且常数项都为
零。因为:
,故
不能同时为零,
所以方程组的系数行列式应为零,即
将行列式展开,得到求解主应力 的三次方程,称为 应力张量 的特征方程。
式中
设特征方程的三个根为 展开后有
比较上两式,有
,则 (特征方程)
对一个给定的应力状态,其主应力的大小和方向是确定的,
球形张量应力(静水应力)作用下,物体只产生各向 相同的线应变而无剪应变。对应物体的体积改变,而形状 不变。
应力偏量代表各面正应力中偏离静水应力的量,是正应力 之和为零的应力状态。该应力状态下,物体的体积不改变 而形状改变。
静水压力实验研究表明,在均匀受力情况下,即使应力达到 很大值,材料也不产生塑性变形。 故:应力球形张量不产生材料的塑性变形; 应力偏量是产生塑性变形的真正原因。
对应于经过主轴之一,而平分其他两主轴夹角(与主平面成45°)的 平面,
设
,最大剪应力为:
(2)两主应力相等,设 由第二式,得
方程的解为
表示通过oz轴的平面,该组平面上,剪应力为零。
表示任一个与圆锥面相切的微分面。在该组 面上剪应力取最大值。
(3)三个主应力相等
空间任一方向都为主方向,即任一平面都是主平面, 剪应力均为零。
应力偏量也是一种应力状态,同样存在着不变量。
用
表示。
式中:
问:是否存在一特定的斜截面,其上应力矢量T与截 面法线同向。即T为该截面上的正应力 ,
而剪应力为零。
设斜截面法线方向余弦为: 应力矢量T在坐标轴上的投影为:
由斜面应力(Cauchy)公式
故 或 将上式展开
当斜面法线方向满足上述方程时,该斜面上只有正应 力,没有剪应力,称该平面为主平面;主平面上的正 应力称为主应力;主应力方向(即主平面法线方向) 称为主方向。
弹塑性力学第三章 应力与应变讲解
?
2?
zx
l3l1
?? ?
?n ?
p2
?
?
2 n
?
(3.10)
??
其中第2式 ? n ? pili ? ? ijlil j
(3.11)
8 应力分量的坐标变换规律
应力张量是一个二阶张量,因此,在数学上,应力张量 的各分量在坐标变换时,要服从二阶张量的坐标变换规 律。容易证明,如果坐标系仅作平移变换,则同一点的 各应力分量是不会发生变化的;只有在坐标系作旋转变 换时,同一点的各应力分量才会改变。下面证明给出坐 标旋转时应力张量所服从的规律。
同理可以写出其它应力分量,经整理后可简写为
? i ' j ' ? li 'il j ' j? ij
(3.13)
上式就是应力张量各分量在坐标旋转变换时所服从的变换 规律,它恰好符合二阶张量定义,剪应力互等表明它是对 称张量。
3.2 主应力与主应力空间
3.2.1 主应力和主方向
在受力物体内一点任意方向的微分面上,一般都有正应力 分量和剪应力分量存在。由应力张量的坐标变换规律知,当 通过同一点的微分面发生转动时,其法线也发生改变,相应 的正应力和剪应力数值也会变化。在微分面的不断转动过程 中,将会出现这样的微分面,在该面上只有正应力而剪应力 为零。只有正应力而没有剪应力的平面称 为主平面,其法线 方向称为应力主方向,简称主方向,其上的正应力称为主应 力。 根据主平面的定义,若设n为过物体内任意一点M的主平面 的单位法向量,它与三个坐标轴之间的夹角余弦为 l1、l2、l3
? X?0
1
px? S ? ? x (? S ?l1) ? ? yx (? S 以上方程两边同时除以
不同材料应力应变曲线分解
不同材料应力应变曲线分解
应力-应变曲线是材料力学性能测试中常见的曲线,它反映了材料在外
界施加载荷时的应变行为。
不同材料的应力-应变曲线形状和特性有一
定的差异,可以根据材料的性质和特点将其分解为不同的部分。
1. 弹性阶段:在应力小于材料的屈服强度时,材料表现出线性弹性行为。
这个阶段应力和应变成正比,称为胡克定律。
材料在这个阶段内
具有良好的恢复性。
2. 屈服阶段:当应力逐渐增大,达到或超过材料的屈服强度(或屈服点),材料会发生塑性变形,应变会出现非线性增加。
在这个阶段内,
材料的应力会逐渐减小,但并不恢复原状。
3. 塑性流动阶段:当应力继续增大,材料会出现塑性流动,此时应力
和应变关系呈非线性增长。
材料的应变会持续增加,而应力不再减小。
4. 极限强度阶段:当应力接近材料的极限强度时,材料会出现明显的
变形和破坏,应变急剧增加。
5. 断裂阶段:当应力超过材料的极限强度时,材料会发生断裂,应变
突然增加并导致材料失效。
需要注意的是,不同材料的应力-应变曲线可能会有所不同,例如金属
材料的应力-应变曲线常常显示出明显的屈服点和流动平台。
而非金属
材料如陶瓷和聚合物等,可能会表现出更加复杂的曲线形状。
材料的
温度、应变速率等因素也会对应力-应变曲线产生影响。
1张量及应力应变概念 同济大学弹塑性力学
E
2 1
zx
G zx
2 G zx
采用张量,则物理方程可表示:
ij 2Gij kkij
(1-3)
i和j为自由指标,表示轮流取该指标范围内的任何值,关系
式将始终成立,式中σij和εij分别表示9个应力和应变分量:
11 x,22 y,33 z 12 xy,23 yz ,31 zx 21 yx,32 zy,13 xz
注意: aibj 表示9个数,而 aibi则只是一个数。
自由指标和哑标举例:
3
aibi aibi a1b1a2b2a3b3 i1
3
aijbj aijbj ai1b1ai2b2ai3b3 j1
33
aijbicj aijbicj a11b1c1a12b1c2a13b1c3 i1j1
a21b2c1a22b2c2a33b2c3a31b3c1a32b3c2a33b3c3
11 x,22 y ,33 z 12 xy ,23 yz ,31 zx 21 yx,32 zy ,13 xz
k为哑标, k k1 12 23 3xyz
δij为克罗内克(Kronecher)符号:δij =1(i=j), δij =0(i≠j),根据 场论,δij可以表示两个基矢的点积:δij =ei·ej
3
ai2i ai2i a121a222a323 j1
ii 23
2
ii
(
11
22
33)2
i1
33
ij ij
ij ij 1111 1212 1313
i1j1
2121 2222 2323 3131 3232 3333
i j 的应用与计算示例如下:
u y y
z
弹塑性力学第三章 应力与应变讲解
式中:n和s分别为微分面的法线和切线方向的单位 矢量。全应力和应力分量之间有
n pn n
n pn s
pn2
2 n
(3.3)
研究具体问题时,总是在一个可以选定坐标系里进 行。对给定的直角坐标系,全应力还可以沿坐标系 方向进行分解。
p 的单位法向量,它与三个坐标轴之间的夹角余弦为 l1、l2、l3
则该主平面上的应力矢量 n 可表示为
pn n (3.14)
或
px py
l1 l2
(3.15)
pz
l3
式中: 表示主应力
将应力分量表达式(3.7)代入上式,经移项并整理后得
(
x
)l1
设给定的坐标系Oxyz下,某点M的应力张量为
ij yxx
xy y
xz yz
zx zy z
现让该坐标系原点不动,坐标轴任意旋转一个角度而得 到新坐标系Ox’y’z’,新旧坐标关系如下表:
x
y
z
X’ l11 cos(x ', x) l12 cos(x ', y) l13 cos(x ', z)
要使主方向存在,也即要使方程组(3.17)或(3 .18)有 非零解,则其系数行列式必须为零。
x yx zx
xy y
zy
xz yz 0 z
(3.19a)
方程组(3.19)也可以写成
det ij ij 0
(3.19b)
式(3.19)展开后,得
对面)上有9个应力分量。这9个应力分量的整
我所认识的应力和应变
我所认识的应力和应变应力表示内力在截面上某一点的分布集度,它是一个矢量,不仅有大小和方向,而且和点的位置以及通过该点界面方向有关。
应力的国际单位为2/N m ,简写Pa 。
若把应力矢量Pn 沿微分面的线方向和切线方向分解,则沿法线方向的应力分量n σ称为主应力,沿切线方向的应力分量n τ称为剪应力。
应力是二阶张量,由于一点的应力矢量与该点的位置以及通过该点界面的方向有关,所以,凡提到应力,应同时指明它是对物体内的哪一点,并过该点的哪一个微分面。
应力分量的正负号规定为正面正向为正,负面负向为正。
在同一点的三个垂直微分面上共有9个应力张量,这9个应力分量作为一个整体组成所谓的二阶张量,称为应力张量,而其中的每个量,就称为为应力张量的分量。
记应力张量为ij σ并表示为x xy xy ij xy y xy xy xy z σττστστττσ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦,应力张量ij σ描绘了一点处的应力状态,即只要知道了一点的应力张量ij σ,就可以完全确定通过该点的各个微分面上的应力。
主应力:在受力物体内一点任意方向的微分方向上,一般都有正应力和剪应力分量存在。
但是通过某一点的微分面发生旋转时,它的发现方向也会改变,骑上的正应力和剪应力分量的数值也会发生变化,在旋转到某一微分面时只有正应力分量而没有剪应力的微分面称为主平面,其法线方向称为应力方向,,其上的正应力就称为主应力。
主应力空间:在物体内的同一点处,必定存在三个互相垂直的主方向。
若把这三个互相垂直的主方向取为坐标系的三个坐标轴方向,依次建立起来的几何空间,称为主应力空间。
该空间的三个坐标称为应力主轴。
在主应力空间里,该点的应力张量ij σ可以表示为123000000ij σσσσ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦,式中:1σ,2σ和3σ为主应力。
通过同一点的所有微面上的正应力中最大和最小的是主应力;并且通过同一点的任意微分面上的总应力其绝对值介于最大主应力和最小主应力的绝对值之间。
我所认识的应力与应变
设三条棱边分别为 MA,MB,MC,变形后为 M'A',M'B',M'C'。则 ' MA xy A' M ' B ' x M ' A MA 2
' MB y M 'B MB ' MC z M 'C MC
yz C ' M ' B '
2
zx C ' M ' A'
2.柯西方程和工程剪应变
1 2
xy y 1 2 zy
1 2 xz 1 2 yz
z
在位移场中分析六面体微分元的应变, 可得出表示应变的几何方程即柯西方 程。前提条件为连续性假设和小变形假设。 将柯西方程与应变张量比较,应变张量分量 x 、 y 和 z 即为正应变,应变
续函数,满足 u u , v v , w w 。
2
这里有 6 个分量,其中根据剪应力互等定理可得
γxy γyx γxz γzx γyz γzy
于是这里有 9 个分量,这 9 个分量就能清楚地表达平行六面体的形状变化。 为了将这 9 个分量写成张量形式并且满足张量的性质,对剪应变做处理,写成
x 1 2 yx 1 zx 2
3.一点应力状态的描述 过物体内任意一点 M 作三个互相垂直并与坐标平面平行的微分面,并在点 M 附近作一个与坐标轴倾斜的任意微分面,知道三个互相垂直微分面的受力情 况即上述的二阶张量, 利用平衡,可推出与坐标轴倾斜的任意微分面上的受力情 况。即只要知道一点的应力张量则该点处的应力状态也就完全确定了。 4.应力张量的坐标变换规律 应力张量是一个二阶张量,在数学上,应力张量的各个分量在坐标变换时, 应服从二阶张量的坐标变换规律。 5.主应力和主应力空间 只有正应力分量而没有剪应力的微分面称为主平面, 其法线方向称为应力主 方向,简称主方向,其上的正应力就称为主应力。 在物体内的同一点处, 存在三个互相垂直的主方向,把这三个互相垂直的主 方向取为坐标系的坐标轴方向,依此建立起来的几何空间,称为主应力空间,该 空间中的三个坐标轴称为应力主轴。 由于主应力的大小与坐标选择无关, 求解主应力时的应力状态的特征方程的 三个系数也与坐标的选择无关, 它们分别称为应力张量的第一、第二和第三不变 量。数学上,应力张量的三个不变量反映了张量具有不变性的特点;物理上,应 力张量的三个不变量反映了物体在特定的外部因素作用下, 内部各点的应力状态 不随坐标的改变而变化的性质。 6.球形应力张量和偏斜应力张量 若物体内存在这样一点, 其相应的三个主应力均相等,该点的应力张量称为 球形应力张量或应力球张量。如果物体内一点处于球形应力状态下,通过该点的 微分单元体只会均匀膨胀或缩小,也就是说,只会产生体积上的变化,而不会发 生形状上的变化。 偏斜应力张量反映了一个实际的应力状态偏离均匀应力状态的程度。 球形应力张量代表的应力状态不会引起塑性变形,或者说与塑性变形无关, 而认为塑性变形是由偏斜应力张量代表的应力状态所引起的。应当注意,这个结 论是对金属类材料而言, 对于非金属材料, 如混凝土、 岩土等一类材料则不成立。 7.八面体应力与应力强度 在主应力空间里,通过物体内任一点 M 这样的一个微分面,该微分面的外 法向 n 与三个应力主轴呈等倾斜,这样的微分面共有 8 个,它们组成一个包含点
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
Comparison of the multiplicative decompositions F = FΘ FM and F = FM FΘ in finite strain thermo-elasticity
Stefan Hartmann
Institute of Applied Mechanics, Clausthal University of Technology, Adolph-Roemer-Str. 2a, 38678 Clausthal-Zellerfeld, Germany
2 Strain and stress measures of decomposition F = FΘ FM
According to the sketch in Fig. 1 the multiplicative decomposition (2) is applied, ˆ M FM , F = FΘ FM = FΘ F where the mechanical part ˆ M FM FM = F ˆ M, is decomposed into a volume-preserving part FM and a volume-changing part F ˆ M = (det FM )1/3 I, F FM = (det FM )
Impressum
Publisher: Fakultät für Mathematik/Informatik und Maschinenbau, Technische Universität Clausthal Leibnizstraße 32, 38678 Clausthal-Zellerfeld, Germany Editor-in-chief: Alfons Esderts Technical editor: Martina Wächter Contact: martina.waechter@tu-clausthal.de URL: http://www.fakultaet3.tu-clausthal.de/forschung/technical-reports/ ISSN: 1869-8018
The Faculty of Mathematics/Computer Science and Mechanical Engineering Review Board
Prof. Dr. Frank Endres Prof. Dr. Alfons Esderts Prof. Dr. Stefan Hartmann apl. Prof. Dr. Günter Kemnitz Prof. Dr. Armin Lohrengel Prof. Dr. Norbert Müller Prof. Dr. Volker Wesling Prof. Dr. Oliver Zirn
Comparison of the multiplicative decompositions F = FθFM and F = FMFθ in finite strain thermoelasticity
Stefan Hartmann
Technical Report Series
Fac3-12-01
Abstract In this work out the multiplicative decomposition of the deformation gradient into a thermal and a mechanical part is investigated on the basis of a model of thermo-elasticity. The proposed multiplicative decomposition is studied to be in both order, i.e. in the form F = FΘ FM and F = FM FΘ . It is shown that for the case of isotropy and the assumption of a pure volumetric temperature evolution both formulations yield the same stress state. However, in the intermediate configurations different results occur. Furthermoal tensile/compression tests with constant temperature or problems for classical strain-energies are treated.
see, for example, [Yu et al., 1997] and [Miehe, 1988]. However, for both decompositions there is no systematic comparison available to show the resulting strain and stress measures in view of the concept of dual variables, see [Haupt and Tsakmakis, 1989, Haupt and Tsakmakis, 1996]. The multiplicative decomposition of the deformation gradient into two parts comes from the field of plasticity, where the deformation gradient decomposes into an elastic and a plastic part, F = Fe Fp , see [Lee and Liu, 1967, Lee, 1969]. For a double product, i.e. the multiplicative decomposition is carried out several times in order to assign various physical causes to kinematical quantities, see [Lion, 2000a, Tsakmakis and Willuweit, 2004] and its numerical treatment in [Hartmann et al., 2008] and the literature cited therein. The decomposition is also extended to constitutive models of viscoelasticity, see [Lubliner, 1985, Lion, 1997], see [Hartmann, 2002] for further literature. A further possibility makes use of the deformation gradient’s decomposition into volume-preserving and volume-changing parts going back to [Flory, 1961]. If a strain-energy function is built up of two terms, one containing the volume-changing and the other the volume-preserving part, the stress state results in a pure hydrostatic stress-state caused only by the volume change and a deviatoric part only influenced by the strain-energy of the volume-preserving deformation, see, for example, [Miehe, 1994, Hartmann and Neff, 2003] and the literature cited therein. In this short study a model of finite strain thermo-elasticity is developed making use of the property that most elastomers show nearly incompressible behavior so that the basic elasticity relation should take this into account. Following the ideas in [Hartmann and Neff, 2003], the Flory-type decomposition into an isochoric and a volumetric part for thermo-hyperelasticity is applied as well, which has the advantage of a systematic assignment of volumetric effects to the spherical part of the Cauchy-stress tensor and the volume-preserving deformation to the deviatoric stress state. The investigations are structured as follows. First of all, the decompositions F = FΘ FM and F = FM FΘ are studied in view of the quantities in the concerning intermediate configurations. Afterwards, some brief investigations on uniaxial tensile tests are addressed for a model applicable in rubber elasticity. The underlying investigations are, in subsequent investigations on anisotropic and inelastic constitutive models, a basic investigation.