Jump to content

Тензорная производная (механика сплошных сред)

Производные механике скаляров по , векторов второго порядка и тензоров тензорам второго порядка находят значительное применение в сплошных сред . Эти производные используются в теориях нелинейной упругости и пластичности , в частности при разработке алгоритмов численного моделирования . [1]

Производная по направлению обеспечивает систематический способ поиска этих производных. [2]

Производные по векторам и тензорам второго порядка

[ редактировать ]

Ниже приведены определения производных по направлению для различных ситуаций. Предполагается, что функции достаточно гладкие, чтобы можно было брать производные.

Производные скалярнозначных функций векторов

[ редактировать ]

Пусть f ( v ) — вещественная функция вектора v . Тогда производная f ( v ) по v (или по v ) — это вектор, определенный через его скалярное произведение , где любой вектор u равен

для всех векторов u . Вышеупомянутое скалярное произведение дает скаляр, и если u является единичным вектором, дает производную по направлению от f в точке v в направлении u .

Характеристики:

  1. Если затем
  2. Если затем
  3. Если затем

Производные векторных функций векторов

[ редактировать ]

Пусть f ( v ) — вектор-функция вектора v . Тогда производная f ( v ) по v (или по v ) представляет собой тензор второго порядка, определенный через его скалярное произведение, где любой вектор u равен

для всех векторов u . Вышеупомянутое скалярное произведение дает вектор, и если u является единичным вектором, дает производную направления f в v в направлении u .

Характеристики:

  1. Если затем
  2. Если затем
  3. Если затем

Производные скалярнозначных функций тензоров второго порядка

[ редактировать ]

Позволять быть вещественной функцией тензора второго порядка . Тогда производная от относительно (или в ) в направлении тензор второго порядка, определяемый как для всех тензоров второго порядка .

Характеристики:

  1. Если затем
  2. Если затем
  3. Если затем

Производные тензорнозначных функций тензоров второго порядка

[ редактировать ]

Позволять быть тензорной функцией второго порядка тензора второго порядка . Тогда производная от относительно (или в ) в направлении тензор четвертого порядка, определяемый как для всех тензоров второго порядка .

Характеристики:

  1. Если затем
  2. Если затем
  3. Если затем
  4. Если затем

Градиент тензорного поля

[ редактировать ]

Градиент , тензорного поля в направлении произвольного постоянного вектора c определяется как: Градиент тензорного поля порядка n — это тензорное поле порядка n +1.

Декартовы координаты

[ редактировать ]

Если — базисные векторы в декартовой системе координат , координаты точек обозначаются ( ), то градиент тензорного поля дается

Доказательство

Векторы x и c можно записать как и . Пусть y := x + α c . В этом случае градиент определяется выражением

Поскольку базисные векторы не меняются в декартовой системе координат, для градиентов скалярного поля имеем следующие соотношения: , векторное поле v и тензорное поле второго порядка .

Криволинейные координаты

[ редактировать ]

Если контравариантные базисные векторы в криволинейной системе координат , координаты точек обозначаются ( ), то градиент тензорного поля дается (см. [3] для доказательства.)

Из этого определения мы имеем следующие соотношения для градиентов скалярного поля , векторное поле v и тензорное поле второго порядка .

где символ Кристоффеля определяется с помощью

Цилиндрические полярные координаты

[ редактировать ]

В цилиндрических координатах градиент определяется выражением

Дивергенция тензорного поля

[ редактировать ]

Дивергенция поля тензорного определяется с помощью рекурсивного отношения

где c — произвольный постоянный вектор, а v — векторное поле. Если является тензорным полем порядка n > 1, то дивергенция поля является тензором порядка n − 1.

Декартовы координаты

[ редактировать ]

В декартовой системе координат мы имеем следующие соотношения для векторного поля v и тензорного поля второго порядка .

где обозначение тензорного индекса в крайних правых выражениях используется для частных производных. Обратите внимание, что

Для симметричного тензора второго порядка дивергенцию также часто записывают как [4]

Вышеприведенное выражение иногда используется в качестве определения в декартовой компонентной форме (часто также записываемой как ). Обратите внимание, что такое определение не согласуется с остальной частью этой статьи (см. раздел о криволинейных координатах).

Разница заключается в том, по какому принципу дифференцирование производится: по строкам или по столбцам. , и является традиционным. Это демонстрируется на примере. В декартовой системе координат тензор (матрица) второго порядка градиент векторной функции .

Последнее уравнение эквивалентно альтернативному определению/интерпретации [4]

Криволинейные координаты

[ редактировать ]

В криволинейных координатах расходимости векторного поля v и тензорного поля второго порядка являются

В более общем смысле,


Цилиндрические полярные координаты

[ редактировать ]

В цилиндрических полярных координатах

Ротор тензорного поля

[ редактировать ]

Ротор тензорного поля порядка n > 1 также определяется с использованием рекурсивного отношения где c — произвольный постоянный вектор, а v — векторное поле.

Ротор тензорного (векторного) поля первого порядка

[ редактировать ]

Рассмотрим векторное поле v и произвольный постоянный вектор c . В индексных обозначениях векторное произведение определяется выражением где — это символ перестановки , также известный как символ Леви-Чивита. Затем, Поэтому,

Ротор тензорного поля второго порядка

[ редактировать ]

Для тензора второго порядка Следовательно, используя определение ротора тензорного поля первого порядка, Поэтому у нас есть

Тождества, связанные с ротором тензорного поля

[ редактировать ]

Наиболее часто используемое тождество, связанное с ротором тензорного поля, , является Это тождество справедливо для тензорных полей всех порядков. В важном случае тензора второго порядка , из этого тождества следует, что

Производная определителя тензора второго порядка

[ редактировать ]

Производная определителя тензора второго порядка дается

В ортонормированном базисе компоненты матрицы A. можно записать в виде В этом случае правая часть соответствует кофакторам матрицы.

Доказательство

Позволять — тензор второго порядка и пусть . Тогда из определения производной скалярнозначной функции тензора имеем

Определитель тензора можно выразить в виде характеристического уравнения через инварианты с использованием

Используя это расширение, мы можем написать

Напомним, что инвариант дается

Следовательно,

Ссылаясь на произвол тогда у нас есть

Производные инвариантов тензора второго порядка

[ редактировать ]

Главные инварианты тензора второго порядка:

Производные этих трех инвариантов относительно являются

Доказательство

Из производной определителя мы знаем, что

Для производных двух других инвариантов вернемся к характеристическому уравнению

Используя тот же подход, что и для определителя тензора, мы можем показать, что

Теперь левую часть можно расширить как

Следовательно или,

Раскрыв правую часть и разделив члены левой части, получим

или,

Если мы определим и , мы можем записать вышеизложенное как

Собирая члены, содержащие различные степени λ, получаем

Тогда, ссылаясь на произвольность λ, имеем

Это означает, что

Производная тождественного тензора второго порядка

[ редактировать ]

Позволять быть тождественным тензором второго порядка. Тогда производная этого тензора по тензору второго порядка дается Это потому, что не зависит от .

Производная тензора второго порядка относительно самого себя

[ редактировать ]

Позволять быть тензором второго порядка. Затем

Поэтому,

Здесь – тождественный тензор четвертого порядка. В индексных обозначениях относительно ортонормированного базиса

Этот результат означает, что где

Следовательно, если тензор симметрична, то производная также симметрична, и мы получаем где симметричный тождественный тензор четвертого порядка равен

Производная обратного тензора второго порядка

[ редактировать ]

Позволять и — два тензора второго порядка, тогда В индексных обозначениях относительно ортонормированного базиса У нас также есть В индексном обозначении Если тензор симметричен, то

Доказательство

Напомним, что

С , мы можем написать

Использование правила произведения для тензоров второго порядка

мы получаем или,

Поэтому,

Интеграция по частям

[ редактировать ]
Домен , его граница и внешний блок нормальный

Другая важная операция, связанная с тензорными производными в механике сплошных сред, — интегрирование по частям. Формулу интегрирования по частям можно записать в виде

где и — дифференцируемые тензорные поля произвольного порядка, - единица внешней нормали к области, в которой определены тензорные поля, представляет собой обобщенный оператор тензорного произведения, а — обобщенный оператор градиента. Когда равен единичному тензору, получаем теорему о расходимости

Мы можем выразить формулу интегрирования по частям в декартовых индексных обозначениях как

В особом случае, когда операция тензорного произведения представляет собой сокращение одного индекса, а операция градиента представляет собой расхождение, и обе и являются тензорами второго порядка, имеем

В индексной записи

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Дж. К. Симо и Т. Дж. Р. Хьюз, 1998, Вычислительная неэластичность , Springer
  2. ^ Дж. Э. Марсден и Т. Дж. Р. Хьюз, 2000, Математические основы эластичности , Дувр.
  3. ^ Р.В. Огден, 2000, Нелинейные упругие деформации , Дувр.
  4. ^ Перейти обратно: а б Хьельмстад, Кейт (2004). Основы строительной механики . Springer Science & Business Media. п. 45. ИСБН  9780387233307 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 46752608915a43d9f5c1d7a1811ee6fb__1713398760
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/46/fb/46752608915a43d9f5c1d7a1811ee6fb.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Tensor derivative (continuum mechanics) - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)