Трансверсально -изотропный материал — это материал, физические свойства которого симметричны относительно оси, перпендикулярной плоскости изотропии . Эта поперечная плоскость имеет бесконечное количество плоскостей симметрии, и поэтому внутри этой плоскости свойства материала одинаковы во всех направлениях. Следовательно, такие материалы также известны как «полярные анизотропные» материалы. В геофизике вертикально-поперечная изотропия (VTI) также известна как радиальная анизотропия.
Этот тип материала обладает гексагональной симметрией (хотя технически это перестает быть справедливым для тензоров ранга 6 и выше), поэтому количество независимых констант в тензоре упругости (четвертого ранга) сокращается до 5 (из 21 независимого). константы в случае полностью анизотропного твердого тела ). Тензоры (второго ранга) электросопротивления, проницаемости и т. д. имеют две независимые константы.
Примером трансверсально-изотропного материала является так называемая композитная пластина с однонаправленными волокнами на оси, где волокна имеют круглое поперечное сечение. В однонаправленном композите плоскость, нормальную к направлению волокна, можно рассматривать как изотропную плоскость при длинных волнах (низких частотах) возбуждения. На рисунке справа волокна будут выровнены по ось, нормальная к плоскости изотропии.
С точки зрения эффективных свойств геологические слои горных пород часто интерпретируются как трансверсально-изотропные. Для расчета эффективных упругих свойств таких слоев в петрологии был придуман апскейлинг Бэкуса , который описан ниже.
Матрица материала имеет симметрию относительно данного ортогонального преобразования ( ), если он не изменится при таком преобразовании. Для инвариантности свойств материала при таком преобразовании потребуем
Следовательно, условие материальной симметрии (используя определение ортогонального преобразования)
Ортогональные преобразования могут быть представлены в декартовых координатах с помощью матрица данный
Следовательно, условие симметрии можно записать в матричной форме как
Для трансверсально-изотропного материала матрица имеет форму
где -ось — ось симметрии . Матрица материала остается инвариантной при повороте на любой угол. о -ось.
С использованием в матрица подразумевает, что . С использованием приводит к и . Энергетические ограничения обычно требуют и, следовательно, мы должны иметь . Следовательно, свойства материала трансверсально-изотропного материала описываются матрицей
Используя конкретные значения в матрице , [3] можно показать, что тензор упругой жесткости четвертого ранга может быть записан в 2-индексной записи Фойгта как матрица
Матрица упругости-жесткости имеет 5 независимых констант, которые связаны с известными инженерными модулями упругости следующим образом. Эти инженерные модули определяются экспериментально.
Матрица податливости (обратная матрице упругой жесткости) имеет вид
где . В инженерных обозначениях
Сравнение этих двух форм матрицы податливости показывает нам, что продольный модуль Юнга определяется выражением
В геофизике распространено предположение, что горные образования земной коры локально полярно-анизотропны (трансверсально-изотропны); это простейший случай, представляющий геофизический интерес. Апскейлинг Бэкуса [4] часто используется для определения эффективных поперечно-изотропных упругих постоянных слоистых сред для длинноволновых сейсмических волн.
В приближении Бэкуса сделаны следующие предположения:
Все материалы линейно эластичны.
Отсутствие источников собственной диссипации энергии (например, трения)
Действительно в пределе бесконечной длины волны, поэтому хорошие результаты только в том случае, если толщина слоя намного меньше длины волны.
Статистика распределения упругих свойств слоя стационарна, т.е. коррелированного тренда этих свойств нет.
Для более коротких волн поведение сейсмических волн описывается с помощью суперпозиции плоских волн . Трансверсально-изотропные среды поддерживают три типа упругих плоских волн:
Слоистая модель однородного и изотропного материала может быть масштабирована до поперечно-изотропной среды, предложенной Бэкусом. [4]
Бэкус представил эквивалентную теорию среды, согласно которой гетерогенная среда может быть заменена однородной, что предсказывает распространение волн в реальной среде. [5] Бэкус показал, что наложение слоев в масштабе, намного меньшем, чем длина волны, оказывает влияние и что ряд изотропных слоев может быть заменен однородной трансверсально-изотропной средой, которая ведет себя точно так же, как реальная среда под статической нагрузкой в пределе бесконечной длины волны. .
Если каждый слой описывается 5 трансверсально-изотропными параметрами , задав матрицу
Модули упругости эффективной среды будут
где
обозначает средневзвешенное значение объема по всем слоям.
Сюда входят изотропные слои, поскольку слой является изотропным, если , и .
Решения задач распространения волн в линейных упругих трансверсально-изотропных средах можно построить путем суперпозиции решений для квазиP-волны, квазиS-волны и поперечной волны, поляризованной ортогонально квазиS-волне.Однако уравнения углового изменения скорости алгебраически сложны, а скорости плоских волн являются функциями угла распространения являются. [6] Зависящие от направления скорости волн упругих в материале могут быть найдены с помощью уравнения Кристоффеля и определяются выражением [7]
где – угол между осью симметрии и направлением распространения волны, - это массовая плотность и являются элементами упругой матрицы жесткости . Параметры Томсена используются для упрощения этих выражений и облегчения их понимания.
Параметры Томсена [8] представляют собой безразмерные комбинации модулей упругости , характеризующие трансверсально-изотропные материалы, встречающиеся, например, в геофизике . В терминах компонентов матрицы упругой жесткости эти параметры определяются как:
где индекс 3 обозначает ось симметрии ( ) . Эти параметры, в сочетании с соответствующими скоростями продольных и поперечных волн , можно использовать для характеристики распространения волн через слабоанизотропные слоистые среды. Эмпирически параметры Томсена для большинства слоистых горных пород значительно ниже 1.
Название отсылает к Леону Томсену, профессору геофизики Хьюстонского университета , который предложил эти параметры в своей статье 1986 года «Слабая упругая анизотропия».
В геофизике анизотропия упругих свойств обычно слабая, и в этом случае . Когда точные выражения для скоростей волн, приведенные выше, линеаризуются в этих малых величинах, они упрощаются до
где
– скорости продольных и поперечных волн в направлении оси симметрии ( ) (в геофизике это обычно, но не всегда, вертикальное направление). Обратите внимание, что может быть дополнительно линеаризован, но это не приводит к дальнейшему упрощению.
Приближенные выражения для скоростей волн достаточно просты, чтобы их можно было физически интерпретировать, и достаточно точны для большинства геофизических приложений. Эти выражения также полезны в некоторых контекстах, где анизотропия не является слабой.
^ Мы можем использовать значения и для вывода матрицы жесткости для трансверсально-изотропных материалов. Конкретные значения выбраны для облегчения расчета.
^ Jump up to: а б Бэкус, GE (1962), Длинноволновая упругая анизотропия, создаваемая горизонтальным наслоением, J. Geophys. Рез., 67(11), 4427–4440.
^ Икеле, Люк Т. и Амундсен, Лассе (2005), Введение в нефтяную сейсмологию, Исследования SEG в геофизике № 12.
^ Най, Дж. Ф. (2000). Физические свойства кристаллов: их представление тензорами и матрицами . Издательство Оксфордского университета.
^ Г. Мавко , Т. Мукерджи, Дж. Дворкин. Справочник по физике горных пород . Издательство Кембриджского университета, 2003 г. (мягкая обложка). ISBN 0-521-54344-4
Arc.Ask3.Ru Номер скриншота №: 6a955cd7708fb6367e816046bda88e86__1706486400 URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/6a/86/6a955cd7708fb6367e816046bda88e86.html Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1: Transverse isotropy - 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.)