Jump to content

Теория конечной деформации

(Перенаправлено из Градиент деформации )

В механике сплошной среды теория конечных деформаций , также называемая теорией больших деформаций или теорией больших деформаций, имеет дело с деформациями , при которых деформации и/или вращения достаточно велики, чтобы сделать недействительными предположения, присущие теории бесконечно малых деформаций . При этом недеформированная и деформированная конфигурации континуума существенно различаются, что требует четкого разграничения между ними. Обычно это происходит с эластомерами , пластически деформируемыми материалами и другими жидкостями и биологическими мягкими тканями .

Поле смещения

[ редактировать ]
Рис. 1. Движение сплошного тела.

Перемещение тела имеет две составляющие: перемещение твердого тела и деформацию.

  • Перемещение твердого тела состоит из одновременного перемещения и вращения тела без изменения его формы и размера.
  • Деформация подразумевает изменение формы и/или размеров тела от исходной или недеформированной конфигурации. к текущей или деформированной конфигурации (Рисунок 1).
Изменение конфигурации сплошного тела можно описать полем смещений . Поле смещений — это векторное поле всех векторов смещений для всех частиц тела, которое связывает деформированную конфигурацию с недеформированной конфигурацией. Расстояние между любыми двумя частицами изменяется тогда и только тогда, когда произошла деформация. Если перемещение происходит без деформации, то это перемещение твердого тела.

Тензор градиента деформации

[ редактировать ]
Рис. 2. Деформация сплошного тела.

Тензор градиента деформации относится как к эталонной, так и к текущей конфигурации, как видно из единичных векторов и , следовательно, это двухточечный тензор .Можно определить два типа тензора градиента деформации.

В силу предположения о непрерывности , имеет обратное значение , где тензор градиента пространственной деформации . Тогда по теореме о неявной функции [1] Якобиана определитель должно быть неособым , т.е.

Тензор градиента деформации материала - тензор второго порядка , который представляет градиент отображающей функции или функционального отношения , который описывает движение континуума . Тензор градиента деформации материала характеризует локальную деформацию в материальной точке с вектором положения , т. е. деформация в соседних точках путем преобразования ( линейного преобразования ) линейного элемента материала, исходящего из этой точки, из эталонной конфигурации в текущую или деформированную конфигурацию, предполагая непрерывность функции отображения. , т.е. дифференцируемая функция и время , что означает, что трещины и пустоты не открываются и не закрываются при деформации. Таким образом, мы имеем,

Вектор относительного смещения

[ редактировать ]

Рассмотрим частицу или материальную точку. с вектором положения в недеформированной конфигурации (рис. 2). После смещения тела новое положение частицы, обозначенное в новой конфигурации задается положением вектора . Для удобства системы координат недеформированной и деформированной конфигурации могут быть совмещены.

Рассмотрим теперь материальный момент соседний , с вектором положения . В деформированной конфигурации эта частица занимает новое положение заданный вектором положения . Предполагая, что отрезки прямых и соединение частиц и как в недеформированной, так и в деформированной конфигурации соответственно очень малы, то их можно выразить как и . Таким образом, из рисунка 2 мы имеем

где вектор относительного смещения , который представляет относительное смещение относительно в деформированной конфигурации.

Аппроксимация Тейлора

[ редактировать ]

Для бесконечно малого элемента и предполагая непрерывность поля перемещений, можно использовать разложение в ряд Тейлора вокруг точки , пренебрегая членами более высокого порядка, для аппроксимации компонентов вектора относительного смещения соседней частицы как Таким образом, предыдущее уравнение можно записать как

Производная по времени градиента деформации

[ редактировать ]

Расчеты, включающие деформацию тела, зависящую от времени, часто требуют расчета производной по времени градиента деформации. Геометрически последовательное определение такой производной требует экскурса в дифференциальную геометрию. [2] но мы избегаем этих проблем в этой статье.

Производная по времени является где - скорость (материала). Производная в правой части представляет собой градиент скорости материала . Обычно это преобразуют в пространственный градиент, применяя правило цепочки для производных, т.е. где градиент пространственной скорости и где - пространственная (эйлерова) скорость при . Если градиент пространственной скорости постоянен во времени, приведенное выше уравнение можно точно решить, чтобы получить предполагая в . Существует несколько методов вычисления экспоненты, указанной выше.

Связанными величинами, часто используемыми в механике сплошной среды, являются тензор скорости деформации и тензор спина , определяемые соответственно как: Тензор скорости деформации дает скорость растяжения элементов линии, а тензор спина указывает скорость вращения или завихренность движения.

Производная по времени материала, обратная градиенту деформации (с сохранением фиксированной исходной конфигурации), часто требуется в анализах, включающих конечные деформации. Эта производная Вышеупомянутое соотношение можно проверить, взяв материальную производную по времени от и отмечая, что .

Полярное разложение тензора градиента деформации

[ редактировать ]
Рис. 3. Представление полярного разложения градиента деформации

Градиент деформации , как и любой обратимый тензор второго порядка, можно разложить, используя теорему полярного разложения , в произведение двух тензоров второго порядка (Трусделл и Нолл, 1965): ортогонального тензора и положительно определенного симметричного тензора, т. е. где тензор собственный ортогональный тензор , т. е. и , представляющий вращение; тензор правый тензор растяжения ; и левый тензор растяжения . Термины «правый» и «левый» означают, что они находятся справа и слева от тензора вращения. , соответственно. и оба положительно определены , т.е. и для всех ненулевых , и симметричные тензоры , т.е. и , второго порядка.

Из этого разложения следует, что деформация линейного элемента в недеформированной конфигурации на в деформированной конфигурации, т.е. , может быть получен либо путем предварительного растяжения элемента на , то есть , с последующим вращением , то есть, ; или, что то же самое, путем применения жесткого вращения во-первых, т.е. с последующей растяжкой , то есть, (См. рисунок 3).

Ввиду ортогональности так что и имеют одинаковые собственные значения или главные протяжения , но разные собственные векторы или главные направления. и , соответственно. Основные направления связаны

Это полярное разложение, уникальное, поскольку обратима с положительным определителем, является следствием сингулярного разложения .

Трансформация элемента поверхности и объема

[ редактировать ]

Для преобразования величин, определенных относительно площадей в деформированной конфигурации, в величины, относящиеся к площадям в эталонной конфигурации, и наоборот, мы используем соотношение Нансона , выражаемое как где – площадь области в деформированной конфигурации, — та же самая область в эталонной конфигурации, и — внешняя нормаль к элементу площади в текущей конфигурации, а — внешняя нормаль в эталонной конфигурации, градиент деформации , .

Соответствующая формула преобразования элемента объема имеет вид

Вывод соотношения Нансона (см. также [3] )

Чтобы увидеть, как выводится эта формула, начнем с элементов ориентированной области в эталонной и текущей конфигурациях: Референтный и текущий объемы элемента равны где .

Поэтому, или, так, Итак, мы получаем или, КЭД

Фундаментальные тензоры деформаций

[ редактировать ]

Тензор деформации определяется ИЮПАК как : [4]

«Симметричный тензор, который получается, когда тензор градиента деформации разлагается на тензор вращения, за которым или которому предшествует симметричный тензор».

часто бывает удобно использовать независимые от вращения меры деформации Поскольку чистое вращение не должно вызывать никаких напряжений в деформируемом теле, в механике сплошной среды . Поскольку вращение, за которым следует обратное вращение, не приводит к изменению ( ) мы можем исключить вращение, умножив тензор градиента деформации путем его транспонирования .

В механике используются несколько независимых от вращения тензоров градиента деформации (или для краткости «тензоров деформации»). В механике твердого тела наиболее популярными из них являются правый и левый тензоры деформации Коши–Грина.

Тензор деформации Коши (правый тензор деформации Коши – Грина)

[ редактировать ]

В 1839 году Джордж Грин представил тензор деформации, известный как правый тензор деформации Коши – Грина или тензор деформации Грина ( IUPAC рекомендует называть этот тензор тензором деформации Коши ), [4] определяется как:

Физически тензор Коши–Грина дает нам квадрат локального изменения расстояний из-за деформации, т.е.

Инварианты часто используются в выражениях для функций плотности энергии деформации . Наиболее часто используемые инварианты : где – определитель градиента деформации и представляют собой коэффициенты растяжения для единичных волокон, которые изначально ориентированы вдоль направлений собственных векторов правого (опорного) тензора растяжения (они обычно не совпадают с тремя осями систем координат).

Тензор деформации пальца

[ редактировать ]

ИЮПАК рекомендует [4] что обратный правому тензору деформации Коши – Грина (называемому в этом документе тензором деформации Коши), т. е. , будем называть тензором деформации Фингера . Однако эта номенклатура не является общепринятой в прикладной механике.

Тензор деформации Грина (левый тензор деформации Коши – Грина)

[ редактировать ]

Изменение порядка умножения в формуле для правого тензора деформации Грина – Коши приводит к левому тензору деформации Коши – Грина, который определяется как:

Левый тензор деформации Коши – Грина часто называют тензором деформации Фингера , названным в честь Йозефа Фингера (1894). [5]

ИЮПАК Грина рекомендует называть этот тензор тензором деформации . [4]

Инварианты используются также в выражениях для функций плотности энергии деформации . Обычные инварианты определяются как где является определителем градиента деформации.

Для сжимаемых материалов используется несколько иной набор инвариантов:

Тензор деформации Пиолы (тензор деформации Коши)

[ редактировать ]

Ранее в 1828 г. [6] Огюстен-Луи Коши ввел тензор деформации, определяемый как обратный левому тензору деформации Коши – Грина: . также назвал этот тензор тензором деформации Пиолы. ИЮПАК [4] и тензор пальца [7] в литературе по реологии и гидродинамике.

Спектральное представление

[ редактировать ]

Если существуют три различных основных участка , разложения спектральные и дается

Более того,

Обратите внимание, что Поэтому из единственности спектрального разложения также следует, что . Левый участок ( ) также называется тензором пространственного растяжения, а правое растяжение ( ) называется тензором растяжения материала .

Эффект действуя на это растянуть вектор на и повернуть его в новую ориентацию , то есть, В том же духе,

Одноосное растяжение несжимаемого материала
Это тот случай, когда образец растягивают в одном направлении со растяжения степенью . Если объем остается постоянным, сокращение в двух других направлениях таково, что или . Затем:
Простой сдвиг
Жесткое вращение тела

Производные от растяжения

[ редактировать ]

Производные растяжения относительно правого тензора деформации Коши – Грина используются для вывода соотношений напряжения и деформации многих твердых тел, особенно гиперупругих материалов . Эти производные и следует из наблюдений, что

Физическая интерпретация тензоров деформации

[ редактировать ]

Позволять — декартова система координат, определенная на недеформированном теле, и пусть быть другой системой, заданной на деформированном теле. Пусть кривая в недеформированном теле параметризовать с помощью . Его изображение в деформированном теле .

Недеформированная длина кривой определяется выражением После деформации длина становится Заметим, что правый тензор деформации Коши–Грина определяется как Следовательно, что указывает на то, что изменения длины характеризуются .

Тензоры конечных деформаций

[ редактировать ]

Понятие деформации используется для оценки того, насколько данное смещение локально отличается от смещения твердого тела. [1] [8] [9] Одной из таких деформаций для больших деформаций является лагранжев тензор конечной деформации , также называемый тензором деформации Грина-Лагранжа или тензором деформации Грина-Сент-Венана , определяемый как

или как функция тензора градиента смещения или

Тензор деформации Грина-Лагранжа является мерой того, насколько отличается от .

Эйлеров тензор конечной деформации или тензор конечной деформации Эйлера-Альманси , относящийся к деформированной конфигурации (т. е. эйлерову описанию), определяется как

или как функция градиентов смещения имеем

Вывод лагранжевых и эйлеровых тензоров конечной деформации.

Мерой деформации является разность квадратов элемента дифференциальной линии. , в недеформированной конфигурации, и , в деформированной конфигурации (рис. 2). Деформация произошла, если разница не равна нулю, в противном случае произошло твердотельное смещение. Таким образом, мы имеем,

В лагранжевом описании, использующем материальные координаты в качестве системы отсчета, линейное преобразование между дифференциальными линиями равно

Тогда у нас есть,

где – компоненты правого тензора деформации Коши–Грина , . Затем, заменив это уравнение на первое уравнение, получим:

или где , являются компонентами тензора второго порядка, называемого тензором деформаций Грина – Сен-Венана или лагранжевым тензором конечной деформации ,

В эйлеровом описании, использующем пространственные координаты в качестве системы отсчета, линейное преобразование между дифференциальными линиями равно где – компоненты тензора градиента пространственной деформации , . Таким образом, мы имеем

где тензор второго порядка называется тензором деформации Коши , . Тогда у нас есть,

или

где , являются компонентами тензора второго порядка, называемого тензором конечной деформации Эйлера-Альманси ,

Как лагранжев, так и эйлеров тензоры конечной деформации удобно выражать через тензор градиента смещения . Для тензора деформации Лагранжа сначала дифференцируем вектор смещения относительно материальных координат чтобы получить тензор градиента смещения материала ,

Подставив это уравнение в выражение для лагранжева тензора конечной деформации, получим или

Аналогично, тензор конечной деформации Эйлера-Альманси можно выразить как

Семейство обобщенных тензоров деформации Сета – Хилла

[ редактировать ]

Б. Р. Сет из Индийского технологического института Харагпура был первым, кто показал, что тензоры деформации Грина и Альманси являются частными случаями более общей меры деформации . [10] [11] Идея была развита Родни Хиллом в 1968 году. [12] Семейство мер деформации Сета – Хилла (также называемое тензорами Дойла-Эриксена) [13] может быть выражено как

Для разных значений у нас есть:

  • Тензор деформации Грина-Лагранжа
  • Тензор деформации Био
  • Логарифмическая деформация, естественная деформация, истинная деформация или деформация Хенки.
  • Штамм Альманси

Второе приближение этих тензоров есть где – тензор бесконечно малых деформаций.

Многие другие определения тензоров допустимы при условии, что все они удовлетворяют условиям, которые: [14]

  • исчезает при всех движениях твердого тела
  • зависимость о тензоре градиента смещения непрерывен, непрерывно дифференцируем и монотонен
  • также желательно, чтобы сводится к тензору бесконечно малых деформаций как норма

Примером может служить набор тензоров которые не принадлежат классу Сета–Хилла, но имеют ту же аппроксимацию 2-го порядка, что и меры Сета–Хилла при за любую стоимость . [15]

Физическая интерпретация тензора конечных деформаций

[ редактировать ]

Диагональные компоненты лагранжева тензора конечной деформации связаны с нормальной деформацией, например

где — нормальная деформация или инженерная деформация в направлении .

Недиагональные компоненты лагранжева тензора конечной деформации связаны с деформацией сдвига, например

где это изменение угла между двумя элементами линии, которые изначально были перпендикулярны направлениям и , соответственно.

При определенных обстоятельствах, т. е. малых смещениях и малых скоростях смещения, компоненты лагранжева тензора конечной деформации могут быть аппроксимированы компонентами тензора бесконечно малых деформаций.

Вывод физической интерпретации лагранжева и эйлерова тензоров конечной деформации.

Коэффициент растяжения дифференциального элемента (рисунок) в направлении единичного вектора в материальной точке в недеформированной конфигурации определяется как

где - величина деформации дифференциального элемента .

Аналогично, степень растяжения дифференциального элемента (рис.), в направлении единичного вектора в материальной точке в деформированной конфигурации определяется как

Квадрат коэффициента растяжения определяется как

Зная это у нас есть где и являются единичными векторами.

Нормальное напряжение или инженерное напряжение в любом направлении может быть выражено как функция коэффициента растяжения,

Таким образом, нормальная деформация в направлении в материальной точке может быть выражено через коэффициент растяжения как

решение для у нас есть

Деформация сдвига или изменение угла между двумя линейными элементами. и первоначально перпендикулярно и ориентировано в главных направлениях и соответственно, также может быть выражено как функция степени растяжения. Из скалярного произведения между деформированными линиями и у нас есть

где это угол между линиями и в деформированной конфигурации. Определение как деформация сдвига или уменьшение угла между двумя линейными элементами, которые изначально были перпендикулярны, мы имеем

таким образом, затем

или

Условия совместимости

[ редактировать ]

Проблема совместимости в механике сплошной среды предполагает определение допустимых однозначных непрерывных полей на телах. Эти допустимые условия оставляют тело без нефизических зазоров и наложений после деформации. Большинство таких условий применимо к односвязным телам. Дополнительные условия необходимы для внутренних границ многосвязных тел.

Совместимость градиента деформации

[ редактировать ]

Необходимые и достаточные условия существования совместимого поле над односвязным телом

Совместимость правого тензора деформации Коши–Грина.

[ редактировать ]

Необходимые и достаточные условия существования совместимого поле над односвязным телом Мы можем показать, что это смешанные компоненты тензора кривизны Римана – Кристоффеля . Поэтому необходимые условия для -совместимости заключаются в том, что кривизна деформации Римана–Кристофеля равна нулю.

Совместимость левого тензора деформации Коши – Грина

[ редактировать ]

Общие достаточные условия для левого тензора деформации Коши – Грина в трехмерном пространстве были получены Амитом Ачарьей. [16] Условия совместимости двумерных поля были найдены Джанет Блюм. [17]

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Jump up to: а б Люблинер, Джейкоб (2008). Теория пластичности (PDF) (пересмотренная ред.). Дуврские публикации. ISBN  978-0-486-46290-5 . Архивировано из оригинала (PDF) 31 марта 2010 г.
  2. ^ А. Явари, Дж. Э. Марсден и М. Ортис, О пространственных и материальных ковариантных законах баланса в упругости , Журнал математической физики, 47, 2006, 042903; стр. 1–53.
  3. ^ Эдуардо де Соуза Нето; Джордже Перич; Оуэнс, Дэвид (2008). Методы расчета пластичности: теория и приложения . Чичестер, Западный Суссекс, Великобритания: Wiley. п. 65. ИСБН  978-0-470-69452-7 .
  4. ^ Jump up to: а б с д и А. Кэй, RFT Stepto, WJ Work, JV Aleman (Испания), А.Я. Малкин (1998). «Определение терминов, относящихся к непредельным механическим свойствам полимеров» . Чистое приложение. Хим . 70 (3): 701–754. дои : 10.1351/pac199870030701 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  5. ^ Эдуардо Н. Дворкин, Марсела Б. Гольдшмит, Нелинейные континуумы , 2006 г., с. 25, Спрингер ISBN   3-540-24985-0 .
  6. ^ Йирасек, Милан; Бажант З.П. (2002) Неупругий анализ конструкций , Wiley, стр. 463. ISBN   0-471-98716-6
  7. ^ Дж. Н. Редди, Дэвид К. Гартлинг (2000) Метод конечных элементов в теплопередаче и гидродинамике , с. 317, ЦРК Пресс ISBN   1-4200-8598-0 .
  8. ^ Беличко, Тед; Лю, Винг Кам; Моран, Брайан (2000). Нелинейные конечные элементы для непрерывных сред и структур (переиздание с исправлениями, изд. 2006 г.). John Wiley & Sons Ltd., стр. 92–94. ISBN  978-0-471-98773-4 .
  9. ^ Зейди, Махди; Ким, Чун Ил (2018). «Механика упругого твердого тела, армированного двунаправленным волокном, в эластостатике конечной плоскости: полный анализ». Механика сплошной среды и термодинамика . 30 (3): 573–592. Бибкод : 2018CMT....30..573Z . дои : 10.1007/s00161-018-0623-0 . ISSN   1432-0959 . S2CID   253674037 .
  10. ^ Сет, Б.Р. (1961), «Обобщенная мера деформации с применением к физическим проблемам» , Технический сводный отчет MRC № 248 , Центр математических исследований, Армия США, Университет Висконсина: 1–18, заархивировано из оригинала 22 августа 2013 г.
  11. ^ Сет, Б.Р. (1962), «Обобщенная мера деформации с применением к физическим проблемам», Симпозиум IUTAM по эффектам второго порядка в упругости, пластичности и механике жидкости, Хайфа, 1962.
  12. ^ Хилл, Р. (1968), «О материальных неравенствах для простых материалов — I», Журнал механики и физики твердого тела , 16 (4): 229–242, Бибкод : 1968JMPSo..16..229H , doi : 10.1016 /0022-5096(68)90031-8
  13. ^ TC Дойл и Дж. Л. Эриксен (1956). «Нелинейная эластичность». Достижения прикладной механики 4, 53–115.
  14. ^ З. П. Бажант и Л. Седолин (1991). Устойчивость структур. Теории упругого, неупругого разрушения, разрушения и повреждения. Оксфордский университет. Пресс, Нью-Йорк (2-е изд. Dover Publ., Нью-Йорк, 2003 г.; 3-е изд., World Scientific 2010).
  15. ^ З. П. Бажант (1998). « Легкие для вычисления тензоры с симметричной обратной аппроксимацией конечной деформации Хенки и ее скорости ». Журнал технологических материалов ASME , 120 (апрель), 131–136.
  16. ^ Ачарья, А. (1999). «Об условиях совместимости левого поля деформации Коши – Грина в трех измерениях» (PDF) . Журнал эластичности . 56 (2): 95–105. дои : 10.1023/А:1007653400249 . S2CID   116767781 .
  17. ^ Блюм, Дж. А. (1989). «Условия совместимости для левого поля деформаций Коши – Грина». Журнал эластичности . 21 (3): 271–308. дои : 10.1007/BF00045780 . S2CID   54889553 .

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 801c87a6aa42060270016880ca9406a4__1716700680
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/80/a4/801c87a6aa42060270016880ca9406a4.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Finite strain theory - 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.)