- •8 Приложения. Элементы векторной и тензорной алгебры
- •1.1 Задачи курса «Механика сплошных сред»
- •1.2 Предмет механики сплошной среды
- •1.3 Методы механики сплошной среды
- •1.4 Основные принципы механики сплошной среды
- •1.5 Элементарный объем
- •1.6 Переменные Лагранжа и Эйлера
- •1.7 Движение и равновесие сплошной среды
- •2 Статика сплошной среды
- •2.1 Напряжение в точке
- •2.2 Напряженное состояние в точке
- •2.3 Соотношения Коши и компоненты напряженного
- •2.4 Тензор напряжений
- •2.5 Доказательство тензорности напряженного состояния*
- •2.6 Условия симметричности тензора напряжений
- •2.7 Доказательство равенства парных касательных
- •2.8 Общий случай напряженного состояния*
- •2.9 Главные напряжения
- •2.10 Нормальные и касательные напряжения
- •2.11 Максимальные касательные напряжения
- •2.12 Шаровой тензор и девиатор напряжений
- •2.13 Изображение напряженного состояния в точке
- •2.14 Октаэдрические напряжения и интенсивности
- •2.15 Уравнения равновесия
- •2.16 Уравнения равновесия в недекартовых системах
- •2.17 Уравнения равновесия в общем случае *
- •2.18 Краевая задача статики сплошной среды
- •3 Кинематика сплошной среды
- •3.2 Абсолютная и относительная деформация
- •3.3 Поле относительных смещений
- •3.4 Составляющие движения сплошной среды
- •3.5 Тензор малых деформаций
- •3.6 Геометрический смысл компонент тензора малых
- •3.7 Тензоры конечных деформаций
- •3.8 Общий случай малых деформаций *
- •3.9 Анализ деформированного состояния в точке
- •3.10 Инварианты тензора малых деформаций
- •3.11 Главные деформации
- •3.12 Максимальные угловые деформации
- •3.13 Октаэдрические деформации и интенсивности
- •3.14 Условия совместности деформаций
- •3.15 Определение перемещений по деформациям*
- •3.16 Поле скоростей
- •3.17 Первая теорема Гельмгольца
- •3.18 Тензор скоростей деформаций
- •3.19 Свойства тензора скоростей деформаций
- •3.20 Вторая теорема Гельмгольца*
- •4 Элементы термодинамики сплошных сред
- •4.1 Термодинамические системы и параметры состояния
- •4.2 Законы сохранения
- •4.3 Теоремы э. Нётер и свойства симметрии
- •4.4 Закон сохранения массы и уравнение неразрывности
- •4.5 Вывод уравнения неразрывности*
- •4.6 Теорема «живых сил»
- •4.7 Первое начало термодинамики
- •4.8 Уравнение теплопроводности
- •5 Основы теории упругости
- •5.1 Предмет теории упругости
- •5.2 Обобщенный закон Гука
- •5.3 Упругое изменение объема и формы
- •5.4 Потенциальная энергия упругого деформирования
- •5.5 Постановка задач в теории упругости
- •5.6 Решение задач теории упругости в перемещениях
- •5.7 Решения задач теории упругости в напряжениях
- •5.8 Плоское напряженное состояние*
- •5.9 Плоское деформированное состояние*
- •5.10 Плоская задача в моментной теории упругости *
- •5.11 Функция напряжений*
- •5.12 Способы решения задач теории упругости*
- •6 Основы теории пластичности
- •6.1 Предмет теории пластичности
- •6.2 Переход в пластическое состояние при растяжении
- •6.3 Условия пластичности
- •6.6 Экспериментальная проверка условий
- •6.7 Теории пластичности
- •6.8 Теория пластического течения
- •6.10 Постулат Друкера и ассоциированный закон
- •6.11 Области применимости различных теорий пластичности
- •6.12 Экстремальные принципы пластического
- •7 Применение теории пластичности в омд
- •7.1 Постановка задач при расчетах процессов омд
- •7.2 Математический аппарат и краевые условия при омд
- •7.3 Способы решения задач теории пластичности
- •1.Численные методы;
- •2.Прямые методы получения решений на основе экстремальных принципов мсс;
- •3.Уменьшения числа независимых переменных и искомых функций.
- •7.4 Частные виды напряженно-деформированных
- •1. Толщина пластины значительно меньше остальных размеров;
- •2. Деформирующие усилия приложены в срединной плоскости пластины.
- •7.5 Особенности плоского деформированного состояния
- •7.6 Осесимметричное деформированное состояние
- •7.7 Метод линий скольжения
- •7.8. Свойства линий скольжения
- •7.9 Простые сетки линий скольжения
- •7.10 Статические граничные условия в млс
- •7.11 Задача о внедрении штампа в полупространство
- •7.12 Основные краевые задачи в млс*
- •7.13 Определение поля скоростей в млс*
- •7.14 Полные решения задач плоской деформации
- •Пластичности в омд”
- •8. Приложения. Элементы векторной и тензорной алгебры и анализа
- •8.1 Скаляры и векторы
- •8.2 Векторный базис
- •8.3 Сложение и умножение векторов
- •8.4 Тензоры 2-го ранга
- •8.5 Преобразование компонент тензора
- •8.6 Сложение и умножение тензоров
- •8.7 Симметрирование и альтернирование тензоров
- •8.8 Умножение тензора на вектор
- •8.9 Главные оси тензора
- •8.10 Определение величины и направления главных компонент тензора
- •8.12 Поверхности уровня и градиент скалярного поля
- •8.13 Векторное поле и векторные линии
- •8.14 Поток и дивергенция векторного поля
- •Теорема Остроградского–Гаусса:
- •8.15 Циркуляция и ротор векторного поля
- •8.16 Оператор («набла»)
- •8.17 Дифференциальные операции 2-го порядка
- •8.18 Потенциальные векторные поля
- •8.20 Гармонические векторные поля
- •8.21 Основная теорема векторного анализа
- •8.22 Производная и градиент векторного поля
- •8.23 Поток тензорного поля
- •8.24 Дивергенция тензорного поля
- •8.25 Производная тензорного поля по направлению
- •Предметный указатель
- •Перечень ссылок
3.15 Определение перемещений по деформациям*
При решении задач, в конечном итоге, важно находить не столько деформации, сколько смещения, т.к. именно они описывают форму тела после деформации. Уравнения Сен-Венана определяют только условия интегрируемости зависимостей Коши. Величины компонент дает формула Чезаро [13]. Однако ввиду громоздкости подинтегральных функций она обычно не используется, т.к. значительно проще смещния находятся по компонентам тензора относительных смещений.
Из (3.35) известны три диагональных компоненты тензора (3.3):
; ; .
Остальные компоненты (при i ≠ j ) находятся как функции по их полным дифференциалам в зависимости от известных компонент εij .
Известно, что:
.
Дифференцируя по xк получим:
.
Кроме того известно, что:
, а
Дифференцируя по xк , имеем:
.
Из этого получим:
.
Эта формула определяет все производные компонент тензора относительных смещений через производные известных компонент тензора деформации, удовлетворяющих условиям совместности (3.36).
Тогда:
(3.37)
где M0 – начало пути интегрирования, а – значение произ- водной в точке M0. Например:
В последнем выражении компоненты εij при обозначены как . Если условия совместности выполняются, то интеграл (3.37) не зависит от пути интегрирования M0M. Удобнее всего интегрировать по ломаной линии, не выходящей за пределы области интегрирования, звенья которой параллельны осям координат. Совмещая точку M0 с началом координат, имеем:
(3.38)
Вычислив недиагональные компоненты тензора относительных смещений по (3.38) и учитывая известные диагональные его компоненты, можно находить перемещения произвольной точки M как функции по их полным дифференциалам:
(3.39)
Точку M0 желательно выбирать такую, которая не имеет жестко-го смещения (например, пересечение осей симметрии деформируемого тела). Тогда и ( ui)о будут равны нулю.
Например, смещение элементарных объемов в направлении оси x будет выражаться функцией:
3.16 Поле скоростей
Описание движения сплошной среды полем смещений связано с рассмотрением двух состояний: начального (до деформации) и данного (после некоторого этапа деформации). Для процессов с конечными (большими) деформациями такое описание неудобно, т.к. приводит к нелинейным тензорам Грина или Альманси. Значительно удобнее, а во многих случаях и важнее, исследовать мгновенную картину движения сплошной среды, представляющую собой переход от состояния в момент времени τ к состоянию в близкий момент τ + ∆τ. При этом частицы сплошной среды получают смещение , разделив которое на приращение времени ∆τ, в пределе имеем скорость течения сплошной среды:
В переменных Лагранжа скорость вычисляется при постоянных параметрах Х, У, Z, индивидуализирующих частицу сплошной среды. В переменных Эйлера – при постоянных параметрах х, у, z, индивидуализирующих точку пространства.
Скорость вычисляется относительно системы отсчета, представляющую совокупность обладающих массой средств измерения длины и времени («линеек» и «часов»).
Проекции вектор-функции скорости на оси координат являются тремя скалярными функциями: Vх ( х, у, z) , Vу ( х, у, z) , Vz ( х, у, z).
Поле скоростей как совокупность векторов скорости каждого элементарного объема движущейся среды представляет собой трудно-обозримое множество векторов скорости. Наглядную картину этого поля дают векторные линии, называемые в этом случае линиями тока.
Векторные линии поля скоростей движущейся сплошной сре-
ды называются линиями тока.
Совокупность линий тока образует картину течения в некоторый момент времени τ. У стационарных полей скоростей (не изменяющихся со временем) линий тока совпадают с траекториями движения час-тиц. У нестационарных такого совпадения нет.
Обозначим бесконечно малые отрезки линий тока в данный момент как (с проекциями ), а элементарные перемещения, как и ранее, (с проекциями duх, duy, duz). Тогда уравнение линий тока, как всякой векторной линии, будет иметь вид:
(3.40)
Уравнение траектории:
(3.41)
Д ля установившегося движения поэтому (3.40 ) и (3.41) совпадают. У неустановившегося движения мгновенная картина распределения скоростей все время изменяется, и поэтому частицы не движутся по линиям тока (рис.3.17):
Рисунок 3.17 − Траектория и линия тока
Проведем в некоторый момент τ в поле скоростей замкнутую, не пересекающую себя линию L. Через каждую ее точку проходит не-которая линия тока. Совокупность этих линий образует поверхность тока (рис.3.18).
Рисунок 3.18 − Поверхность тока
Совокупность линий тока, проходящих через некоторый контур в поле скоростей, называется поверхностью тока.
Часть сплошной среды, выделенная поверхностью тока, называется трубкой тока.
Если контур S бесконечно мал, то трубка тока будет элементарной, в противном случае – конечной.
Поверхность, ограниченная контуром S, называется сечением трубки тока.
Если все линии тока, расположенные внутри трубки и на ее поверхности, нормальны к сечению, то оно называется ортогональным сечением трубки. Трубки тока непроницаемы по определению (векторы скорости лежат в плоскостях, касательных к поверхности тока). Поэтому весь поток сплошной среды можно разбить на достаточно узкие трубки тока и изучить бесконечно малые перемещения выделен-
ных объемов вдоль трубок.
Струей называется часть сплошной среды, ограниченная поверхностью траекторий точек замкнутого контура.
Т.к. у стационарных полей струи совпадают с трубками тока, то можно рассматривать не только бесконечно малые перемещения заключенных в трубках объемов сплошной среды, но и движения их в течение любого промежутка времени. У нестационарных полей такого совпадения нет, и поэтому изучаться должны только бесконечно малые перемещения.