Transcript Document
Biomechanika przepływów WYKŁAD 2 : TENSOR NAPRĘŻENIA WYKŁAD 2 : TENSOR NAPRĘŻENIA Rozważmy ciało B w danej chwili czasu t Wyodrębnijmy zamkniętą powierzchnię S wewnątrz obszaru ciała B. x2 ΔF n ΔS Jakie jest oddziaływanie materiału części zewnętrznej na materiał ograniczony powierzchnią S? S x1 B x3 Podstawowa Koncepcja Mechaniki Ośrodków Ciągłych Rozpatrzmy nieskończenie mały element Zasada naprężeń Eulera i Cauchy`ego na powierzchni S ΔS. Można poprowadzić jednostkowy wektor n normalny do ΔS Możemy teraz rozróżnić dwie strony ΔS w skierowany na zewnątrz powierzchni S. stosunku do wektora n WYKŁAD 2 : TENSOR NAPRĘŻENIA Rozpatrzymy materiał leżący po dodatniej stronie normalnej zewnętrznej. Materiał ten wywiera siłę ΔF na przyległą część leżącą po ujemnej stronie normalnej zewnętrznej. Siła ΔF jest punkcją pola elementu powierzchniowego ΔS oraz jego orientacji na powierzchni S. Założymy że gdy S 0 to lim F dF oraz że moment sił działających na S dS element powierzchniowy ΔS względem S 0 dowolnego punktu tego elementu znika Graniczny wektor możemy zapisać w postaci: n dF T dS wskaźnik n oznacza kierunek normalnej zewnętrznej wektor naprężenia przedstawia on siłę przypadająca na jednostkę powierzchni (N/m2) (Pa) WYKŁAD 2 : TENSOR NAPRĘŻENIA Stwierdzenie, że na dowolnej, myślowo poprowadzonej powierzchni S wewnątrz danego kontinuum istnieje wektorowe pole naprężeń, którego działanie na materiał zawarty we wnętrzu S jest równoznaczne z oddziaływaniem przyległego materiału zewnętrznego stanowi zasadę naprężeń EULERA i CAUCHY`EGO Rozpatrzmy przypadek szczególny, gdy element ΔS jest równoległy do jednej z płaszczyzn współrzędnych. Normalna zewnętrzna jest skierowana w dodatnim kierunku osi xk k k T n T ΔSk oznacza wektor naprężenia którego trzy składowe są odpowiednio równe: k T i , i 1,2,3 płaszczyzna prostopadła xk kierunek osi WYKŁAD 2 : TENSOR NAPRĘŻENIA W tak zdefiniowanym przypadku szczególnym wprowadzić można nowy układ oznaczeń dla składowych stanu naprężenia: k k k T 1 k1 T 2 k 2 T 3 k 3 Składowe wektora naprężenia działające na elementarne pola k=1, k=2, k=3 można zapisać: 1 Pow. normalna do x1 2 3 11 12 13 Pow. normalna do x2 21 22 23 Pow. normalna do x3 31 32 33 WYKŁAD 2 : TENSOR NAPRĘŻENIA Notację dobrze uwidacznia rys: Składowe : 33 x3 31 32 23 13 11 11 22 33 12 zwane są naprężeniami normalnymi 22 podczas gdy pozostałe składowe zwane są naprężeniami stycznymi 21 x2 Istnieje wielka rozbieżność oznaczeń stanu naprężenia. x1 Najbardziej rozpowszechniony dla prostokątnego kartezjańskiego układu współrzędnych x,y,z: x y z dla naprężeń normalnych WYKŁAD 2 : TENSOR NAPRĘŻENIA Podstawowymi prawami mechaniki ciał wszelkiego rodzaju są równania Eulera, będące uogólnianiem praw ruchu Newtona dla punktów materialnych. Załóżmy że układ współrzędnych x1, x2, x3 jest inercyjnym układem odniesienia . Cześć przestrzeni wypełnioną ciałem materialnym w chwili t oznaczmy jako B(t). Jako r oznaczmy promień wiodący pewnej cząsteczki względem początku układu. V będzie wektorem prędkości cząsteczki. Można wyznaczyć dwa wektory : P Vdv pęd ciała B t gęstość materiału H r Vdv Bt kręt ciała WYKŁAD 2 : TENSOR NAPRĘŻENIA Prawa Newtona zastosowane przez Eulera do ośrodka ciągłego stwierdzają, że: zmiana pędu w czasie jest równa wypadkowej sile F przyłożonej do ciała dP F dt zmiana krętu w czasie jest równa wypadkowemu momentowi L dH L dt Zakładamy że wypadkowa siła i wypadkowy moment są dane w danym układzie odniesienia WYKŁAD 2 : TENSOR NAPRĘŻENIA Na ciała materialne będące przedmiotem rozważań w mechanice ośrodków ciągłych działają dwa rodzaje sił: (1) siły masowe, działające na każdy element rozważanej objętości. (2) siły powierzchniowe lub naprężenia działające na elementy powierzchniowe. Przykładem sił masowych są: siła grawitacji i siły elektromagnetyczne, przykładem sił powierzchniowych – ciśnienia aerodynamiczne i nacisk wywołany stykiem dwóch ciał W polu grawitacyjnym: X i gi Siła powierzchniowa działająca na myślową powierzchnię we wnętrzu ciała jest wektorem naprężenia rozumianym w sensie zasady naprężeń Eulera i Cauchy`ego. WYKŁAD 2 : TENSOR NAPRĘŻENIA A więc całkowita siła działająca na materiał wypełniający obszar B ograniczony zamkniętą powierzchnią S wynosi: n F T dS Xdv S B Moment sił względem początku układu wynosi: n L r T dS r Xdv S B WYKŁAD 2 : TENSOR NAPRĘŻENIA Wzór Cauchy`ego Można wykazać , że zając składowe τij, można natychmiast wyznaczyć wektor naprężenia działający na dowolnej powierzchni o jednostkowej normalnej n, której składowe są odpowiednio równe n1, n2, n3 . Składowe wektora określa wzór Cauchy`ego: n T 1 11n1 21n2 31n3 n T 2 12 n1 22 n2 32n3 n T 3 13n1 23n2 33n3 gdzie ij n jest tensorem naprężenia T i ij n j WYKŁAD 2 : TENSOR NAPRĘŻENIA Równania równowagi Podstawowe równania ruchu mogą być przekształcone w równania różniczkowe Rozważmy sobie stan równowagi statycznej nieskończenie małego prostopadłościanu o ściankach równoległych do płaszczyzn współrzędnych. siła na lewej ścianie pionowej: 11dx2 dx3 siła na prawej ścianie pionowej: 11 11 dx1 dx2 dx3 x1 Siła masowa: Wynika to z założenia ciągłości pola naprężeń !!!!! X i dx1dx2 dx3 WYKŁAD 2 : TENSOR NAPRĘŻENIA Warunek równowagi wymaga aby całkowita siła wypadkowa była równa 0. Dla kierunku x1 11 11 dx1 dx2 dx3 11dx2 d3 21 21 dx2 dx3dx1 21dx3d1 31 31 dx3 dx1dx2 31dx1d 2 X 1dx1dx2 dx3 0 x1 x2 x3 dzieląc obie strony równania przez dx1dx2dx3 otrzymamy: 11 21 31 X1 0 x1 x2 x3 i dla reszty składowych: 21 22 23 X2 0 x1 x2 x3 31 32 33 X3 0 x1 x2 x3 WYKŁAD 2 : TENSOR NAPRĘŻENIA Cały układ równań daje się zapisać w sposób zwięzły w postaci: ji x j Xi 0 dla j = 1,2,3 i = 1,2,3 Drugim warunkiem równowagi jest zanikanie wypadkowego momentu względem dowolnego punktu. Jeśli nie istnieją momenty sił zewnętrznych proporcjonalne do objętości, to warunek równowagi prowadzi do ważnego wniosku, iż tensor naprężenia jest tensorem symetrycznym ij ji WYKŁAD 2 : TENSOR NAPRĘŻENIA Przekształcenia współrzędnych Określiliśmy składowe stanu naprężenia τij w prostokątnym układzie współrzędnych x1, x2, x3 x3 x3 x1 11 x2 x1 ` x3 ` x2 ` 11 x2 ` x1 Rozpatrzmy teraz drugi prostokątny układ współrzędnych x1`, x2`, x3` o tym samym początku ale inaczej zorientowany w przestrzeni. Jakie będą składowe stanu naprężenia w nowym układzie ? WYKŁAD 2 : TENSOR NAPRĘŻENIA Niech nowe współrzędne zależą liniowo od starych przez związki: xk` ki xi k = 1,2,3 cosinusy kierunkowe osi xk` względem osi xi Siła działająca na jednostkę pola powierzchni dS o normalnej n jest wektorem o składowych: n T i ij n j n T WYKŁAD 2 : TENSOR NAPRĘŻENIA Jeżeli n jest równoległa do osi xk`, tak że n1 k1 n2 k 2 n3 k 3 k to: T i ij kj ` k k Składowa wektora T i ` w kierunku osi xm` jest równa iloczynowi T i ` przez βmi Stąd składowa stanu naprężenia transformuje się zgodnie z tensorowym prawem transformacyjnym : `km ij kj mi ( zapis w konwencji sumacyjnej) `km k1 m1 11 k1 m 2 12 k1 m3 13 k 2 m1 21 k 2 m 2 22 k 2 m3 23 k 3 m1 31 k 3 m 2 32 k 3 m3 33