background image

6. ZWIĄZKI FIZYCZNE

1

6.



6. ZWIĄZKI FIZYCZNE

6.1. Wstęp

Aby   rozwiązać   jakiekolwiek   zadanie   mechaniki   ośrodka   ciągłego   musimy   dysponować   15

niezależnymi równaniami, gdyż tyle mamy niewiadomych:

trzy składowe wektora przemieszczenia u

sześć składowych tensora naprężeń  

s

sześć składowych tensora odkształceń 

e

Znamy już dziewięć równań:

trzy równanie różniczkowe równowagi Naviera (związki między naprężeniami)

sześć równań geometrycznych Cauchy'ego (związki między odkształceniem a przemieszczeniem)

Ostatnie   sześć   brakujących   równań   to   równania   fizyczne   zwane   także   konstytutywnymi   lub

uogólnionym prawem Hooke'a

6.2. Wyprowadzenie 

Założenia:

związki fizyczne są niezależna od czasu i warunków zewnętrznych, czyli zależności dla każdej chwili i
każdej temperatury są takie same

zależność 

s (e)  jest liniowa

ciała zachowują się sprężyście tzn. 

s i e zanikają po usunięciu przyczyny

Najogólniejszą   postać   związków   fizycznych   wiążących     ze   sobą   wartości   tensorów   naprężenia   i

odkształcenia,   w   przypadku   trójwymiarowym,   w   ciałach  materialnych  zarówno   izotropowych   jak   i
anizotropowych liniowo sprężystych można przedstawić następująco:

= 

(6.1)

Wskaźnikowo:

ij

=C

ijkl

⋅

kl

(6.2)

Gdzie i, j, k, l = 1,2,3

Tensor  C

ijkl

  o   walencji   4   nazywamy   tensorem   sprężystości   (sztywności)   stałych  materiałowych.

Tensor  ten   dla   ciał   izotropowych   jest   tensorem   izotropowym   zatem   można   go   zapisać   w   następującej
postaci:

Aściukiewicz P., Baron P., Gawron U., Krzysztoń A., Ratajczak D., Wojciechowski M.

AlmaMater

background image

6. ZWIĄZKI FIZYCZNE

2

C

ijlk

=⋅

ij

⋅

kl

⋅

ik

⋅

jl

⋅

il

⋅

jk

(6.3)

Gdzie i, j, k, l =1, 2, 3

l, m, k -dowolne stałe

Jeżeli 

s

ij  

e

kl

 są symetryczne to C

ijkl

 również jest symetryczny:

C

ijkl

=C

jikl

(6.4)

wykorzystując równanie (6.3) otrzymamy:

C

ijlk

=⋅

ij

⋅

kl

⋅

ik

⋅

jl

⋅

il

⋅

jk

C

jilk

=⋅

ji

⋅

kl

⋅

jk

⋅

il

⋅

jl

⋅

ik

Zatem:

⋅

ij

⋅

kl

⋅

ik

⋅

jl

⋅

il

⋅

jk

=⋅

ji

⋅

kl

⋅

jk

⋅

il

⋅

jl

⋅

ik

Po uporządkowaniu:

−⋅

ik

⋅

jl

−−⋅

il

⋅

jk

=0

−⋅

ik

⋅

jl

−

il

⋅

jk

=0

Równanie to jest spełnione gdy:

a)

−=0

lub

b)



ik

⋅

jl

−

il

⋅

jk

=0

c)

Dla dowolnej kombinacji wskaźników warunek b) nie zawsze będzie spełniony zatem

:

−=0  ⇒=

(6.5)

Uwzględniając warunek (6.5) w równaniu (6.3) otrzymamy:

C

ijlk

=⋅

ij

⋅

kl

⋅

ik

⋅

jl



il

⋅

jk

(6.6)

Podstawiając wyrażenie (6.6) do (6.2) dostaniemy:

ij

=⋅

ij

⋅

kl

⋅

kl

⋅

ik

⋅

jl

⋅

kl

⋅

il

⋅

jk

⋅

kl

(6.7)

Zauważmy, że:

1)

ij

⋅

kl

⋅

kl

gdy l=k, wtedy 

ij

⋅

kl

⋅

kl

=

ij

⋅

kk

2)

ik

⋅

jl

⋅

kl

gdy k=i oraz l=j, wtedy 

ik

⋅

jl

⋅

kl

=

ij

3)

il

⋅

jk

⋅

kl

gdy k=j oraz l=i, wtedy  

il

⋅

jk

⋅

kl

=

ji

Aściukiewicz P., Baron P., Gawron U., Krzysztoń A., Ratajczak D., Wojciechowski M.

AlmaMater

background image

6. ZWIĄZKI FIZYCZNE

3

4)

ij

=

ji

Stąd po podstawieniu tych warunków do (6.7) otrzymamy:

ij

=⋅⋅

ij

⋅

ij

⋅

kk

(6.8)

Wzór  (6.8)  przedstawia  skrócony  zapis  równań  fizycznych   wiążących  ze sobą   wartości  tensorów

naprężenia   i   odkształcenia   w   przypadku   trójwymiarowym  (dla   dowolnych   osi),   w   ciałach   materialnych
izotropowych, liniowo-sprężystych bez uwzględnienia temperatury i czasu.

Stałe 

m i l to tzw. Stałe Lamego.

W uzyskanym równaniu fizycznym naprężenia zostały wyrażone przez odkształcenia. Doprowadźmy

do zależności odwrotnej.

 

ij

=⋅⋅

ij

⋅

ij

⋅

kk

Przyjmijmy i=j=k:

kk

=⋅⋅

kk

⋅

kk

⋅

kk

kk

=

kk

⋅⋅⋅

Wówczas:

kk

=

kk

⋅⋅

(6.9)

Podstawmy (6.9) do (6.8)

ij

=⋅

ij

⋅

ij

kk

⋅⋅

Po przekształceniach:

ij

=

2

⋅

ij

2



⋅

kk

⋅

ij

(6.10)

Przyjmując:

=

4

=−

2



Otrzymamy wzór na 

e

ij

 analogiczny do wzoru na 

s

ij

:

Aściukiewicz P., Baron P., Gawron U., Krzysztoń A., Ratajczak D., Wojciechowski M.

AlmaMater

background image

6. ZWIĄZKI FIZYCZNE

4

ij

=⋅⋅

ij

⋅

ij

⋅

kk

(6.11)

Wprowadzamy stałe materiałowe:
E – moduł Younga (sprężystości)
G – moduł Kirchoffa (Ścinania, odkształcenia postaciowego)
n - współczynnik Poissona

=G=

E

2

1

(6.12)

=

E

⋅

1⋅12

(6.13)

Po podstawieniu (6.12) i (6.13) do (6.8) uzyskamy związki fizyczne w postaci :

ij

=2G⋅

ij

2 G

12

⋅

kk

⋅

ij

=2G [

ij

1

⋅

kk

⋅

ij

]=

=

E

1



[

ij

1

⋅

kk

⋅

ij

]

(6.14)

Po rozpisaniu względem wskaźników i, j, k = 1,2,3 otrzymamy:

11

=

E

1



[

11

1

⋅

11



22



33

] ,

             

12

=

E

1



⋅

12

=2G 

12

22

=

E

1



[

22

1

⋅

11



22



33

] ,

             

13

=

E

1



⋅

13

=2G 

13

33

=

E

1



[

33

1

⋅

11



22



33

] ,

             

23

=

E

1



⋅

23

=2G 

23

(6.15)

                                                                                    

=

4 G

=

1



2 E

(6.16)

=−


E

(6.17)

Po podstawieniu (6.16) i (6.17) do (6.11) uzyskamy związki fizyczne w postaci :

Aściukiewicz P., Baron P., Gawron U., Krzysztoń A., Ratajczak D., Wojciechowski M.

AlmaMater

background image

6. ZWIĄZKI FIZYCZNE

5

ij

=

4 G

ij

2 G

1

⋅

kk

⋅

ij

=

2G

[

ij

1



⋅

kk

⋅

ij

]=

=

1



E

[

ij

1



⋅

kk

⋅

ij

]

(6.18)

Po rozpisaniu względem wskaźników i, j, k = 1,2,3 otrzymamy:

 

11

=

1



E

[

11

1



⋅

11 



22



33

]=

=

E

[

11 

⋅1−⋅

11 



22



33

]=

=

E

[

11  

−⋅

22



33

] ,

                            

12

=

1



E

12

=

12 

2 G

22

=

E

[

22  

−⋅

11



33

] , 2G

                  

13

=

1



E

12

=

13 

¿

33

=

E

[

33  

−⋅

11



22

] ,

                         

23

=

1



E

12

=

23 

2 G

(6.19)

6.3. Podsumowanie

Do opisu stanu w punkcie mamy:

1)

ji , j

 p

i

=0

- 3 równania Naviera

2)

ij

=

2

u

i , j

u

j ,i

- 6 równań geometrycznych

3)

ij

=⋅⋅

ij

⋅

ij

⋅

kk

- 6 równań fizycznych

Jest to pełen komplet równań potrzebnych do opisu 15 niewiadomych.

Aściukiewicz P., Baron P., Gawron U., Krzysztoń A., Ratajczak D., Wojciechowski M.

AlmaMater