background image

PYTANIA KONTROLNE STAN NAPRĘŻENIA, ODKSZTAŁCENIA PRAWO HOOKE’A   

 

 

 

 

 

background image

 

 

background image

TENSOMETRIA – ZARYS TEORETYCZNY 
 
Stan naprężenia jest niemożliwy do pomiaru, natomiast łatwo zmierzyć stan odkształcenia na 

powierzchni zewnętrznej badanej konstrukcji. 

 

Aby wyznaczyć stan naprężenia trzeba skorzystać z równań fizycznych (prawo Hooke’a).  

 

Na powierzchni zewnętrznej panuje płaski stan naprężenia (wynika to z warunków brzegowych).  

 

W praktyce pomiarowej wyznaczamy stan odkształceń na podstawie kilku (przynajmniej trzech) 

zmierzonych odkształceń liniowych na wybranych kierunkach.  

 

Do wyznaczenia dwu odkształceń  głównych i kąta potrzeba trzech pomiarów 

,

,

I

II

III

ε ε

ε

 

odkształceń liniowych w różnych i ustalonych kierunkach. Kierunki te są zazwyczaj z góry ustalone 

w tzw. rozecie tensometrycznej, dla których to kątów wyprowadzone są wzory na odkształcenia 

główne i ich kierunki względem kierunków pomiarowych.  

background image

ROZETA 
 
Wzór transformacyjny: 
 

2

2

1

cos

sin

sin

cos

x

x

y

xy

ε

ε

α ε

α γ

α

α

=

+

+

 

 
Jeśli znamy 

1

,

,

x

x

y

ε

ε ε

 oraz  

α

 ,   to możemy wyznaczyć odkształcenie kątowe: 

 

2

2

1

cos

sin

2

2 cos sin

xy

x

x

y

xy

γ

ε

ε

α ε

α

ε

α

α

=

=

 

 
oraz kierunki główne   

2

xy

x

y

tg

γ

θ

ε

ε

=

 

 

2

1,2

2

2

2

x

y

x

y

xy

ε

ε

ε

ε

γ

ε

+

+

⎞ ⎛

=

±

+

⎟ ⎜

⎠ ⎝

 

 

background image

Przykład 

 

W punkcie ciała, w którym panuje płaski stan naprężenia (płaski w płaszczyźnie xyη ) zmierzono 
odkształcenia w trzech kierunkach. Znaleźć pełny tensor odkształceń w układzie xyz i naprężenia 
główne. 

Dane:

4

10 10

x

ε

= ⋅

4

5 10

y

ε

= ⋅

,  

4

2 10

η

ε

= ⋅

,  

5

2 10

E

MPa

= ⋅

,   

0.3

ν

=

 

 

Macierz przejścia z układu xyz do 

z

ξη

 obrót o kąt 

0

45

α

=

 . 

cos

sin

0

sin

cos

0

0

0

1

Q

α

α

α

α

= −

 

background image

Prawo transformacji dla odkształceń: 

'

ij

ik

jl

kl

Q

Q

ε

ε

=

 

'

22

21

21 11

21

22 12

21

23 13

22

21 21

22

22 22

22

23 23

23

21 31

23

22 32

23

23 33

Q Q

Q Q

Q Q

Q Q

Q Q

Q Q

Q Q

Q Q

Q Q

η

ε

ε

ε

ε

ε

ε

ε

ε

ε

ε

ε

=

=

+

+

+

+

+

+

+

+

 

(

)

(

)

0.5

0.5

0

0.5

0.5

0 0 0 0

x

xy

xy

y

ε

ε

ε

ε

=

+ −

+ + −

+

+ + + +

 

 

 

 

(

)

(

)

4

4

0.5

10

0.5 10 5

2

5.5 10

xy

x

y

η

ε

ε

ε

ε

=

+

=

+ −

=

 

 
Płaski stan naprężenia w płaszczyźnie x,y czyli 

0

z

σ

=

 

 

(

)

2

0

z

z

x

y

z

G

σ

ε

λ ε

ε

ε

=

+

+

+

=

 

 

(

)

(

)

(

)

(

)

4

4

15 10

0.3 / 0.7

6.43 10

2

1

x

y

x

y

z

G

ε

ε λ

ε

ε ν

ε

λ

ν

ν

+

+

=

=

= − ⋅

= −

+

 

 

background image

Tensor odkształcenia w układzie xyz: 

4

10

5.5

0

5.5 5.0

0

10

0

0

6.43

ε

=

T

 

 

Stałe materiałowe:  

5

2

1.538 10 MPa

1

E

G

ν

=

=

+

 

 

 

 

(

) (

)

5

1.154 10 MPa

1

1 2

E

ν

λ

ν

ν

=

=

+ ⋅ −

 

 
Równania fizyczne: 

(

)

11

11

11

22

33

2G

σ

ε

λ ε

ε

ε

=

+

+

+

 

(

)

22

22

11

22

33

2G

σ

ε

λ ε

ε

ε

=

+

+

+

 

(

)

33

33

11

22

33

2G

σ

ε

λ ε

ε

ε

=

+

+

+

 

12

12

2G

σ

ε

=

 

13

13

2G

σ

ε

=

 

23

23

2G

σ

ε

=

 

 

 

background image

Naprężenie styczne: 

2

84.6 MPa

xy

xy

G

τ

ε

=

=

 

 

Naprężenie normalne: 

5

4

1.538 10 10 10

98.9 =252.7 MPa

x

σ

=

⋅ ⋅

+

 

 

 

 

 

 

5

4

1.538 10 5 10

98.9 =175.8 MPa

y

σ

=

⋅ ⋅

+

 

 

 

 

 

(

)

5

4

1.538 10

6.43 10

98.9 =0

z

σ

=

⋅ −

+

 spr 

o.k. 

 
Tensor naprężeń w układzie xyz: 

252.7

84.6

0

84.6

175.8 0

MPa

0

0

0

σ

=

T

 

 
Naprężenia główne:  

 

 

 

(

) (

)

2

2

1,2

0.5

4

x

y

x

y

xy

σ

σ

σ

σ

σ

τ

=

+

±

+

 

 

 

 

 

1

307.2 MPa

σ

=

   

2

121.3 MPa

σ

=

 

 

background image

Przykład  
 

Znaleźć wektor naprężeń  przy przecięciu płaszczyzną o wektorze normalnym 

(

)

1 2

2

=

a

 

Znaleźć składową normalną i  styczną tego wektora naprężeń. Dany stan naprężeń : 
 

1

4

2

4

3

7

2

7

1

σ

=

T

 

 

V

σ

=

p

T v

   gdzie:  

 

1

3

2

3

2

3

=

=

a

v

a

 

 

2

2

2

1

2

2

3

=

+

+

=

a

 

 

background image

( )

( )

1

2

2

1

4

2

13

3

3

3

3

1

2

2

4

4

3

7

3

3

3

3

10

1

2

2

3

2

7

1

3

3

3

V

⋅ + ⋅ + ⋅

⎟ ⎛

⎟ ⎜

⎟ ⎜

=

⋅ + ⋅ + ⋅ −

=

⎟ ⎜

⎟ ⎜

⎟ ⎝

⋅ + ⋅ − + ⋅

p

 wektor naprężeń 

 

(

)

1

5

13 8 20

3

9

V

=

− −

=

p

v

  iloczyn skalarny (liczba) 

 

(

)

5

9

10

9

10

9

V

V

=

=

σ

p

v v

i

  składowa normalna wektora naprężeń 

 

background image

13

5

44

3

9

9

10

4

2

3

9

9

10

10

20

3

9

9

s

V

V

⎞ ⎛

+

⎟ ⎜

⎟ ⎜

=

=

+

=

⎟ ⎜

⎟ ⎜

+

⎠ ⎝

τ

p

σ

 składowa styczna wektora naprężeń 

 
 
Sprawdzenie: 

(

)

1

220 20 200

0

81

n

s

=

+

+

=

σ

τ

  

o.k. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

Przykład  
 
Dla podanego tensora naprężeń znaleźć wartosci własne (naprężenia główne) i odpowiadające im 
wektory własne (kierunki główne) 
 

1

2

0

2

1

0

0

0

2

σ

= ⎢

T

  

3

2

σ

= −

   

 

 

 

1

2

2

1

xy

σ

= ⎢

T

 

 

2

2

11

22

11

22

1,2

12

2

2

σ

σ

σ

σ

σ

σ

+

=

±

+

 

 
 
 

1

3

σ

=

   

2

1

σ

= −

 

 
 
 
 

background image

Wektory własne: 
 

1

3

σ

=

 

 

(

)

(1)

1

(1)

(1)

1

2

(1)

3

1 3

2

0

2

1 3

0

0

0

0

2 3

v

v

v

σ

σ

=

=

− −

⎦ ⎝

T

I v

 

 

(1)

(1)

(1)

(1)

1

2

1

2

2

2

0

v

v

v

v

+

=

=

 

 

(1)

(1)

(1)

(1)

1

2

1

2

2

2

0

v

v

v

v

+

=

=

 

 

(1)

(1)

3

3

5

0

0

v

v

=

=

 

 
 
Przyjąć wartość jednej współrzędnej obliczyć pozostałe i z otrzymanego wektora utworzyć wersor 
 

(

)

(1)

1 1 0

=

v

 

 

(1)

1

1

0

2

2

= ⎜

e

 

background image

2

1

σ

= −

 

 

(

)

( )

( )

( )

(2)

1

(2)

(2)

2

2

(2)

3

1

1

2

0

2

1

1

0

0

0

0

2

1

v

v

v

σ

σ

− −

=

− −

=

− − −

⎦ ⎝

T

I v

 

 

(1)

(1)

(2)

(2)

1

2

1

2

2

2

0

v

v

v

v

+

=

= −

 

 

(1)

(1)

(2)

(2)

1

2

1

2

2

2

0

v

v

v

v

+

=

= −

 

 

(2)

(2)

3

3

0

0

v

v

=

=

 

 

(

)

(2)

1 1 0

= −

v

   

(2)

1

1

0

2

2

= ⎜

e

 

trójka prawoskrętna: 
 

(

)

(3)

(1)

(2)

1

1

1

1

0

0

0

0 1

2

2

2

2

⎞ ⎛

=

×

=

×

=

⎟ ⎜

⎠ ⎝

e

e

e

 

 

background image

Przykład 

 

Dane jest pole naprężeń : 
 

 

11

1 2

4x x

σ

= −

   

 

12

8

σ

=

   

 

22

1

x

σ

=

 

 

 

Określić obciążenie brzegowe wywołujące ten stan naprężeń: 
 

 

 

background image

 

 

Brzeg AB: 

,1

,2

0

1

AB

AB

AB

α

α

⎞ ⎛ ⎞

=

=

⎟ ⎜ ⎟

⎝ ⎠

n

   

  

[ ]

1

0, 4

x

 

 

2

0

x

=

 

 

( )

,1

11

,1

12

,2

1 2

4

0 8

1

8

AB

AB

AB

q

x x

σ α

σ α

=

+

= −

⋅ + − = −

 

 

( )

,2

21

,1

22

,2

1

1

8 0

1

AB

AB

AB

q

x

x

σ α

σ α

=

+

= ⋅ +

− = −

 

 

( )

,1

8.0

AB

q

A

= −

   

( )

,1

8.0

AB

q

B

= −

 

( )

,2

0

AB

q

A

=

  

 

( )

,2

4.0

AB

q

B

= −

 

background image

 

 

Brzeg AC: 

,1

,2

1

0

AC

AC

AC

α

α

⎛ ⎞

=

=

⎟ ⎜ ⎟

⎝ ⎠

n

   

 

1

0

x

=

  ,     

[ ]

2

0,3

x

 

( ) ( )

,1

11

,1

12

,2

1 2

4

1

8 0

0

AC

AC

AC

q

x x

σ α

σ α

=

+

= −

⋅ − +

=

 

 

( )

( )

,2

21

,1

22

,2

1

8

1

0

8

AC

AC

AC

q

x

σ α

σ α

=

+

= ⋅ − +

= −

 

 

( )

,1

0

AC

q

A

=

  

 

( )

,1

0

AC

q

C

=

  

 

( )

,2

8

AC

q

A

= −

 

 

( )

,2

8

AC

q

C

= −

 

 

 

background image

 

Brzeg BC: 

,1

,2

0.6

0.8

BC

BC

BC

α

α

⎞ ⎛

=

=

⎟ ⎜

n

     

[ ]

1

0, 4

x

 

2

1

3

3

4

x

x

= −

+

 

2

11

1 2

1

1

1

1

3

4

4

3

3

12

4

x x

x

x

x

x

σ

= −

= −

+

=

 

(

)

2

2

,1

11

,1

12

,2

1

1

1

1

3

12

0.6 8 0.8 1.8

7.2

6.4

BC

BC

BC

q

x

x

x

x

σ α

σ α

=

+

=

+ ⋅

=

+

 

,2

21

,1

22

,2

1

1

0.6 8 0.8

0.8

4.8

BC

BC

BC

q

x

x

σ α

σ α

=

+

=

⋅ +

⋅ =

⋅ +

 

 

( )

,1

6.4

BC

q

C

=

 

 

( )

,1

6.4

BC

q

B

=

 

( )

,2

4.8

BC

q

C

=

 

 

( )

,2

8.0

BC

q

B

=

 

background image

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Równowaga globalna: 
 1)

,1

0

v

K

q

=

   

 

 

2) 

,2

0

v

K

q

=

   

 

3) Wybieramy punkt np. A 

 

0

A

K

× =

r

q

 

 

gdzie:

 

(

)

,

A

x y

=

r

 

(

)

,1

,2

,

v

v

q

q

=

q

 

…… 

background image

( )

( )

( )

(

)

4

3

4

2

,1

1

1

,1

1

1

,1

1

1

1

2

1

1

1

0

0

0

8

0

1.8

7.2

6.4

?

0

B

C

C

AB

BC

AC

A

B

A

q

x

dx

q

x

dx

q

x

dx

dx

dx

x

x

dx

+

+

= −

+

+

+

=

 

 

( )

( )

( )

(

)

4

3

4

,2

1

1

,2

1

1

,2

1

1

1

1

2

1

1

0

0

0

8

0.8

4.8

?

0

B

C

C

AB

BC

AC

A

B

A

q

x

dx

q

x

dx

q

x

dx

x dx

dx

x

dx

+

+

= −

+ −

+

⋅ +

=

 
 
…….. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

background image

TEST 

 

1. Poniższy rysunek jest graficznym obrazem płaskiego stanu naprężeń. Uzupełnij macierz 

T

σ

 

oraz rysunek. 

 Uzupełnienie macierzy 

0

0

0

0

1

3

0

3

2

T

σ

= ⎢

 

Uzupełnienie rysunku

 

background image

2. Dana jest macierz 

2

0

0

0

2

4

T

σ

= ⎢

.  

 
Uzupełnij macierz i sporządź graficzny obraz na odpowiednio dobranej płaszczyźnie. 
 
 

Uzupełnienie macierzy 

2

0

2

0

0

0

2

0

4

T

σ

= ⎢

 

 

 

background image

 

3. Wyznacz wartości własne i określ kierunki główne: 
 

0

0

4

0

4

0

4

0

0

T

σ

= ⎢

 

2

4

σ

=

 

0

4

4

0

xz

σ

= ⎢

T

 

 

2

2

11

33

11

33

1,3

13

2

2

σ

σ

σ

σ

σ

σ

+

=

±

+

 

 

1

4

σ

=

   

 

3

4

σ

= −

   

 

 

(3)

2

2

0

2

2

= ⎜

e

 

 

2

3

σ

σ

=

     płaszczyzna prostopadła do wersora 

(3)

e

 

 
 
 

background image

 
4. Wyznacz wartości własne i określ kierunki główne: 
 

0

0

0

0

0

3

0

3

0

T

σ

= ⎢

 

 

0

3

3 0

yz

σ

= ⎢

T

 

 

2

2

22

33

22

33

2,3

23

2

2

σ

σ

σ

σ

σ

σ

+

=

±

+

 

 

1

2

3

σ

σ

σ

 

 

1

0

σ

=

   

(

)

(1)

1 0

0

=

e

 

2

3

σ

=

   

(2)

2

2

0

2

2

= ⎜

e

 

3

3

σ

= −

   

(3)

2

2

0

2

2

= ⎜

e

 

background image

5. Wyznacz wartości maxymalnych naprężeń stycznych i podaj kierunki występowania: 
 

2

0

0

0

4

0

0

0

6

T

σ

= ⎢

 

 

 

6. Dana jest macierz:  

4

2

1

10

1

2

T

ε

=

. Oblicz odkształcenie liniowe włókna OP. 

 

 
 

 

 

background image

Zadanie  
 

Dany jest stan odkształceń w punkcie podany macierzą 

4

2

3

10

3

4

ε

=

T

 

Podaj odkształcenie liniowe na kierunku ξ podanym na rysunku: 

 

 
Transformacja ξ kierunek nowego układu który powstaje ze starego po obrocie osi x o kąt α=135 
stopni.  

Macierz transformacji 

cos

sin

sin

cos

α

α

α

α

= ⎢

Q

 

 

′ =

T

ε

Q ε Q

   

cos

sin

cos

sin

sin

cos

sin

cos

xx

xy

xy

yy

ξξ

ξη

ξη

ηη

ε

ε

ε

ε

α

α

α

α

ε

ε

ε

ε

α

α

α

α

⎤ ⎡

=

⎥ ⎢

 

background image

 

2

2

2

2

2

3

2

2

2

2

3

4

2

2

2

2

2

2

2

2

ξξ

ξη

ξη

ηη

ε

ε

ε

ε

=

 

mnożenie macierzy od końca 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

Zadanie 

 

 
Równania równowagi na płaszczyźnie:  
 

 

 

 

 

0

xy

x

x

P

x

y

σ

σ

+

+

=

   

(

11

12

1

1

2

0

P

x

x

σ

σ

+

+ =

 

 

 

 

0

xy

y

y

P

x

y

σ

σ

+

+

=

   

(

12

22

2

1

2

0

P

x

x

σ

σ

+

+

=

 
 

 

 

0 0 0

?0

+ + =

  

 

 

( )

4

4

0

?0

+ − + =

 

 
 
 
 
 
 

background image

Zadanie 

 

 

2

0 0 7

?0

x

+ +

=

   nie mogą 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

Zadanie 

 

 

0

xy

x

x

P

x

y

τ

σ

+

+

=

   

 

2 2

2 2

0

x

x

y

P

+

+

=

 

( )

( )

2 2

2

2 2

2

0

0

+

+ =

  o.k. 

 

0

xy

y

y

P

x

y

τ

σ

+

+

=

 

 

10 2

10

0

y

x

P

+

+

=

   

( )

10 2

2

10 10

0

+

+

=

  o.k. 

background image

( )

2

2

,

2

2

v

A

α

= ⎜

 

 
Statyczne warunki brzegowe: 

vi

vj

ij

q

α σ

=

 

 
Na płaszczyźnie: 
 

vx

vx

x

vy

xy

q

α σ

α τ

=

+

 ? 

( )

( )

( )

2

2

2

2

2

5

2

2

5 2

5 2

2

2

2

2

2

=

+

+

+

 

vy

vx xy

vy

y

q

α τ

α σ

=

+

 ? 

( )

( )

( )

(

)

2

2

2

2

1

5 2

2

2

2

10 2

2

2

2

− =

+

+

− −

 

 

background image

Zadanie 

 

 
Liczymy funkcje odkształceń: 
 
W punkcie A podstawiamy współrzędne punktu do powyższych funkcji (nie wolno podstawiać 
przed różniczkowaniem) 
 

 

(

)

(

)

1

1

2

3

1

1

2

3

1

,

,

,

,

u x

x

x

x

x

x

x

ε

=

 

(

)

(

)

2

1

2

3

2

1

2

3

2

,

,

,

,

u

x

x

x

x

x

x

x

ε

=

 

(

)

(

)

3

1

2

3

3

1

2

3

3

,

,

,

,

u

x

x

x

x

x

x

x

ε

=

   

background image

 

(

)

(

)

(

)

1

1

2

3

2

1

2

3

12

1

2

3

1

2

,

,

,

,

1

,

,

2

u x

x

x

u

x

x

x

x

x

x

x

x

ε

=

+

 

 

(

)

(

)

(

)

1

1

2

3

2

1

2

3

12

1

2

3

1

2

,

,

,

,

1

,

,

2

u x

x

x

u

x

x

x

x

x

x

x

x

ε

=

+

 

 

(

)

(

)

(

)

1

1

2

3

2

1

2

3

12

1

2

3

1

2

,

,

,

,

1

,

,

2

u x

x

x

u

x

x

x

x

x

x

x

x

ε

=

+

 

 
Liczymy naprężenia: 

Równania fizyczne:  

 

   

(

)

11

11

11

22

33

2

G

σ

ε

λ ε

ε

ε

=

+

+

+

 

(

)

22

22

11

22

33

2

G

σ

ε

λ ε

ε

ε

=

+

+

+

 

(

)

33

33

11

22

33

2

G

σ

ε

λ ε

ε

ε

=

+

+

+

 

12

12

2

G

σ

ε

=

 

13

13

2

G

σ

ε

=

 

23

23

2

G

σ

ε

=

 

background image

 
Stałe materiałowe dla ciała izotropowego są 

dwie niezależne

 

np. 

,

E

ν

  

 

lub :

,

G

λ

wyrażone przez te poprzednie 

2

1

E

G

ν

=

+

 

(

) (

)

1

1 2

E

ν

λ

ν

ν

=

+ ⋅ −

 

11

12

1

1

2

0

P

x

x

σ

σ

+

+ =

   

12

22

2

1

2

0

P

x

x

σ

σ

+

+

=

 

 
Fizyczne związki odwrotne: 

(

)

11

11

11

22

33

1

E

ν

ε

σ

ν σ

σ

σ

+

=

+

+

 

(

)

22

22

11

22

33

1

E

ν

ε

σ

ν σ

σ

σ

+

=

+

+

 

(

)

33

33

11

22

33

1

E

ν

ε

σ

ν σ

σ

σ

+

=

+

+

 

12

12

1

E

ν

ε

σ

+

=

 

 

13

13

1

E

ν

ε

σ

+

=

 

 

23

23

1

E

ν

ε

σ

+

=

 

 

 

background image

 

Równania równowagi :      

 

 

0

ij

i

j

P

x

σ

+ =

 

W przestrzeni:  

 

 

          

13

11

12

1

1

2

3

0

P

x

x

x

σ

σ

σ

+

+

+ =

 

 

23

12

22

2

1

2

3

0

P

x

x

x

σ

σ

σ

+

+

+

=

 

      

13

23

33

3

1

2

3

0

P

x

x

x

σ

σ

σ

+

+

+

=