W Y K Ł A D Y Z T E O R I I S P R Ę Ż Y S T O Ś C I 1
RÓWNANIA TEORII SPRĘŻYSTOŚCI. ENERGIA SPRĘŻYSTA I WŁAŚCIWA CIAŁA Olga Kopacz, Krzysztof Krawczyk, Adam Łodygowski, Michał Płotkowiak, Agnieszka Świtek, Krzysztof Tymper, Konsultacje naukowe: prof. dr hab. JERZY RAKOWSKI Poznań 2002/2003
TEORIA SPRĘŻYSTOŚCI 5
Wykład 5 z 27.03.2003. obejmujący takie zagadnienia jak: równania teorii sprężystości wyrażone w przemieszczeniach, równania teorii sprężystości wyrażone w naprężeniach, energia sprężysta oraz energia właściwa (gęstość energii) ciała.
5.1. Równania teori sprężystości wyrażone w przemieszczeniach Zagadnienia teorii sprężystości polegają na wyznaczeniu dla danego ciała odkształceń, przemieszczeń i naprężeń, gdy znamy jego warunki obciążenia i podparcia.
Mamy zatem następujące niewiadome:
• sześć współrzędnych tensora stanu naprężenia: σij,
• sześć współrzędnych tensora stanu odkształcenia: εij, oraz
• trzy współrzędne wektora przemieszczenia: ui.
Dla wyznaczenia tych niewiadomych sporządzamy następujący układ równań:
• równanie równowagi
σ
p
ji j +
i = 0
,
(5.1.1.)
• równanie geometryczne
Politechnika Poznańska®
Kopacz, Krawczyk , Łodygowski, Płotkowiak, Świtek, Tymper
W Y K Ł A D Y Z T E O R I I S P R Ę Ż Y S T O Ś C I 2
RÓWNANIA TEORII SPRĘŻYSTOŚCI. ENERGIA SPRĘŻYSTA I WŁAŚCIWA CIAŁA 1
ε = ( u + u )
(5.1.2.)
ij
2 i, j
j, i
• równanie fizyczne
σ = 2µε + λδ ε
ij
ij
ij kk
(5.1.3.)
gdzie: µ,λ-stałe Lamego
µ = G
ν
E
2 ν
λ =
= G
1
( +ν 1
)( − ν
2 )
1− ν
2
ponadto σij=σji, εij=εji.
ZADANIE
Eliminując σij i εij doprowadzić do układu trzech równań o niewiadomych ui.
Dokonując kontrakcji na równaniu (1.2) otrzymamy: 1
ε =
u
(
+ u ) = u
kk
k , k
k , k
k , k
2
Podstawiając do równania (5.1.3) otrzymamy: 1
σ = 2µ u
(
+ u ) + λδ u
ij
i, j
j i,
ij k , k
2
Wyrażenie to różniczkujemy po j oraz dokonujemy zamiany wskaźnika niemego k na j
σ
= µ u
(
+ u ) + λδ u
ij, j
i, jj
j ij
,
ij
j, jj
uj,jjδij=uj,ji=uj,ij.
Politechnika Poznańska®
Kopacz, Krawczyk , Łodygowski, Płotkowiak, Świtek, Tymper
W Y K Ł A D Y Z T E O R I I S P R Ę Ż Y S T O Ś C I 3
RÓWNANIA TEORII SPRĘŻYSTOŚCI. ENERGIA SPRĘŻYSTA I WŁAŚCIWA CIAŁA σ
= u
µ
+ µ u + u
λ
ji, j
i, jj
j ij
,
j, ji
σ
u
u
ji j = µ i jj +
(
j ji µ + λ )
,
,
,
Podstawiając powyższe wyrażenie do wzoru (5.1.1) otrzymamy: µ u
u
µ λ
p
i jj +
(
j ji
+ ) + i = 0
,
,
(5.1.4.)
Wiemy iż:
u
∂
u
∂
u
∂
1
2
3
u
=
+
+
k , k
x
∂
x
∂
x
∂
1
2
3
Zatem:
2
2
2
∂ u
∂ u
∂ u
u
i
i
i
i, jj =
+
+
2
2
2
x
∂
x
∂
x
∂
1
2
3
Wyrażenie to możemy przedstawić inaczej korzystając z zapisu operatorowego operatorowego wprowadzając symbol ∇2 (laplasjan).
2
∂ u
2
∂ u
2
∂ u
i
i
i
u
2
i, jj =
+
+
= ∇ u
2
2
2
i
x
∂
x
∂
x
∂
1
2
3
Podstawiając do wzoru (5.1.4) orzymamy równanie Lamego: 2
µ∇ u
µ λ ϑ
p
(5.1.5.)
i + (
+ ) i + i = 0
'
Gdzie, zgodnie z umową sumacyjną i=1,2,3, a ϑ=uj,j=εjj jest dylatacją.
Równanie będzie spełnione, gdy ϑ będzie funkcją harmoniczną.
Politechnika Poznańska®
Kopacz, Krawczyk , Łodygowski, Płotkowiak, Świtek, Tymper
W Y K Ł A D Y Z T E O R I I S P R Ę Ż Y S T O Ś C I 4
RÓWNANIA TEORII SPRĘŻYSTOŚCI. ENERGIA SPRĘŻYSTA I WŁAŚCIWA CIAŁA ZADANIE
Udowodnić że ϑ jest funkcją harmoniczną.
Pomijamy siły masowe: pi=0.
µ u
µ λ u
i jj + (
+ ) j ji = 0
,
,
Różniczkujemy wyrażenie po i.
µ u
µ λ u
i jji + (
+ ) j jii = 0
,
,
µ u
µ λ u
i ijj + (
+ ) i ijj = 0
,
,
Równanie będzie spełnione, gdy:
[ u
u
i i
= ⇔ ∇ i i = ⇔ ∇ ϑ =
, ]
0
2
0
2
0
,
' jj
Wniosek: funkcja spełniająca równanie Laplaca jest funkcją harmoniczną.c.n.u.
Różniczkując jeszcze raz otrzymamy: 4
µ∇ u
λ µ
ϑ
i + (
+ ) 2
∇ i = 0
'
Przy czym 2
∇ ϑ
, zatem
i → 0
'
4
∇ ui = 0
Co oznacza, iż w przypadku równań Lamego funkcją spełniającą równanie jest funkcja biharmoniczna.
2
1
∇ u
u
i +
j ji = 0
1− 2
,
ν
Gdzie
1
λ + µ
=
1− ν
2
µ
Politechnika Poznańska®
Kopacz, Krawczyk , Łodygowski, Płotkowiak, Świtek, Tymper
W Y K Ł A D Y Z T E O R I I S P R Ę Ż Y S T O Ś C I 5
RÓWNANIA TEORII SPRĘŻYSTOŚCI. ENERGIA SPRĘŻYSTA I WŁAŚCIWA CIAŁA 5.2. Równania teori sprężystości wyrażone w naprężeniach (Beltrami-Mitchel)
Równanie (1.3) możemy zapisać w postaci:
+ν
ν
ε = 1
σ − δ σ
ij
ij
ij
kk
E
E
Przyjmując σkk=s otrzymamy:
+ν
ν
ε = 1
σ − sδ
(5.2.1.)
ij
ij
ij
E
E
Równanie nierozdzielności odkształceń możemy zapiszć jako: ε
ε
ε
ε
ij kl +
kl ij −
ik jl −
jl ik = 0
,
,
,
,
(5.2.2.)
Pdstawiając (5.2.1.) do (5.2.2.) otrzymamy: 1+ν σ(
)
,
+ σ , −σ , −σ , =
ij kl
kl ij
ik jl
jl ik
E
ν
= (δ s, + δ s, −δ s, −δ s ij
kl
kl
ij
ik
jl
jl ik )
E
Możemy dokonać kontrakcji i przyrównać wskażniki k=l: σ
+ σ
−σ
−σ
=
ij, kk
kk , ij
ik , jk
jk , ik
ν
=
(δ s +δ s −δ s −δ s ij , kk
kk , ij
ik , jk
jk , ik )
1+ν
Uwzględniwszy, iż:
σ
2
= ∇
,
σ
ij kk
ij
Politechnika Poznańska®
Kopacz, Krawczyk , Łodygowski, Płotkowiak, Świtek, Tymper
W Y K Ł A D Y Z T E O R I I S P R Ę Ż Y S T O Ś C I 6
RÓWNANIA TEORII SPRĘŻYSTOŚCI. ENERGIA SPRĘŻYSTA I WŁAŚCIWA CIAŁA σ
= s
kk , ij
, ij
−σ
p
σ
p
σ
p
ik jk =
i j ⇐
ik k +
i =
→ ik kj + i j =
,
,
(
0
0
,
,
,
)
−σ
p
σ
p
σ
p
jk ik =
j i ⇐
jk k +
j =
→ jk ki + j i =
,
,
(
0
0
,
,
,
)
s
2
= ∇ s
, kk
δ kk = 3
δ s = s
ik , jl
, ji
δ s = − s
jl , ik
, ij
Otrzymamy następujące równanie:
ν
2
∇ σ + s + p + p 2
=
δ ∇ s + s
ij
, ij
i, j
j, i
( ij
, ij )
1+ν
Prowadząc dalsze przekształcenia otrzymamy: ν
ν
2
∇ σ + s + p + p 2
=
δ ∇ s +
s
ij
, ij
i, j
j, i
ij
, ij
1+ν
1+ν
ν
ν
2
2
∇ σ + s −
s −
δ ∇ s = −( p + p ) (5.2.3.)
ij
, ij
1
, ij
+ν
1
ij
i, j
j, i
+ν
Przyjmujemy i=j:
ν
ν
2
2
∇ σ + s +
s −
δ ∇ s = −( p + p ) ii
, ij
1
, ii
+ν
1
iij
i, i
i, i
+ν
ν
2
1
3
∇ s
2
+
∇ s
2
−
∇ s = −2 pi, i
1+ν
1+ν
Politechnika Poznańska®
Kopacz, Krawczyk , Łodygowski, Płotkowiak, Świtek, Tymper
W Y K Ł A D Y Z T E O R I I S P R Ę Ż Y S T O Ś C I 7
RÓWNANIA TEORII SPRĘŻYSTOŚCI. ENERGIA SPRĘŻYSTA I WŁAŚCIWA CIAŁA 1+ν +1− 3ν 2
∇ s = 2
− pi, i
1+ν
2 − 2ν 2
∇ s = 2
− pi, i
1+ν
+ν
2
1
∇ s = −
pi, i
1−ν
Podstawiając powyższe wyrażenie do wzoru (5.2.3.) otrzymamy: ν
+ν
2
1
1
∇ σ +
s =
δ (−
p ) − ( p + p ) ij
1
, ij
+ν
1
ij
+ν
1
i, i
i, j
j, i
−ν
ν
2
1
∇ σ +
s = −
p
− ( p + p )
ij
1
, ij
+ν
1
k , k
i, j
j, i
−ν
5.3. Energia sprężysta ciała.
W każdym punkcie na ciało działają siły masowe i siły powierzchniowe: dV
p r
-siła działająca na jednostkę objętości.
r fdS - siła działająca na jednostkę powierzchni.
Całkowita energia ciała sprężystego, które doznaje odkształcenia u r : 1
1 r
L = 2 ∫ p r u r o dV + 2 ∫ f udS
r
o
V
S
Zapisując skalarowo:
1
1
L = 2 ∫ p u dV
f u dS
i i
+ 2 ∫ i i
V
S
Politechnika Poznańska®
Kopacz, Krawczyk , Łodygowski, Płotkowiak, Świtek, Tymper
W Y K Ł A D Y Z T E O R I I S P R Ę Ż Y S T O Ś C I 8
RÓWNANIA TEORII SPRĘŻYSTOŚCI. ENERGIA SPRĘŻYSTA I WŁAŚCIWA CIAŁA 1
1
L = 2 ∫ p u dV
σ n u dS
i i
+ 2 ∫ ji j i
V
S
Ponieważ:
σ u = A
ji i
j
Oraz zgodnie z twierdzeniem Gaussa-Ostrogradzkiego:
∫ A n dS A dV
j
j
= ∫ j, j
A
V
Otrzymujemy:
1
1
L =
σ
2 ∫ p u dV
(
u ) dV
i i
+ 2 ∫ ji i , j
V
V
1
1
L =
σ
σ
2 ∫ p u dV
(
u
u ) dV
i i
+ 2 ∫ ji, j i + ji i, j V
V
1
L =
( p u + σ u + σ u ) dV
i i
ji, j i
ji i, j
∫
2 V
1
L =
[( p + σ
u
) + σ u dV
]
i
ji, j
i
ji i, j
∫
2 V
Wiemy, iż:
σ
p
ji j +
i = 0
,
1
L =
(σ u ) dV
ji i, j
∫
2 V
Politechnika Poznańska®
Kopacz, Krawczyk , Łodygowski, Płotkowiak, Świtek, Tymper
W Y K Ł A D Y Z T E O R I I S P R Ę Ż Y S T O Ś C I 9
RÓWNANIA TEORII SPRĘŻYSTOŚCI. ENERGIA SPRĘŻYSTA I WŁAŚCIWA CIAŁA Korzystając z symetrii tensora σij mamy: 1
1
1
L =
( σ u + σ u ) dV
ji i, j
ij
j, i
∫
2
2
2
V
1
1
L =
u
(
+ u ) dV
ij
i, j
j i
∫σ
2
2
,
V
Ostatecznie otrzymujemy wzór na pracę wykonaną przez siły masowe i powierzchniowe wyrażone przez tensory naprężenia i odkształcenia: 1
L =
σ ε dV
ij ij
2 ∫ V
5.4. Energia właściwa (gęstość energii).
1
W = σ ε
ij ij
2
Wielkości σ oraz ε przedstawiamy jako sumę aksjatora i dewiatora.
ij
ij
1
W = ( ( o)
( d )
σ + σ )( ( o)
( d )
ε + ε )
2
ij
ij
ij
ij
Gdzie:
( )
1
o
σ
= σ δ
ij
kk
ij
3
( )
1
d
σ
= σ − σ δ
ij
ij
kk
ij
3
( d )
( o)
1
1
1
σ ε
σ
σ δ
ε δ
ε σ δ
ij
ij
= ( ij −
)
kk
ij
kk
ij =
kk
ij
ij −
3
3
3
1
1
1
− σ ε δ δ
ε σ
ε σ
kk kk
ij
ij =
kk
kk −
kk
kk = 0
9
3
3
Politechnika Poznańska®
Kopacz, Krawczyk , Łodygowski, Płotkowiak, Świtek, Tymper
W Y K Ł A D Y Z T E O R I I S P R Ę Ż Y S T O Ś C I 10
RÓWNANIA TEORII SPRĘŻYSTOŚCI. ENERGIA SPRĘŻYSTA I WŁAŚCIWA CIAŁA Po wymnożeniu otrzymujemy:
1
o
o
1
( )
( )
( d )
( d )
( o)
( d )
W = σ ε
+ σ ε
= W
+ W
2 ij
ij
2 ij
ij
Całkowita gęstość energii składa się z dwóch części: gęstości energii wynikającej z pracy aksjatorów i z gęstości energii wynikającej z pracy dewiatorów.
Obliczmy gęstość energii aksjatora:
− ν σ
o
1
o
o
1 1
1 2
( )
( )
( )
W
= σ ε
= ( σ δ )(
kk δ ) =
2 ij
ij
2 3 kk ij
E
3
ij
1
1 1− 2ν σ
− ν
kk
1 2
2
= σ
δ δ =
(σ )
2 kk 3 E
3
ij ij
6
kk
E
Gęstość energii aksjatora wyraża się wzorem: 1− 2ν
( )
2
=
σ
W o
I 1
6
σ
E
Gdzie I σ -pierwszy niezmiennik stanu naprężenia.
1
ZADANIE DOMOWE.
Obliczyć część gęstości energii wynikającą z pracy dewiatora.
Wiemy iż:
d
1
( )
( d )
ε
=
σ
ij
2
ij
G
Zatem:
d
1
d
d
1
d
1
d
1
( )
( )
( )
( )
( )
( d )
( d )
W
= σ ε
= σ
σ
=
σ σ
2 ij
ij
2 ij 2
ij
G
4
ij
ij
G
Politechnika Poznańska®
Kopacz, Krawczyk , Łodygowski, Płotkowiak, Świtek, Tymper
W Y K Ł A D Y Z T E O R I I S P R Ę Ż Y S T O Ś C I 11
RÓWNANIA TEORII SPRĘŻYSTOŚCI. ENERGIA SPRĘŻYSTA I WŁAŚCIWA CIAŁA Drugi niezmiennik dewiatora naprężenia wyraża się następująco: d
1
( )
( d )
( d )
I
= −
σ
σ σ
2
2 ij
ij
Gęstość energii dewiatorów można przedstawić w postaci: d
1
( )
( d )
W
= −
I
σ
2
2 G σ
Gdzie ( d)
I 2σ -drugi niezmiennik dewiatora naprężenia.
Politechnika Poznańska®
Kopacz, Krawczyk , Łodygowski, Płotkowiak, Świtek, Tymper