Kuchlanish va saqlanish qonunlari¶
Ushbu bobda kuchlanish tensorlarining ta’rifi va o‘zaro bog‘lanishi, shuningdek massa, impuls va burchak impulsi saqlanish qonunlaridan kelib chiqadigan muvozanat tenglamalari hamda kuchlanish simmetriyasi jamlanadi. Uchta kuchlanish tensori — Cauchy kuchlanishi \(\boldsymbol{\sigma}\), birinchi Piola-Kirchhoff kuchlanishi \(\boldsymbol{P}\) va ikkinchi Piola-Kirchhoff kuchlanishi \(\boldsymbol{S}\) — sirt va kuch vektori uchun qaysi konfiguratsiya tanlanishiga qarab kiritiladi. Konfiguratsiya, harakat va deformatsiya gradienti ta’riflari uchun Harakat, deformatsiya va strain, belgilar ro‘yxati uchun Fizik miqdorlar belgilari ro‘yxati ga qarang.
Cauchy kuchlanish tensori¶
Joriy konfiguratsiyadagi \(\boldsymbol{x}\) nuqtada kichik sirtga (yuza \(d\Gamma\), tashqi birlik normal \(\boldsymbol{n}\)) ta’sir qiluvchi kuch \(d\boldsymbol{f}\) bo‘lsin. Kuchlanish vektori \(\boldsymbol{t}\) birlik yuzaga to‘g‘ri keladigan kuch sifatida \(d\boldsymbol{f} = \boldsymbol{t}\, d\Gamma\) bilan aniqlanadi. \(\boldsymbol{t}\) ham \(\boldsymbol{x}\) joylashuvga, ham \(\boldsymbol{n}\) normalga bog‘liq. Kichik tetraedrga impuls saqlanish qonunini qo‘llashdan \(\boldsymbol{t}\) ning \(\boldsymbol{n}\) ga nisbatan chiziqli ekani va ikkinchi tartibli \(\boldsymbol{\sigma}(\boldsymbol{x}, t)\) tensor mavjudligi kelib chiqadi, shundayki
bu munosabat ixtiyoriy \(\boldsymbol{n}\) uchun bajariladi (Cauchy kuchlanish teoremasi). \(\boldsymbol{\sigma}\) Cauchy kuchlanish tensori deb ataladi va joriy konfiguratsiya geometriyasidagi birlik yuzaga nisbatan kuch bo‘lgani uchun haqiqiy kuchlanish deb ham yuritiladi. \(\sigma_{ij}\) komponenti joriy konfiguratsiyada \(x_j\) koordinata o‘qiga normal kichik sirtning birlik yuzasiga ta’sir qiluvchi kuchning \(x_i\) komponentini bildiradi.
Quyida ko‘rsatiladigan burchak impulsi saqlanish qonuniga ko‘ra Cauchy kuchlanishi simmetrik tensor
bo‘lib, 3D da oltita mustaqil komponentga (\(\sigma_{11}, \sigma_{22}, \sigma_{33}, \sigma_{12}, \sigma_{23}, \sigma_{31}\)) ega. Voigt belgilanishidagi kuchlanish vektori aynan shu simmetriyaga asoslanadi (Tensor belgilanishi va matematik asoslar ga qarang). Cauchy kuchlanishi FrontISTR ning Updated Lagrange usulidagi geometrik nochiziqli tahlil va kichik deformatsiya tahlilida kuchlanish natijasi sifatida ishlatiladi.
Birinchi va ikkinchi Piola-Kirchhoff kuchlanishlari¶
Chekli deformatsiyada kuchlanishni referens konfiguratsiyadagi sirt va vektor orqali ifodalash ko‘pincha qulay bo‘ladi, shu sababli ikki turdagi Piola-Kirchhoff kuchlanish tensori kiritiladi. Referens konfiguratsiyadagi kichik sirt yuzi \(d\Gamma_0\), tashqi birlik normal \(\boldsymbol{N}\) bo‘lsin.
Birinchi Piola-Kirchhoff kuchlanishi (birinchi PK kuchlanishi, nominal kuchlanish) \(\boldsymbol{P}\) joriy konfiguratsiyadagi \(d\boldsymbol{f}\) kuchning referens konfiguratsiyadagi kichik sirtga ta’sirini ifodalovchi kuchlanish tensori sifatida
bilan aniqlanadi. Nanson formulasi \(\boldsymbol{n}\, d\Gamma = J \boldsymbol{F}^{-T} \boldsymbol{N}\, d\Gamma_0\) va Cauchy kuchlanish teoremasidan Cauchy kuchlanishi bilan bog‘lanish
olinadi. Birinchi PK kuchlanishi odatda nosimmetrik tensordir.
Ikkinchi Piola-Kirchhoff kuchlanishi (ikkinchi PK kuchlanishi) \(\boldsymbol{S}\) joriy konfiguratsiyadagi \(d\boldsymbol{f}\) kuch \(\boldsymbol{F}^{-1}\) bilan referens konfiguratsiyaga qaytarilib, referens konfiguratsiyadagi kichik sirtga ta’sir ettirilgandagi kuchlanish tensori sifatida
bilan aniqlanadi. Kuch vektori ham, ta’sir sirti ham referens konfiguratsiya miqdorlari bilan ifodalanadi; tensor qattiq jism aylanishiga invariant va simmetrikdir. Birinchi PK kuchlanishi bilan bog‘lanish va Cauchy kuchlanishiga o‘tish formulalari
dir. Ikkinchi PK kuchlanishi giperelastik strain energiyasi funksiyasi \(W(\boldsymbol{C})\) dan \(\boldsymbol{S} = 2\,\partial W / \partial \boldsymbol{C}\) sifatida kelib chiqadi va Total Lagrange usulida Green-Lagrange deformatsiyasi \(\boldsymbol{E}\) bilan energiyaviy konjugat juft \((\boldsymbol{S}, \boldsymbol{E})\) sifatida ishlatiladi.
Referens konfiguratsiya va simmetriya quyidagi jadvalda keltirilgan. Kichik deformatsiya limitida (\(\boldsymbol{F} \to \boldsymbol{I}\), \(J \to 1\)) uchala kuchlanish bir-biriga tenglashadi.
| Kuchlanish tensori | Referens sirt | Kuch vektori | Simmetriya | Qo‘llanishi |
|---|---|---|---|---|
| Cauchy kuchlanishi \(\boldsymbol{\sigma}\) | Joriy konfiguratsiya \(d\Gamma, \boldsymbol{n}\) | Joriy konfiguratsiya \(d\boldsymbol{f}\) | Simmetrik | Updated Lagrange usuli va kichik deformatsiya tahlili |
| Birinchi PK kuchlanishi \(\boldsymbol{P}\) | Referens konfiguratsiya \(d\Gamma_0, \boldsymbol{N}\) | Joriy konfiguratsiya \(d\boldsymbol{f}\) | Odatda nosimmetrik | Referens konfiguratsiyadagi muvozanat tenglamasi |
| Ikkinchi PK kuchlanishi \(\boldsymbol{S}\) | Referens konfiguratsiya \(d\Gamma_0, \boldsymbol{N}\) | Referens konfiguratsiya \(\boldsymbol{F}^{-1} d\boldsymbol{f}\) | Simmetrik | Total Lagrange usuli va giperelastiklik |
Massa va impuls saqlanish qonunlari hamda muvozanat tenglamasi¶
Joriy konfiguratsiyadagi massa zichligi \(\rho\), referens konfiguratsiyadagi massa zichligi \(\rho_0\) bo‘lsin. Massa saqlanish qonuni \(\int_{\Omega} \rho\, dv = \int_{\Omega_0} \rho_0\, dV\) hajm elementi \(dv = J\, dV\) orqali lokal ko‘rinish
ga keladi.
Jism kuchi (birlik massaga) \(\boldsymbol{g}\), tezlanish \(\boldsymbol{a}\) bo‘lsin. Impuls saqlanish qonuniga (Eulerning birinchi harakat qonuni) Cauchy kuchlanish teoremasi va Gauss divergensiya teoremasini qo‘llasak, joriy konfiguratsiyadagi lokal muvozanat tenglamasi (harakat tenglamasi)
olinadi. Nanson formulasi va \(\boldsymbol{P} = J \boldsymbol{\sigma} \boldsymbol{F}^{-T}\) yordamida referens konfiguratsiyadagi integralga o‘tkazilganda lokal shakl
olinadi. Ikki shakl kuchlanish almashtirish qoidasi va \(\rho_0 = J\rho\) orqali ekvivalentdir. Inersiya hadi e’tiborga olinmasa
statik muvozanat tenglamasi olinadi va u FrontISTR ning chiziqli hamda nochiziqli statik tahlillari uchun boshlang‘ich tenglamadir.
Burchak impulsi saqlanish qonuni va kuchlanish simmetriyasi¶
Burchak impulsi saqlanish qonunini (Eulerning ikkinchi harakat qonuni) impuls saqlanishidan olingan muvozanat tenglamasi bilan birlashtirsak, Cauchy kuchlanish tensorining simmetriyasi
kelib chiqadi va 3D da u oltita mustaqil komponentdan iborat. \(\boldsymbol{\sigma} = J^{-1} \boldsymbol{F} \boldsymbol{S} \boldsymbol{F}^T\) almashtirish formulasining ikki tomonini transpozitsiya qilish va \(\boldsymbol{F}\) ning regularligidan ikkinchi PK kuchlanishi ham simmetrik
bo‘lib, oltita mustaqil komponentga ega. Boshqa tomondan, birinchi PK kuchlanishi \(\boldsymbol{P} = \boldsymbol{F} \boldsymbol{S}\) odatda simmetrik emas; faqat \(\boldsymbol{P} \boldsymbol{F}^T = \boldsymbol{F} \boldsymbol{P}^T\) (ya’ni \(\boldsymbol{P} \boldsymbol{F}^T\) simmetrik) munosabati bajariladi va mustaqil komponentlar soni 9 ta.
Ushbu simmetriyalar kuchlanishni Voigt belgilanishida oltita komponentli vektorga aylantirish uchun asos bo‘ladi. Voigt qoidalari va material matritsasining tuzilishi uchun Tensor belgilanishi va matematik asoslar hamda Chiziqli elastiklik ga qarang.