|
НАПРЯЖЕНИЯ В КООРДИНАТНЫХ ПЛОЩАДКАХСтр 1 из 6Следующая ⇒ ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ Тело, подвергающееся действию сил, находится в напряженном состоянии. Внешние силы, действующие на тело, бывают двух основных видов: поверхностные и объемные (массовые). [4] К поверхностным силам относят силы, приложенные к поверхности тела. Они могут быть сосредоточенными и распределенными. К объемным силам относят силы, действующие на все материальные точки тела и пропорциональные их массам, например силы тяжести, силы инерции и др. В дальнейшем действие объемных сил рассматривать не будем. При изучении напряженного состояния принимаем, что тело однородно, изотропно и представляет собой систему непрерывных материальных точек. Если система точек находится в равновесии, то принимается, что внешние силы уравновешиваются так, как если бы система отвердела. Это так называемый принцип отвердения. При упругом состоянии равновесие может существовать при разных соотношениях внешних сил. При пластическом равновесии соотношения и величины сил должны быть вполне определенны, как это будет показано в гл. 5. Под действием внешних сил в теле возникают внутренние усилия. Предел отношения внутреннего усилия Каждая точка в напряженном теле находится под действием всех ее окружающих точек, а поэтому в любой плоскости, проведенной через данную точку, на нее будет действовать напряжение, характеризуемое определенной величиной и направлением. Полное напряжение по правилу параллелепипеда всегда можно разложить на три: одно нормальное и два касательных. В равной мере полное напряжение можно разложить на три по направлениям осей координат.
НАПРЯЖЕНИЯ В КООРДИНАТНЫХ ПЛОЩАДКАХ Проведем через напряженную точку А (рис. 3.1) три плоскости, параллельные плоскостям координат. Для того чтобы иметь возможность обозначить на чертеже напряжения, действующие на точку в этих плоскостях, построим параллелепипед, ребра которого примем бесконечно малыми, неограниченно приближающимися к точке. Тогда на гранях такого элементарного параллелепипеда, проходящих через точку А, можно изобразить векторы напряжений, действующих на точку в трех взаимно перпендикулярных плоскостях (координатных площадках). При этом напряжение в каждой площадке разложим на три: одно нормальное и два касательных, которые направим параллельно осям координат. Таким образом, всего получим три нормальных и шесть касательных напряжений. Нормальные напряжения в координатных площадках обозначим о, касательные т. Примем индексы из двух букв. Первая буква будет указывать ту координатную ось, по направлению которой действует напряжение, а вторая—ту координатную ось, которая нормальна (перпендикулярна) той площадке (внешняя нормаль), к которой напряжение приложено (адрес напряжения). Например, Напряжения, действующие в точке по площадкам, параллельным плоскостям координат, геометрически изображены на рис 3.1 стрелками. Рис.3.1. Напряженное состояние в точке (прямоугольная система координат) Нормальные напряжения считают положительными, если они стремятся вызвать растяжение. Знак касательных напряжений зависит от знака и направления нормального напряжения в рассматриваемой грани элементарного параллелепипеда. Касательные напряжения, направления которых совпадают с положительными направлениями координатных осей, считают положительными при условии, если направление растягивающего нормального напряжения по той же координатной площадке совпадает с положительным направлением соответствующей координатной оси (или если ежи мающее нормальное напряжение направлено по отрицательному направлению координатной оси). Если направления нормальных напряжений противоположны указанным, то касательные напряжения следует считать положительными, когда их направления совпадают с отрицательными направлениями соответствующих координатных осей. На рис. 3.1 все напряжения являются положительными. Запишем напряжения в точке по трем координатным площадкам в форме матрицы
(3.1)
В каждой горизонтальной строчке записаны напряжения одного направления в последовательности адресов х, у и z. В каждом вертикальном столбике записаны напряжения одного адреса в последовательности направлений х, у, z. В трех взаимно перпендикулярных площадках можно представить девять напряжений: три нормальных и шесть касательных. Однако вследствие парности касательных напряжений различные значения могут быть только у шести напряжений: трех нормальных и трех касательных, так как
(касательные напряжения с индексами из двух одинаковых букв равны между собой независимо от порядка расположения букв в индексе). Если учесть равенства (3.2), то легко установить, что касательные напряжения, расположенные в матрице симметрично относительно главной диагонали, попарно равны между собой. Учитывая это, матрицу можно переписать сокращенно
Указания направления и адреса в индексах касательных напряжений можно было бы поменять местами, т. е. первый индекс считать за указание адреса, второй — за указание направления. Все выводимые далее выражения и формулы при такой перестановке индексов останутся без изменения. Такое заключение можно, например, сделать на основании равенств (3.2). Рис. 3.2. Напряжения на наклонной площадке Ho
Поэтому
Суммируя компоненты напряжения S по правилу параллелепипеда, легко получить и само полное напряжение S:
а подставляя значения из уравнения (3.3), получим
Полное касательное напряжение в наклонной площадке т найдем по правилу параллелограмма:
По полученным формулам можно определить напряжение в любой наклонной площадке. Таким образом, если даны шесть напряжений, действующих в точке по трем взаимно перпендикулярным площадкам, то ее напряженное состояние вполне определено. 3.4. Г ЛАВНЫЕ НОРМАЛЬНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ Исследуем полученное выражение (3.5а) для
т. е. примем
где А — некоторая произвольная постоянная, определяющая масштаб. Координаты конца вектора запишутся
а следовательно,
Подставляя эти значения а в уравнение (3.5а) и сокращая на г, получим
Из аналитической геометрии известно, что полученное уравнение представляет собой поверхность второго порядка, отнесенную центру (отсутствуют х, у, z в первой степени). С изменением положения наклонной площадки изменятся направление и координаты х,y,z конца вектора г, но конец его всегда будет лежать на поверхности, определяемой уравнением (3.7). Отсюда следует, что эта поверхность полностью определяется напряженным состоянием точки. Она носит название поверхности напряжений Коши. При изменении положения координатных осей, т. е. при отнесении указанной поверхности к другим координатным осям, сама поверхность останется неизменной, а изменятся лишь коэффициенты уравнения, т. е. величины напряжений в координатных площадках, поскольку эти площадки станут другими. Из аналитической геометрии известно, что если поверхность второго порядка отнести не только к центру, но и к сопряженным диаметрам, т. е. к осям, то коэффициенты при произведениях координат обратятся в нуль. Так же можно поступить и с поверхностью, определяемой уравнением (3.7). А это значит, что через точку, находящуюся в напряженном состоянии, всегда можно провести такие три взаимно перпендикулярные плоскости, в которых касательных напряжений не будет и останутся только три нормальных напряжения. Эти три напряжения называют главными нормальными напряжениями, их направления — главными и плоскости, на которых они действуют, — главными плоскостями. Таким образом, если оси координат выбраны параллельно главным направлениям (главные оси), то в соответствующих координатных плоскостях (главных) действуют только нормальные напряжения — главные. Отсюда следует, что напряженное состояние точки вполне определяется, если даны направления трех главных осей и величины трех главных нормальных напряжений, которые обозначим индексами 1, 2, 3 вместо индексов х, у, z: Такими же индексами 1, 2, 3 будем в дальнейшем отмечать и главные оси, а также направляющие косинусы площадок, наклонных к этим осям, и соответствующие углы Если напряженное состояние точки задано главными напряжениями, то напряжения в наклонных площадках выразятся на основании формул (3.3), (3.4), (3.5) и (3.6) весьма просто. Компоненты по осям координат
Полное напряжение
Нормальное напряжение
Касательное напряжение
ЭЛЛИПСОИД НАПРЯЖЕНИЙ Выразим компоненты напряжений в наклонной площадке формулами (3.8)
откуда но
Подставляя в последнее уравнение значения а2 из предыдущих выражений, имеем
Поскольку длина радиус-векторов эллипсоида ограничена длиной его большой полуоси с одной стороны и малой — с другой, постольку полные напряжения S в различных площадках данной точки по абсолютной величине всегда меньше наибольшего (по абсолютной величине) главного напряжения и больше наименьшего. Если два из трех главных нормальных напряжений равны между собой по абсолютной величине, то эллипсоид напряжений превращается в эллипсоид вращения. Если все три главных нормальных напряжения равны между собой и одинаковы по знаку, то эллипсоид обращается в шар и любые три взаимно перпендикулярные оси становятся главными. В этом случае во всех наклонных к осям координат площадках действуют одинаковые равные между собой нормальные напряжения, а касательные отсутствуют [5], поскольку любая плоскость — главная. Иначе говоря, точка находится в состоянии равномерного всестороннего растяжения или сжатия. Тензор напряжений будет
этот тензор напряжений носит название шарового тензора. Он инвариантен к выбору системы координат. Если одно из главных напряжений равно нулю, то эллипсоид превращается в эллипс и объемное напряженное состояние превращается в плоское. Наконец, если два главных напряжения равны нулю, эллипсоид превращается в отрезок прямой линии, что соответствует линейному напряженному состоянию.
Рис. 3.3. Площадки действия максимальных касательных напряжений Подставляя в уравнение (3.11) полученные значения направляющих косинусов, найдем значения максимальных касательных напряжений:
Рис.3.4. Ромбический додекаэдр
Наибольшее касательное напряжение равно полуразности алгеброически наибольшего и наименьшего главных нормальных напряжений. Если все три главные нормальные напряжения равны между собой, то их полуразности и, следовательно, все касательные напряжения обращаются в нуль, т. е. отсутствуют. Этот результат мы получили и раньше при рассмотрении эллипсоида напряжений и шарового тензора (3.18). Направления главных касательных напряжений на площадках их действия параллельны той главной координатной плоскости, к которой данная площадка является нормальной (см. рис. 3.3). Вместе с тем направления главных касательных напряжений (на рис. 3.4 показаны стрелками) образуют ребра правильного октаэдра с вершинами ABC на главных осях. Как видно из уравнения (3.19), сумма трех главных касательных напряжений равна нулю:
Из этого уравнения следует, что знак наибольшего по абсолютной величине главного касательного напряжения противоположен знаку двух других. Это условие необходимо соблюдать при назначении знаков главных касательных напряжений в каждой конкретной задаче. На гранях додекаэдра (см. рис. 3.4), пересекающихся в точке D, т. е. в точке, расположенной в первом октанте, направления, по которым главные касательные напряжения положительны, указаны стрелками. Определим значение нормальных напряжений в площадках, по которым действуют главные касательные напряжения, для чего подставляем значения направляющих косинусов в уравнение (3.10):
т. е. нормальные напряжения, действующие в площадках главных касательных, равны полусуммам главных нормальных напряжений. Из выражений (3.19) главных касательных напряжений также видно, что при увеличении или уменьшении главных нормальных напряжений на одну и ту же величину значения главных касательных напряжений не изменятся, т. е. добавление к напряженному состоянию равномерного растяжения или сжатия не изменяет величины касательных напряжений. Это дает возможность всегда представить тензор напряжений в виде суммы двух тензоров. Обозначим среднее нормальное напряжение через
т. е. среднее нормальное напряжение равно одной трети первого инварианта тензора напряжений (3.15). Составим шаровой тензор (3.18):
Вычтем этот тензор из тензора напряженного состояния точки, что изображается так:
= ИЛИ
Тензор Легко видеть, что сумма компонент девиатора напряжений по главной диагонали равна нулю:
Напряженное состояние, определяемое шаровым тензором, представляет собой всестороннее равномерное сжатие (о отрицательно) или всестороннее равномерное растяжение. Такое напряженное состояние не может вызвать изменения формы тела — возможно лишь изменение объема (при упругой деформации) и разрушение. Если же напряженное состояние, в котором находится какое-либо тело, определяется девиатором, то тело изменяет форму без изменения объема даже при упругом деформировании. Разложение тензора напряжений на два — шаровой и девиатор — представляет прежде всего математическую операцию, которой не следует придавать безоговорочно физического смысла, т. е. например, считать, что тело находится под одновременным или последовательным действием двух независимых систем напряжений, эффекты которых складываются. Вопрос о физическом смысле тензорных представлений в теории напряженного состояния подробно рассматривал И. М. Павлов [2].
ОК.ТАЭДРИЧЕСКИЕ НАПРЯЖЕНИЯ Определим напряжения в площадках, одинаково наклоненных к главным осям. В этом случае
откуда
Таких площадок четыре. С четырьмя им параллельными они образуют фигуру октаэдра. Поэтому их называют октаэдрическими, и так же называют напряжения, которые действуют в этих площадках (рис. 3.5). Нормальное октаэдрическое напряжение
Нормальное октаэдрическое напряжение равно среднему нормальному напряжению или одной трети первого инварианта тензора напряжений. Касательное октаэдрическое напряжение определится из выражения (3.11):
или после раскрытия скобок
откуда
или, если учесть значения главных касательных напряжений по уравнениям (3.20),
Таким образом, касательное октаэдрическое напряжение равно одной трети корня квадратного из суммы квадратов разностей главных нормальных напряжений или двум третям корня квадратного из суммы квадратов главных касательных напряжений. Возьмем квадрат первого инварианта (3.14) тензора напряжений, выраженного в главных нормальных напряжениях:
и второй инвариант (3.15), выраженный также в главных напряжениях:
Рис.3.5. Октаэдр
Сравнивая уравнения (3.30) и (3.31) с уравнением (3.28), видим, что
откуда получаем возможность определить октаэдрическое касательное напряжение через компоненты напряжений, действующих по случайным (не главным) ортогональным площадкам, используя выражения для первого и второго инвариантов тензора напряжений (3.14) и (3.15): После преобразования получим
Определим, используя выражение (3.15), второй инвариант девиатора напряжений (3.24):
или, учитывая (3.23),
Отсюда видно, что квадрат октаэдрического касательного напряжения равен двум третям второго инварианта девиатора напряжений, взятого с обратным знаком:
или
Октаэдрическое касательное напряжение близко по величине к наибольшему касательному напряжению для той же точки и находится в пределах 0,941 > Касательное напряжение, выражаемое уравнениями (3.30), принимая интерпретацию М. Роша и А. Эйхингера, называют также интенсивностью касательных напряжений [1]. Другие авторы интенсивность касательных напряжений
отличающимся от уравнения (3.29) постоянным коэффициентом. Квадрат правой части этого выражения в точности равен второму инварианту девиатора напряжений, взятому с обратным знаком. В отличие от октаэдрического касательного напряжения по равенству (3.29) интенсивность касательных напряжений по уравнению (3.30г) является величиной скалярной. Величина интенсивности касательных напряжений
где От интенсивности касательных напряжений следует отличать интенсивность напряжений или обобщенное напряжение
Интенсивность напряжений на произвольных площадках найдем по формуле Величина В ряде работ интенсивность касательных напряжений сдвига обозначают так В главных напряжениях Интенсивность касательных напряжений сдвига и интенсивность напряжений связаны очевидной зависимостью
Величина интенсивности напряжений где Легко определить, что для линейного напряженного состояния (линейного растяжения или сжатия), когда два из трех главных напряжений равны нулю, интенсивность напряжений по величине совпадает с главным нормальным напряжением, растягивающим или сжимающим. На основании ранее сказанного о напряженном состоянии точки можно отметить следующие характерные площадки, проходящие через нее: а) три главные площадки, на которые действуют главные нормальные напряжения, а касательные отсутствуют; б) шесть площадок, по которым действуют главные касательные напряжения; в) четыре площадки действия одинаковых по величине октаэдрических напряжений. Таким образом, всего есть 13 характерных площадок.
3.9. Д ИАГРАММА НАПРЯЖЕНИЙ МОРА Диаграмма напряжений по О. Мору (или круги Мора) дает графическое представление о совокупности векторов напряжений нормального Нормальное напряжение в наклонной площадке определяется выражением (3.10):
Вместе с тем из уравнений (3.11) и (3.10) следует
Кроме того, напишем известное условие для направляющих косинусов в виде 1 = Умножим обе части уравнения (3.10) на (
Прибавляя к обеим частям уравнения (а) по
Применяя ту же методику, выведем еще два аналогичных уравнения
Из сравнения полученных уравнений (3.36а, б и в) с известным из аналитической геометрии уравнением окружности можно заключить, что уравнения системы (3.36) также определяют окружности. Центры их расположены на оси абсцисс (на оси
В правых частях уравнений (3.36), представляющих собой квадрат радиуса R окружности, есть изменяемый параметр ( Уравнения (3.10), (3.34) и (3.35) определяют корреспондирующие значения напряжений Таким образом, первое уравнение системы (3.36) определяет в виде окружности геометрическое место точек Следовательно, для заданной возможной [т. е. удовлетворяющей уравнению (3.35)] группы значений направляющих косинусов Выясним далее, в какой зоне могут быть расположены эти точки. Примем условие Рис. 3.6. Графический метод определения Это условие всегда можно соблюсти, поскольку оси координат равноправны. Определим величины радиусов Rl, R2 и R3 окружностей, заданных уравнениями (а), (б) и (в)системы (3.36) при значениях направляющих косинусов соответственно
cos
т. е. для углов
Как видно из уравнений (3.36а) и (3.36в), при увеличении значений Если же увеличивается значение Проведя окружности радиусами Из формул (3.37) видно, что радиусы кругов численно равны величинам главных касательных напряжений. При помощи построения, показанного на рис. 3.8, по заданным углам Легко заметить, что увеличение или уменьшение напряжений Шаровой тензор напряжений отобразится на диаграмме Мора окружностью нулевого радиуса (точкой О'), расположенной на расстоянии
Рис. 3.8. Определение ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала... Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все... Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом... Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот... Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:
|