Соотношения между напряжениями и деформациями и потенциальная энергия линейного упругого тела.
У линейного упругого тела компоненты тензоров напряжений и деформаций связаны линейными зависимостями.
(e) = (а)(s), (19)
или (s) = (с)(e), (20)
где
(e)=(ex,ey,ez,gxy,gyz,gzx)T - матрица-столбец, составленная из компонент тензора деформаций,
(s) = (sx,sy,sz,txy,tyz,tzx)Т - матрица-столбец, составленная из компонент тензора напряжений,
(а) – матрица (6х6) упругих коэффициентов податливости материала,
(с) = (а)-1 _-_ матрица упругих коэффициентов жесткости материала.
В п.10 показано, что компоненты тензоров деформаций и напряжений могут быть интерпретированы как обобщенные перемещения и соответствующие им обобщенные силы. Поэтому матрицам (а) и (с) присущи все свойства, описанные в п.п. 7 и 8 для матриц жесткости и податливости линейных упругих систем.
Следовательно, обе матрицы симметричны относительно главной диагонали. Поэтому из 36 коэффициентов каждой из них 21 коэффициент может быть независимым. В общем случае линейно упругого материала его упругие свойства описываются 21-й упругой постоянной.
Потенциальная энергия единицы объема линейного упругого тела п может быть представлена в виде однородной квадратичной функции компонент тензора напряжений, коэффициентами которой являются компоненты матрицы податливости:
п (s) = (21)
или однородной квадратичной функцией компонент тензора деформаций, коэффициентами которой являются компоненты матрицы жесткости:
п (e) = (22)
И, наконец, формула (13) в обозначениях этого параграфа принимает вид:
п (s,e) = 1/2(sxex + syey + ... + tzxgzx) =1/2 (s· ·e),(23)
следовательно,
потенциальная энергия единицы объема линейного упругого тела равна половине свертки тензора напряжений с тензором деформаций.
Если известны функции (21) или (22), то уравнения, связывающие напряжения и деформации могут быть получены по формулам теорем Лагранжа (15) и Кастильяно (16):
sj = (24)
ej = (25)
Разумеется, что те же результаты получатся, если коэффициенты квадратичных форм (21) и (22) подставить в соотношения (19) и (20).
Преобразуем выражение (23), представив тензоры напряжений и деформаций суммой шаровых тензоров и девиаторов:
s =s0I + Ds ,s0 = ,
e =1/3 qI + De ,q = ex+ey+ez
где I – единичный тензор, s0 –среднее нормальное напряжение, q - относительное изменение объема. Получим
п = 1/2(s0I + Ds)· ·(1/3 qI + De)=
=1/6 s0q(I· · I)+1/2s0(I· · De) +1/6q(Ds· · I) +1/2(Ds· · De )(26).
ВсНапомним, что девиатор – это такой тензор, у которого равен нулю первый инвариант, то есть сумма элементов, стоящих на главной диагонали. Легко проверяется, что свертка девиатора с единичным тензором равна нулю, поэтому в ноль обращаются второе и третье слагаемые в (26). Свертка двух единичных тензоров равна 3, поэтому первое слагаемое превращается в 1/2s0q.
В результате, формула (26) принимает вид:
п = 1/2s0q + 1/2(Ds· · De ) = пио + пиф.(27)
Первое слагаемое называют энергией изменения объема:
пио =1/2s0q (28),
а второе – энергией изменения формы:
пиф =1/2(Ds· · De )(29).