Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое объемное напряженное состояние, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое объемное напряженное состояние , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Основы теории напряженно-деформированного состояния.
Случай объемного напряженного состояния представлен на рис.9.2. Как уже отмечалось у разделе 9.1 настоящего пособия, на каждой из граней действует нормальное напряжение , а также по две составляющие касательного напряжения
.
Таким образом, напряженное состояние в выделенном элементарном параллелепипеде в общем случае характеризуется девятью компонентами напряжений, которые могут быть записаны в виде тензора напряжений:
. (9.25)
Касательные напряжения, представленные тензором напряжения, связаны рядом зависимостей, получить которые можно, составив уравнение суммы моментов всех сил относительно координатных осей (Рис.9.2):
;
;
. (9.26)
Модули этих напряжений одинаковы, а знаки на основании закона парности касательных напряжений (9.8) противоположны.
Общий случай напряженного состояния (Рис.9.19а) может быть представлен в виде суммы двух напряженных состояний, характеризуемых в первом случае одинаковыми нормальными напряжениями (Рис.9.19,б) и во втором случае (Рис.9.19,в) – нормальными напряжениями:
;
;
(9.27)
и касательными напряжениями .
Рис.9.19
Примем:
. (9.28)
Тогда из (9.27) следует:
. (9.29)
Напряженное состояние, представленное на рис.9.19,б, может быть описано шаровым тензором напряжений:
. (9.30)
Напряженное состояние, представленное на рис.9.19,в, может быть описано тензором, который назывется девиатором напряжений:
. (9.31)
Шаровой тензор характеризует изменение объемавыделенного элемента, девиатор характеризует изменениеформыэлемента.
Рассмотрим определение главных напряжений и
, через напряжения, действующие на произвольных площадках (Рис.9.19,а). Предположим, что нам известно положение главной площадки, определяемое наклоном нормали к этой площадке
по отношению к осям координат
. Сечением, параллельным этой площадке, выделим из исходного параллелепипеда тетраэдр, изображенный на рис.9.20, и составим условия равновесия тетраэдра в виде сумм проекций всех действующих сил на оси координат.
Рис.9.20
Косинусы углов, образованные нормалью с осями координат
, обозначим соответственно
. Примем площадь наклонной грани
, тогда площади других граней, лежащих в координатных плоскостях, будут
,
,
. На главной площадке касательные напряжения отсутствуют. Действующее здесь главное напряжение
обозначим
. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Сумма проекций сил на ось
дает:
.
Проектируя все силы на оси и
, получим еще два аналогичные уравнения. Таким образом, будем иметь следующие три уравнения равновесия тетраэдра:
. (9.32)
Уравнения (9.32) можно рассматривать как однородную систему уравнений относительно неизвестных . Между направляющими косинусами нормали
существует зависимость
, (9.33)
поэтому они не могут одовременно равняться нулю. Известно, что при этом условии определитель системы (9.32) должен быть равен нулю, т.е.
. (9.34)
Раскрыв определитель (9.43), придем к кубическому уравнению:
, (9.35)
три корня которого представляют сосбой главные напряжения .
Коэффициенты уравнения (9.35) принимают вид:
; (9.36)
;(9.37)
.(9.38)
Поскольку главные напряжения не зависят от выбора осей координат, коэффициенты кубического уранения (9.35) также не изменяются при повороте осей координат, т.е. являются инвариантамии называются соответственно, первым, вторым
и третьим
инвариантами тензора напряжений. Из формул (9.36)-(9.38) следует, что выражения инвариантов тензора напряжений через главные напряжения имеют вид:
; (9.39)
;(9.40)
.(9.41)
В частном случае плоского напряженного состояния кубическое уравнение (9.35) сводится к квадратному, два корня которого дают значения и
, совпадающими с формулами (9.19), полученными выше. В этом случае нужно положить
, так как грань
исходного параллелепипеда должна быть свободна от напряжений.
Для определения направляющих косинусов и
, соответствующих одному из трех главных напряжений
и
, нужно значение этого главного напряжения подставить в выражение (9.32) вместо
. Совместное решение уравнений (9.32) даст искомые величины
и
.
Для определения максимальных касательных напряжений примем, что главные напряжения и
известны. Как и при плоском напряженном состоянии максимальные каксательные напряжения действуют в площадках, наклоненных под углом 450к главным напряжениям. Касательные напряжения на этих площадках будут иметь вид:
;
;
. (9.42)
Наибольшее из этих напряжений определяет максимальные касательные напряжения в точке:
. (9.43)
Таким образом, в общем случае максимальное касательное напряжение в точке действует на площадке, наклоненной под углом 450 к максимальному и минимальному из трех главных напряжений, и равно их полуразности.
Прочность материала или переход его под нагрузкой в пластическое состояние в ряде случаев связывают с величиной максимального касательного напряжения , и поэтому оно наряду с главными напряжениями является важной характеристикой напряженного состояния.
Получим формулы для напряжений и
, действующих на произвольно ориентированной площадке, Положение этой площадки определим углами
, образованными нормалью
к этой площадке с осями 1, 2 и 3, соответственно параллельными главным напряжениям
и
. Формулы для напряжений
и
получим из условия равновесия элементарного четырехгранника (тетраэдра), приведенного на рис.9.21, выделенного из главного параллелепипеда.
Рис.9.21
Примем площадь , тогда площади других граней тетраэдра как проекции
на координатные плоскости примут вид:
;
;
. (9.44)
Проектируя все силы на нормаль , найдем
, (9.45)
откуда, учитывая (9.44), получим формулу для нормального напряжения:
. (9.46)
Так как нам неизвестно направление касательного напряжения , то найдем прежде полное напряжение
.
Если в пространстве построить многоугольник сил, действующих на тетраэдр, то вектор будет диагональю параллелепипеда, у которого ребра равны
. Таким образом:
.
Отсуда, используя (9.44), получим полное напряжение:
. (9.47)
Теперь можно определить касательное напряжение:
. (9.48)
Формулы (9.46)-(9.48) показывают, что три главных напряжения и
вполне определяют
объемное напряженное состояние .
Площадка, равнонаклоненная к направлению трех главных напряжений, называется октаэдрической, а действующие на ней напряжения –октаэдрическими напряжениями. Указанные площадки отсекают на осях 1,2 и 3 равные отрезки и образуют в простроанстве восьмигранник – октаэдр (Рис.9.22).
Рис.9.22
Косинусы углов являются направляющими косинусами для нормали
и поэтому связаны соотношением:
.
Для октаэдрических площадок и, следовательно,
.
Подставляя это значение косинусов в (9.46) и (9.47), найдем:
. (9.49)
. (9.50)
По формуле (9.48)
.
Отсюда окончательно имеем:
. (9.51)
При изучении вопросов прочности тел общая деформация материала в окрестности точки подразделяется на деформации измененеия объема и формы. Важное значение октаэдрических напряжений определяется тем, что с первой из этих деформаций связано напряжение , а со второй
.
Зная касательные октаэдрические напряжения, можно рассчитать интенсивностьнапряжений:
(9.52)
или
(9.53)
Анализ данных, представленных в статье про объемное напряженное состояние, подтверждает эффективность применения современных технологий для обеспечения инновационного развития и улучшения качества жизни в различных сферах. Надеюсь, что теперь ты понял что такое объемное напряженное состояние и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Основы теории напряженно-деформированного состояния
Из статьи мы узнали кратко, но содержательно про объемное напряженное состояние
Комментарии
Оставить комментарий
Основы теории напряженно-деформированного состояния
Термины: Основы теории напряженно-деформированного состояния