我们将从建立描述应力 σ {\displaystyle \sigma } 和应变 ε {\displaystyle \varepsilon } 之间关系的本构方程开始。这是连续介质力学中专注于纯弹性区的子集,特别是将重点放在线性弹性上,其中胡克定律成立。
图 1 : (a) 作用于物体的外部力 P , {\displaystyle \mathbf {P} ,} 将在内部传递。物体上想象的切片上的一个点将受到表面力的作用。(b) 作用在这个切片上的力可以投影到作用在面积 A {\displaystyle A} 上的正向或切向分量。
应力和应变的概念起源于考虑作用于物体上的力和物体的位移。从力开始,可以施加两种类型的力。首先是表面力,它可以是点力,也可以是作用在表面上的分布力。其次是体力,它作用于物体的每个元素,而不仅仅是表面(例如,重力、电场等)。
所关注的物体受到许多力的作用,这些力通过材料传递。在物体内部的任何一点,您可以想象将其切开以观察想象的切割表面上的力,如图 1 所示。这些力是切割面两侧的材料之间的相互作用。我们将物体中某点的应力定义为作用在该想象切割表面的力。
图 2 : 一个具有应力的无穷小长方体材料,根据 ( x 1 , x 2 , x 3 ) {\displaystyle (x_{1},x_{2},x_{3})} 坐标系定义。
您还记得,应力被定义为力除以作用力的面积。力 P {\displaystyle \mathbf {P} } 是一个矢量量,允许将分量投影到法线和切向方向。如图 1 所示,法向分量根据角度 θ {\displaystyle \theta } 定义,产生法向应力 σ 33 = P cos θ A {\displaystyle \sigma _{33}={\frac {P\cos \!\theta }{A}}} 。力的切向分量 P sin θ {\displaystyle P\sin \!\theta } 可以进一步投影到图 1 中标识为 x 1 {\displaystyle x_{1}} 和 x 2 {\displaystyle x_{2}} 的两个正交方向,产生两个正交剪切应力。这是根据角度 ϕ {\displaystyle \phi } 执行的,得到 σ 31 = P sin θ cos ϕ A {\displaystyle \sigma _{31}={\frac {P\sin \!\theta \cos \!\phi }{A}}} 和 σ 32 = P sin θ sin ϕ A {\displaystyle \sigma _{32}={\frac {P\sin \!\theta \sin \!\phi }{A}}} 。
这里需要注意的是,我们定义的坐标系使得 x 3 {\displaystyle x_{3}} 方向是垂直于切割表面的方向。使用 ( x 1 , x 2 , x 3 ) {\displaystyle (x_{1},x_{2},x_{3})} 而不是 ( x , y , z ) {\displaystyle (x,y,z)} 很方便,因为它允许我们将索引传递给应力和应变量。在这个例子中,法向应力由 σ 33 {\displaystyle \sigma _{33}} 给出,以指定法向应力施加到法线在 x 3 {\displaystyle x_{3}} 方向的表面上,并在 x 3 {\displaystyle x_{3}} 方向上投射一个力。切向分量 σ 31 {\displaystyle \sigma _{31}} 和 σ 32 {\displaystyle \sigma _{32}} 指定法线为 x 3 {\displaystyle x_{3}} 的表面,力分别在 x 1 {\displaystyle x_{1}} 和 x 2 {\displaystyle x_{2}} 方向上投影。切割一个无穷小的长方体,应力在所有三个方向上定义,如图2 所示。为了比较,一些教科书中使用的符号将写法向应力为 σ x {\displaystyle \sigma _{x}} ,而在这里我们将使用 σ 11 {\displaystyle \sigma _{11}} 。这些教科书还使用 τ {\displaystyle \tau } 表示剪切应力,例如 τ x y {\displaystyle \tau _{xy}} ,而在这里我们将使用 σ 12 {\displaystyle \sigma _{12}} 。这使得应力状态可以简洁地用矩阵(张量)形式表示
σ = ( σ 11 σ 12 σ 13 σ 21 σ 22 σ 23 σ 31 σ 32 σ 33 ) {\displaystyle \sigma =\left({\begin{aligned}\sigma _{11}\quad \sigma _{12}\quad \sigma _{13}\\\sigma _{21}\quad \sigma _{22}\quad \sigma _{23}\\\sigma _{31}\quad \sigma _{32}\quad \sigma _{33}\end{aligned}}\right)}
图 1 中通过物体上某点切出的想象切片可以是任何平面,但作用力保持不变。这会导致表面法线的定义改变,并可能导致应力表达式发生变化。应力的物理存在不会改变,但描述方式会改变,即坐标系会发生改变。本节的其余部分将重点介绍应力坐标变换的表达和分析。
我们将从简化正在处理的图景开始。平面应力条件存在于薄的二维物体中,例如一张纸,该物体在平面外没有应力。这使我们能够写成 σ 33 = 0 {\displaystyle \sigma _{33}=0} . 此外,在 x 3 {\displaystyle x_{3}} 方向上没有剪切力,因此 σ 13 = σ 23 = 0 {\displaystyle \sigma _{13}=\sigma _{23}=0} 。对于处于平面应力条件下的物体,我们的目标是确定任何轴方向下某点的应力状态。
图 3 :(a) 平面应力条件下定义的面积 A {\displaystyle A} ,其中面积的法线为 x 1 ′ {\displaystyle x_{1}'} ,从 x 1 {\displaystyle x_{1}} 旋转了 θ {\displaystyle \theta } 。A 在 x 1 {\displaystyle x_{1}} 和 x 1 {\displaystyle x_{1}} 方向上的投影如图所示。(b) 图中显示了作用在该面积上的总应力的分量。
对于该物体,零力方向为 x 3 {\displaystyle x_{3}} 方向,即纸面向外方向,非零应力状态在 x 1 {\displaystyle x_{1}} 和 x 2 {\displaystyle x_{2}} 方向,其分量为 σ 11 {\displaystyle \sigma _{11}} , σ 22 {\displaystyle \sigma _{22}} 和 σ 12 = σ 21 {\displaystyle \sigma _{12}=\sigma _{21}} 。
想象一个新的区域,它定义在一个绕 x 3 {\displaystyle x_{3}} 轴旋转的平面上,其法线方向定义为 x 1 ′ {\displaystyle x_{1}'} ,它与 x 1 {\displaystyle x_{1}} 的夹角为 θ {\displaystyle \theta } ,如图 3 所示。
作用在该区域上的力的分量由原始应力作用在新区域的投影面上确定。
F 1 = σ 11 A cos θ + σ 12 A sin θ = S 1 A F 2 = σ 22 A sin θ + σ 12 A cos θ = S 2 A {\displaystyle {\begin{aligned}F_{1}=\sigma _{11}A\cos \!\theta +\sigma _{12}A\sin \!\theta =S_{1}A\\F_{2}=\sigma _{22}A\sin \!\theta +\sigma _{12}A\cos \!\theta =S_{2}A\end{aligned}}} [1 & 2]
其中元素 A cos θ {\displaystyle A\cos \!\theta } 和 A sin θ {\displaystyle A\sin \!\theta } 是 A 在原始方向上的投影,如图 3 (a) 所示,以及 S 1 {\displaystyle S_{1}} 和 S 2 {\displaystyle S_{2}} 是 x 1 {\displaystyle x_{1}} 和 x 2 {\displaystyle x_{2}} 方向上的总应力,其中 σ 12 = σ 21 {\displaystyle \sigma _{12}=\sigma _{21}} 。然后,除以 A 得
S 1 = σ 11 cos θ + σ 12 sin θ S 2 = σ 22 sin θ + σ 12 cos θ {\displaystyle {\begin{aligned}S_{1}=\sigma _{11}\cos \!\theta +\sigma _{12}\sin \!\theta \\S_{2}=\sigma _{22}\sin \!\theta +\sigma _{12}\cos \!\theta \end{aligned}}} [3 & 4]
将图 3 (b) 所示的总应力投影到 x 1 ′ {\displaystyle x_{1}'} 坐标中的法线方向,得到
σ 11 ′ = S 1 cos θ + S 2 sin θ {\displaystyle \sigma _{11}'=S_{1}\!\cos \!\theta +S_{2}\!\sin \!\theta } [5]
类似地,我们将切线投影到平面并得到
σ 12 ′ = S 2 cos θ − S 1 sin θ {\displaystyle \sigma _{12}'=S_{2}\!\cos \!\theta -S_{1}\!\sin \!\theta } [6]
得到
σ 11 ′ = ( σ 11 cos θ + σ 12 sin θ ) cos θ + ( σ 22 sin θ + σ 12 cos θ ) sin θ = σ 11 cos 2 θ + σ 22 sin 2 θ + 2 σ 12 sin θ cos θ {\displaystyle {\begin{aligned}\sigma _{11}'&=(\sigma _{11}\cos \!\theta +\sigma _{12}\sin \!\theta )\cos \!\theta +(\sigma _{22}\sin \!\theta +\sigma _{12}\cos \!\theta )\sin \!\theta \\&=\sigma _{11}\cos ^{2}\!\theta +\sigma _{22}\sin ^{2}\!\theta +2\ \sigma _{12}\sin \!\theta \cos \!\theta \end{aligned}}} [7]
和
σ 12 ′ = ( σ 22 sin θ + σ 12 cos θ ) cos θ − ( σ 11 cos θ + σ 12 sin θ ) sin θ = σ 12 ( c o s 2 θ − sin 2 θ ) + ( σ 22 − σ 11 ) sin θ cos θ {\displaystyle {\begin{aligned}\sigma _{12}'&=(\sigma _{22}\sin \!\theta +\sigma _{12}\cos \!\theta )\cos \!\theta -(\sigma _{11}\cos \!\theta +\sigma _{12}\sin \!\theta )\sin \!\theta \\&=\sigma _{12}(cos^{2}\!\theta -\sin ^{2}\!\theta )+(\sigma _{22}-\sigma _{11})\sin \!\theta \cos \!\theta \end{aligned}}} [8]
图 4 : 一个新的区域,它相对于图 3 中所示的原始区域旋转了 π 2 {\displaystyle {\frac {\pi }{2}}} 。
已知 σ 12 ′ = σ 21 ′ {\displaystyle \sigma _{12}'=\sigma _{21}'} ,因此只需要确定 σ 22 ′ {\displaystyle \sigma _{22}'} 。为此,我们定义了一个新的区域,该区域相对于我们原始平面旋转了 π {\textstyle \pi } /2,如图 4 所示。在这个新的方向上,
S 1 A = σ 11 A cos ( θ + π 2 ) + σ 12 A sin ( θ + π 2 ) S 1 = − σ 11 sin θ + σ 12 cos θ {\displaystyle {\begin{aligned}S_{1}A&=\sigma _{11}A\cos(\theta +{\pi \over 2})+\sigma _{12}A\sin(\theta +{\pi \over 2})\\S_{1}&=-\sigma _{11}\sin \!\theta +\sigma _{12}\cos \!\theta \end{aligned}}} [9]
和
S 2 A = σ 22 A sin ( θ + π 2 ) + σ 12 A cos ( θ + π 2 ) S 2 = σ 22 cos θ − σ 12 sin θ {\displaystyle {\begin{aligned}S_{2}A&=\sigma _{22}A\sin(\theta +{\pi \over 2})+\sigma _{12}A\cos(\theta +{\pi \over 2})\\S_{2}&=\sigma _{22}\cos \!\theta -\sigma _{12}\sin \!\theta \end{aligned}}} [10]
将总应力投影到法线方向得到
σ 22 ′ = S 1 cos ( θ + π 2 ) + S 2 sin ( θ + π θ ) = − S x 1 sin θ + S x 2 cos θ {\displaystyle {\begin{aligned}\sigma _{22}'&=S_{1}\cos(\theta +{\pi \over 2})+S_{2}\sin(\theta +{\pi \over \theta })\\&=-S_{x_{1}}\sin \!\theta +S_{x_{2}}\cos \!\theta \end{aligned}}} [11]
将公式 9 和10 代入公式 11 中的 S 1 {\displaystyle S_{1}} 和 S 2 {\displaystyle S_{2}} ,得到 σ 22 ′ {\displaystyle \sigma _{22}'} :
σ 22 ′ = − ( − σ 11 sin θ + σ 12 cos θ ) sin θ + ( σ 22 cos θ − σ 12 sin θ ) cos θ = σ 11 sin 2 θ + σ 22 cos 2 θ − 2 σ 12 sin θ cos θ {\displaystyle {\begin{aligned}\sigma _{22}'&=-(-\sigma _{11}\sin \!\theta +\sigma _{12}\cos \!\theta )\sin \!\theta +(\sigma _{22}\cos \!\theta -\sigma _{12}\sin \!\theta )\cos \!\theta \\&=\sigma _{11}\sin ^{2}\!\theta +\sigma _{22}\cos ^{2}\!\theta -2\ \sigma _{12}\sin \!\theta \cos \!\theta \end{aligned}}} [12]
众所周知的三角恒等式
cos 2 θ = cos 2 θ + 1 2 sin 2 θ = 1 − cos 2 θ 2 2 sin θ cos θ = sin 2 θ cos 2 θ − sin 2 θ = cos 2 θ {\displaystyle {\begin{array}{lcl}\cos ^{2}\!\theta ={\cos 2\theta +1 \over 2}&\quad &\sin ^{2}\!\theta ={1-\cos 2\theta \over 2}\\2\sin \!\theta \cos \!\theta =\sin 2\theta &&\cos ^{2}\!\theta -\sin ^{2}\theta =\cos 2\theta \end{array}}}
分别应用于公式 7 、8 和12 中的 σ 11 ′ {\displaystyle \sigma _{11}'} , σ 12 ′ {\displaystyle \sigma _{12}'} 和 σ 22 ′ {\displaystyle \sigma _{22}'} ,得到:
σ 11 ′ = σ 11 + σ 22 2 + σ 11 − σ 22 2 cos 2 θ + σ 12 sin 2 θ {\displaystyle {\begin{aligned}\sigma _{11}'&={\sigma _{11}+\sigma _{22} \over 2}+{\sigma _{11}-\sigma _{22} \over 2}\cos {2\theta }+\sigma _{12}\sin {2\theta }\end{aligned}}} [13]
σ 22 ′ = σ 11 + σ 22 2 − σ 11 − σ 22 2 cos 2 θ − σ 12 sin 2 θ {\displaystyle {\begin{aligned}\sigma _{22}'&={\sigma _{11}+\sigma _{22} \over 2}-{\sigma _{11}-\sigma _{22} \over 2}\cos {2\theta }-\sigma _{12}\sin {2\theta }\end{aligned}}} [14]
和
σ 12 ′ = σ 22 − σ 11 2 sin 2 θ + σ 12 cos 2 θ {\displaystyle {\begin{aligned}\sigma _{12}'&={\sigma _{22}-\sigma _{11} \over 2}\sin 2\theta +\sigma _{12}\cos 2\theta \end{aligned}}} [15]
从这个推导中可以得到许多直接结果,从这些结果中我们可以获得更深入的见解。从 σ ′ {\displaystyle \sigma '} 的方程得到的其中一个结果是 σ 11 ′ + σ 22 ′ = σ 11 + σ 22 {\displaystyle \sigma _{11}'+\sigma _{22}'=\sigma _{11}+\sigma _{22}} ,对于所有 θ {\displaystyle \theta } 。这意味着应力张量 σ {\displaystyle {\boldsymbol {\sigma }}} 的迹是不变的。
第二个结果是,最大法向应力和剪切应力以周期为 π {\displaystyle \pi } 的正弦波变化。在这个振荡中,法向应力和剪切应力相移,导致 (1) 最大和最小法向应力在剪切为零时发生,(2) 最大和最小剪切应力相移 π {\displaystyle \pi } /4,(3) 最大和最小法向应力相移 π {\displaystyle \pi } /2,(4) 最大和最小剪切应力相移 π {\displaystyle \pi } /4,从最小和最大法向应力。
任何应力状态都可以旋转,以产生 σ 12 = σ 21 = 0 {\displaystyle \sigma _{12}=\sigma _{21}=0} 。这使得应力张量对角化,并给出极端的法向应力。在这种方向下,平面称为主平面,法向应力称为主应力。产生这些主应力的方向称为主轴。按照惯例,我们将第一个主应力定义为 σ p 1 {\displaystyle \sigma _{p1}} 为最大值,依次递减的主应力为 σ p 2 {\displaystyle \sigma _{p2}} 和 σ p 3 {\displaystyle \sigma _{p3}} ,虽然在这里我们只限制在二维平面应力,并且只枚举 σ p 1 {\displaystyle \sigma _{p1}} 和 σ p 2 {\displaystyle \sigma _{p2}} 。
我们知道 σ 12 = 0 {\displaystyle \sigma _{12}=0} 在主方向上,这意味着我们可以使用方程式 8 来表示 σ 12 ′ {\displaystyle \sigma _{12}'} 来确定旋转张量 σ {\displaystyle {\boldsymbol {\sigma }}} 到 σ ′ {\displaystyle \sigma '} (它是主张量)所需的角( θ {\displaystyle \theta } ),
0 = σ 12 ′ = σ 21 ′ 0 = σ 12 ( cos 2 θ − sin 2 θ ) + ( σ 22 − σ 11 ) sin θ cos θ − ( σ 22 − σ 11 ) sin θ cos θ = σ 12 ( cos 2 θ − sin 2 θ ) sin θ cos θ cos 2 θ − sin 2 θ = σ 12 σ 11 − σ 22 {\displaystyle {\begin{aligned}0&=\sigma _{12}'=\sigma _{21}'\\0&=\sigma _{12}(\cos ^{2}\!\theta -\sin ^{2}\!\theta )+(\sigma _{22}-\sigma _{11})\sin \!\theta \cos \!\theta \\-(\sigma _{22}-\sigma _{11})\sin \!\theta \cos \!\theta &=\sigma _{12}(\cos ^{2}\!\theta -\sin ^{2}\!\theta )\\{\sin \!\theta \cos \!\theta \over \cos ^{2}\!\theta -\sin ^{2}\!\theta }&={\sigma _{12} \over \sigma _{11}-\sigma _{22}}\end{aligned}}}
得到
tan 2 θ = 2 σ 12 σ 11 − σ 22 {\displaystyle {\begin{aligned}\tan 2\theta &={2\ \sigma _{12} \over \sigma _{11}-\sigma _{22}}\end{aligned}}} [16]
如图 5 所示,通过绘制 tan 2 θ {\displaystyle \tan 2\theta } 的图形,我们可以观察到相邻根之间相隔 π {\textstyle \pi } /2。此外,我们现在可以使用勾股定理来求解主应力。
图 5 : t a n 2 θ {\displaystyle tan2\theta } 根的图形演示,它们之间相隔 π 2 {\displaystyle {\frac {\pi }{2}}} 。
对于一个简单的直角三角形,斜边为 c {\displaystyle c} ,两条直角边分别为 a {\displaystyle a} 和 b {\displaystyle b} ,我们知道
sin ξ = b c cos ξ = a c tan ξ = b a {\displaystyle {\begin{aligned}\sin \xi ={b \over c}\\\cos \xi ={a \over c}\\\tan \xi ={b \over a}\end{aligned}}}
这可以与勾股定理 a 2 + b 2 = c 2 {\displaystyle a^{2}+b^{2}=c^{2}} 和 **公式 16** 组合起来
a = σ 12 b = 1 2 ( σ 11 − σ 22 ) c = ± ( 1 4 ( σ 11 − σ 22 ) 2 + σ 12 2 ) 1 2 {\displaystyle {\begin{aligned}a&=\sigma _{12}\\b&={1 \over 2}(\sigma _{11}-\sigma _{22})\\c&=\pm \left({1 \over 4}(\sigma _{11}-\sigma _{22})^{2}+{\sigma _{12}}^{2}\right)^{1 \over 2}\end{aligned}}}
这些可以进一步组合,得到
sin 2 θ = ± σ 12 ( 1 4 ( σ 11 − σ 22 ) 2 + σ 12 2 ) 1 2 {\displaystyle {\begin{aligned}\sin 2\theta &=\pm {\sigma _{12} \over \left({1 \over 4}(\sigma _{11}-\sigma _{22})^{2}+{\sigma _{12}}^{2}\right)^{1 \over 2}}\end{aligned}}} [17]
和
cos 2 θ = ± 1 2 ( σ 11 − σ 22 ) ( 1 4 ( σ 11 − σ 22 ) 2 + σ 12 2 ) 1 2 {\displaystyle {\begin{aligned}\\\cos 2\theta &=\pm {{1 \over 2}(\sigma _{11}-\sigma _{22}) \over \left({1 \over 4}(\sigma _{11}-\sigma _{22})^{2}+{\sigma _{12}}^{2}\right)^{1 \over 2}}\end{aligned}}} [18]
这些方程式告诉我们,对于给定的应力状态, σ {\displaystyle \sigma } ,需要进行怎样的旋转才能使 σ {\displaystyle \sigma } 与主轴对齐。
将这些方程式代入公式 13 中的 σ 11 ′ {\displaystyle \sigma _{11}'} ,可以确定主应力。
σ p = σ 11 + σ 22 2 + σ 11 − σ 22 2 ( ± 1 2 ( σ 11 − σ 22 ) ( 1 4 ( σ 11 − σ 22 ) 2 + σ 12 2 ) 1 2 ) + σ 12 ( σ 12 ± ( 1 4 ( σ 11 − σ 22 ) 2 + σ 12 2 ) 1 2 ) = σ 11 + σ 22 2 + 1 4 ( σ 11 − σ 22 ) 2 ± ( 1 4 ( σ 11 − σ 22 ) 2 + σ 12 2 ) 1 2 + σ 12 2 ± ( 1 4 ( σ 11 − σ 22 ) 2 +
得到
= σ 11 + σ 22 2 ± ( 1 4 ( σ 11 − σ 22 ) 2 + σ 12 2 ) 1 2 {\displaystyle {\begin{aligned}&={\sigma _{11}+\sigma _{22} \over 2}\pm \left({1 \over 4}(\sigma _{11}-\sigma _{22})^{2}+{\sigma _{12}}^{2}\right)^{1 \over 2}\end{aligned}}} [19]
使用公式 19 代入公式 16 中,求解 θ {\displaystyle \theta } ,其中 0 < θ < π 4 {\displaystyle 0<\theta <{\pi \over 4}} .
为了找到最大剪切应力,我们将简化的公式 15 对 σ 12 ′ {\displaystyle \sigma _{12}'} 求导,并将结果设为 0 {\displaystyle 0} .
0 = d d θ ( σ 22 − σ 11 2 sin 2 θ + σ 12 cos 2 θ ) = 2 σ 22 − σ 11 2 cos 2 θ − 2 σ 12 sin 2 θ = ( σ 22 − σ 11 ) cos 2 θ − 2 σ 12 sin 2 θ {\displaystyle {\begin{aligned}0&={\operatorname {d} \over \operatorname {d} \!\theta }\left({\sigma _{22}-\sigma _{11} \over 2}\sin 2\theta +\sigma _{12}\cos 2\theta \right)\\&=2{\sigma _{22}-\sigma _{11} \over 2}\cos 2\theta -2\sigma _{12}\sin 2\theta \\&=(\sigma _{22}-\sigma _{11})\cos 2\theta -2\sigma _{12}\sin 2\theta \end{aligned}}}
得到关于 2 θ {\displaystyle 2\theta } 的表达式
σ 22 − σ 11 2 σ 12 = sin 2 θ cos 2 θ = tan 2 θ {\displaystyle {\begin{aligned}\\{\sigma _{22}-\sigma _{11} \over 2\ \sigma _{12}}&={\sin 2\theta \over \cos 2\theta }=\tan 2\theta \end{aligned}}} [20]
注意到公式 20 和公式 16 是负倒数关系,这意味着 2 θ p {\displaystyle 2\theta _{p}} 和 2 θ M A X {\displaystyle 2\theta _{MAX}} 相差 π {\displaystyle \pi } /2。这表明
tan ϕ = a b tan ϕ + π 2 = − b a {\displaystyle {\begin{aligned}\tan \phi ={\frac {a}{b}}\\\tan \phi +{\frac {\pi }{2}}={\frac {-b}{a}}\end{aligned}}}
这意味着 2 θ p {\displaystyle 2\theta _{p}} 和 2 θ M A X {\displaystyle 2\theta _{MAX}} 之间相差 π {\displaystyle \pi } /4。将 **方程** **20** 代入 **方程** **15**,可以得到 σ 12 M A X {\displaystyle \sigma _{12MAX}} 的表达式。
σ 12 M A X = ± [ ( σ 11 − σ 22 2 ) 2 + σ 12 2 ] 1 2 {\displaystyle \sigma _{12MAX}=\pm \left[\left({\sigma _{11}-\sigma _{22} \over 2}\right)^{2}+{\sigma _{12}}^{2}\right]^{1 \over 2}} [21]
一个方便可视化角度关系的方法是使用莫尔圆,我们将在下面推导。对 **方程** **13** 关于 σ 11 ′ {\displaystyle \sigma _{11}'} 和 **方程** **15** 关于 σ 12 ′ {\displaystyle \sigma _{12}'} 进行整理,
σ 11 ′ − σ 11 + σ 22 2 = σ 11 − σ 22 2 cos 2 θ + σ 12 sin 2 θ {\displaystyle {\begin{aligned}\sigma _{11}'-{\sigma _{11}+\sigma _{22} \over 2}&={\sigma _{11}-\sigma _{22} \over 2}\cos {2\theta }+\sigma _{12}\sin {2\theta }\end{aligned}}} [22]
σ 12 ′ = σ 22 − σ 11 2 sin 2 θ + σ 12 cos 2 θ {\displaystyle {\begin{aligned}\sigma _{12}'={\sigma _{22}-\sigma _{11} \over 2}\sin {2\theta }+\sigma _{12}\cos {2\theta }\end{aligned}}} [23]
对这两个表达式进行平方,
( σ 11 ′ − σ 11 + σ 22 2 ) 2 = ( σ 11 − σ 22 2 cos 2 θ + σ 12 sin 2 θ ) 2 {\displaystyle {\begin{aligned}\left(\sigma _{11}'-{\sigma _{11}+\sigma _{22} \over 2}\right)^{2}&=\left({\sigma _{11}-\sigma _{22} \over 2}\cos {2\theta }+\sigma _{12}\sin {2\theta }\right)^{2}\end{aligned}}}
( σ 12 ′ ) 2 = ( σ 22 − σ 11 2 sin 2 θ + σ 12 cos 2 θ ) 2 {\displaystyle {\begin{aligned}\left(\sigma _{12}'\right)^{2}&=\left({\sigma _{22}-\sigma _{11} \over 2}\sin 2\theta +\sigma _{12}\cos 2\theta \right)^{2}\end{aligned}}}
接下来,将它们加在一起得到
( σ 11 ′ − σ 11 + σ 22 2 ) 2 + σ 12 ′ 2 = ( σ 11 − σ 22 2 ) 2 ( cos 2 2 θ + sin 2 2 θ ) + σ 12 2 ( cos 2 2 θ + sin 2 2 θ ) ( σ 11 ′ − σ 11 + σ 22 2 ) 2 + σ 12 ′ 2 = ( σ 11 − σ 22 2 ) 2 + σ 12 2 {\displaystyle {\begin{aligned}\left(\sigma _{11}'-{\sigma _{11}+\sigma _{22} \over 2}\right)^{2}+{\sigma _{12}'}^{2}&=\left({\sigma _{11}-\sigma _{22} \over 2}\right)^{2}(\cos ^{2}\!2\theta +\sin ^{2}\!2\theta )+{\sigma _{12}}^{2}(\cos ^{2}\!2\theta +\sin ^{2}\!2\theta )\\{\left(\sigma _{11}'-{\sigma _{11}+\sigma _{22} \over 2}\right)^{2}}+{\sigma _{12}'}^{2}&=\left({\sigma _{11}-\sigma _{22} \over 2}\right)^{2}+{\sigma _{12}}^{2}\end{aligned}}}
得到的表达式是圆的方程: ( x − h ) 2 + y 2 = r 2 {\displaystyle (x-h)^{2}+y^{2}=r^{2}}
图 6 :平面应力条件下的莫尔圆。初始应力状态为 σ {\displaystyle \sigma } ,系统绕 θ {\displaystyle \theta } 旋转到 σ ′ {\displaystyle \sigma '} ,对应于图中绕 2 θ {\displaystyle 2\theta } 旋转。
( σ 11 ′ − σ 11 + σ 22 2 ) 2 ⏟ ( x − h ) 2 + σ 12 ′ 2 ⏟ y 2 = ( σ 11 − σ 22 2 ) 2 + σ 12 2 ⏟ r 2 {\displaystyle \underbrace {\left(\sigma _{11}'-{\sigma _{11}+\sigma _{22} \over 2}\right)^{2}} _{(x-h)^{2}}+\underbrace {{\sigma _{12}'}^{2}} _{y^{2}}=\underbrace {\left({\sigma _{11}-\sigma _{22} \over 2}\right)^{2}+{\sigma _{12}}^{2}} _{r^{2}}} [24]
从该表达式中,在图 6 中绘制了莫尔圆。对于给定的应力状态, σ {\displaystyle \sigma } ,圆心为 h = σ 11 − σ 22 2 {\displaystyle h={\frac {\sigma _{11}-\sigma _{22}}{2}}} ,半径为 r = ( ( σ 11 − σ 11 2 ) 2 + σ 12 2 ) 1 2 {\displaystyle r=\left(\left({\frac {\sigma _{11}-\sigma _{11}}{2}}\right)^{2}+\sigma _{12}^{2}\right)^{\frac {1}{2}}} 。一条平分线与圆相交,使得其在 x 轴上的投影识别出 σ 11 {\displaystyle \sigma _{11}} 和 σ 22 {\displaystyle \sigma _{22}} 。其在 y 轴上的投影识别出 σ 12 {\displaystyle \sigma _{12}} 。旋转平分线等效于将应力状态变换 2 π {\displaystyle 2\pi } ,即,在图上旋转 ϕ {\displaystyle \phi } 等效于在我们的方程中旋转 2 π {\displaystyle 2\pi } 。这使得可以从图中读取新的应力状态。当平分线水平时,识别出主方向。在图上将平分线旋转 π {\displaystyle \pi } 等效于将系统旋转 θ = π {\displaystyle \theta =\pi } /2,这可以想象为旋转长方体面,直到系统恢复到初始状态,即,它回到原始应力状态。此外,在图上将平分线旋转 π {\displaystyle \pi } /2 等效于旋转 θ = π {\displaystyle \theta =\pi } /4,众所周知,这是具有最大剪切应力的方向。因此,从给定的初始应力状态 σ {\displaystyle \sigma } ,所有可以通过旋转实现的应力状态都在圆上可视化。
从二维泛化到三维,我们从一个双轴平面应力系统过渡到一个三轴系统。确定主轴和角关系类似于二维情况,将在下面说明。注意,按照惯例,当三个主应力中的两个相等时,我们称该系统为“圆柱形”,如果所有三个主应力都相等,我们称该系统为“静水压力”或“球形”。
与双轴系统的情况类似,我们首先定义一个面积为 A {\displaystyle A} 的平面,该平面穿过我们的 x 1 {\displaystyle x_{1}} 、 x 2 {\displaystyle x_{2}} 和 x 3 {\displaystyle x_{3}} 坐标系,如图7 所示。该平面在 ( J {\displaystyle J} 、 K {\displaystyle K} 和 L {\displaystyle L} ) 与轴相交,如图所示。为了简化问题并使我们能够朝着推导方向取得进展,我们将假设该平面是主平面之一,因此剪切应力分量为零。因此,我们只需要考虑垂直于该平面的主应力。
定义 ℓ {\displaystyle \ell } 、 m {\displaystyle m} 和 n {\displaystyle n} 为 x 1 {\displaystyle x_{1}} 、 x 2 {\displaystyle x_{2}} 和 x 3 {\displaystyle x_{3}} 与应力法线的夹角的余弦。使用平行于 x 1 {\displaystyle x_{1}} 、 x 2 {\displaystyle x_{2}} 和 x 3 {\displaystyle x_{3}} 的单位向量 i ^ {\displaystyle {\hat {i}}} 、 j ^ {\displaystyle {\hat {j}}} 和 k ^ {\displaystyle {\hat {k}}} ,我们有
图 7 : 穿过 x、y、z 坐标系的 3D 坐标平面 JKL ,其中 O {\displaystyle O} 是原点,并且在其上作用着正剪切应力。 ℓ = cos θ 1 = i ^ ⋅ σ | σ | m = cos θ 2 = j ^ ⋅ σ | σ | ; n = cos θ 3 = k ^ ⋅ σ | σ | {\displaystyle \ell =\cos \theta _{1}={{\hat {i}}\cdot {\boldsymbol {\sigma }} \over |{\boldsymbol {\sigma |}}}\quad m=\cos \theta _{2}={{\hat {j}}\cdot {\boldsymbol {\sigma }} \over |{\boldsymbol {\sigma |}}};\quad n=\cos \theta _{3}={{\hat {k}}\cdot {\boldsymbol {\sigma }} \over |{\boldsymbol {\sigma |}}}}}}
应力沿 x 1 {\displaystyle x_{1}} , x 2 {\displaystyle x_{2}} 和 x 3 {\displaystyle x_{3}} 方向的投影给出了总应力 S 1 {\displaystyle S_{1}} , S 2 {\displaystyle S_{2}} 和 S 3 {\displaystyle S_{3}}
S 1 = σ p ℓ ; S 2 = σ p m ; S 3 = σ p n {\displaystyle S_{1}=\sigma _{p}\ell ;\quad S_{2}=\sigma _{p}m;\quad S_{3}=\sigma _{p}n}
在双轴推导中,面积被投影到三个方向,在 **图 7** 中产生三角形,面积分别为 L O K = A ℓ {\displaystyle LOK=A\ell } , J O L = A m {\displaystyle JOL=Am} 和 J O K = A n {\displaystyle JOK=An} 。现在我们可以将两个参考系中的力相等。
S 1 A = σ p ℓ A = F x = L O K σ 11 + J O L σ 21 + J O K σ 31 + = A ℓ σ 11 + A m σ 21 + A n σ 31 {\displaystyle {\begin{aligned}S_{1}A=\sigma _{p}\ell A=F_{x}&=LOK\sigma _{11}+JOL\sigma _{21}+JOK\sigma _{31}+\\&=A\ell \sigma _{11}+Am\sigma _{21}+An\sigma _{31}\end{aligned}}}
所以,
σ p ℓ = σ 11 ℓ + σ 21 m + σ 31 n {\displaystyle {\begin{aligned}\sigma _{p}\ell &=\sigma _{11}\ell +\sigma _{21}m+\sigma _{31}n\end{aligned}}} [25]
通过类似的过程, F x 2 {\displaystyle F_{x_{2}}} 和 F x 3 {\displaystyle F_{x_{3}}} 分量得到
σ p m = σ 12 ℓ + σ 22 m + σ 32 n {\displaystyle {\begin{aligned}\sigma _{p}m&=\sigma _{12}\ell +\sigma _{22}m+\sigma _{32}n\end{aligned}}} [26]
σ p n = σ 13 ℓ + σ 23 m + σ 33 n {\displaystyle {\begin{aligned}\sigma _{p}n&=\sigma _{13}\ell +\sigma _{23}m+\sigma _{33}n\end{aligned}}} [27]
这些方程可以重新整理为
0 = ( σ 11 − σ p ) ℓ + σ 12 m + σ 13 n {\displaystyle {\begin{aligned}0&=(\sigma _{11}-\sigma _{p})\ell +\sigma _{12}m+\sigma _{13}n\end{aligned}}} [28]
0 = σ 12 ℓ + ( σ 22 − σ p ) m + σ 23 n {\displaystyle {\begin{aligned}0&=\sigma _{12}\ell +(\sigma _{22}-\sigma _{p})m+\sigma _{23}n\end{aligned}}} [29]
0 = σ 13 ℓ + σ 23 m + ( σ 33 − σ p ) n {\displaystyle {\begin{aligned}0&=\sigma _{13}\ell +\sigma _{23}m+(\sigma _{33}-\sigma _{p})n\end{aligned}}} [30]
这一组方程可以解出 [ ℓ , m , n ] {\displaystyle \left[\ell ,m,n\right]} ,对于 σ p {\displaystyle \sigma _{p}} 的特定值。这一组世俗方程可以解出特征值 σ p {\displaystyle \sigma _{p}} 和特征向量 [ ℓ , m , n ] {\displaystyle \left[\ell ,m,n\right]} 。当 ℓ , m , {\displaystyle \ell ,m,} 和 n {\displaystyle n} 不为零时,非平凡解涉及将行列式
d e t | σ 11 − σ p σ 12 σ 13 σ 12 σ 22 − σ p σ 23 σ 13 σ 23 σ 33 − σ p | {\displaystyle det\ \left|{\begin{matrix}\sigma _{11}-\sigma _{p}&\sigma _{12}&\sigma _{13}\\\sigma _{12}&\sigma _{22}-\sigma _{p}&\sigma _{23}\\\sigma _{13}&\sigma _{23}&\sigma _{33}-\sigma _{p}\end{matrix}}\right|}
设为零并解出特征值和随后的特征向量。
重新排列后,我们得到
0 = σ p 3 − ( σ 11 + σ 22 + σ 33 ) σ p 2 + ( σ 11 σ 22 + σ 22 σ 33 + + σ 33 σ 11 − σ 12 2 − σ 23 2 − σ 31 2 ) σ p − ( σ 11 σ 22 σ 33 + 2 σ 12 σ 23 σ 31 − σ 11 σ 23 2 − σ 22 σ 13 2 − σ 33 σ 12 2 ) {\displaystyle {\begin{aligned}0={\sigma _{p}}^{3}-&(\sigma _{11}+\sigma _{22}+\sigma _{33}){\sigma _{p}}^{2}\\&\quad +(\sigma _{11}\sigma _{22}+\sigma _{22}\sigma _{33}++\sigma _{33}\sigma _{11}-{\sigma _{12}}^{2}-{\sigma _{23}}^{2}-{\sigma _{31}}^{2})\sigma _{p}\\&\qquad \qquad -(\sigma _{11}\sigma _{22}\sigma _{33}+2\sigma _{12}\sigma _{23}\sigma _{31}-\sigma _{11}{\sigma _{23}}^{2}-\sigma _{22}{\sigma _{13}}^{2}-\sigma _{33}{\sigma _{12}}^{2})\end{aligned}}} [31]
该三次方程的三个根给出主应力, σ p 1 {\displaystyle \sigma _{p1}} , σ p 2 {\displaystyle \sigma _{p2}} ,和 σ p 3 {\displaystyle \sigma _{p3}} 。一旦确定主应力,便将它们代回正则方程 28-30 以确定对应于 [ ℓ , m , n ] {\displaystyle \left[\ell ,m,n\right]} 的特征向量,同时还认识到 ℓ 2 + m 2 + n 2 = 1 {\displaystyle \ell ^{2}+m^{2}+n^{2}=1} 。
求解三次方程不是本文的重点,但方程 31 很重要,因为主应力前面的系数必须是不变的,也就是说,无论坐标系的方位如何,都必须存在相同的主坐标。从三次方程可以看出,三个不变量是
I 1 = ( σ 11 + σ 22 + σ 33 ) {\displaystyle {\begin{aligned}I_{1}=(\sigma _{11}+\sigma _{22}+\sigma _{33})\end{aligned}}} [32]
I 2 = ( σ 11 σ 22 + σ 22 σ 33 + σ 33 σ 11 − σ 12 2 − σ 23 2 − σ 31 2 ) {\displaystyle {\begin{aligned}I_{2}=(\sigma _{11}\sigma _{22}+\sigma _{22}\sigma _{33}+\sigma _{33}\sigma _{11}-{\sigma _{12}}^{2}-{\sigma _{23}}^{2}-{\sigma _{31}}^{2})\end{aligned}}} [33]
I 3 = ( σ 11 σ 22 σ 33 + 2 σ 12 σ 23 σ 31 − σ 11 σ 23 2 − σ 22 σ 13 2 − σ 33 σ 12 2 ) {\displaystyle {\begin{aligned}I_{3}=(\sigma _{11}\sigma _{22}\sigma _{33}+2\sigma _{12}\sigma _{23}\sigma _{31}-\sigma _{11}{\sigma _{23}}^{2}-\sigma _{22}{\sigma _{13}}^{2}-\sigma _{33}{\sigma _{12}}^{2})\end{aligned}}} [34]
这很有用,因为这些不变量关系决定了不同方向上应力之间的关系,即给定 σ {\displaystyle \sigma } ,你现在可以直接确定 σ 1 {\displaystyle \sigma _{1}} , σ 2 {\displaystyle \sigma _{2}} ,和 σ 3 {\displaystyle \sigma _{3}} 。
现在,我们将把我们的解决方案推广到不仅包括主应力。就像我们之前做的那样,我们可以写出总的力
S x 1 A = F x 1 = σ 11 ℓ A + σ 12 m A + σ 31 n A {\displaystyle {\begin{aligned}S_{x_{1}}A=F_{x_{1}}=\sigma _{11}\ell A+\sigma _{12}mA+\sigma _{31}nA\end{aligned}}}
S x 1 = σ 11 ℓ + σ 12 m + σ 33 n {\displaystyle {\begin{aligned}\qquad S_{x_{1}}=\sigma _{11}\ell +\sigma _{12}m+\sigma _{33}n\end{aligned}}} [35]
S x 2 = σ 12 ℓ + σ 22 m + σ 23 n {\displaystyle {\begin{aligned}\qquad S_{x_{2}}=\sigma _{12}\ell +\sigma _{22}m+\sigma _{23}n\end{aligned}}} [36]
S x 3 = σ 13 ℓ + σ 23 m + σ 33 n {\displaystyle {\begin{aligned}\qquad S_{x_{3}}=\sigma _{13}\ell +\sigma _{23}m+\sigma _{33}n\end{aligned}}} [37]
这些公式给出了总应力
S 2 = S x 1 2 + S x 2 2 + S x 3 2 {\displaystyle S^{2}={S_{x_{1}}}^{2}+{S_{x_{2}}}^{2}+{S_{x_{3}}}^{2}} [38]
由此,法向分量的投影为
σ ′ = S x 1 ℓ + S x 2 m + S x 3 n {\displaystyle \sigma '=S_{x_{1}}\ell +S_{x_{2}}m+S_{x_{3}}n} [39]
将 **公式** **34-36** 代入 **公式** **38** 中,得到
σ ′ = ( σ 11 ℓ + σ 12 m + σ 31 n ) ℓ + ( σ 12 ℓ + σ 22 m + σ 31 n ) m + ( σ 13 ℓ + σ 31 m + σ 33 n ) n {\displaystyle {\begin{aligned}\sigma '&=(\sigma _{11}\ell +\sigma _{12}m+\sigma _{31}n)\ \ell +(\sigma _{12}\ell +\sigma _{22}m+\sigma _{31}n)\ m+(\sigma _{13}\ell +\sigma _{31}m+\sigma _{33}n)\ n\end{aligned}}}
简化为
σ ′ = σ 11 ℓ 2 + σ 22 m 2 + σ 33 n 2 + 2 σ 12 ℓ m + 2 σ 23 m n + 2 σ 31 n ℓ {\displaystyle \sigma '=\sigma _{11}\ell ^{2}+\sigma _{22}m^{2}+\sigma _{33}n^{2}+2\sigma _{12}\ell m+2\sigma _{23}mn+2\sigma _{31}n\ell } [40]
剪切分量的幅值可以通过利用 S 2 = σ ′ 2 + τ 2 {\displaystyle S^{2}={\sigma '}^{2}+\tau ^{2}} 来确定,但我们无法轻松地将剪切应力分解为其组成部分。幸运的是,我们主要对最大剪切应力感兴趣。我们知道包含最大剪切应力的平面位于主法向应力平面之间的中间位置。从将已知的应力状态设置为主轴开始,使得 σ 11 = σ p 1 {\displaystyle \sigma _{11}=\sigma _{p_{1}}} , σ 22 = σ p 2 {\displaystyle \sigma _{22}=\sigma _{p_{2}}} ,以及 σ 33 = σ p 3 {\displaystyle \sigma _{33}=\sigma _{p_{3}}} ,我们的方向余弦在主轴和包含最大剪切应力的平面的法线之间。这意味着用于投影的公式 39 被改写为
σ ′ = σ p 1 ℓ 2 + σ p 2 m 2 + σ p 3 n 2 {\displaystyle \sigma '=\sigma _{p_{1}}\ell ^{2}+\sigma _{p_{2}}m^{2}+\sigma _{p_{3}}n^{2}} [41]
对该公式进行平方运算,我们得到
σ ′ 2 = σ p 1 2 ℓ 4 + σ p 2 2 m 4 + σ p 3 2 n 4 + 2 σ p 1 σ p 2 ℓ 2 m 2 + 2 σ p 1 σ p 3 ℓ 2 n 2 + 2 σ p 2 σ p 3 m 2 n 2 p {\displaystyle {\sigma '}^{2}={\sigma _{p_{1}}}^{2}\ell ^{4}+{\sigma _{p_{2}}}^{2}m^{4}+{\sigma _{p_{3}}}^{2}n^{4}+2\sigma _{p_{1}}\sigma _{p_{2}}\ell ^{2}m^{2}+2\sigma _{p_{1}}\sigma _{p_{3}}\ell ^{2}n^{2}+2\sigma _{p_{2}}\sigma {p_{3}}m^{2}n_{2}^{p}} [42]
然后我们可以使用主成分并将公式 34-36 代入公式 37 得到
S 2 = σ 11 2 ℓ 2 + σ 22 2 m 2 + σ 33 2 n 2 {\displaystyle S^{2}={\sigma _{11}}^{2}\ell ^{2}+{\sigma _{22}}^{2}m^{2}+{\sigma _{33}}^{2}n^{2}} [43]
经过大量的代数运算并将公式 41 & 42 代入公式 40 ,我们得到
τ M A X 2 = ( σ 11 − σ 22 ) 2 ℓ 2 m 2 + ( σ 11 − σ 33 ) 2 ℓ 2 n 2 + ( σ 22 − σ 33 ) 2 m 2 n 2 {\displaystyle \tau _{MAX}^{2}=(\sigma _{11}-\sigma _{22})^{2}\ell ^{2}m^{2}+(\sigma _{11}-\sigma _{33})^{2}\ell ^{2}n^{2}+(\sigma _{22}-\sigma _{33})^{2}m^{2}n^{2}} [44]
通过这个解决方案,我们现在有三个可能的平面。一个平面平分 σ 11 {\displaystyle \sigma _{11}} 和 σ 22 {\displaystyle \sigma _{22}} ,另一个平面平分 σ 11 {\displaystyle \sigma _{11}} 和 σ 33 {\displaystyle \sigma _{33}} ,最后一个平面平分 σ 22 {\displaystyle \sigma _{22}} 和 σ 33 {\displaystyle \sigma _{33}} 。(平分意味着 θ = π 4 {\textstyle \theta ={\pi \over 4}} ,以及 cos π 4 = 2 2 {\textstyle \cos {\pi \over 4}={{\sqrt {2}} \over 2}} )。以下是这三个平面的 ℓ , m , n {\displaystyle \ell ,m,n} 和 τ {\displaystyle \tau } 值
ℓ {\displaystyle {\boldsymbol {\ell }}}
m {\displaystyle {\boldsymbol {m}}}
n {\displaystyle {\boldsymbol {n}}}
τ {\displaystyle {\boldsymbol {\tau }}}
0 {\displaystyle 0}
2 2 {\displaystyle {\frac {\sqrt {2}}{2}}}
2 2 {\displaystyle {\frac {\sqrt {2}}{2}}}
1 2 ( σ 22 − σ 33 ) {\displaystyle {\frac {1}{2}}(\sigma _{22}-\sigma _{33})}
2 2 {\displaystyle {\frac {\sqrt {2}}{2}}}
0 {\displaystyle 0}
2 2 {\displaystyle {\frac {\sqrt {2}}{2}}}
1 2 ( σ 11 − σ 33 ) {\displaystyle {\frac {1}{2}}(\sigma _{11}-\sigma _{33})}
2 2 {\displaystyle {\frac {\sqrt {2}}{2}}}
2 2 {\displaystyle {\frac {\sqrt {2}}{2}}}
0 {\displaystyle 0}
1 2 ( σ 11 − σ 22 ) {\displaystyle {\frac {1}{2}}(\sigma _{11}-\sigma _{22})}
按照惯例, σ 11 > σ 22 > σ 33 {\displaystyle \sigma _{11}>\sigma _{22}>\sigma _{33}} ,因此我们的最大剪切应力为
τ M A X = σ 11 − σ 33 2 {\displaystyle \tau _{MAX}={\sigma _{11}-\sigma _{33} \over 2}}
图 8 :一个 3D 莫尔圆包含三个圆,每个轴一个圆,并遵循 σ 11 > σ 22 > σ 33 {\displaystyle \sigma _{11}>\sigma _{22}>\sigma _{33}} 惯例。
请注意,我们知道存在两个最大剪切应力平面,它们彼此旋转了 π {\textstyle \pi } /2。因此,上面的方向余弦实际上是 ± 2 2 {\textstyle \pm {{\sqrt {2}} \over 2}} 。
由于这些轴向旋转是解耦的,我们可以使用莫尔圆来表示 3D 应力状态,如图 8 所示。