Mechanika kontinua – ást 1 Úvod a Geometrie deformace

31
Mechanika kontinua – část 1 Úvod a Geometrie deformace

Transcript of Mechanika kontinua – ást 1 Úvod a Geometrie deformace

Page 1: Mechanika kontinua – ást 1 Úvod a Geometrie deformace

Mechanika kontinua – část 1Úvod a Geometrie deformace

Page 2: Mechanika kontinua – ást 1 Úvod a Geometrie deformace

Mechanika kontinuaJedna z větví klasické mechaniky. Zabývá se kinematikou a mecha-nickým chováním materiálů, které jsou pojímány jako spojité prostředí – kontinuum (a nikoliv tedy jako soubor diskrétních částic).

Základní koncepce

Augustin-Louis Cauchy1789-1857

• Látka objektu zcela vyplňuje prostor, který zaujímá.

• Skutečnost, že látka je tvořena atomy (a není tedy spojitá), je ignorována. Objekty jsou studovány na délkových škálách, které jsou výrazně větší než vzdálenosti mezi atomy.

• Na takto pojímané prostředí jsou aplikovány základní zákony zachování, které spolu s informací o makroskopických vlastnostech prostředí (konstitutivní rovnice) poskytují systém diferenciálních rovnic popisujících chování objektu.

Mechanika kontinua se zabývá fyzikálními vlastnostmi a chováním pevných látek a tekutin, které jsou nezávislé na konkrétním souřadnémsystému, v němž jsou pozorovány. Fyzikální popis je zprostředkovánpomocí tenzorů, matematických objektů, jejichž vlastnosti nezávisí nazvoleném souřadnicovém systému.

i

Page 3: Mechanika kontinua – ást 1 Úvod a Geometrie deformace

Koncept spojitého prostředíPevné látky, kapaliny a plyny jsou tvořeny molekulami, které jsou od sebe odděleny„prázdným“ prostorem. Ale ani na makroskopické škále nemusí být materiály dokonalespojité – mohou obsahovat trhliny, kavity, póry apod.

Řada fyzikálních jevů může být přesto studována metodami mechaniky kontinua, tj. s využitím předpokladu, že se jedná o spojitá materiálová tělesa, která zcela vyplňují objem, který v prostoru zaujímají. V tomto popisu chápeme kontinuum jakoprostředí, které může být spojitě rozděleno na infinitesimální elementy, které majístejné vlastnosti jako celek.

Platnost předpokladu spojitosti může být verifikována na základě analýzy, při nížje testováno, zda na zvolené prostorové škále vykazuje materiál známky periodicity, nebo zda je jeho mikrostruktura statisticky homogenní a ergodická.

Předpoklad spojitosti úzce souvisí s pojmem reprezentativní elementární objem(REV, representative elementary volume) a separací škál na základě Hill-Mandelovy podmínky. REV může být vyhodnocen pouze v omezené míře, a to na základě experimenálních testů, které by měly potvrdit, že konstitutivní odezva materiálu je na dané prostorové škále homogenní.

U tekutin se někdy pro posouzení vhodnosti spojitého popisu na dané prostorové škálepoužívá tzv. Knudsenovo číslo (Martin Knudsen, 1871-1947, Dánsko): Kn = λ/L, kde λ jestřední volná dráha částice a L je charakteristický rozměr (Kn ≈ 1 statistický popis).

Předpoklad spojitosti neplatí resp. nelze provést separaci škál statistická mechanika.

ii

Page 4: Mechanika kontinua – ást 1 Úvod a Geometrie deformace

Micro-scale Meso-scale Macro-scale

Atomární amolekulární

škálaREV Homogenní kontinuum

Reprezentativní elementární objemiii

Page 5: Mechanika kontinua – ást 1 Úvod a Geometrie deformace

Mechanika kontinua

Mechanika pevných látek- zabývá se deformací těles

s definovaným klidovým tvarem(solid mechanics)

Mechanika tekutin- zabývá se spojitými materiály,

které se deformují, jakmile na ně působí síla (fluid mechanics)

Elasticita- popisuje materiály,

které se vracejído původního stavu, když odejmeme sílu,

která je deformuje

Plasticita- popisuje materiály,

které se trvale deformují,pokud jsou vystaveny

dostatečně vysokému napětí

Newtonovské tekutiny

- jsou charakterizoványviskozitou, která má povahu

materiálové konstanty; rychlost deformace je přímoúměrná smykovému napětí

Nenewtonovské tekutiny

- viskozita není materiálovákonstanta a závisí na okamžité deformaci; rychlost deformace

není obecně úměrná smykovému napětí

Reologie- studium deformační

odezvy materiálů

V rámci mechaniky kontinua se dnes studují také křehké, sypké a lámavé materiály,vícefázové směsi (asfalt, tající led apod.), kvantové kapaliny a další materiály.

iv

Page 6: Mechanika kontinua – ást 1 Úvod a Geometrie deformace

Geometriedeformace Působící síly a napětí

Zákony zachování

Soustava parciálních diferenciálních rovnic,které popisují deformaci spojitého materiálu

+

Analýzarovnic

Numerickéřešení

Počítačováimplementace

Vizualizacevýsledků

Kinematika

v

Konstitutivnívztahy

Page 7: Mechanika kontinua – ást 1 Úvod a Geometrie deformace

Geometrie deformace

Matematický aparát k zopakování (pouze reálné matice)

Operace s maticemi

Transformace vektorů a tenzorů při změně souřadné soustavy

Ortogonální matice

Vlastní čísla a vektory matice

Determinant

Diagonalizace matice, podobné matice, Jordanův rozklad

Pozitivně definitní matice

Odmocnina z matice

Jacobián, diferenciální operátory

QT = Q¡1; QT ¢Q = Q ¢QT = I; jdetQj = 1QT = Q¡1; QT ¢Q = Q ¢QT = I; jdetQj = 1

A ¢ ~v = ¸~v; det(A¡ ¸I) = 0A ¢ ~v = ¸~v; det(A¡ ¸I) = 0

det(A ¢B) = detA detBdet(A ¢B) = detA detB

~v 6= 0 ) ~v ¢A ¢ ~v > 0~v 6= 0 ) ~v ¢A ¢ ~v > 0

(A ¢B)T = BT ¢AT ; (A ¢B)¡1 = B¡1 ¢A¡1; (A¡1)T = (AT )¡1(A ¢B)T = BT ¢AT ; (A ¢B)¡1 = B¡1 ¢A¡1; (A¡1)T = (AT )¡1

~v0 = Q ¢ ~v; T0 = Q ¢T ¢QT~v0 = Q ¢ ~v; T0 = Q ¢T ¢QT

~v ¢ ~u = viui; ~v Ð ~u = viuj(~ei Ð ~ej) = viujeij

T ¢ ~v = Tijvj~ei; ~v ¢T = Tjivj~ei

T : U = TijUji; T ¢U = TijUjk(~ei Ð ~ek) = TijUjkeik; T2 = T ¢T

~v ¢ ~u = viui; ~v Ð ~u = viuj(~ei Ð ~ej) = viujeij

T ¢ ~v = Tijvj~ei; ~v ¢T = Tjivj~ei

T : U = TijUji; T ¢U = TijUjk(~ei Ð ~ek) = TijUjkeik; T2 = T ¢T

1

Způsob zápisu:

pA = Q ¢

pD ¢Q¡1

pA = Q ¢

pD ¢Q¡1

Page 8: Mechanika kontinua – ást 1 Úvod a Geometrie deformace

obecné těleso

referenční konfigurace

okamžitá konfigurace

BB

Geometrie deformace

XX

~X~X ~x~x·0·0·t·t

1 2

3

Zobrazení 1: ~°0~°0 Zobrazení 2: Zobrazení 3: ~Â~Â~°t~°t

B ! E3

X ! ~X = ~°0(X )

B ! E3

X ! ~X = ~°0(X )

E3 ! E3

~X ! ~x = ~Â( ~X; t)

E3 ! E3

~X ! ~x = ~Â( ~X; t)

B ! E3

X ! ~x = ~°t(X ; t)

B ! E3

X ! ~x = ~°t(X ; t)

popisuje pohyb tělesa BBPoznámka: Referenční konfigurace může být zvolena libovolně a nemusí obecně odpovídat reálnému tvaru tělesa.

2 Deformační zobrazení

Page 9: Mechanika kontinua – ást 1 Úvod a Geometrie deformace

obecné těleso

referenční konfigurace

BB

Geometrie deformace

XX

~X~X ~x~x·0·0

~X = ~°0(X )~X = ~°0(X )

~x = ~Â( ~X; t)~x = ~Â( ~X; t)

~x = ~°t(X ; t)~x = ~°t(X ; t)

~X = ~¡1(~x; t)~X = ~¡1(~x; t)inverzní zobrazení:

okamžitá konfigurace

·t·t

3

~» = ~Â( ~X; ¿) = ~Â(~¡1(~x; t); ¿) =: ~Ât(~x; ¿ )

~x = ~Â( ~X; t) = ~Â(~¡1(~»; ¿); t) =: ~¿ (~»; t)

~» = ~Â( ~X; ¿) = ~Â(~¡1(~x; t); ¿) =: ~Ât(~x; ¿ )

~x = ~Â( ~X; t) = ~Â(~¡1(~»; ¿); t) =: ~¿ (~»; t)

~Ât(~x; ¿) = ~¡1¿ (~x; t)~Ât(~x; ¿) = ~¡1¿ (~x; t)

Relativní pohyb mezi dvěma časovými okamžiky:

~x~x~»~»

okamžitá konfigurace ·¿·¿

okamžitá konfigurace ·t·t

deformační zobrazení

Deformační zobrazení

Page 10: Mechanika kontinua – ást 1 Úvod a Geometrie deformace

Geometrie deformace

Axiom kontinuityPředpokládáme, že funkce

jsou jednoznačné, invertovatelné a mají spojité derivace do libovolného řádu (s výjimkou některých singulárních bodů, křivek nebo povrchů).

Interpretace axiomu kontinuity: (i) Konečný objem materiálu nemůže být deformován do nulového nebo nekonečného objemu (materiál je nezničitelný). (ii) Části materiálu do sebe vzájemně nepronikají(materiál je neprostupný) – objem se vždy transformuje do objemu, povrch na povrch a křivka do křivky.

~°0; ~°t; ~Â; ~Ât; ~¿~°0; ~°t; ~Â; ~Ât; ~¿

Poznámka: Existuje řada prakticky důležitých případů, kdy axiom kontinuity neplatí. V okolí singulárních bodů a ploch je pak třeba axiom kontinuity „změkčit“ a využít speciální postupy.

BB B1B1

B2B2

BB

Příklady procesů, kdy axiom kontinuity neplatí: vznik nových povrchů, lámání, šíření trhlin apod.

4

Page 11: Mechanika kontinua – ást 1 Úvod a Geometrie deformace

Geometrie deformace

1. Materiálový popis

2. Referenční popis

Popis pohybu kontinua

nezávislé proměnné:

3. Prostorový (eulerovský) popis

4. Relativní popis

~x = ~°t(X ; t)~x = ~°t(X ; t) X ; tX ; t

~x = ~Â( ~X; t)~x = ~Â( ~X; t) nezávislé proměnné: ~X; t~X; t

~» = ~Ât(~x; ¿)~» = ~Ât(~x; ¿) nezávislé proměnné: ~x; ¿~x; ¿

Pokud jako referenční konfiguraci zvolíme tvar tělesa v čase t = 0, pak zpravidla hovoříme o lagrangeovském popisu. Terminologicky je často zaměňován s materiálovým popisem, v němž jsou částice obvykle definovány svou polohou v čase nula.

Jedná se o speciální variantu referenčního popisu.

Popis se vztahuje k okamžitému stavu kontinua v čase t v bodě x. Nevyžaduje zavedení částic. Běžný v mechanice tekutin.

~x; t~x; t

Poznámka: Při řešení praktických úloh jsou často kombinovány různé popisy.

5

Page 12: Mechanika kontinua – ást 1 Úvod a Geometrie deformace

Pojmy lagrangeovský a eulerovský se používají v mechanice kontinuapoměrně volně a v různých kontextech:

Geometrie deformace

Lagrange:- popis vztažený k nedeformovanému stavu- popis vztažený k částici- jakýkoliv materiálový popis

Euler:- popis vztažený k deformovanému stavu- popis vztažený k pevnému bodu v prostoru- popis nevyžadující částicový formalismus

Joseph-Louis Lagrange1736 Turín – 1813 Paříž

Leonhard Euler1707 Basilej – 1783 St. Petěrburg

6

Page 13: Mechanika kontinua – ást 1 Úvod a Geometrie deformace

?

LAGRANGE

známe počáteční (nedeformovaný stav) a predikujeme deformaci

EULER

homogenní kapalina s pevnou hranicí

Vsuvka

Page 14: Mechanika kontinua – ást 1 Úvod a Geometrie deformace

Vsuvka

Page 15: Mechanika kontinua – ást 1 Úvod a Geometrie deformace

Vsuvka

Page 16: Mechanika kontinua – ást 1 Úvod a Geometrie deformace

X1

X2

~X~X

~x~x

Vsuvka

Page 17: Mechanika kontinua – ást 1 Úvod a Geometrie deformace

X1

X2

~x~x

~X~X

Vsuvka

Page 18: Mechanika kontinua – ást 1 Úvod a Geometrie deformace

Geometrie deformaceLagrangeovské a eulerovské souřadnice

PP~X~X

X1X1

X2X2

X3X3

OO

·0·0

~E2~E2

~E1~E1

~E3~E3 x1x1

x2x2

x3x3

~e1~e1~e2~e2

~e3~e3

·t·t

pp~x~x

oo

~X = XK~EK

~X = XK~EK

~x = xk~ek~x = xk~ek

~ek = (~ek ¢ ~EK) ~EK = ±kK~EK~ek = (~ek ¢ ~EK) ~EK = ±kK~EK

~EK = ( ~EK ¢ ~ek)~ek = ±Kk~ek~EK = ( ~EK ¢ ~ek)~ek = ±Kk~ek

±Kk±Kk

kosinus úhlu mezi vektory někdy se označuje jako posuvný tenzor (shifter)

(obecně se nejedná o Kroneckerův symbol !)

~EK ~ek~EK ~eka

±kl~el = ~ek = ±kK~EK = ±kK±Kl~el ! ±kl = ±kK±Kl±kl~el = ~ek = ±kK~EK = ±kK±Kl~el ! ±kl = ±kK±Kl

Pro obecný vektor můžeme tedy psát:~V~V

Vk = ~V ¢ ~ek = ~V ¢ (±kK~EK) = ±kKVKVk = ~V ¢ ~ek = ~V ¢ (±kK~EK) = ±kKVK

VK = ~V ¢ ~EK = ~V ¢ (±Kk~ek) = ±KkVkVK = ~V ¢ ~EK = ~V ¢ (±Kk~ek) = ±KkVk

7

Page 19: Mechanika kontinua – ást 1 Úvod a Geometrie deformace

Geometrie deformaceDeformační gradient

xk = Âk(X1; X2; X3); k = 1; 2; 3

XK = ¡1K (x1; x2; x3); K = 1; 2; 3

xk = Âk(X1; X2; X3); k = 1; 2; 3

XK = ¡1K (x1; x2; x3); K = 1; 2; 3

J( ~X; t) := det

μ@Âk

@XK

¶6= 0J( ~X; t) := det

μ@Âk

@XK

¶6= 0

dxk =@Âk

@XKdXK = Âk;KdXKdxk =

@Âk

@XKdXK = Âk;KdXK

Âk;KÂk;K

dXK =@¡1

K

@xk

dxk = ¡1K;kdxkdXK =

@¡1K

@xk

dxk = ¡1K;kdxk

¡1K;k¡1K;k

F( ~X; t) := Âk;K( ~X; t)(~ek Ð ~EK)F( ~X; t) := Âk;K( ~X; t)(~ek Ð ~EK) F¡1(~x; t) := ¡1K;k(~x; t)( ~EK Ð ~ek)F¡1(~x; t) := ¡1K;k(~x; t)( ~EK Ð ~ek)

d~x = F ¢ d ~X

F = (Grad~Â)T

d~x = F ¢ d ~X

F = (Grad~Â)T

d ~X = F¡1 ¢ d~xF¡1 = (grad~¡1)T

d ~X = F¡1 ¢ d~xF¡1 = (grad~¡1)T

Matematická podmínka, která garantuje existenci jednoznačné inverzní funkce:

Infinitesimální vektory d~x; d ~Xd~x; d ~X

Materiálový deformační gradient Prostorový deformační gradient

Poznámka k definici gradientu na vektor:

~r := ~EK@

@XK; grad~Â = ~rÐ ~Â = ~EK

@

@XKÐ Âk~ek =

@Âk

@XK

~EK Ð ~ek ! F = (~rÐ ~Â)T~r := ~EK@

@XK; grad~Â = ~rÐ ~Â = ~EK

@

@XKÐ Âk~ek =

@Âk

@XK

~EK Ð ~ek ! F = (~rÐ ~Â)T

8

Page 20: Mechanika kontinua – ást 1 Úvod a Geometrie deformace

X1

X2

d ~Xd ~X

d~xd~x

~X~X

~x~x

Vsuvka

d~x = F ¢ d ~Xd~x = F ¢ d ~X

Page 21: Mechanika kontinua – ást 1 Úvod a Geometrie deformace

Grad~Â =

μ~EK

@

@XK

¶Ð (Âk~ek) =

@Âk

@XK

~EK Ð ~ek =

0BB@@Â1

@X1

@Â2

@X1

@Â3

@X1

@Â1

@X2

@Â2

@X2

@Â3

@X2

@Â1

@X3

@Â2

@X3

@Â3

@X3

1CCAGrad~Â =

μ~EK

@

@XK

¶Ð (Âk~ek) =

@Âk

@XK

~EK Ð ~ek =

0BB@@Â1

@X1

@Â2

@X1

@Â3

@X1

@Â1

@X2

@Â2

@X2

@Â3

@X2

@Â1

@X3

@Â2

@X3

@Â3

@X3

1CCA

Grad~Â = (Âk~ek)Ðμ

~EK@

@XK

¶=

@Âk

@XK

~ek Ð ~EK =

0BB@@Â1

@X1

@Â1

@X2

@Â1

@X3

@Â2

@X1

@Â2

@X2

@Â2

@X3

@Â3

@X1

@Â3

@X2

@Â3

@X3

1CCAGrad~Â = (Âk~ek)Ðμ

~EK@

@XK

¶=

@Âk

@XK

~ek Ð ~EK =

0BB@@Â1

@X1

@Â1

@X2

@Â1

@X3

@Â2

@X1

@Â2

@X2

@Â2

@X3

@Â3

@X1

@Â3

@X2

@Â3

@X3

1CCA

Vsuvka

Gradientu vektoru může být definován dvěma různými způsoby. Ve fyzice se většinou používá definice 1, zatímco v matematice se často používá definice 2. V této přednášce používáme definici 1.

Definice 1:

Definice 2:

Page 22: Mechanika kontinua – ást 1 Úvod a Geometrie deformace

Geometrie deformaceDeformační gradient – užitečné vztahy

F ¢ F¡1 = F¡1 ¢ F = IF ¢ F¡1 = F¡1 ¢ F = I

dJ

dF= JF¡T ; Div(JF¡1) = ~0; div(J¡1F) = ~0; kde J := detF

dJ

dF= JF¡T ; Div(JF¡1) = ~0; div(J¡1F) = ~0; kde J := detF

JF¡T ¢ ( ~A£ ~B) = (F ¢ ~A)£ (F ¢ ~B)JF¡T ¢ ( ~A£ ~B) = (F ¢ ~A)£ (F ¢ ~B)

grad ² = F¡T ¢Grad ²grad ² = F¡T ¢Grad ²

Grad ² = FT ¢ grad ²Grad ² = FT ¢ grad ²

J( ~A£ ~B) ¢ ~C = [(F ¢ ~A)£ (F ¢ ~B)] ¢ (F ¢ ~C)J( ~A£ ~B) ¢ ~C = [(F ¢ ~A)£ (F ¢ ~B)] ¢ (F ¢ ~C)

div grad ² = F¡1 ¢ F¡T : Grad Grad ² + divF¡T ¢Grad ²div grad ² = F¡1 ¢ F¡T : Grad Grad ² + divF¡T ¢Grad ²div ² = F¡T : Grad ²div ² = F¡T : Grad ²

Div ² = FT : grad ²Div ² = FT : grad ²Div Grad ² = F ¢ FT : grad grad ² + DivFT ¢ grad ²Div Grad ² = F ¢ FT : grad grad ² + DivFT ¢ grad ²

Důkaz

grad t = ~ek Ð@t

@xk

= ~ek Ð@T

@XK

@XK

@xk

= ¡1K;k~ek Ð

@T

@XK

= ( ~EK ¢ F¡1)Ð @T

@XK

=grad t = ~ek Ð@t

@xk

= ~ek Ð@T

@XK

@XK

@xk

= ¡1K;k~ek Ð

@T

@XK

= ( ~EK ¢ F¡1)Ð @T

@XK

=

= (F¡T ¢ ~EK)Ð @T

@XK

= F¡T ¢μ

~EK Ð @T

@XK

¶= F¡T ¢Grad T= (F¡T ¢ ~EK)Ð @T

@XK

= F¡T ¢μ

~EK Ð @T

@XK

¶= F¡T ¢Grad T

9

F¡1(~x; t) := ¡1K;k(~x; t)( ~EK Ð ~ek)F¡1(~x; t) := ¡1K;k(~x; t)( ~EK Ð ~ek)

Page 23: Mechanika kontinua – ást 1 Úvod a Geometrie deformace

Vsuvka

Page 24: Mechanika kontinua – ást 1 Úvod a Geometrie deformace

Vsuvka

Page 25: Mechanika kontinua – ást 1 Úvod a Geometrie deformace

Příklad

Page 26: Mechanika kontinua – ást 1 Úvod a Geometrie deformace

Příklad

Page 27: Mechanika kontinua – ást 1 Úvod a Geometrie deformace

Příklad

Page 28: Mechanika kontinua – ást 1 Úvod a Geometrie deformace

Příklad

.

CVIČENÍ – JEDNODUCHÝ SMYK (simple shear)

X1

X2

X3

1

0

x1 = X1 + X2t

x2 = X2

x3 = X3

x1 = X1 + X2t

x2 = X2

x3 = X3

V = 1

~x~X

X1 = x1 ¡ x2t

X2 = x2

X3 = x3

X1 = x1 ¡ x2t

X2 = x2

X3 = x3

~x = ~Â( ~X; t)~x = ~Â( ~X; t) ~X = ~¡1(~x; t)~X = ~¡1(~x; t)

Page 29: Mechanika kontinua – ást 1 Úvod a Geometrie deformace

.x1 = X1 + X2t

x2 = X2

x3 = X3

x1 = X1 + X2t

x2 = X2

x3 = X3

~x = ~Â( ~X; t)~x = ~Â( ~X; t)

F = (Grad ~Â)TF = (Grad ~Â)TMateriálový deformační gradient

Grad~Â =

μ~EK

@

@XK

¶Ð (Âk~ek) =

@Âk

@XK

~EK Ð ~ek =

0BB@@Â1

@X1

@Â2

@X1

@Â3

@X1

@Â1

@X2

@Â2

@X2

@Â3

@X2

@Â1

@X3

@Â2

@X3

@Â3

@X3

1CCAGrad~Â =

μ~EK

@

@XK

¶Ð (Âk~ek) =

@Âk

@XK

~EK Ð ~ek =

0BB@@Â1

@X1

@Â2

@X1

@Â3

@X1

@Â1

@X2

@Â2

@X2

@Â3

@X2

@Â1

@X3

@Â2

@X3

@Â3

@X3

1CCA

F = (Grad~Â)T =

0BB@@Â1

@X1

@Â1

@X2

@Â1

@X3

@Â2

@X1

@Â2

@X2

@Â2

@X3

@Â3

@X1

@Â3

@X2

@Â3

@X3

1CCA =

0BB@@x1

@X1

@x1

@X2

@x1

@X3

@x2

@X1

@x2

@X2

@x2

@X3

@x3

@X1

@x3

@X2

@x3

@X3

1CCA =

0@ 1 t 00 1 00 0 1

1AF = (Grad~Â)T =

0BB@@Â1

@X1

@Â1

@X2

@Â1

@X3

@Â2

@X1

@Â2

@X2

@Â2

@X3

@Â3

@X1

@Â3

@X2

@Â3

@X3

1CCA =

0BB@@x1

@X1

@x1

@X2

@x1

@X3

@x2

@X1

@x2

@X2

@x2

@X3

@x3

@X1

@x3

@X2

@x3

@X3

1CCA =

0@ 1 t 00 1 00 0 1

1AdetF = 1detF = 1

d~x = F ¢ d ~Xd~x = F ¢ d ~X0@ 1 t 00 1 00 0 1

1A0@ 100

1A =

0@ 100

1A ;

0@ 1 t 00 1 00 0 1

1A0@ 100

1A =

0@ 100

1A ;

0@ 1 t 00 1 00 0 1

1A0@ 010

1A =

0@ t10

1A ;

0@ 1 t 00 1 00 0 1

1A 0@ 001

1A =

0@ 001

1A

Příklad

Page 30: Mechanika kontinua – ást 1 Úvod a Geometrie deformace

.

Prostorový deformační gradient F¡1 = (grad ~¡1)TF¡1 = (grad ~¡1)T

X1 = x1 ¡ x2t

X2 = x2

X3 = x3

X1 = x1 ¡ x2t

X2 = x2

X3 = x3

~X = ~¡1(~x; t)~X = ~¡1(~x; t)

F¡1 = (grad~¡1)T =

0BB@@X1

@x1

@X1

@x2

@X1

@x3

@X2

@x1

@X2

@x2

@X2

@x3

@X3

@x1

@X3

@x2

@X3

@x3

1CCA =

0@ 1 ¡t 00 1 00 0 1

1AF¡1 = (grad~¡1)T =

0BB@@X1

@x1

@X1

@x2

@X1

@x3

@X2

@x1

@X2

@x2

@X2

@x3

@X3

@x1

@X3

@x2

@X3

@x3

1CCA =

0@ 1 ¡t 00 1 00 0 1

1AdetF¡1 = 1detF¡1 = 1

F ¢ F¡1 =

0@ 1 t 00 1 00 0 1

1A ¢

0@ 1 ¡t 00 1 00 0 1

1A =

0@ 1 ¡t + t 00 1 00 0 1

1A =

0@ 1 0 00 1 00 0 1

1A = IF ¢ F¡1 =

0@ 1 t 00 1 00 0 1

1A ¢

0@ 1 ¡t 00 1 00 0 1

1A =

0@ 1 ¡t + t 00 1 00 0 1

1A =

0@ 1 0 00 1 00 0 1

1A = I

Greenův deformační tenzor (použijeme zanedlouho):

C = FT ¢ F =

0@ 1 0 0t 1 00 0 1

1A ¢

0@ 1 t 00 1 00 0 1

1A =

0@ 1 t 0t t2 + 1 00 0 1

1A symetrickápozitivně definitní

matice

Příklad

Page 31: Mechanika kontinua – ást 1 Úvod a Geometrie deformace

.

x1 = X1 + X2t

x2 = X2

x3 = X3

x1 = X1 + X2t

x2 = X2

x3 = X3

X1 = x1 ¡ x2t

X2 = x2

X3 = x3

X1 = x1 ¡ x2t

X2 = x2

X3 = x3

~x = ~Â( ~X; t)~x = ~Â( ~X; t) ~X = ~¡1(~x; t)~X = ~¡1(~x; t)

x3x3

x2x2

x1x1

DD

x1 = ¡X3

x2 = 1¡X2

x3 = D ¡X1 ¡X2t

x1 = ¡X3

x2 = 1¡X2

x3 = D ¡X1 ¡X2t

Příklad

Pokud bychom použili 2 různé souřadné soustavy, bude řešení analogické:

Úlohu jsme řešili pro případ, kdy souřadné soustavy a jsou totožné:

f ~E1; ~E2; ~E3gf ~E1; ~E2; ~E3g f~e1; ~e2; ~e3gf~e1; ~e2; ~e3g