张量和应力张量幻灯片.ppt

张量和应力张量第1页，共17页，编辑于2022年，星期六1 张量的基本概念1.1 角标符号1.2 求和约定1.3 张量的基本概念1.4 张量的某些基本性质第2页，共17页，编辑于2022年，星期六1.1 角标符号带有下角标的符号称为角标符号，可用来表示成组的符号或数组。例：直角坐标系的三根轴x、y、zx1、x2、x3 xi(i=1，2，3)；空间直线的方向余弦l、m、n lx、ly、lz li(i=x，y，z)；表示一点应力状态的九个应力分量xx、xy ij(i，j=x，y，z)；等等。第3页，共17页，编辑于2022年，星期六如果一个角标符号带有个m角标，每个角标取n个值，则该角标符号代表nm个元素。例ij(i，j=x，y，z)有32=9个元素(即九个应力分量)。第4页，共17页，编辑于2022年，星期六1.2 求和约定求和约定：如果在算式的某一项中有某个角标重复出现，就表示要对该角标自1n的所有元素求和。例空间中的平面方程为：采用角标符号A、B、Ca1、a2、a3 ai(i=1，2，3)x，y，z xi(i=1，2，3)上式可写成：采用求和约定则可简记为：第5页，共17页，编辑于2022年，星期六求和约定-合并例例1例2重复出现的角标称为哑标，不重复出现的角标称为自由标。自由标不包含求和的意思，但它可表示该表达式的个数。第6页，共17页，编辑于2022年，星期六求和约定-展开例例1例2例3第7页，共17页，编辑于2022年，星期六例4例5第8页，共17页，编辑于2022年，星期六例6第9页，共17页，编辑于2022年，星期六1.3 张量的基本概念只需一个实数就可以表示出来简单的物理量称为标量。例如距离、时间、温度等。需用空间坐标系中的三个分量来表示的物理量称为矢量。例如位移、速度、力等。对于复杂的物理量，例如应力状态、应变状态等，需要用空间坐标系中的三个矢量(也即九个分量)才能完整地表示出来，这就是张量。张量是矢量的推广，与矢量相类似，可以定义为：由若干个当坐标系改变时满足转换关系的分量所组成的集合称为张量。第10页，共17页，编辑于2022年，星期六物理量P在空间坐标系xi(i=1，2，3)中存在九个分量Pij(i，j=1，2，3)；在新空间坐标系 xk(k=1，2，3)中存在九个新分量Pkr(k，r=1，2，3)。坐标系间关系九个方向余弦可记为lki或lrj(i，j=1，2，3；k，r=1，2，3)。由于cos(xk,xi)=cos(xi,xk)，所以lki=lik，lrj=ljr。l33l32l31x3l23l22l21x2l13l12l11x1x3x2x1第11页，共17页，编辑于2022年，星期六张量概念及其判别式若物理量P在坐标系xi中的九个分量Pij与在坐标系xk中的九个分量Pkr之间存在下列线性变换关系：则这个物理量则为张量。用矩阵表示：张量所带的下角标的数目称为张量的阶数。Pij是二阶张量，矢量是一阶张量，而标量则是零阶张量。第12页，共17页，编辑于2022年，星期六二阶张量的判别式的矩阵形式第13页，共17页，编辑于2022年，星期六1.4 张量的某些基本性质存在张量不变量张量的分量一定可以组成某些函数f=f(Pij)，其值与坐标轴的选取无关，即不随坐标而变，这样的函数就叫做张量的不变量。对于二阶张量，存在三个独立的不变量。张量可以叠加和分解几个同阶张量各对应分量之和或差定义为另一同阶张量。两个相同的张量之差定义为零张量。第14页，共17页，编辑于2022年，星期六张量可分对称张量、非对称张量、反对称张量若Pij=Pji，则为对称张量；若PijPji，则为非对称张量；若Pij=-Pji，则为反对称张量。二阶对称张量存在三个主轴和三个主值如取主轴为坐标轴，则两个下角标不同的分量都将为零，只留下两个下角标相同的三个分量，称为主值。第15页，共17页，编辑于2022年，星期六1.5 应力张量外力确定后，受力物体内任意点的应力状态即已确定。但表示该点应力状态的各个分量在不同坐标系中将有不同的数值，因此在不同坐标系中该点的应力分量之间应该存在一定的关系。设受力物体内一点的应力状态为：在xi(i=x，y，z)坐标系中为ij(i，j=x，y，z)；在xk(k=x，y，z)坐标系中为kr(k，r=x，y，z)；ij与kr之间的关系符合数学上张量的定义，即存在线性变换关系：第16页，共17页，编辑于2022年，星期六因此，表示点应力状态的九个应力分量构成一个二阶张量，称为应力张量。可用张量符号ij表示；由于切应力互等，所以应力张量是二阶对称张量；每一分量称为应力张量分量。根据张量的基本性质，应力张量可以叠加和分解、存在三个主轴(主方向)和三个主值(主应力)以及三个独立的应力张量不变量。第17页，共17页，编辑于2022年，星期六