background image

 

 

Wykład 2 

Naprężenia główne  

 

Poszukajmy płaszczyzny dowolnie nachylonej do osi układu współrzędnych i o tej 

własności, by wektor naprężenia na tej płaszczyźnie był współosiowy z wektorem 

nr

wektorem który orientuje tę płaszczyznę w przestrzeni (wektorem do niej normalnym). 

Oznaczmy przez s

i

 składowe tego wektora. Wektor ten możemy zapisać tak: 

 

j

j

n

e

r

r

=

σ

)

(

. (1) 

Z postulatu współliniowości wektora 

)

(n

σ

r

 z wektorem 

nr

 wynika  

 

n

n

r

r

σ

=

σ

)

(

, (2) 

albo 

 

j

j

n

e

r

r

σ

=

σ

)

(

 (3) 

gdzie 

σ

 jest długością poszukiwanego wektora. 

Porównajmy (1) z (3). 

 

j

j

j

j

e

n

e

s

r

r

σ

=

, (4) 

ale  

 

 

a) przypadek ogólny,                                                        b) płaszczyzna główna. 

background image

 

 

 

i

ij

j

n

s

σ

=

 (5) 

Z (4) i (5) otrzymamy 

 

j

i

ij

n

n

σ

=

σ

 (6) 

albo 

 

(

)

0

=

δ

σ

σ

i

ij

ij

n

 (7) 

Jest to jednorodny układ liniowych równań algebraicznych, w którym niewiadomymi są  

 

i

n

,

σ

 (8) 

Mamy zatem cztery niewiadome i trzy równania (7). Brakujące równanie wynika ze 

znanej długości wektora 

nr

 (długość jednostkowa) 

 

1

=

i

i

n

n

 (9) 

Warunkiem istnienia niezerowych rozwiązań układu (7) jest znikanie wyznacznika 

 

(

)

0

det

=

δ

σ

σ

ij

ij

 (10) 

Rozpisanie tego warunku prowadzi do równania algebraicznego trzeciego rzędu na 

poszukiwane 

σ

 

0

3

2

2

1

3

=

σ

+

σ

σ

I

I

I

 (11) 

gdzie 

 

(

)

( )

.

det

det

,

2

1

,

33

32

31

23

22

21

13

12

11

3

33

31

13

11

33

32

23

22

22

21

12

11

2

33

22

11

1

σ

σ

σ

σ

σ

σ

σ

σ

σ

=

σ

=

σ

σ

σ

σ

=

σ

σ

σ

σ

+

σ

σ

σ

σ

+

σ

σ

σ

σ

=

σ

+

σ

+

σ

=

σ

=

ij

ij

ij

mm

kk

ii

I

I

I

 (12) 

Jest to równanie wiekowe (sekularne) Laplace’a, a jego parametrami są niezmienniki 

tensora naprężenia zdefiniowane poprzednio. 

Równanie wiekowe ma zawsze trzy pierwiastki rzeczywiste 

3

2

1

,

,

σ

σ

σ

. Nazywamy 

je naprężeniami głównymi. Po uporządkowaniu tworzą trójkę uporządkowanych naprężeń 

głównych: 

III

II

I

σ

σ

σ

,

,

, przy czym 

background image

 

 

 

(

)

(

)

III

II

I

II

III

I

σ

σ

σ

=

σ

σ

σ

σ

=

σ

σ

σ

σ

=

σ

,

,

,

min

.

,

,

max

3

2

1

3

2

1

pośrednia

wartość

 (13) 

Wróćmy do równania (7) aby wyznaczyć kierunki odpowiadające kolejnym 

naprężeniom głównym. Za 

σ

 podstawiamy kolejno 

III

II

I

σ

σ

σ

,

,

 i wyliczamy składowe 

wektorów 

)

(

)

(

)

(

,

,

III

II

I

n

n

n

r

r

r

. W przypadku poszukiwania kierunku 

)

(I

nr

, układ (7) 

przyjmie postać 

 

(

)

0

)

(

=

δ

σ

σ

I

ij

I

ij

i

n

. (14) 

Układ ten należy każdorazowo uzupełnić warunkiem (9). 

Można pokazać,  że osie główne tensora naprężenia opisane wektorami 

)

(

)

(

)

(

,

,

III

II

I

n

n

n

r

r

r

 są zawsze do siebie prostopadłe.  

W ten sposób pokazaliśmy,  że dowolny stan naprężenia zilustrowany na rys. a można 

zawsze sprowadzić do stanu naprężenia odpowiadającego działaniu trzech naprężeń 

normalnych na trzy wzajemnie prostopadłe płaszczyzny (por. rys b). Mówiąc obrazowo, 

efekt ten można osiągnąć poprzez umiejętny obrót kostki sześciennej na ściankach której 

uwidoczniono składowe stanu naprężenia. Na rysunkach pokazano jedynie naprężenia na 

widocznych płaszczyznach. Na trzech niewidocznych występują naprężenia wynikające z 

warunku równowagi myślowo wydzielonej kostki sześciennej. 

 

 

a)                                                                          b) 

background image

 

 

Koło Mohra 

Jeżeli w danym punkcie ośrodka znane są naprężenia główne 

III

II

I

σ

σ

σ

,

,

, to stan 

naprężenia w tym punkcie panujący na płaszczyźnie dowolnie nachylonej do kierunków 

głównych (por. rys.) można wyznaczyć za pomocą konstrukcji graficznej zwanej kołem 

Mohra. 

Niech wektor tworzy z osiami głównymi kąty 

α

β

γ

 odpowiednio. Mamy więc 

 

.

1

,

cos

,

cos

,

cos

3

2

1

=

=

=

=

i

i

n

n

n

n

n

γ

β

α

 (15) 

Konstrukcja koła Mohra pokazanego na rys. przebiega następująco. 

Na osi odciętych zaznaczamy trzy punkty M

1

,  M

2

,  M

3

 odpowiadające wartościom 

naprężeń głównych. Wykreślamy trzy okręgi oparte na odcinkach M

3

M

1

M

3

M

2

M

2

M

1

  (por. 

rysunek). Prowadzimy odcinek M

1

A pod kątem 

α

 oraz odcinek M

3

B pod kątem 

γ

Zakreślamy  łuki 

C

A

O

:

3

 i 

C

B

O

:

2

. Punkt C odcina na osiach 

σ

 i 

τ

, i są to 

poszukiwane naprężenia. 

Wnioski z konstrukcji koła Mohra. 

1. 

σ

Ι

 

 jest największym, a 

σ

ΙΙΙ

 

– najmniejszym ze wszystkich możliwych naprężeń 

normalnych jakie mogą wystąpić w tym punkcie. 

2.

 Maksymalne naprężenia styczne występują na płaszczyznach nachylonych pod kątem 

45

o

 do kierunków głównych  I i III. Wartości tych naprężeń  są równe promieniowi 

największego koła i wynoszą  

 

2

max

III

I

σ

σ

τ

=

. (16) 

Towarzyszą im naprężenia normalne  

 

2

III

I

σ

σ

σ

+

=

. (17) 

3. Możliwe stany naprężenia to tylko te z obszaru zaciemnionego. 

background image

 

 

background image

 

 

Różniczkowe równania równowagi wewnętrznej. 

Rozważmy równowagę sił działających na wydzieloną część ciała pozostającego w 

równowadze. Na każdą jednostkę objętości ciała działa wektor sił objętościowych 

 

i

i

e

X

X

r

r

=

. (18) 

Wektorowy warunek równowagi wydzielonej części ciała zapiszemy tak 

 

,

0

)

(

=

+

V

A

n

dV

X

dA

r

r

σ

 (19) 

 

,

0

=

+

V

j

j

A

j

j

dV

e

X

dA

e

s

r

r

 (20) 

ale  
 

i

ij

j

n

s

σ

=

 (21) 

 

,

0

=



+

V

j

A

i

ij

j

dV

X

dA

n

e

σ

r

 (22) 

Twierdzenie Gaussa–Ostrogradzkiego  

 

=

V

j

A

j

dV

F

dA

n

F

'

, (23) 

pozwala zamienić całkę powierzchniową na całkę objętościową. Wykorzystamy je do 

pierwszej całki. 

Otrzymamy 

 

,

0

'

=

+

V

j

V

i

ij

dV

X

dV

σ

 (24) 

 

 

background image

 

 

czyli 

 

.

0

'

=

+

j

i

ij

X

σ

 (25) 

Tak otrzymaliśmy różniczkowe równania równowagi wewnętrznej nazywane 

równaniami Naviera. 

Rozważmy teraz równanie równowagi momentów względem początku układu 

współrzędnych. Wektorowy warunek równowagi momentowej wydzielonej części ciała 

zapiszemy tak 

 

,

0

)

(

=

×

+

×

V

A

n

dV

X

r

dA

r

r

r

r

r

σ

 (26) 

ale 

 

k

j

i

ijk

e

b

a

e

b

a

r

r

r

=

×

,  

(27) 

gdzie e

ijk

 jest symbolem permutacyjnym. 

 

,

0

=

+

V

k

j

i

ijk

A

k

j

i

ijk

dV

e

X

x

e

dA

e

s

x

e

r

r

 (28) 

ale  

 

m

mj

j

n

s

σ

=

 (29) 

 

,

0

=



+

V

j

i

A

m

mj

i

k

ijk

dV

X

x

dA

n

x

e

e

σ

r

 (30) 

Pierwszą całkę zamienimy na całkę objętościową korzystając z twierdzenie Gaussa–

Ostrogradzkiego. Otrzymamy 

 

(

)

,

0

'

=



+

V

j

i

A

m

mj

i

k

ijk

dV

X

x

dV

x

e

e

σ

r

 (33) 

Po dalszych przekształceniach otrzymamy 

 

,

0

'

=



+

+

V

V

V

j

i

m

mj

i

mj

im

k

ijk

dV

X

x

dV

x

dV

e

e

σ

σ

δ

r

 (32) 

Na mocy równań Naviera (25) wyrazy podkreślone znikają. Pozostaje zatem 

 

,

0

=

ij

ijk

e

σ

 (33) 

background image

 

 

Otrzymaliśmy tzw. warunki Cauchy’ego, które muszą być spełnione przez składowe 

tensora naprężenia. Wynika z nich symetria tensora naprężenia  

 

ji

ij

σ

σ

=

 (34) 

 

Naprężeniowe warunki brzegowe 

Jeśli rozważymy równowagę czworościanu przyległego do powierzchni zewnętrznej 

ciała, na którą działają rozłożone obciążenia powierzchniowe, to zamiast związku  

 

i

ij

j

n

s

σ

=

 (35) 

otrzymamy  

 

i

ij

j

n

p

σ

=

 (36) 

  Tą zależnością związane są składowe wektora powierzchniowych obciążeń 

zewnętrznych ze składowymi tensora naprężenia w dowolnym punkcie powierzchni 

zewnętrznej rozpatrywanego ciała. 

 

 

background image

 

 

Przykład 

Stan naprężenia w pewnym ciele jest opisany w sposób następujący 

.

3

33

32

23

31

13

2

2

21

12

2

1

11

1

11

,

0

,

2

3

,

6

,

2

1

x

C

x

b

x

a

x

x

a

x

b

=

σ

=

σ

=

σ

=

σ

=

σ

=

σ

=

σ

=

σ

=

σ

 

Sprawdzić równania Naviera jeśli wiadomo, że 

C

X

X

X

=

=

=

3

2

1

,

0

 

Rozpiszmy równania Naviera: 

0

,

=

+

σ

j

i

ij

X

Pierwsze równanie: 

0

1

3

'

31

2

'

21

1

'

11

=

+

σ

+

σ

+

σ

X

Po podstawieniu 

0

0

2

2

=

+

b

b

 – jest spełnione. 

Kolejne równania 

0

2

3

'

32

2

'

22

1

'

12

=

+

σ

+

σ

+

σ

X

0

0

6

6

1

1

=

+

+

x

a

x

a

 – jest spełnione, 

0

3

3

'

33

2

'

23

1

'

13

=

+

σ

+

σ

+

σ

X

0

=

+

C

C

 – też jest spełnione.