background image

Arkusz 05: Stan odkształcenia. Arkusz przeznaczony do ćwiczeń z przedmiotu „Podstawy wytrzymałości materiałów” na II roku dziennych studiów 
Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Robotyki AGH na kierunku „IMIM” w roku akademickim 2014/2015.

Notatki do ćwiczeń z przedmiotu „

Notatki do ćwiczeń z przedmiotu „

Podstawy wytrzymałości materiałów

Podstawy wytrzymałości materiałów

Arkusz 0

Arkusz 0

5: Stan odkształcenia

5: Stan odkształcenia

Podstawy teoretyczne stanu odkształcenia należy opanować na podstawie wykładu i książek: [1], [2] 
(rozdział 6). Poniżej znajduje się tylko konspekt, podaną tu wiedzę należy uzupełnić w oparciu o literaturę.

1. Stan odkształcenia – pojęcia i definicje

Stan odkształcenia w punkcie można opisać za pomocą tensora odkształcenia:

T

ε

=

[

ε

11

ε

12

ε

13

ε

21

ε

22

ε

23

ε

31

ε

32

ε

33

]

,

T

ε

=

[

ε

x

1
2

γ

xy

1

2

γ

xz

1
2

γ

yx

ε

y

1
2

γ

yz

1

2

γ

zx

1
2

γ

zy

ε

z

]

gdzie odpowiednio:

ε

ij

ji

oraz

1
2

γ

ij

=

1
2

γ

ji

Mamy tutaj dwie notacje, pierwsza jest notacją wskaźnikową (i,j=1,2,3),
natomiast druga jest zwyczajową notacją inżynierską (w układzie x,y,z). W
notacji wskaźnikowej odkształcenie (w swoim ogólnym sensie) oznaczane
jest  przez 

ε

ij

.  Natomiast notacja  inżynierska  stosuje  oznaczenie

ε

i

dla  określenia   odkształceń  liniowych,   ułożonych  na  przekątnej   macierzy
macierzy odkształcenia, zaś oznaczenie

γ

ij

 jako określenie odkształceń

kątowych, umieszczonych poza przekątną macierzy.

• Odkształceniem   liniowym

ε

i

nazywa   się   miarę   wydłużenia

względnego   nieskończenie   małego   włókna   materialnego   w   procesie
deformacji.

• Odkształceniem kątowym

γ

ij

nazywa się miarę zmiany kąta między

dwoma pierwotnie prostopadłymi włóknami w procesie deformacji. (Inna
nazwa: odkształcenie postaciowe.)

• Mówiąc   tylko:   „odkształcenie”,   mamy   na   myśli   jedno   z   dwóch

powyższych, bez wskazania, o które dokładnie chodzi.

© Copyright: Anna Stręk. Autorem arkusza jest Anna Stręk. Arkusz stanowi przedmiot prawa autorskiego określonego w Ustawie o prawie 
autorskim i prawach pokrewnych (Dz. U. 1994 r. Nr 24 poz.83 z późn. zmianami). Autor nie wyraża zgody na inne wykorzystywanie arkusza niż 
podane w jego przeznaczeniu. 

1

Rysunek 1: Odkształcenie liniowe i kątowe włókien.

(Autorem rysunku jest mgr inż. Paweł Szeptyński, 

dziękuję za udostępnienie.)

background image

Arkusz 05: Stan odkształcenia. Arkusz przeznaczony do ćwiczeń z przedmiotu „Podstawy wytrzymałości materiałów” na II roku dziennych studiów 
Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Robotyki AGH na kierunku „IMIM” w roku akademickim 2014/2015.

Warto zapoznać się z jeszcze jednym pojęciem: macierz odkształcenia

1

 w punkcie to uporządkowany zbiór odkształceń 

liniowych i kątowych trzech włókien przechodzących przez ten punkt i równoległych do osi przyjętego układu 
współrzędnych.

2. Stan odkształcenia – interpretacja fizyczna

Powyższe definicje niewiele mówią, bez odniesienia się do zjawisk fizycznych, które są przez nie opisywane. Omówienie
fizycznego pochodzenia takiego opisu stanu odkształcenia w punkcie, razem z wiele wyjaśniającymi rysunkami, znajduje
się   we   wspomnianej   już   literaturze  [1],  [2]  (rozdział   6).   Faktyczne   zjawiska,   z   jakimi   mamy   do   czynienia   przy   tym
zagadnieniu   łatwo   i   logicznie   wyjaśniają   np.:   dlaczego   w   macierzy   odkształcenia   ujęta   jest   tylko   połowa   kąta
odkształcenia,   skąd   bierze   się   nazwa   „odkształcenie   postaciowe”   itp.   (Kilka   zdań,   które  nieco   przybliżają  ten   aspekt
znajduje się także w punkcie 6 tego arkusza.)

I jeszcze jedna ważna uwaga: chociaż tensor naprężenia i tensor odkształcenia – lub odpowiednio: macierz naprężenia
i macierz odkształcenia – mają bardzo podobną wizualnie postać, to jednak dotyczą dwóch zupełnie innych fizycznych
wielkości! Proszę na przykład porównać wymiary (jednostki), w jakich podajemy wartości dla obu macierzy.

3. Postać główna macierzy odkształcenia

Zagadnienie   postaci   głównej   macierzy   jest   w   zasadzie   zagadnieniem   algebraicznym.   Dla   macierzy   będącej
uporządkowanym   zbiorem   wartości   pewnej   wielkości   fizycznej   (w   naszym   przypadku   miar   odkształceń   liniowych
i kątowych) jej postać główna ma swoją interpretację fizyczną.

Postać główna macierzy odkształcenia to postać, dla której wszystkie odkształcenia kątowe są równe 0:

← mamy tu zapis w notacjach, kolejno: wskaźnikowej, 
inżynierskiej, w osiach głównych (1,2,3).

Znajdywanie postaci głównej macierzy jest zagadnieniem algebraicznym, związanym z rozwiązywaniem tzw.  równania
wiekowego
 oraz tzw. niezmiennikami macierzy. Na kursie nie będzie wymagana znajomość algorytmu szukania postaci
głównej. Natomiast, w wielu programach do obliczeń matematycznych jest już gotowe polecenie lub komenda, która
pozwala na znalezienie postaci głównej dowolnej macierzy ([3]).

4. Dylatacja

Dylatacją nazywamy względną zmianę objętości w punkcie. Jest ona równa:

= ε

1

+ ε

2

+ ε

3

= ε

x

+ ε

y

+ ε

z

.

5. Przestrzenny a płaski stan odkształcenia 

W przeważającej części przypadków będziemy  rozważali przestrzenny  stan odkształcenia.  Właściwie  poza nielicznymi
przykładami, kiedy geometryczne uwarunkowania zapobiegają odkształceniom w jednym kierunku, nie mówi się o stanie
płaskim odkształcenia w konstrukcji.

Natomiast zagadnieniem pokrewnym jest stan, który powstaje na nieobciążonej powierzchni konstrukcji. Przyjmujemy, że
na nieobciążonej powierzchni konstrukcji występuje stan płaski naprężenia; ze związków konstytutywnych (o tym będzie
mowa w odpowiednim arkuszu) wiemy, jaki wówczas zostaje także wygenerowany stan odkształcenia:

T

σ

=

[

σ

x

τ

xy

0

τ

yx

σ

y

0

0

0

0

]

związki konstytutywne

T

ε

=

[

ε

x

0,5 γ

xy

0

0,5 γ

yx

ε

y

0

0

0

ε

z

]

1

Różnica pomiędzy pojęciem tensora i macierzy oczywiście istnieje, można odwołać się do odpowiedniej literatury z zakresu algebry w celu pogłębienia tej wiedzy. 
Wiedza ta nie będzie wymagana w czasie obecnego kursu.

© Copyright: Anna Stręk. Autorem arkusza jest Anna Stręk. Arkusz stanowi przedmiot prawa autorskiego określonego w Ustawie o prawie 
autorskim i prawach pokrewnych (Dz. U. 1994 r. Nr 24 poz.83 z późn. zmianami). Autor nie wyraża zgody na inne wykorzystywanie arkusza niż 
podane w jego przeznaczeniu. 

2

T

ε

p

=

[

ε

11

0

0

0

ε

22

0

0

0

ε

33

]

,

T

ε

p

=

[

ε

x

0

0

0

ε

y

0

0

0

ε

z

]

,

T

ε

p

=

[

ε

1

0

0

0

ε

2

0

0

0

ε

3

]

background image

Arkusz 05: Stan odkształcenia. Arkusz przeznaczony do ćwiczeń z przedmiotu „Podstawy wytrzymałości materiałów” na II roku dziennych studiów 
Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Robotyki AGH na kierunku „IMIM” w roku akademickim 2014/2015.

Dla takiego stanu odkształcenia i przypadku nieobciążonej powierzchni konstrukcji popularne jest zadanie tzw.  rozety
tensometrycznej
.   Zadanie   to   pozwala   za   pomocą   doświadczalnego   pomiaru   odkształceń   znaleźć   kierunki   i   wartości
główne   macierzy   dla   płaskiego   stanu   naprężenia.   Zasadę   działania   rozety   tensometrycznej,   wzory   transformacyjne
i przykładowe zadanie znaleźć np. w książkach: [2] (r. 6, przykład 6.8.1), [4], [5] (przykład 6.1).

6. Równania geometryczne, równania nierozdzielczości

Do tej pory w bieżącym arkuszu posługiwano się terminem:  odkształcenie, aby opisać proces deformacji ciała. Można
powiedzieć,   że   opis   „odkształceniowy”   jest   ściśle   związany   z   ciałem,   poprzez   to,   że   rozważamy,   co   dzieje   się
z nieskończenie małym włóknem ciała przed i po deformacji: a) w stosunku do niego samego – zmiana długości, b) lub
w stosunku do innego, pierwotnie do niego prostopadłego – zmiana kąta między nimi.

Jeżeli   jednak   zagęścimy   naszą   analizę   poprzez   rozważanie   już   nie   nieskończenie   małych   włókien,   ale   punktów
materialnych   należącego   do   ciała,   oraz   zrezygnujemy   z   „autoodniesienia”   włókien   i   zamiast   tego   posłużymy   się
odniesieniem do zewnętrznego układu współrzędnych, nasza dyskusja stanie się dyskusją przemieszczeń punktów ciała
w procesie deformacji.

To bardzo ważne, aby zdać sobie sprawę z różnicy pomiędzy tymi dwoma pojęciami: odkształcenie i przemieszczenie.
Przy   okazji,   trzeba   zauważyć,   że   każde   z   tych   pojęć   stanowi   pewnego   rodzaju   podejście   do   opisu   wspomnianej   już
kilkakrotnie  deformacji  ciała. Na potrzeby tego kursu można przyjąć, że pod terminem „deformacja” należy rozumieć
proces,   któremu   podlega   ciało   deformowalne   (odkształcalne,   niesztywne)   pod   wpływem   przyłożonego   do   niego
obciążenia.

Jako że odkształcenie i przemieszczenie mogą być rozumiane jako opis tego samego
procesu   (zjawiska   fizycznego)   –   deformacji,   to   naturalnie,   między   tymi   dwoma
sposobami   opisu   deformacji   ciała   istnieje   związek.   Można   wyprowadzić   go
matematycznie, ma on postać tzw. równań geometrycznych. Oczywiście podanie tych
równań bez właściwego zdefiniowania samego przemieszczenia

̄u

jest nieścisłe.

W tej postaci widać jednak pewną ważną cechę, wiedza o której będzie potrzebna. Otóż można zauważyć, że między
odkształceniem a przemieszczeniem występuje związek różniczkowy: mamy tu w ogólności układ sześciu równań na trzy
niewiadome składowe wektora przemieszczenia. Ten układ nie zawsze musi mieć rozwiązanie. Aby rozwiązanie istniało,
funkcje odkształceń muszą spełniać tzw.  równania nierozdzielczości  (są to równania łączące związkami różniczkowymi
odkształcenia pomiędzy sobą). Interpretacja fizyczna tych związków jest następująca: funkcje odkształceń muszą być ze
sobą tak związane, aby ciało przed i po deformacji stanowiło continuum (patrz: rysunek 6.9 z książki [2]).

• Odkształcenie liniowe i kątowe.

Definicja tensora, macierzy odkształcenia. Zapis wskaźnikowy i inżynierski. Postać główna macierzy odkształcenia.

• Interpretacja fizyczna elementów macierzy odkształcenia. Porównanie z macierzą naprężenia. Jednostki.
• Dylatacja – definicja i wyprowadzenie wzoru.
• Odkształcenie objętościowe i postaciowe.
• Rozeta tensometryczna – co to jest, kiedy i w jakim celu się ją stosuje, zasada działania (wzory 
transformacyjne i zadania obliczeniowe nie będą wymagane w tej części).
• Odkształcenie, przemieszczenie, deformacja – definicje, opis.

7. Literatura

[1] Piechnik S. „Mechanika techniczna ciała stałego”, Wydawnictwo PK, Kraków 2007
[2] Bodnar A. „Wytrzymałość materiałów. Podręcznik dla studentów wyższych szkół technicznych”, wydanie drugie poszerzone i 

poprawione, Kraków 2004, rozdział 6

[3] Programy komputerowe do obliczeń – zagadnienie postaci głównej macierzy (MathCAD, Matlab, Octave i inne)
[4] Niezgodziński M., Niezgodziński T. „Zadania z wytrzymałości materiałów”, Wydawnictwo WNT, Warszawa 2012 
[5] Bąk R., Burczyński T. „Wytrzymałość materiałów z elementami ujęcia komputerowego”, Wydawnictwo WNT, Warszawa 2001

© Copyright: Anna Stręk. Autorem arkusza jest Anna Stręk. Arkusz stanowi przedmiot prawa autorskiego określonego w Ustawie o prawie 
autorskim i prawach pokrewnych (Dz. U. 1994 r. Nr 24 poz.83 z późn. zmianami). Autor nie wyraża zgody na inne wykorzystywanie arkusza niż 
podane w jego przeznaczeniu. 

3

Równania geometryczne (i,j=1,2,3)

ε

ij

=

1
2

[

∂ u

i

∂ x

j

+

∂ u

j

∂ x

i

+

k=1

3

u

k

∂ x

i

∂ u

k

∂ x

j

]