background image

WYKŁAD 1 

TEORIA SPRĘŻYSTOŚCI I PLASTYCZNOŚCI

 

Mechanika Ciała Stałego 

Mechanika Ośrodków Ciągłych  

 
Porównanie TS z Mechaniką Budowli i Wytrzymałością Materiałów  
1.  Mechanika budowli (kurs MO i MB) – elementy prętowe 

Zadanie: siły wewnętrzne M, T, N w elementach (przekrój 
poprzeczny jako punkt osi pręta; w nim określone są siły 
wewnętrzne  

   

 

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann  

•  Teoria sprężystości i plastyczności  – Wykład. 1  •  KMBiM WILiŚ PG 

1

background image

2.  Wytrzymałość materiałów – elementy prętowe 

Zadanie: rozkład naprężeń w przekrojach elementów prętowych. 
Naprężenie – wielkość zdefiniowana w punkcie obiektu, 
odniesiona do określonego w tym punkcie przekroju zadaną 
płaszczyzną (wektor normalny)  

     

 

3.  Teoria Sprężystości i Plastyczności – obiekty 2D i 3D  

określone: kształt (geometria) i parametry materiałowe, zadane 
obciążenie 
zadanie: w każdym punkcie określić  

•  wielkości statyczne – naprężenia [jedn. siły/ jedn. pow.] 

•  wielkości geometryczne – przemieszczenia i odkształcenia 

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann  

•  Teoria sprężystości i plastyczności  – Wykład. 1  •  KMBiM WILiŚ PG 

2

background image

Dwa podejście do problemu: 

•  rozwiązanie analityczne – właściwy kurs TSiP; 

wynik: funkcje położenia punktu – współrzędnych 



 

pola w 3D: naprężeń , przemieszczeń odkształceń); 
ujęcie analityczne, ciągłe (kontynualne); 
narzędzie: podstawowe równania TS – równania różniczkowe 
cząstkowe. 

{

}

1

2

3

T

x

x x x

=

•  rozwiązanie numeryczne – dyskretyzacja (podział na elementy, 

siatki węzłów) 
wynik: w zadanych węzłach wartości (pomiędzy węzłami 
interpolacja) – zbiór wartości naprężeń, przemieszczeń, 
odkształceń; 
ujecie numeryczne, dyskretne (dyskretyzowane) 
narzędzie: metody rachunku macierzowego, rozwiązywanie 
układu równań: 
grupa metod; najbardziej powszechna Metoda Elementów 
Skończonych  

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann  

•  Teoria sprężystości i plastyczności  – Wykład. 1  •  KMBiM WILiŚ PG 

3

background image

Kurs TSiP – jedynie ujęcie analityczne 
 
Część wykładowa
 – analiza 2D i 3D, ogólne prawa mechaniki  

•  opis stanu geometrycznego (przemieszczenia, odkształcenia) 

•  opis stanu naprężenia 

•  związki pomiędzy stanami naprężenia i odkształcenia. 
 
Część ćwiczeniowa
 – analiza 2D – dźwigary powierzchniowe 
(tarcze, płyty), stany PSO  
W kursie WM naprężenia, odkształcenia i przemieszczenia 
obliczane są w sposób uproszczony, inżynierski  
(faktycznie są one wielkościami tensorowymi).  
 
 

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann  

•  Teoria sprężystości i plastyczności  – Wykład. 1  •  KMBiM WILiŚ PG 

4

background image

TENSOR  

(wielkość tensorowa)

 

– ogólna matematyczna kategoria, grupująca zarówno wielkości 
skalarne, wektorowe jak i bardziej złożone, o większej liczbie 
składowych.  
 
Założenie: przestrzeń euklidesowa z kartezjańskim układem 
współrzędnych (bazą) 

{

} { }

1

2

3

,

1, 2,

T

i

x

x x x

x

i

=

=

=

3



Rząd tensora (walencja) – liczba wskaźników (indeksów) 
swobodnych, definiująca dana wielkość – liczbę jej składowych 

 

 
Tensor walencji 0 – skalar – jedna liczba (np. masa, temperatura, 
gęstość) 
 
Tensor walencji 1 – wektor – w danym układzie współrzędnych 
trzy składowe 

{

} { }

1

2

3

,

1, 2,

T

i

u

u u u

u

i

=

=

=

3



 (np. wektor 

położenia punktu, wektor prędkości, wektor przyspieszenia, wektor 
przemieszczenia) 

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann  

•  Teoria sprężystości i plastyczności  – Wykład. 1  •  KMBiM WILiŚ PG 

5

background image

Tensor walencji 2 – w danym układzie współrzędnych macierz  

11

12

13

21

22

23

31

32

33

ij

A

A

A

A A

A

A

A

A

A

A

= ⎢



    

,

1, 2, 3

i j

=

  9 składowych 

 
Tensor walencji n – zawiera   składowych (przestrzeń 
trójwymiarowa) 

3

n

 
Dwojaki zapis (notacja) wielkości tensorowych:  

•  zapis wskaźnikowy (indeksowy) – liczba wskaźników 

swobodnych (wolnych) równa jest walencji tensora np. 
wektora  , tensora drugiej walencji 

i

a

jk

B

  

•  zapis absolutny – wymaga określenia walencji tensora (liczby 

wskaźników): 

a



B



  

dla odróżnienia (umowa): wektory oznaczać będziemy małymi 
literami, tensory wyższej walencji – wielkimi literami. 

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann  

•  Teoria sprężystości i plastyczności  – Wykład. 1  •  KMBiM WILiŚ PG 

6

background image

Zachodzi równoważność: 

{

}

1

2

3

,

1, 2, 3;

1,2,

T

i

j

a

a a a

a

a i

j

=

=

=

=



3

   

11

12

13

21

22

23

31

32

33

jk

m

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

=

n



, , ,

1, 2, 3

m n

=

    

i j

=

 

 
 
 
Reguła sumacyjna Einsteina 
gdy w wyrażeniu jednomianowym wskaźnik występuje dwukrotnie, 
względem niego, w zakresie od 1 do 3 następuje sumowanie (jest to 
tzw. wskaźnik niemy – niewystępujący w wyrażeniu wynikowym  
 
 
 
 

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann  

•  Teoria sprężystości i plastyczności  – Wykład. 1  •  KMBiM WILiŚ PG 

7

background image

Przykłady: 
• 

   

3

1 1

2 2

3 3

1

i i

i i

i

a b

a b

a b

a b

a b

c

=

=

+

+

=

– iloczyn skalarny wektorów; wynik – skalar (liczba) 
Przypadek szczególny – kwadrat długości wektora 

3

2

2

2

2

1

2

3

1

i i

i i

i

a a

a a

a

a

a

a

=

=

+

+

=

 

 
• 

3

1 1

2 2

3 3

1

ij j

ij i

i

i

i

i

j

A b

A b

A b

A b

A b

=

=

+

+

d

=

   

– wektor (trzy składowe względem i
 
• 

3

3

11 1 1

12 1 2

1

1

...

ij i

j

ij i

j

i

j

A u u

A u u

A u u

A u u

k

=

=

=

+

+

∑∑

=

   

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann  

•  Teoria sprężystości i plastyczności  – Wykład. 1  •  KMBiM WILiŚ PG 

8

– liczba (tensor walencji 0, skalar)  – jest to forma kwadratowa 
tensora (macierzy) 

ij

A A



 względem wektora 

k

u u



  

background image

 

•  wyrażenie 

i

il l

p

K q

=

, można zastąpić np. formą 

m

ml l

p

K q

=

  

rozwinięcie – układ równań liniowych: 

 

  

1

1

11 1

12 2

13 3

2

2

21 1

22 2

23 3

3

3

31 1

32 2

33 3

1:

2 :
3 :

l l

l l

l l

i

p

K q

K q

K q

K

i

p

K q

K q

K q

K

i

p

K q

K q

K q

K

=

=

=

+

+

=

=

=

+

+

=

=

=

+

+

q

q

q

 
 
W zapisie absolutnym 

p Kq

=







  

Uwaga: działanie „mnożenia” ma zastosowanie także do tensorów 
wyższych rzędów (tzw. kontrakcja, nasunięcie proste); 
w odniesieniu do tensorów walencji 1 i 2 – interpretacja 
macierzowa. 
 

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann  

•  Teoria sprężystości i plastyczności  – Wykład. 1  •  KMBiM WILiŚ PG 

9

background image

• 

  

3

11

22

33

1

ii

ii

i

T

T T

T

T

t

=

=

= +

+

=



rT

ślad tensora walencji 2 (macierzy) – liczba  
Można użyć tzw. symbolu Kroneckera 

 

1 gdy
0 gdy

ik

i k

i k

δ

=

= ⎨

  

w zapisie absolutnym 

ik

I

δ

=



  (

9 składowych, tylko 3 niezerowe

 

• 

i j

k ijk

u v w

b

ε

=

  

wynik jest liczbą, wszystkie wskaźniki nieme 
symbol permutacji Ricci: 

1

permutacja parzysta (123, 231, 312)

1 permutacja nieparzysta (132, 213, 321)

0

którekolwiek wskaźniki wspólne

ijk

ε

= − −

  

W rozwinięciu 27 wyrazów, tylko 6 niezerowych

 

 

  

1 2

3

2 3 1

3 1

2

1 3

2

2 1

3

3 2

1

b u v w

u v w

u v w

u v w

u v w

u v w

=

+

+

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann  

•  Teoria sprężystości i plastyczności  – Wykład. 1  •  KMBiM WILiŚ PG 

10

background image

 

• 

  

ij

jk

ik

A B

C

=

wynik – tensor walencji 2 (ik – wskaźniki swobodne,  
j – wskaźnik niemy) 
zapis absolutny 

AB C

=

 



  

działania tensorowe – kontrakcja, nasunięcie proste w 
odniesieniu do tensorów walencji 2, 
interpretacja – mnożenie macierzy 
jeden z wyrazów 

11

11 11

12

21

13 31

C

A B

A B

A B

=

+

+

  

rozpisanie 

 

11

12

13

11

12

13

11

12

13

21

22

23

21

22

23

21

22

23

31

32

33

31

32

33

31

32

33

A

A

A

B

B

B

C

C

C

A

A

A

B

B

B

C

C

C

A

A

A

B

B

B

C

C

C

⎤ ⎡

⎤ ⎡

⎥ ⎢

⎥ ⎢

=

⎥ ⎢

⎥ ⎢

⎥ ⎢

⎥ ⎢

⎦ ⎣

⎦ ⎣

⎥⎦

  

 
 
 

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann  

•  Teoria sprężystości i plastyczności  – Wykład. 1  •  KMBiM WILiŚ PG 

11

background image

Tensory ortogonalne 

Obrót układu współrzędnych (bazy)  

1 2 3

Ox x x

 - układ pierwotny 

1 2 3

Ox x x

′ ′ ′

 - po transformacji 

Definiując kąty obrotu 

(

)

,

ij

i

j

x x

α

= )

  

Określa się macierz transformacji 

(

)

cos

cos

,

ij

ij

i

j

A

x x

α

=

=

⎦ ⎣

  

np. 

  

(

)

12

1

2

cos

,

A

x

=

x

    

 

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann  

•  Teoria sprężystości i plastyczności  – Wykład. 1  •  KMBiM WILiŚ PG 

12

background image

W układzie pierwotnym dowolny punkt P ma współrzędne 



,  

w nowym układzie ten sam punkt ma współrzędne 

.  

{

}

1

2

3

T

j

x

x

x x x

=

=

{

}

1

2

3

T

j

x

x

x x x

′ ′ ′

=

=



Transformacja współrzędnych punktu P (zarazem współrzędnych 
wektora wodzącego tego punktu) 

T

x

A

=







x

j

      lub   

i

ij

x

A x

′ =

    

1

11 1

12 2

13

2

21 1

22 2

23

3

31 1

32 2

33

x

A x

A x

A x

x

A x

A x

A x

x

A x

A x

A x

′ =

+

+

′ =

+

+

′ =

+

+

3

3

3

 

gdzie 

(

)

cos

,

ij

i

j

A

x x

=

, np. 

(

)

12

1

2

cos

,

A

x x

=

  

 
 
 
 

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann  

•  Teoria sprężystości i plastyczności  – Wykład. 1  •  KMBiM WILiŚ PG 

13

background image

 
Własności macierzy transformacji 
– długości wektorów wodzących   i 

x



x



 punktu P w obu układach są 

jednakowe, stad:  

2

T

k k

jk

j k

x

x x

x x

x x

δ

=

=

=



 

 

(

)

(

)

2

T

i i

ij

j

ik k

ij

ik

j k

x

x x

x x

A x

A x

A A x x

′ ′

′ ′

=

=

=

=



 

  

Długość wektora jest stała: 

(

)

0

ij

ik

ik

j k

A A

x x

δ

=

 dla każdego    

x



Stąd   

ij ik

ik

A A

δ

=

   lub  

T

A A I

=

 



   więc   

1

T

A

A

=





  

ik

A A

   – tensor ortogonalny  (reprezentacja: macierz ortogonalna) 



Wyznacznik 

( ) (

)

(

) (

)

2

det

det

det

det

1

T

T

A A

A

A

A

=

=

=

 







  

więc det

1

A

= ±



  

 
 
 
 

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann  

•  Teoria sprężystości i plastyczności  – Wykład. 1  •  KMBiM WILiŚ PG 

14

background image

 
Macierz (tensory) o powyższych własnościach  
– grupa ortogonalna – obroty i przekształcenia (odbicia)  
układów współrzędnych   
Gdy det

1

A

= →



 grupa obrotów 

 specjalna, ortogonalna,  

w przestrzeni trójwymiarowej 

(3)

SO

Gdy det

1

A

= − →



Łączne działania – grupa ortogonalna 

 odbicia (nie tworzą grupy),  

(3)

O

Transformacja wielkości tensorowych  
Podstawa – transformacja wektorów bazowych:  
 

 

 

 

 

 

   

(

)

i

ij

e

Ae

e

A e

j

=

=







  

Współrzędne dowolnego wektora: 

(

)

i

ij

u

Au

u

A u

j

=

=







  

Współrzędne tensora 2 walencji:    

(

)

T

ij

ij

jl kl

T

ATA

T

A A T

=

=

  





Współrzędne tensora dowolnej walencji: 
 

 

 

 

 

 

   

 

.....

....

....

ijk

ip

jq km

pqm

T

A A A

T

=

 

 

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann  

•  Teoria sprężystości i plastyczności  – Wykład. 1  •  KMBiM WILiŚ PG 

15

background image

 
Formalna reprezentacja wielkości tensorowych  
Tensor walencji 1 – wektor – składowe w danej bazie 

  

{ } {

}

1

2

3

i

e

e

e e e

=

=





  

,

i i

k k

i i

u u e

u e

u

u e

=











Tensor walencji 2 – składowe w 9-wymiarowej polibazie 





 

(działanie mnożenia tensorowego) utworzonej z par wektorów 
bazowych 

 

i

j

e

e

kl k

l

kl k

l

T

T e

e

T e

e

′ ′

⊗ =











  

J. Górski, M. Skowronek, M. Gołota, K. Winkelmann  

•  Teoria sprężystości i plastyczności  – Wykład. 1  •  KMBiM WILiŚ PG 

16


Document Outline