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固体力学特論
春AB 火曜日 3,4限
3B302
概要
講師松田 昭博(居室:F312)
火曜日3,4限
期末試験,演習,出席
関連科目:固体力学,材料力学Ⅰ、Ⅱ(3年次)
参考図書:
Phillip L. Gould, Introduction
to linear elasticity
講義の目的
固体の中に生じる力(応力)・変形(ひずみ)がテンソル量として理解できる
連続体の概念の基礎の理解
弾性体・弾塑性体の力学表記が理解できる
FEM解析など離散化解析への入り口
構造力学(はりや柱の強度評価)などの基本
荷重(ベクトル),応力(テンソル),ひずみ(テンソル),変位(ベクトル)の理解
構成
ベクトル・テンソル
応力
ひずみ
場の方程式の誘導
構成式(弾性・弾塑性)
固体力学の基本(テンソルの記述)添字表記(Index notation)
テンソルを添え字をつかって表すと便利である
添字は座標軸の数だけ変化するi,j=1,2,3(三次元)
変位 位置 行列
3z
2y
1x
iZYx
uu
uu
uu
uu,u,u
3
2
1
i
xz
xy
xx
xz,y,x
jiij baA
総和規約(Summation Convention)
AiBiのようにひとつの式の中に同じ添字が2回表れるときには和をとることにする.
一度表れる添え字を
Free index
2度表れる添え字をDummy indexとよぶ
332211
3
1i
iiii
BABABA
BABA
332211
3
1i
iiii
AAA
AA
ijjiij
iijjjjii
babaA
CBCBa
偏微分をあらわすカンマ‘,’
カンマ規約(Comma
convention)
,jは座標での偏微分をあらわす.
Ex)
j
ij,i
x
AA
Adiv
x
A
x
A
x
AA
3
3
2
2
1
1i,i
便利な記号
クロネッカーのデルタ
Permutation symbol
Ex)
)ji(0
)ji(1
ij
ij
) k,j,i(-1
) k,j,i(
)k,j,i(0
ijk
ijk
ijk
の時が
の時が1
で同じ組があるとき
1
23
1
23
-1,1,0 213231221
総和規約中のクロネッカーのデルタ
デルタ記号の積
Ex)
ijj33ij22ij11ikjik
ikik
3i3i2i2i1i1i
klilik
lkilik
ljlj
kiki
BA
BABABA
BA
eeBAbac
eBb
eAa
直交直線座標と基底ベクトル(直交デカルト座標,Cartesian coordinate system)
332211
332211
ii
ebebeb
ebebeb
ebb
原点O
X2
e1
X1X3
e2
e3
ベクトルb
直線で伸びる座標が相互に直交する座標.座標に沿って長さ1のベクトルを直交基底ベクトルという
位置ベクトルbは座標によらないー>
テンソルといえる
・René Descartes
デカルトの:Cartesian
テンソル・ベクトル・スカラー
テンソル:異なる座標系においてもその本質的な量が不変な量
スカラー:方向を持たない量(0次のテンソル)
a(飾りなどは無し)
ベクトル:幾何学的空間における、大きさと向きを持った量(1次のテンソル)
位置や速度は座標の取り方によらない
変位・速度・加速度
矢印をつける(ゴチックや太字)
ii ebb
iib eb
2次のテンソル
2次のテンソル
応力・ひずみ
太字で書く
x,y,z軸とすると簡単になる
ベクトルに作用して,大きさと方向を変える
ji
333231
232221
131211
jiij
ee
AAA
AAA
AAA
eeA
A
ijkikjkji
ijij
kjikij
kkjiij
eeeeeee
ebA
eeebA
ebeeAb
A
ベクトルの内積
ベクトルの内積(スカラープロダクト)
直交基底ベクトルの内積
直交しない単位ベクトルの内積はベクトルの余弦を与える
ij
jiji )cos(eeee
a
iiba
)cos(abba
b
θ
)cos(ee
ベクトルの座標変換
カルテシアン座標における座標変換
)e,ecos(
x
eexeexeex
exx
jiij
jij
i33i22i11
ii
原点O
X2
e1
X3
e2
e3
ベクトルb(x1,x2,x3)
X’3
X’2
X1
X’1
ベクトルb (x’1,x’2,x’3)
位置ベクトルbはテンソル量
X座標からX’座標へ変更すると,その成分は以下のとおり
αijを成分とするする行列を回転行列という(Rotation tensor)
テンソルの座標変換
応力やひずみの座標変換(2階のテンソル)
座標に関する情報を2つ持っているテンソル
3階のテンソル
座標変換が可能であるため,本質的な量は変化していない.ゆえにテンソルであるといえる.
kljlikij AA
lmnknjmilijk CC
例題
1.次の量を求めよ.
2.異なる座標系において, であれば,bがテンソルであるという定義を用いて,
におけるベクトルvとベクトルuがテンソルである場合に,Cも2階のテンソルであることを示せ.(ヒント e’i・ e’j=δij)
3.応力の座標変換が と書けることを確認する
ijkijkijij ,
jiji bb
jiji uCv
TRσRσ
kljlikij σσ