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应变张量的哈密顿算子表达如何理解?

2023-06-11 15:34 作者:热爱生活的李小白  | 我要投稿

先从应变基本表达式聊起,x 轴向的应变为:

%5Cvarepsilon_%7Bxx%7D%3D%5Cfrac%7B%5Cpartial%20u(x%2Cy%2Cz)%20%7D%7B%5Cpartial%20x%7D%20%5Cqquad%20(1),其中u(x)代表位移函数。

这个公式如何理解呢?根据应变的定义,应变是对长度相对变化的一种度量。将这个公式稍作变形:

%5Cvarepsilon_%7Bxx%7D%3D%5Cfrac%7Bu(x%2B%5CDelta%20x)-u(x)%7D%7B%5CDelta%20x%7D%20%5Cqquad(2)

若将 %5CDelta%20x 看作变形前的一个线段,则公式中的分子就是线段两个端点处位移的差值,也就是整个线段的长度变化量。

那剪切应变如何理解呢?剪切应变的公式如下:

%5Cgamma_%7Bxy%7D%3D%5Cfrac%7B%5Cpartial%20u%7D%7B%5Cpartial%20y%7D%20%2B%20%5Cfrac%7B%5Cpartial%20v%7D%7B%5Cpartial%20x%7D%20%5Cqquad%20(3)

剪切应变的解释可以参考铁摩辛柯的弹性理论

铁摩辛柯的弹性理论 P5

所有公式用用张量分量可以表达如下:

%5Cvarepsilon_%7Bij%7D%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%20(u_%7Bi%2Cj%7D%2Bu_%7Bj%2Ci%7D)%20%5Cqquad(4)

有的教材中也写做:

%5Cboldsymbol%7B%5Cvarepsilon%7D%20%3D%20%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D(%5Cboldsymbol%7B%5Cnabla%20u%7D%2B%5Cboldsymbol%7Bu%20%5Cnabla%7D)%20%5Cqquad(5)

要搞清楚这个公式是什么意思,首先得明确 %5Cboldsymbol%7B%5Cnabla%7D 和 %5Cboldsymbol%7Bu%7D 两个两中间的运算规则是什么。这个运算规则是张量积,也就是%5Cboldsymbol%7B%5Cnabla%7D%20%5Cotimes%20%5Cboldsymbol%7Bu%7D%20

若将 %5Cboldsymbol%7B%5Cnabla%7D 和 %5Cboldsymbol%7Bu%7D 写做矩阵形式,即:

%5Cboldsymbol%7B%5Cnabla%7D%3D%5Cbegin%7Bbmatrix%7D%20%5Cfrac%7B%5Cpartial%7B%7D%7D%7Bx%7D%20%5C%5C%5Cfrac%7B%5Cpartial%7B%7D%7D%7By%7D%5C%5C%5Cfrac%7B%5Cpartial%7B%7D%7D%7Bz%7D%20%20%5Cend%7Bbmatrix%7D%20%5Cboldsymbol%7Bu%7D%3D%5Cbegin%7Bbmatrix%7D%20u%20%5C%5Cv%5C%5C%20w%20%20%5Cend%7Bbmatrix%7D%20%5Cqquad%20(6)

再根据张量积的定义:%5Cboldsymbol%7Ba%7D%20%5Cotimes%20%5Cboldsymbol%7Bb%7D%3D%5Cboldsymbol%7Ba%7D%5Cboldsymbol%7Bb%7D%5ET,注意,等号右边的变量为矩阵。

则:

%5Cboldsymbol%7B%5Cnabla%5Cboldsymbol%7Bu%7D%7D%20%3D%5Cbegin%7Bbmatrix%7D%20%5Cfrac%7B%5Cpartial%7B%7D%7D%7Bx%7D%20%20%5C%5C%5Cfrac%7B%5Cpartial%7B%7D%7D%7By%7D%5C%5C%5Cfrac%7B%5Cpartial%7B%7D%7D%7Bz%7D%20%5Cend%7Bbmatrix%7D%20%5Cbegin%7Bbmatrix%7D%20u%26v%26w%20%5Cend%7Bbmatrix%7D%20%3D%5Cbegin%7Bbmatrix%7D%20%5Cfrac%7B%5Cpartial%7Bu%7D%7D%7Bx%7D%20%26%20%5Cfrac%7B%5Cpartial%7Bv%7D%7D%7Bx%7D%26%5Cfrac%7B%5Cpartial%7Bw%7D%7D%7Bx%7D%5C%5C%5Cfrac%7B%5Cpartial%7Bu%7D%7D%7By%7D%20%26%5Cfrac%7B%5Cpartial%7Bv%7D%7D%7By%7D%20%26%5Cfrac%7B%5Cpartial%7Bw%7D%7D%7By%7D%20%5C%5C%5Cfrac%7B%5Cpartial%7Bu%7D%7D%7Bz%7D%20%26%5Cfrac%7B%5Cpartial%7Bv%7D%7D%7Bz%7D%26%5Cfrac%7B%5Cpartial%7Bw%7D%7D%7Bz%7D%5Cend%7Bbmatrix%7D%20%5Cqquad%20(7)

同理

%5Cboldsymbol%7Bu%7D%5Cboldsymbol%7B%5Cnabla%7D%20%3D%5Cbegin%7Bbmatrix%7D%20u%5C%5Cv%5C%5Cw%20%5Cend%7Bbmatrix%7D%20%5Cbegin%7Bbmatrix%7D%20%5Cfrac%7B%5Cpartial%7B%7D%7D%7Bx%7D%20%20%26%5Cfrac%7B%5Cpartial%7B%7D%7D%7By%7D%26%5Cfrac%7B%5Cpartial%7B%7D%7D%7Bz%7D%20%5Cend%7Bbmatrix%7D%20%3D%5Cbegin%7Bbmatrix%7D%20%5Cfrac%7B%5Cpartial%7Bu%7D%7D%7Bx%7D%20%26%20%5Cfrac%7B%5Cpartial%7Bu%7D%7D%7By%7D%26%5Cfrac%7B%5Cpartial%7Bu%7D%7D%7Bz%7D%5C%5C%5Cfrac%7B%5Cpartial%7Bv%7D%7D%7Bx%7D%20%26%5Cfrac%7B%5Cpartial%7Bv%7D%7D%7By%7D%20%26%5Cfrac%7B%5Cpartial%7Bv%7D%7D%7Bz%7D%20%5C%5C%5Cfrac%7B%5Cpartial%7Bw%7D%7D%7Bx%7D%20%26%5Cfrac%7B%5Cpartial%7Bw%7D%7D%7By%7D%26%5Cfrac%7B%5Cpartial%7Bw%7D%7D%7Bz%7D%5Cend%7Bbmatrix%7D%20%5Cqquad%20(8)

将公式 (7) 与公式 (8) 代入 公式 (5) 中可得:

%5Cboldsymbol%7B%5Cvarepsilon%7D%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D(%20%5Cboldsymbol%7B%5Cnabla%7D%20%5Cboldsymbol%7Bu%7D%20%2B%20%5Cboldsymbol%7Bu%7D%5Cboldsymbol%7B%5Cnabla%7D%20)%3D%5Cbegin%7Bbmatrix%7D%20%5Cfrac%7B%5Cpartial%7Bu%7D%7D%7Bx%7D%20%26%20%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D(%5Cfrac%7B%5Cpartial%7Bu%7D%7D%7By%7D%2B%5Cfrac%7B%5Cpartial%7Bv%7D%7D%7Bx%7D)%26%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D(%5Cfrac%7B%5Cpartial%7Bu%7D%7D%7Bz%7D%2B%5Cfrac%7B%5Cpartial%7Bw%7D%7D%7Bx%7D)%5C%5C%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D(%5Cfrac%7B%5Cpartial%7Bu%7D%7D%7By%7D%2B%5Cfrac%7B%5Cpartial%7Bv%7D%7D%7Bx%7D)%26%5Cfrac%7B%5Cpartial%7Bv%7D%7D%7By%7D%20%26%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D(%5Cfrac%7B%5Cpartial%7Bv%7D%7D%7Bz%7D%2B%5Cfrac%7B%5Cpartial%7Bw%7D%7D%7By%7D)%5C%5C%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D(%5Cfrac%7B%5Cpartial%7Bu%7D%7D%7Bz%7D%2B%5Cfrac%7B%5Cpartial%7Bw%7D%7D%7Bx%7D)%26%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D(%5Cfrac%7B%5Cpartial%7Bu%7D%7D%7By%7D%2B%5Cfrac%7B%5Cpartial%7Bv%7D%7D%7Bz%7D)%26%5Cfrac%7B%5Cpartial%7Bw%7D%7D%7By%7D%5Cend%7Bbmatrix%7D%20%5Cqquad%20(9)

所得结果也就是应变张量。

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