剪应力与张应力

Cauchy应力张量σ,它包括作用于体积单元dV 的所有应力。也就是说,包括剪切力和压力。 首先,对于Cauchy应力张量σ,有: σ = [ σ x x

Cauchy应力张量σ,它包括作用于体积单元dV的所有应力。也就是说,包括剪切力和压力。

首先,对于Cauchy应力张量σ,有:
σ = [ σ x x σ x y σ x z σ y x σ y y σ y z σ z x σ z y σ z z ] \mathbf σ= \begin{bmatrix} \sigma_{xx}& \sigma_{xy} & \sigma_{xz} \\ \sigma_{yx}& \sigma_{yy} & \sigma_{yz} \\ \sigma_{zx}& \sigma_{zy}& \sigma_{zz}\\ \end{bmatrix} σ=σxxσyxσzxσxyσyyσzyσxzσyzσzz
每个二阶张量都可分解为 dev 部分(deviatoric)和 hyd 部分(hydrostatic):
σ = σ d e v + σ h y d \sigma=\sigma^{dev}+\sigma^{hyd} σ=σdev+σhyd

任意矩阵 A \mathbf A Ahyd 部分具有负压的含义,则:

− p = A h y d = 1 3 t r ( A ) − p I = A h y d I = 1 3 t r ( A ) I -p=\mathbf A^{hyd}=\frac 13tr(\mathbf A)\\[2ex] -p\mathbf I=\mathbf A^{hyd}\mathbf I=\frac 13tr(\mathbf A)\mathbf I p=Ahyd=31tr(A)pI=AhydI=31tr(A)I

则其dev部分可表示为:
σ = − p I + [ σ − 1 3 t r ( σ ) I ] ⏟ ‘ 剪 切 力 张 量 τ ‘ \sigma=-p\mathbf I+ \underbrace{ [\sigma-\frac 13 tr(\bf \sigma)\mathbf I] }_{`剪切力张量 \tau` } σ=pI+τ [σ31tr(σ)I]
由此,
σ d e v = τ \sigma^{dev}=\bf \tau σdev=τ σ = − p I + τ \sigma=-p\bf I+\tau σ=pI+τ
注意:在流体力学中,通常使用分裂Cauchy张量作为剪切力张量和压力。而在固体力学中,使用柯西张量则不分裂。

参考:
Tobias Holzmann,Mathematics, Numerics, Derivations and OpenFOAM.

知秋君
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