Закон Гука для изотропного тела

Опытами установлено, что для упругих тел при напряжениях меньше предела упругости компоненты матрицы тензора деформаций Т_е представляют собой линейные функции составляющих тензора напряжений. Они могут быть в об­щем случае представлены следующими линейными уравнениями:

. (1.18)

Можно доказать, что для системы линейных уравнений (1.18) коэффициенты, расположенные симметрично относительно глав­ной диагонали, должны быть равны: a_nm = a_mn. Поэтому в этих уравнениях отпадает коэффициентов и остается 36 – 15 = 21.

Коэффициенты а₁₁,..., а₆₆, число которых 21, зависят от свойств материала и представляют собой упругие постоянные любого анизотропного материала, обладающего различными упру­гими свойствами в различных направлениях.

Для тела из однородного изотропного упругого мате­риала число произвольных постоянных может быть сокращено. Можно считать, что линейные деформации у этих материалов зависят только от нормальных напряжений, а угло­вые – только от касательных. Вследствие этого уравнения (1.18) разобьются на две системы из трех уравнений, каждая из кото­рых содержит три неизвестных. Всего останется 18 коэффициентов:

. (1.18,а)

Коэффициенты, расположенные симметрично относительно глав­ных диагоналей, равны друг другу. Поэтому отпадает коэффициентов и остается 18 - 6 = 12.

При заданных напряжениях t и s деформации e и g не должны зависеть от выбора осей координат. Это будет соблю­даться, если еще ряд коэффициентов будет равен нулю. Например, при показанном на рис. 15, а направлении касательного напряжения t_zx оно отрицательно. Если же направление оси х изменить на обратное, (рис. 15,б), знак напряжения t_zx станет положительным и равен­ство между левой и правой частями четвертого уравнения (1.18а) нарушится. Этого не будет лишь в случае, когда a₄₆ = 0; a₆₄ = 0.

а	б

Рис. 15

Если повернуть таким же образом ось у, а затем ось z, можно установить, что

a₄₅ = a₅₄ = 0 и а₅₆ = а₆₅ = 0.

Если повернуть одновременно оси х и у по часовой стрелке на 90°, т. е. заменить ось Оу на Ох, а ось Ох на Оу, то в первом уравнении (1.18,а) напряжения s_х и s_у поме­няются местами. При этом равенство между левой и правой ча­стями не нарушится лишь при условии а₁₁ = а₁₃. Аналогично во втором и третьем уравнениях (1.18,а) должно быть а₂₁ = а₂₂ и а₃₁ = а₃₂.

Если повернуть другие оси, т. е. заменить ось Оу на Оz, затем ось Оz на Ох, можно найти еще равенства

a₁₁ = a₂₂ = a₃₃ и а₄₄ = а₅₅ = а₆₆.

В результате число постоянных для изотропного тела сокращается до трех, известных из курса сопротивления мате­риалов. Из них только две независимы.

Независимыми упругими постоянными могут быть любые две из следующих четырех величин: модуль продольной упругости Е, модуль сдвига G, объемный модуль упругости k и коэффициент поперечной деформации (коэффициент Пуассона) m. Они связаны между собой линейной зависимостью

, (1.19)

а также зависимостью (1.22).

Уравнения, связывающие составляющие тензора деформаций и составляющие тензора напряжений (закон Гука) для однород­ного изотропного упругого материала, могут быть пред­ставлены следующим образом:

1. Известными из курса сопротивления материалов выраже­ниями для составляющих деформаций

. (1.20)

2. Выражением, связывающим объемные характеристики. Для этого к первому из уравнений (1.20) прибавим в скобках + ms_х и - ms_х, ко второму +ms_у и - ms_у и к третьему + ms_z и - ms_z. Сложим все три уравнения и, с учетом формул (1.12) и (1.14), по­лучим

или

, (1.21)

где

(1.22)

назы­вается объемным модулем упругости.

3. Уравнениями, решенными относительно составляющих на­пряжений. Для этого первое уравнение (1.20) представим, ис­пользовав формулу (1.21), в виде

.

Решив это уравнение относительно s_х с учетом формулы (1.19), найдем

где

(1.23)

представляют собой величины, зависящие только от упругих постоянных Е и m материала, и называются коэффициентами Ламе.

Таким же преобразованием двух следующих уравнений (1.20) получим выражения для s_х и s_у, а решением трех последних уравнений (1.20) - выражения для t. Итак:

. (1.24)