stringtranslate.com

Тензорная производная (механика сплошных сред)

Производные скаляров , векторов и тензоров второго порядка по тензорам второго порядка находят значительное применение в механике сплошных сред . Эти производные используются в теориях нелинейной упругости и пластичности , в частности при разработке алгоритмов численного моделирования . [1]

Производная по направлению обеспечивает систематический способ поиска этих производных. [2]

Производные по векторам и тензорам второго порядка

Ниже приведены определения производных по направлению для различных ситуаций. Предполагается, что функции достаточно гладкие, чтобы можно было брать производные.

Производные скалярнозначных функций векторов

Пусть f ( v ) — вещественная функция вектора v . Тогда производная f ( v ) по v (или по v ) — это вектор , определенный через его скалярное произведение , где любой вектор u равен

для всех векторов u . Вышеупомянутое скалярное произведение дает скаляр, и если u является единичным вектором, дает производную по направлению от f в точке v в направлении u .

Характеристики:

  1. Если тогда
  2. Если тогда
  3. Если тогда

Производные векторных функций векторов

Пусть f ( v ) — вектор-функция вектора v . Тогда производная f ( v ) по v (или по v ) представляет собой тензор второго порядка , определенный через его скалярное произведение, где любой вектор u равен

для всех векторов u . Вышеупомянутое скалярное произведение дает вектор, и если u является единичным вектором, дает производную направления f в v в направлении u .

Характеристики:

  1. Если тогда
  2. Если тогда
  3. Если тогда

Производные скалярнозначных функций тензоров второго порядка

Пусть – вещественная функция тензора второго порядка . Тогда производная по (или при ) по направлению представляет собой тензор второго порядка, определяемый как

Характеристики:

  1. Если тогда
  2. Если тогда
  3. Если тогда

Производные тензорнозначных функций тензоров второго порядка

Пусть – тензорная функция второго порядка от тензора второго порядка . Тогда производная по (или по ) по направлению представляет собой тензор четвертого порядка, определяемый как

Характеристики:

  1. Если тогда
  2. Если тогда
  3. Если тогда
  4. Если тогда

Градиент тензорного поля

Градиент тензорного поля в направлении произвольного постоянного вектора c определяется как:

nn

Декартовы координаты

Если – базисные векторы в декартовой системе координат с координатами точек, обозначенными ( ), то градиент тензорного поля определяется выражением

Доказательство

Векторы x и c можно записать как и . Пусть y  := x + α c . В этом случае градиент определяется выражением

Поскольку базисные векторы не изменяются в декартовой системе координат, мы имеем следующие соотношения для градиентов скалярного поля , векторного поля v и тензорного поля второго порядка .

Криволинейные координаты

Если – контравариантные базисные векторы в криволинейной системе координат с координатами точек, обозначенными ( ), то градиент тензорного поля определяется выражением ( доказательство см. в [3] ).

Из этого определения мы имеем следующие соотношения для градиентов скалярного поля , векторного поля v и тензорного поля второго порядка .

где символ Кристоффеля определяется с помощью

Цилиндрические полярные координаты

В цилиндрических координатах градиент определяется выражением

Дивергенция тензорного поля

Дивергенция тензорного поля определяется с помощью рекуррентного соотношения

где c — произвольный постоянный вектор, а v — векторное поле. Если - тензорное поле порядка n > 1, то дивергенция поля является тензором порядка n - 1.

Декартовы координаты

В декартовой системе координат мы имеем следующие соотношения для векторного поля v и тензорного поля второго порядка .

где в крайних правых выражениях используется обозначение тензорного индекса для частных производных. Обратите внимание, что

Для симметричного тензора второго порядка расходимость также часто записывают как [4]

Вышеприведенное выражение иногда используется в качестве определения в декартовой форме компонента (часто также пишется как ). Обратите внимание, что такое определение не согласуется с остальной частью этой статьи (см. раздел о криволинейных координатах).

Разница связана с тем, выполняется ли дифференцирование по строкам или по столбцам , и является условным. Это демонстрируется на примере. В декартовой системе координат тензор (матрица) второго порядка представляет собой градиент векторной функции .

Последнее уравнение эквивалентно альтернативному определению/интерпретации [4]

Криволинейные координаты

В криволинейных координатах расходимости векторного поля v и тензорного поля второго порядка равны

В более общем смысле,


Цилиндрические полярные координаты

В цилиндрических полярных координатах

Ротор тензорного поля

Ротор тензорного поля порядка n > 1 также определяется с помощью рекурсивного соотношения

cv

Ротор тензорного (векторного) поля первого порядка

Рассмотрим векторное поле v и произвольный постоянный вектор c . В индексных обозначениях векторное произведение определяется выражением

символ перестановки

Ротор тензорного поля второго порядка

Для тензора второго порядка

Тождества, связанные с ротором тензорного поля

Наиболее часто используемое тождество, связанное с ротором тензорного поля, есть

Производная определителя тензора второго порядка

Производная определителя тензора второго порядка имеет вид

В ортонормированном базисе компоненты можно записать в виде матрицы A. В этом случае правая часть соответствует кофакторам матрицы.

Доказательство

Пусть – тензор второго порядка и пусть . Тогда из определения производной скалярнозначной функции тензора имеем

Определитель тензора можно выразить в виде характеристического уравнения через инварианты, используя

Используя это расширение, мы можем написать

Напомним, что инвариант задается выражением

Следовательно,

Тогда , ссылаясь на произвольность, имеем

Производные инвариантов тензора второго порядка

Главные инварианты тензора второго порядка:

Производные этих трех инвариантов относительно равны

Доказательство

Из производной определителя мы знаем, что

Для производных двух других инвариантов вернемся к характеристическому уравнению

Используя тот же подход, что и для определителя тензора, мы можем показать, что

Теперь левую часть можно расширить как

Следовательно

или,

Раскрыв правую часть и разделив члены левой части, получим

или,

Если мы определим и , мы можем записать вышесказанное как

Собирая члены, содержащие различные степени λ, получаем

Тогда, ссылаясь на произвольность λ, имеем

Это означает, что

Производная тождественного тензора второго порядка

Пусть – тождественный тензор второго порядка. Тогда производная этого тензора по тензору второго порядка имеет вид

Производная тензора второго порядка относительно самого себя

Пусть – тензор второго порядка. Затем

Поэтому,

Вот тензор тождественности четвертого порядка. В индексных обозначениях относительно ортонормированного базиса

Этот результат означает, что

Следовательно, если тензор симметричен, то и производная симметрична, и мы получаем

Производная обратного тензора второго порядка

Пусть и — два тензора второго порядка, тогда

Доказательство

Напомним, что

Поскольку мы можем написать

Использование правила произведения для тензоров второго порядка

мы получаем

или,

Поэтому,

Интеграция по частям

Домен , его граница и внешняя единица нормали

Другая важная операция, связанная с тензорными производными в механике сплошных сред, — интегрирование по частям. Формулу интегрирования по частям можно записать в виде

где и — дифференцируемые тензорные поля произвольного порядка, — единица внешней нормали к области, в которой определены тензорные поля, представляет собой обобщенный оператор тензорного произведения и является обобщенным оператором градиента. Когда равно единичному тензору, мы получаем теорему о расходимости

Мы можем выразить формулу интегрирования по частям в декартовых индексных обозначениях как

Для частного случая, когда операция тензорного произведения представляет собой сжатие одного индекса, а операция градиента представляет собой расхождение, и оба и являются тензорами второго порядка, мы имеем

В индексной записи

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Дж. К. Симо и Т. Дж. Р. Хьюз, 1998, Вычислительная неэластичность , Springer
  2. ^ Дж. Э. Марсден и Т. Дж. Р. Хьюз, 2000, Математические основы эластичности , Дувр.
  3. ^ Р.В. Огден, 2000, Нелинейные упругие деформации , Дувр.
  4. ^ Аб Хьельмстад, Кейт (2004). Основы строительной механики . Springer Science & Business Media. п. 45. ИСБН 9780387233307.