stringtranslate.com

Производная тензора (механика сплошной среды)

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

Направленная производная обеспечивает систематический способ нахождения этих производных. [2]

Производные по векторам и тензорам второго порядка

Определения производных по направлению для различных ситуаций приведены ниже. Предполагается, что функции достаточно гладкие, чтобы можно было взять производные.

Производные скалярных функций векторов

Пусть f ( v ) — вещественная функция вектора v . Тогда производная f ( v ) по v (или по v ) — это вектор, определяемый через его скалярное произведение с любым вектором u , являющимся

для всех векторов u . Вышеприведенное скалярное произведение дает скаляр, а если u — единичный вектор, то дает производную по направлению f в точке v в направлении u .

Характеристики:

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

Производные векторнозначных функций векторов

Пусть f ( v ) — векторная функция вектора v . Тогда производная f ( v ) по v (или по v ) — это тензор второго порядка, определяемый через его скалярное произведение с любым вектором u , являющимся

для всех векторов u . Вышеприведенное скалярное произведение дает вектор, и если u — единичный вектор, дает производную по направлению от f в точке v , в направлении u .

Характеристики:

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

Производные скалярных функций тензоров второго порядка

Пусть — вещественная функция тензора второго порядка . Тогда производная по (или при ) по направлению — это тензор второго порядка , определяемый как для всех тензоров второго порядка .

Характеристики:

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

Производные тензорнозначных функций тензоров второго порядка

Пусть — тензорная функция второго порядка тензора второго порядка . Тогда производная по (или при ) в направлении — это тензор четвертого порядка, определяемый как для всех тензоров второго порядка .

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: Градиент тензорного поля порядка n — это тензорное поле порядка n +1.

Декартовы координаты

Если — базисные векторы в декартовой системе координат , координаты точек которой обозначены ( ), то градиент тензорного поля определяется выражением

Доказательство

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

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

Криволинейные координаты

Если — контравариантные базисные векторы в криволинейной системе координат , координаты точек которой обозначены как ( ), то градиент тензорного поля определяется выражением (см. [3] для доказательства).

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 рекурсивного соотношения

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

Декартовы координаты

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

где в крайних правых выражениях используется индексное обозначение тензора для частных производных. Обратите внимание, что

Для симметричного тензора второго порядка дивергенция также часто записывается как [4]

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

Разница заключается в том, выполняется ли дифференцирование по строкам или столбцам , и является условной. Это демонстрируется на примере. В декартовой системе координат тензор второго порядка (матрица) является градиентом векторной функции .

Последнее уравнение эквивалентно альтернативному определению/интерпретации [4]

Криволинейные координаты

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

В более общем плане,


Цилиндрические полярные координаты

В цилиндрических полярных координатах

Ротор тензорного поля

Ротор тензорного поля порядка n > 1 также определяется с помощью рекурсивного соотношения , где c — произвольный постоянный вектор, а v — векторное поле.

Ротор тензорного (векторного) поля первого порядка

Рассмотрим векторное поле v и произвольный постоянный вектор c . В индексной нотации векторное произведение задается как , где — символ перестановки , также известный как символ Леви-Чивиты. Тогда, Следовательно,

Ротор тензорного поля второго порядка

Для тензора второго порядка Следовательно, используя определение ротора тензорного поля первого порядка, Поэтому имеем

Тождества, включающие ротор тензорного поля

Наиболее часто используемое тождество, включающее ротор тензорного поля, , это Это тождество справедливо для тензорных полей всех порядков. Для важного случая тензора второго порядка, , это тождество подразумевает, что

Производная определителя тензора второго порядка

Производная определителя тензора второго порядка определяется выражением

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

Доказательство

Пусть — тензор второго порядка и пусть . Тогда из определения производной скалярной функции тензора имеем

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

Используя это расширение, мы можем записать

Напомним, что инвариант задается выражением

Следовательно,

Применяя произвольность, мы тогда имеем

Производные инвариантов тензора второго порядка

Главные инварианты тензора второго порядка:

Производные этих трех инвариантов по отношению 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, можно показать, что

Теперь левую часть можно разложить следующим образом:

Следовательно , или,

Раскрывая правую часть и разделяя члены в левой части, получаем

или,

Если мы определим и , то мы можем записать вышесказанное как

Собирая члены, содержащие различные степени λ, получаем

Тогда, учитывая произвольность λ, имеем

Это подразумевает, что

Производная тензора тождества второго порядка

Пусть — тензор тождественности второго порядка. Тогда производная этого тензора по тензору второго порядка определяется выражением Это происходит потому, что не зависит от .

Производная тензора второго порядка по самому себе

Пусть — тензор второго порядка. Тогда

Поэтому,

Вот тензор идентичности четвертого порядка. В индексной записи относительно ортонормированного базиса

Этот результат подразумевает, что где

Следовательно, если тензор симметричен, то производная также симметрична, и мы получаем, что симметричный тензор четвертого порядка равен

Производная обратного тензора второго порядка

Пусть и — два тензора второго порядка, тогда В индексной записи относительно ортонормированного базиса Мы также имеем В индексной записи Если тензор симметричен, то

Доказательство

Вспомните, что

Так как , то мы можем написать

Использование правила произведения для тензоров второго порядка

мы получаем или,

Поэтому,

Интеграция по частям

Домен , его граница и внешняя единичная нормаль

Другая важная операция, связанная с производными тензора в механике сплошной среды, — интегрирование по частям. Формула интегрирования по частям может быть записана как

где и — дифференцируемые тензорные поля произвольного порядка, — единичная внешняя нормаль к области, над которой определены тензорные поля, представляет собой обобщенный оператор тензорного произведения, а — обобщенный оператор градиента. Когда равно единичному тензору, получаем теорему о расходимости

Формулу интегрирования по частям в декартовой индексной системе счисления можно выразить как

Для особого случая, когда операция тензорного произведения представляет собой свертку одного индекса, а операция градиента представляет собой дивергенцию, и оба являются тензорами второго порядка, имеем

В индексной нотации,

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ JC Simo и TJR Hughes, 1998, Вычислительная неэластичность , Springer
  2. ^ Дж. Э. Марсден и Т. Дж. Р. Хьюз, 2000, Математические основы теории упругости , Довер.
  3. ^ RW Ogden, 2000, Нелинейные упругие деформации , Довер.
  4. ^ ab Hjelmstad, Keith (2004). Основы строительной механики . Springer Science & Business Media. стр. 45. ISBN 9780387233307.