Sources/Lexikon/Spannungs-Dehnungs-Beziehung (Stress-Strain-Relation): Unterschied zwischen den Versionen
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{{MyCodeBlock|title=Allgemeines Werkstoffgesetzt (3D) | |||
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Der Zusammenhang zwischen Dehnung un Spannung für isotropes, linear-elastisches Werkstoffverhalten wird durch | Der Zusammenhang zwischen Dehnung un Spannung für isotropes, linear-elastisches Werkstoffverhalten wird durch | ||
<math>\underline{\sigma} = \underline{\underline{E}}\cdot \underline{\varepsilon}</math> | ::<math>\underline{\sigma} = \underline{\underline{E}}\cdot \underline{\varepsilon}</math> | ||
beschrieben. In Komponenten-Schreibweise ist dies | beschrieben. In Komponenten-Schreibweise ist dies | ||
<math>\displaystyle {\begin{bmatrix}\sigma _{xx}\\\sigma _{yy}\\\sigma _{zz}\\\sigma _{yz}\\\sigma _{xz}\\\sigma _{xy}\end{bmatrix}}\,=\,{\begin{bmatrix}2\mu +\lambda &\lambda &\lambda &0&0&0\\\lambda &2\mu +\lambda &\lambda &0&0&0\\\lambda &\lambda &2\mu +\lambda &0&0&0\\0&0&0&2\mu &0&0\\0&0&0&0&2\mu &0\\0&0&0&0&0&2\mu \end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}\varepsilon _{xx}\\\varepsilon _{yy}\\\varepsilon _{zz}\\\varepsilon _{yz}\\\varepsilon _{xz}\\\varepsilon _{xy}\end{bmatrix}}</math>, | ::<math>\displaystyle {\begin{bmatrix}\sigma _{xx}\\\sigma _{yy}\\\sigma _{zz}\\\sigma _{yz}\\\sigma _{xz}\\\sigma _{xy}\end{bmatrix}}\,=\,{\begin{bmatrix}2\mu +\lambda &\lambda &\lambda &0&0&0\\\lambda &2\mu +\lambda &\lambda &0&0&0\\\lambda &\lambda &2\mu +\lambda &0&0&0\\0&0&0&2\mu &0&0\\0&0&0&0&2\mu &0\\0&0&0&0&0&2\mu \end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}\varepsilon _{xx}\\\varepsilon _{yy}\\\varepsilon _{zz}\\\varepsilon _{yz}\\\varepsilon _{xz}\\\varepsilon _{xy}\end{bmatrix}}</math>, | ||
wobei ''λ'' und ''μ'' die Lamé'schen Konstanten sind und zum Elastizitäts-Modul ''E'' und der Querkontraktion ''ν'' folgende Beziehung haben: | wobei ''λ'' und ''μ'' die Lamé'schen Konstanten sind und zum Elastizitäts-Modul ''E'' und der Querkontraktion ''ν'' folgende Beziehung haben: | ||
<math>\begin{array}{l}\displaystyle \lambda=\frac {E\nu }{(1+\nu )(1-2\nu )}\\\displaystyle \mu = \frac {E }{2(1+\nu )}\end{array}</math> | ::<math>\begin{array}{l}\displaystyle \lambda=\frac {E\nu }{(1+\nu )(1-2\nu )}\\\displaystyle \mu = \frac {E }{2(1+\nu )}\end{array}</math> | ||
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<syntaxhighlight lang="lisp" line start=1> | <syntaxhighlight lang="lisp" line start=1> | ||
1+1 | /* Maxima */ | ||
/* version 5.38.1 */ | |||
/* general strain-displacement relation (sdr)*/ | |||
declare("σ", alphabetic); | |||
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{{MyCodeBlock|title=Ebener Spannugnszustand | |||
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Alle anderen Werkstoff-Gesetze lassen sich daraus ableiten, z.B. für den ebenen Spannungszustand mit | Alle anderen Werkstoff-Gesetze lassen sich daraus ableiten, z.B. für den ebenen Spannungszustand mit | ||
<math>\sigma_{zz}=0, \sigma_{xz}=0, \sigma_{yz}=0</math> | ::<math>\sigma_{zz}=0, \sigma_{xz}=0, \sigma_{yz}=0</math> | ||
erhalten wir | erhalten wir | ||
<math>\displaystyle {{\sigma}_{\mathit{xx}}}=\frac{2\lambda\mu{{\epsilon}_{\mathit{yy}}}+\left( 4{{\mu}^{2}}+4\lambda\mu\right) \,{{\epsilon}_{\mathit{xx}}}}{2\mu+\lambda},{{\sigma}_{\mathit{yy}}}=\frac{\left( 4{{\mu}^{2}}+4\lambda\mu\right) \,{{\epsilon}_{\mathit{yy}}}+2\lambda\mu{{\epsilon}_{\mathit{xx}}}}{2\mu+\lambda},{{\sigma}_{\mathit{xy}}}=2\mu{{\epsilon}_{\mathit{xy}}},{{\epsilon}_{\mathit{zz}}}=-\frac{\lambda{{\epsilon}_{\mathit{yy}}}+\lambda{{\epsilon}_{\mathit{xx}}}}{2\mu+\lambda},{{\epsilon}_{\mathit{yz}}}=0,{{\epsilon}_{\mathit{xz}}}=0</math> | ::<math>\displaystyle {{\sigma}_{\mathit{xx}}}=\frac{2\lambda\mu{{\epsilon}_{\mathit{yy}}}+\left( 4{{\mu}^{2}}+4\lambda\mu\right) \,{{\epsilon}_{\mathit{xx}}}}{2\mu+\lambda},{{\sigma}_{\mathit{yy}}}=\frac{\left( 4{{\mu}^{2}}+4\lambda\mu\right) \,{{\epsilon}_{\mathit{yy}}}+2\lambda\mu{{\epsilon}_{\mathit{xx}}}}{2\mu+\lambda},{{\sigma}_{\mathit{xy}}}=2\mu{{\epsilon}_{\mathit{xy}}},{{\epsilon}_{\mathit{zz}}}=-\frac{\lambda{{\epsilon}_{\mathit{yy}}}+\lambda{{\epsilon}_{\mathit{xx}}}}{2\mu+\lambda},{{\epsilon}_{\mathit{yz}}}=0,{{\epsilon}_{\mathit{xz}}}=0</math> | ||
In Matrixschreibweise erhalten wir | In Matrixschreibweise erhalten wir | ||
<math>\left(\begin{array}{c}\sigma_{xx}\\ \sigma_{yy}\\ \sigma_{xy} \end{array}\right) = \left(\begin{array}{ccc} \frac{4{{\mu}^{2}}+4\lambda\mu}{2\mu+\lambda} & \frac{2\lambda\mu}{2\mu+\lambda}& 0\\ \frac{2\lambda\mu}{2\mu+\lambda}&\frac{4{{\mu}^{2}}+4\lambda\mu}{2\mu+\lambda}&0\\ 0 & 0 & 2 \mu \end{array}\right) \cdot \left(\begin{array}{c}\varepsilon_{xx}\\ \varepsilon_{yy}\\ \varepsilon_{xy} \end{array}\right) </math> | ::<math>\left(\begin{array}{c}\sigma_{xx}\\ \sigma_{yy}\\ \sigma_{xy} \end{array}\right) = \left(\begin{array}{ccc} \frac{4{{\mu}^{2}}+4\lambda\mu}{2\mu+\lambda} & \frac{2\lambda\mu}{2\mu+\lambda}& 0\\ \frac{2\lambda\mu}{2\mu+\lambda}&\frac{4{{\mu}^{2}}+4\lambda\mu}{2\mu+\lambda}&0\\ 0 & 0 & 2 \mu \end{array}\right) \cdot \left(\begin{array}{c}\varepsilon_{xx}\\ \varepsilon_{yy}\\ \varepsilon_{xy} \end{array}\right) </math> | ||
bzw mit ''E'' und ''ν'' | bzw mit ''E'' und ''ν'' | ||
<math>\left(\begin{array}{c}\sigma_{xx}\\ \sigma_{yy}\\ \sigma_{xy} \end{array}\right) = \left(\begin{array}{ccc} \frac{E}{1-{{\nu}^{2}}} & \frac{E\;\nu}{1-{{\nu}^{2}}} & 0\\ \frac{E\;\nu}{1-{{\nu}^{2}}} & \frac{E}{1-{{\nu}^{2}}} & 0\\ 0 & 0 & \frac{E}{\nu+1} \end{array}\right) \cdot \left(\begin{array}{c}\varepsilon_{xx}\\ \varepsilon_{yy}\\ \varepsilon_{xy} \end{array}\right) </math>. | ::<math>\left(\begin{array}{c}\sigma_{xx}\\ \sigma_{yy}\\ \sigma_{xy} \end{array}\right) = \left(\begin{array}{ccc} \frac{E}{1-{{\nu}^{2}}} & \frac{E\;\nu}{1-{{\nu}^{2}}} & 0\\ \frac{E\;\nu}{1-{{\nu}^{2}}} & \frac{E}{1-{{\nu}^{2}}} & 0\\ 0 & 0 & \frac{E}{\nu+1} \end{array}\right) \cdot \left(\begin{array}{c}\varepsilon_{xx}\\ \varepsilon_{yy}\\ \varepsilon_{xy} \end{array}\right) </math>. | ||
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/* Maxima */ | |||
/* version 5.38.1 */ | |||
/*ebener Spannungszustand*/ | |||
assumption: [sigma[zz]=0, sigma[yz]=0, sigma[xz]=0]; | |||
/* general strain-displacement relation (sdr)*/ | |||
equs: subst(assumption,makelist(σ[i][1] = (subst(sdr[3],E).ε)[i][1],i,1,6)); | |||
Q: [ sigma[xx], sigma[yy], sigma[xy], | |||
epsilon[zz],epsilon[yz],epsilon[xz]]; | |||
sol: ratsimp(solve(equs,Q))[1]; | |||
ACM: augcoefmatrix([-sol[1],-sol[2],-sol[3]],[epsilon[xx],epsilon[yy],epsilon[xy]]); | |||
sdr[2] : submatrix(ACM,4); | |||
sdr[2]: [sdr[2],ratsimp(subst(params,sdr[2]))]; | |||
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{{MyCodeBlock|title=Eindimensionaler Spannungszustand | |||
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Ganz entsprechend erhalten wir für | Ganz entsprechend erhalten wir für | ||
<math>\sigma_{yy}=0, \sigma_{zz}=0, \sigma_{xz}=0, \sigma_{yz}=0, \sigma_{xy}=0</math> | ::<math>\sigma_{yy}=0, \sigma_{zz}=0, \sigma_{xz}=0, \sigma_{yz}=0, \sigma_{xy}=0</math> | ||
die Ergebnisse | die Ergebnisse | ||
<math>\displaystyle {{\sigma}_{\mathit{xx}}}=\frac{\left( 2{{\mu}^{2}}+3\lambda\mu\right) \,{{\epsilon}_{\mathit{xx}}}}{\mu+\lambda},{{\epsilon}_{\mathit{yy}}}=-\frac{\lambda{{\epsilon}_{\mathit{xx}}}}{2\mu+2\lambda},{{\epsilon}_{\mathit{zz}}}=-\frac{\lambda{{\epsilon}_{\mathit{xx}}}}{2\mu+2\lambda},{{\epsilon}_{\mathit{yz}}}=0,{{\epsilon}_{\mathit{xz}}}=0,{{\epsilon}_{\mathit{xy}}}=0</math> | ::<math>\displaystyle {{\sigma}_{\mathit{xx}}}=\frac{\left( 2{{\mu}^{2}}+3\lambda\mu\right) \,{{\epsilon}_{\mathit{xx}}}}{\mu+\lambda},{{\epsilon}_{\mathit{yy}}}=-\frac{\lambda{{\epsilon}_{\mathit{xx}}}}{2\mu+2\lambda},{{\epsilon}_{\mathit{zz}}}=-\frac{\lambda{{\epsilon}_{\mathit{xx}}}}{2\mu+2\lambda},{{\epsilon}_{\mathit{yz}}}=0,{{\epsilon}_{\mathit{xz}}}=0,{{\epsilon}_{\mathit{xy}}}=0</math> | ||
bzw. | bzw. | ||
<math>\displaystyle {{\sigma}_{\mathit{xx}}}=E\,{{\epsilon}_{\mathit{xx}}},{{\epsilon}_{\mathit{yy}}}=-\nu{{\epsilon}_{\mathit{xx}}},{{\epsilon}_{\mathit{zz}}}=-\nu{{\epsilon}_{\mathit{xx}}},{{\epsilon}_{\mathit{yz}}}=0,{{\epsilon}_{\mathit{xz}}}=0,{{\epsilon}_{\mathit{xy}}}=0 | ::<math>\displaystyle {{\sigma}_{\mathit{xx}}}=E\,{{\epsilon}_{\mathit{xx}}},{{\epsilon}_{\mathit{yy}}}=-\nu{{\epsilon}_{\mathit{xx}}},{{\epsilon}_{\mathit{zz}}}=-\nu{{\epsilon}_{\mathit{xx}}},{{\epsilon}_{\mathit{yz}}}=0,{{\epsilon}_{\mathit{xz}}}=0,{{\epsilon}_{\mathit{xy}}}=0 | ||
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1 | /* Maxima */ | ||
/* version 5.38.1 */ | |||
/*eindimensionaler Spannungszustand*/ | |||
assumption: [sigma[yy]=0, sigma[zz]=0, sigma[yz]=0, sigma[xz]=0, sigma[xy]=0]; | |||
/* general strain-displacement relation (sdr)*/ | |||
equs: subst(assumption,makelist(σ[i][1] = (subst(sdr[3],E).ε)[i][1],i,1,6)); | |||
Q: [ sigma[xx], | |||
epsilon[yy], epsilon[zz],epsilon[yz],epsilon[xz], epsilon[xy]]; | |||
sol: ratsimp(solve(equs,Q))[1]; | |||
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Version vom 21. April 2021, 13:14 Uhr
Allgemeines Werkstoffgesetzt (3D)
Der Zusammenhang zwischen Dehnung un Spannung für isotropes, linear-elastisches Werkstoffverhalten wird durch
beschrieben. In Komponenten-Schreibweise ist dies
- ,
wobei λ und μ die Lamé'schen Konstanten sind und zum Elastizitäts-Modul E und der Querkontraktion ν folgende Beziehung haben:
/* Maxima */
/* version 5.38.1 */
/* general strain-displacement relation (sdr)*/
declare("σ", alphabetic);
declare("ε", alphabetic);
params: [%lambda=E*nu/((1+nu)*(1-2*nu)), mu=E/(2*(1+nu))];
sdr[3]: E = 2*mu*diagmatrix (6, 1) +
%lambda*matrix([1,1,1,0,0,0],
[1,1,1,0,0,0],
[1,1,1,0,0,0],
[0,0,0,0,0,0],
[0,0,0,0,0,0],
[0,0,0,0,0,0]);
σ : matrix([ sigma[xx]],[ sigma[yy]],[ sigma[zz]],[ sigma[yz]],[ sigma[xz]],[ sigma[xy]]);
ε : matrix([epsilon[xx]],[epsilon[yy]],[epsilon[zz]],[epsilon[yz]],[epsilon[xz]],[epsilon[xy]]);
print(σ," = ", subst(sdr[3],E),"∙",ε)$
Ebener Spannugnszustand
Alle anderen Werkstoff-Gesetze lassen sich daraus ableiten, z.B. für den ebenen Spannungszustand mit
erhalten wir
In Matrixschreibweise erhalten wir
bzw mit E und ν
- .
/* Maxima */
/* version 5.38.1 */
/*ebener Spannungszustand*/
assumption: [sigma[zz]=0, sigma[yz]=0, sigma[xz]=0];
/* general strain-displacement relation (sdr)*/
equs: subst(assumption,makelist(σ[i][1] = (subst(sdr[3],E).ε)[i][1],i,1,6));
Q: [ sigma[xx], sigma[yy], sigma[xy],
epsilon[zz],epsilon[yz],epsilon[xz]];
sol: ratsimp(solve(equs,Q))[1];
ACM: augcoefmatrix([-sol[1],-sol[2],-sol[3]],[epsilon[xx],epsilon[yy],epsilon[xy]]);
sdr[2] : submatrix(ACM,4);
sdr[2]: [sdr[2],ratsimp(subst(params,sdr[2]))];
</math>
Eindimensionaler Spannungszustand
Ganz entsprechend erhalten wir für
die Ergebnisse
bzw.
- <math>\displaystyle {{\sigma}_{\mathit{xx}}}=E\,{{\epsilon}_{\mathit{xx}}},{{\epsilon}_{\mathit{yy}}}=-\nu{{\epsilon}_{\mathit{xx}}},{{\epsilon}_{\mathit{zz}}}=-\nu{{\epsilon}_{\mathit{xx}}},{{\epsilon}_{\mathit{yz}}}=0,{{\epsilon}_{\mathit{xz}}}=0,{{\epsilon}_{\mathit{xy}}}=0
/* Maxima */
/* version 5.38.1 */
/*eindimensionaler Spannungszustand*/
assumption: [sigma[yy]=0, sigma[zz]=0, sigma[yz]=0, sigma[xz]=0, sigma[xy]=0];
/* general strain-displacement relation (sdr)*/
equs: subst(assumption,makelist(σ[i][1] = (subst(sdr[3],E).ε)[i][1],i,1,6));
Q: [ sigma[xx],
epsilon[yy], epsilon[zz],epsilon[yz],epsilon[xz], epsilon[xy]];
sol: ratsimp(solve(equs,Q))[1];