19.&principal&stresses - soest ·...

10
10/25/11 1 19. Principal Stresses I Main Topics A Cauchy’s formula B Principal stresses (eigenvectors and eigenvalues) C Example 10/25/11 GG303 1 19. Principal Stresses 10/25/11 GG303 2 hKp://hvo.wr.usgs.gov/kilauea/update/images.html

Upload: lamnhi

Post on 01-Aug-2018

217 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

10/25/11  

1  

19.  Principal  Stresses  

I  Main  Topics    

A  Cauchy’s  formula    B  Principal  stresses  (eigenvectors  and  eigenvalues)  C  Example  

10/25/11   GG303   1  

19.  Principal  Stresses  

10/25/11   GG303   2  

hKp://hvo.wr.usgs.gov/kilauea/update/images.html  

10/25/11  

2  

19.  Principal  Stresses  

II  Cauchy’s  formula    A  Relates  tracPon  (stress  vector)  components  to  stress  tensor  components  in  the  same  reference  frame  

B  2D  and  3D  treatments  analogous  

C  τi  =  σij  nj  =  njσij  

10/25/11   GG303   3  

Note:  all  stress  components  shown  are  posiPve  

19.  Principal  Stresses  

II  Cauchy’s  formula  (cont.)    C  τi  =  njσji  

1  Meaning  of  terms  a  τi  =  tracPon  

component  b  nj  =  direcPon  cosine  

of  angle  between  n-­‐direcPon  and  j-­‐direcPon  

c  σji  =  tracPon  component  

d  τi  and  σji  act  in  the  same  direcPon  

10/25/11   GG303   4  

nj  =  cosθnj  =  anj  

10/25/11  

3  

19.  Principal  Stresses  

II  Cauchy’s  formula  (cont.)    

D  Expansion  (2D)  of  τi  =  nj  σji  1  τx  =  nx  σxx  +  ny  σyx  2  τy  =  nx  σxy  +  ny  σyy  

10/25/11   GG303   5  

nj  =  cosθnj  =  anj  

19.  Principal  Stresses  

II  Cauchy’s  formula  (cont.)    

E  DerivaPon:  ContribuPons  to  τx  

1  

2  

3  

10/25/11   GG303   6  

τ x = w1( )σ xx + w

2( )σ yx

τ x = nxσ xx + nyσ yx

FxAn

=Ax

An

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟Fx

1( )

Ax

+Ay

An

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟Fx

2( )

Ay

Note  that  all  contribuPons  must  act  in  x-­‐direcPon  

nx  =  cosθnx  =  anx  ny  =  cosθny  =  any  

10/25/11  

4  

19.  Principal  Stresses  

II  Cauchy’s  formula  (cont.)    

E  DerivaPon:  ContribuPons  to  τy  

1  

2  

3  

10/25/11   GG303   7  

nx  =  cosθnx  =  anx  ny  =  cosθny  =  any  

τ y = w3( )σ xy + w

4( )σ yy

τ y = nxσ xy + nyσ yy

FyAn

=Ax

An

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟Fy

3( )

Ax

+Ay

An

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟Fy

4( )

Ay

Note  that  all  contribuPons  must  act  in  y-­‐direcPon  

19.  Principal  Stresses  

II  Cauchy’s  formula  (cont.)    F  AlternaPve  forms  

1  τi  =  njσji  2  τi  =  σjinj  3  τi  =  σijnj  

4  

5  Matlab  a  t  =  s’*n  b  t  =  s*n      

10/25/11   GG303   8  

nj  =  cosθnj  =  anj  

τ xτ yτ z

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

=

σ xx σ yx σ zx

σ xy σ yy σ xy

σ xz σ yz σ zz

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

nxnynz

⎢⎢⎢⎢

⎥⎥⎥⎥

τ x = nxσ xx + nyσ yx

τ y = nxσ xy + nyσ yy

3D  

10/25/11  

5  

19.  Principal  Stresses  

III  Principal  stresses  (eigenvectors  and  eigenvalues)  

A    

B  

C  

The  form  of  (C  )  is  [A][X=λ[X],  and  [σ]  is  symmetric  

10/25/11   GG303   9  

τ xτ y

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥=

σ xx σ yx

σ xy σ yy

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

nxny

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

τ xτ y

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥= τ

→ nxny

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

σ xx σ yx

σ xy σ yy

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

nxny

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥= λ

nxny

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

Let  λ = τ→

Cauchy’s  Formula  

Vector  components  

9.  EIGENVECTORS,  EIGENVALUES,  AND  FINITE  STRAIN  

III  Eigenvalue  problems,  eigenvectors  and  eigenvalues  (cont.)  E  AlternaPve  form  of  an  eigenvalue  equaPon    

1  [A][X]=λ[X]    SubtracPng  λ[IX]  =  λ[X]  from  both  sides  yields:    

2  [A-­‐Iλ][X]=0  (same  form  as  [A][X]=0)  F  SoluPon  condiPons  and  connecPons  with  determinants    

1  Unique  trivial  soluPon  of  [X]  =  0  if  and  only  if  |A-­‐Iλ|≠0  

2  Eigenvector  soluPons  ([X]  ≠  0)  if  and  only  if  |A-­‐Iλ|=0  

10/25/11   GG303   10  

From  previous  notes  

10/25/11  

6  

9.  EIGENVECTORS,  EIGENVALUES,  AND  FINITE  STRAIN  III  Determinant  (cont.)  

D  Geometric  meanings  of  the  real  matrix  equaPon  AX  =  B  =  0  1  |A|  ≠  0  ;    

a  [A]-­‐1  exists  b  Describes  two  lines  (or  3  

planes)  that  intersect  at  the  origin  

c  X  has  a  unique  soluPon  2  |A|  =  0  ;  

a  [A]-­‐1  does  not  exist  b  Describes  two  co-­‐linear  

lines  that  that  pass  through  the  origin  (or  three  planes  that  intersect  a  line  or  plane  through  the  origin)    

c  X  has  no  unique  soluPon  

     10/25/11   GG303   11  

Parallel lines have parallel normals

nx(1) ny

(1) x d1=0nx

(2) ny(2) y d2=0

AX = B = 0

=

|A| = nx(1) * ny

(2) - ny(1) * nx

(2) = 0 n1 x n2 = 0

Intersecting lines have non-parallel normals

nx(1) ny

(1) x d1=0nx

(2) ny(2) y d2=0

AX = B = 0

=

|A| = nx(1) * ny

(2) - ny(1) * nx

(2) ! 0 n1 x n2 ! 0

From  previous  notes  

9.  EIGENVECTORS,  EIGENVALUES,  AND  FINITE  STRAIN  

III  Eigenvalue  problems,  eigenvectors  and  eigenvalues  (cont.)  

J  CharacterisPc  equaPon:  |A-­‐Iλ|=0    

3  Eigenvalues  of  a  symmetric  2x2  matrix  

a  

b  

c  

d  

10/25/11   GG303   12  

λ1,λ2 =a + d( ) ± a + d( )2 − 4 ad − b2( )

2

Radical  term  cannot  be  negaPve.    Eigenvalues  are  real.  

A = a bb d

⎣⎢

⎦⎥

λ1,λ2 =a + d( ) ± a + 2ad + d( )2 − 4ad + 4b2

2

λ1,λ2 =a + d( ) ± a − 2ad + d( )2 + 4b2

2

λ1,λ2 =a + d( ) ± a − d( )2 + 4b2

2

From  previous  notes  

10/25/11  

7  

9.  EIGENVECTORS,  EIGENVALUES,  AND  FINITE  STRAIN  

L  DisPnct  eigenvectors  (X1,  X2)  of  a  symmetric  2x2  matrix  are  perpendicular    Since  the  leo  sides  of  (2a)  and  (2b)  are  equal,  the  right  sides  must  be  equal  too.  Hence,  4  λ1  (X2•X1)  =λ2  (X1•X2)  Now  subtract  the  right  side  of  (4)  from  the  leo  5  (λ1  –  λ2)(X2•X1)  =0  •  The  eigenvalues  generally  are  different,  so  λ1  –  λ2  ≠  0.    •  This  means  for  (5)  to  hold  that  X2•X1  =0.  •  Therefore,  the  eigenvectors  (X1,  X2)  of  a  symmetric  2x2  

matrix  are  perpendicular  

10/25/11   GG303   13  

From  previous  notes  

19.  Principal  Stresses  

III  Principal  stresses  (eigenvectors  and  eigenvalues)  

10/25/11   GG303   14  

σ xx σ yx

σ xy σ yy

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

nxny

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥= λ

nxny

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

D  Meaning  1  Since  the  stress  tensor  is  symmetric,  a  

reference  frame  with  perpendicular  axes  defined  by  nx  and  ny  pairs  can  be  found  such  that  the  shear  stresses  are  zero  

2  This  is  the  only  way  to  saPsfy  the  equaPon  above;  otherwise  σxy  ny  ≠  0,  and  σxy  nx  ≠0    

3  For  different  (principal)  values  of  λ,  the  orientaPon  of  the  corresponding  principal  axis  is  expected  to  differ      

10/25/11  

8  

19.  Principal  Stresses  

V    Example  Find  the  principal  stresses  

given  

10/25/11   GG303   15  

σ ij =σ xx = −4MPa σ xy = −4MPaσ yx = −4MPa σ yy = −4MPa

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

19.  Principal  Stresses  

V    Example  

10/25/11   GG303   16  

σ ij =σ xx = −4MPa σ xy = −4MPaσ yx = −4MPa σ yy = −4MPa

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

λ1,λ2 =a + d( ) ± a − d( )2 + 4b2

2

λ1,λ2 = −4 ± 642

= −4 ± 4 = 0,−8

First  find  eigenvalues  (in  MPa)  

10/25/11  

9  

19.  Principal  Stresses  IV    Example  

10/25/11   GG303   17  

σ ij =σ xx = −4MPa σ xy = −4MPaσ yx = −4MPa σ yy = −4MPa

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

λ1,λ2 = −4 ± 642

= −4 ± 4 = 0,−8

Then  solve  for  eigenvectors  (X)  using  [A-­‐Iλ][X]=0    

For  λ1 = 0 :−4 − 0 −4−4 −4 − 0

⎣⎢

⎦⎥

nxny

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥= 0

0⎡

⎣⎢

⎦⎥ ⇒ −4nx − 4ny = 0⇒ nx = −ny

For  λ2 = −8 :−4 − −8( ) −4

−4 σ yy − −8( )⎡

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

nxny

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥= 0

0⎡

⎣⎢

⎦⎥ ⇒ 4nx − 4ny = 0⇒ nx = ny

Eigenvalues  (MPa)  

19.  Principal  Stresses  IV    Example  

10/25/11   GG303   18  

λ1 = 0MPaλ2 = −8MPa

Eigenvectors  nx = −nynx = ny

Eigenvalues  

σ ij =σ xx = −4MPa σ xy = −4MPaσ yx = −4MPa σ yy = −4MPa

⎣⎢⎢

⎦⎥⎥

nx2 + ny

2 = 1

2nx2 = 1

nx = 2 2

ny = 2 2Note  that  X1•X2  =  0  Principal  direcPons  are  perpendicular  

nx2 + ny

2 = 1

2nx2 = 1

nx = 2 2

ny = − 2 2 x  x  

y  y  

10/25/11  

10  

19.  Principal  Stresses  V    Example  (values  in  MPa)  

10/25/11   GG303   19  

σxx  =  -­‐  4   τxn  =  -­‐  4   σx’x’  =  -­‐  8   τx’n  =  -­‐  8  

σxy  =  -­‐  4   τxs  =  -­‐  4   σx’y’  =  0   τx’s  =  0  

σyx  =  -­‐  4   τyn  =  +  4   σy’x’  =  -­‐0   τy’s  =  +0  

σyy  =  -­‐  4   τys  =    -­‐4   σy’y’  =  0   τy’n  =  0  

n  s  

n  

s  

σ1   σ2  

19.  Principal  Stresses  V    Example  Matrix  form/Matlab  

10/25/11   GG303   20  

>>  sij  =  [-­‐4  -­‐4;-­‐4  -­‐4]  sij  =          -­‐4        -­‐4          -­‐4        -­‐4  >>  [v,d]=eig(sij)  v  =          0.7071      -­‐0.7071          0.7071        0.7071  d  =          -­‐8          0            0          0  

Eigenvectors  (in  columns)  

Corresponding  eigenvalues  (in  columns)  

σ1   σ2