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Derivada tensorial (mecánica continua)

Las derivadas de escalares , vectores y tensores de segundo orden con respecto a tensores de segundo orden son de considerable utilidad en mecánica continua . Estas derivadas se utilizan en las teorías de elasticidad y plasticidad no lineal , particularmente en el diseño de algoritmos para simulaciones numéricas . [1]

La derivada direccional proporciona una forma sistemática de encontrar estas derivadas. [2]

Derivadas con respecto a vectores y tensores de segundo orden

A continuación se dan las definiciones de derivadas direccionales para diversas situaciones. Se supone que las funciones son lo suficientemente suaves como para poder tomar derivadas.

Derivadas de funciones de vectores con valores escalares

Sea f ( v ) una función de valor real del vector v . Entonces la derivada de f ( v ) con respecto a v (o en v ) es el vector definido a través de su producto escalar siendo cualquier vector u

para todos los vectores u . El producto escalar anterior produce un escalar, y si u es un vector unitario, da la derivada direccional de f en v , en la dirección u .

Propiedades:

  1. si entonces
  2. si entonces
  3. si entonces

Derivadas de funciones vectoriales de vectores

Sea f ( v ) una función vectorial del vector v . Entonces la derivada de f ( v ) con respecto a v (o en v ) es el tensor de segundo orden definido a través de su producto escalar siendo cualquier vector u

para todos los vectores u . El producto escalar anterior produce un vector, y si u es un vector unitario, da la derivada direccional de f en v , en la dirección u .

Propiedades:

  1. si entonces
  2. si entonces
  3. si entonces

Derivadas de funciones escalares de tensores de segundo orden

Sea una función de valor real del tensor de segundo orden . Entonces la derivada de con respecto a (o en ) en la dirección es el tensor de segundo orden definido como

Propiedades:

  1. si entonces
  2. si entonces
  3. si entonces

Derivadas de funciones tensoriales de tensores de segundo orden

Sea una función tensorial de segundo orden del tensor de segundo orden . Entonces la derivada de con respecto a (o en ) en la dirección es el tensor de cuarto orden definido como

Propiedades:

  1. si entonces
  2. si entonces
  3. si entonces
  4. si entonces

gradiente de un campo tensorial

El gradiente , , de un campo tensorial en la dirección de un vector constante arbitrario c se define como:

nn

Coordenadas cartesianas

Si los vectores base están en un sistema de coordenadas cartesiano , con las coordenadas de los puntos indicadas por ( ), entonces el gradiente del campo tensorial viene dado por

Prueba

Los vectores x y c se pueden escribir como y . Sea y  := x + α c . En ese caso el gradiente viene dado por

Dado que los vectores base no varían en un sistema de coordenadas cartesiano, tenemos las siguientes relaciones para los gradientes de un campo escalar , un campo vectorial v y un campo tensorial de segundo orden .

Coordenadas curvilíneas

Si los vectores de base contravariantes están en un sistema de coordenadas curvilíneo , con las coordenadas de los puntos indicadas por ( ), entonces el gradiente del campo tensorial viene dado por (consulte [3] para una prueba).

De esta definición tenemos las siguientes relaciones para los gradientes de un campo escalar , un campo vectorial v y un campo tensorial de segundo orden .

donde el símbolo de Christoffel se define usando

Coordenadas polares cilíndricas

En coordenadas cilíndricas , el gradiente viene dado por

Divergencia de un campo tensor

La divergencia de un campo tensorial se define mediante la relación recursiva

donde c es un vector constante arbitrario y v es un campo vectorial. Si es un campo tensor de orden n > 1 entonces la divergencia del campo es un tensor de orden n − 1.

Coordenadas cartesianas

En un sistema de coordenadas cartesiano tenemos las siguientes relaciones para un campo vectorial v y un campo tensorial de segundo orden .

donde la notación de índice tensorial para derivadas parciales se utiliza en las expresiones del extremo derecho. Tenga en cuenta que

Para un tensor simétrico de segundo orden, la divergencia también suele escribirse como [4]

La expresión anterior se utiliza a veces como definición de en forma de componente cartesiano (a menudo también se escribe como ). Tenga en cuenta que dicha definición no es coherente con el resto de este artículo (consulte la sección sobre coordenadas curvilíneas).

La diferencia surge de si la diferenciación se realiza respecto de las filas o columnas de , y es convencional. Esto se demuestra con un ejemplo. En un sistema de coordenadas cartesiano, el tensor (matriz) de segundo orden es el gradiente de una función vectorial .

La última ecuación es equivalente a la definición/interpretación alternativa [4]

Coordenadas curvilíneas

En coordenadas curvilíneas, las divergencias de un campo vectorial v y un campo tensorial de segundo orden son

Más generalmente,


Coordenadas polares cilíndricas

En coordenadas polares cilíndricas

Curl de un campo tensorial

El rizo de un campo tensorial de orden n > 1 también se define utilizando la relación recursiva

cv

Rizo de un campo tensorial (vectorial) de primer orden

Considere un campo vectorial v y un vector constante arbitrario c . En notación de índice, el producto cruzado viene dado por

símbolo de permutación

Curl de un campo tensor de segundo orden

Para un tensor de segundo orden

Identidades que involucran la curvatura de un campo tensor

La identidad más comúnmente utilizada que involucra la curvatura de un campo tensorial, es

Derivada del determinante de un tensor de segundo orden

La derivada del determinante de un tensor de segundo orden viene dada por

En forma ortonormal, los componentes de se pueden escribir como una matriz A. En ese caso, el lado derecho corresponde a los cofactores de la matriz.

Prueba

Sea un tensor de segundo orden y sea . Entonces, a partir de la definición de la derivada de una función escalar de un tensor, tenemos

El determinante de un tensor se puede expresar en forma de ecuación característica en términos de invariantes usando

Usando esta expansión podemos escribir

Recuerde que la invariante está dada por

Por eso,

Invocando la arbitrariedad de entonces tenemos

Derivadas de las invariantes de un tensor de segundo orden

Los principales invariantes de un tensor de segundo orden son

Las derivadas de estos tres invariantes con respecto a son

Prueba

De la derivada del determinante sabemos que

Para las derivadas de las otras dos invariantes, volvamos a la ecuación característica

Utilizando el mismo enfoque que para el determinante de un tensor, podemos demostrar que

Ahora el lado izquierdo se puede expandir como

Por eso

o,

Expandir el lado derecho y separar términos en el lado izquierdo da

o,

Si definimos y , podemos escribir lo anterior como

Reuniendo términos que contienen varias potencias de λ, obtenemos

Entonces, invocando la arbitrariedad de λ, tenemos

Esto implica que

Derivada del tensor de identidad de segundo orden

Sea el tensor de identidad de segundo orden. Entonces la derivada de este tensor con respecto a un tensor de segundo orden viene dada por

Derivada de un tensor de segundo orden con respecto a sí mismo

Sea un tensor de segundo orden. Entonces

Por lo tanto,

Aquí está el tensor de identidad de cuarto orden. En notación de índice con respecto a una base ortonormal

Este resultado implica que

Por lo tanto, si el tensor es simétrico, entonces la derivada también es simétrica y obtenemos

Derivada de la inversa de un tensor de segundo orden

Sean y dos tensores de segundo orden, entonces

Prueba

Recordar que

Desde entonces podemos escribir

Usando la regla del producto para tensores de segundo orden

obtenemos

o,

Por lo tanto,

Integración por partes

Dominio , su límite y la unidad normal de salida.

Otra operación importante relacionada con las derivadas tensoriales en la mecánica continua es la integración por partes. La fórmula de integración por partes se puede escribir como

donde y son campos tensoriales diferenciables de orden arbitrario, es la unidad normal hacia afuera al dominio sobre el cual se definen los campos tensoriales, representa un operador de producto tensorial generalizado y es un operador de gradiente generalizado. Cuando es igual al tensor de identidad, obtenemos el teorema de la divergencia.

Podemos expresar la fórmula de integración por partes en notación de índice cartesiano como

Para el caso especial donde la operación del producto tensorial es una contracción de un índice y la operación del gradiente es una divergencia, y ambos y son tensores de segundo orden, tenemos

En notación de índice,

Ver también

Referencias

  1. ^ JC Simo y TJR Hughes, 1998, Inelasticidad computacional , Springer
  2. ^ JE Marsden y TJR Hughes, 2000, Fundamentos matemáticos de la elasticidad , Dover.
  3. ^ RW Ogden, 2000, Deformaciones elásticas no lineales , Dover.
  4. ^ ab Hjelmstad, Keith (2004). Fundamentos de Mecánica Estructural . Medios de ciencia y negocios de Springer. pag. 45.ISBN​ 9780387233307.