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1. THE STRUCTURAL PROBLEM

  • Given:
    • 3D continuous body w/ volume V and surface S
    • Body forces F
    • Surface forces f
    • Assigned displacement on the constrained surface
  • We wanna define
    • Displacement field
    • Stress field
    • Strain field
  • Hypothesis
    • Small strains & displacements
    • Isothermal process
    • No dynamics
    • Linear elastic (isotropic) material behavior
  • Governing equations
  1. Equilibrium
    • \(\sigma_{ij,j} + F_i = 0 \quad \forall x \in V\)
    • \(\sigma_{ij} n_j = f_i \quad \forall x \in S_f\)
    • \(\frac{\partial \sigma_{xx}}{\partial x} + \frac{\partial \sigma_{xy}}{\partial y} + \frac{\partial \sigma_{xz}}{\partial z} + F_x = 0\)
    • \(\sigma_{Mx} + \tau_{xy} M_y + \tau_{xz} M = 0\)

2

2) KINEMATIC COMPATIBILITY

\( \{ \begin{array}{ll} \varepsilon_{ij} = \frac{1}{2} (s_{ij} + s_{ji}) \ \ \ & \text{on } V \\ s \cdot = \dot{s_i} \ \ \ & \text{on } Su \end{array} \)}

3) CONSTITUTIVE LAW \(\{ \begin{array}{ll} \sigma_{ij} = d_{ijkl} \varepsilon_{kl} \ \rightarrow \ \underline{\underline{\sigma}} = \underline{\underline{d}} \ \underline{\underline{\varepsilon}} \\ \varepsilon_{ij} = c_{ijkl} \sigma_{ij} \ \rightarrow \ \underline{\underline{\varepsilon}} = \underline{\underline{c}} \ \underline{\underline{\sigma}} \end{array}\)

\(\cdot\) If the POTENTIAL ELASTIC ENERGY exists, then \(\underline{\underline{s}}\) and \(\underline{\underline{\varepsilon}}\) must be symmetric & positive definite.

\(\cdot\) In the case of an ELASTIC & ISOTROPIC material

it is possible to express \(\underline{\underline{\sigma}}\) and \(\underline{\underline{\varepsilon}}\) by

using the Lame's constants

  • \(\lambda = \frac{\nu E}{(1+\nu)(1-2\nu)} \ , \ E \left[ \frac{F}{A} \right] \)
  • \(\mu = G = \frac{E}{2(1+\nu)}\)

\(-1 < \nu < \frac{1}{2}\)

  • \(\underline{\underline{d}} = \begin{bmatrix} \lambda + 2\mu & \lambda & \lambda & 0 & 0 & 0 \\ \lambda & \lambda + 2\mu & \lambda & 0 & 0 & 0 \\ \lambda & \lambda & \lambda + 2\mu & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & \mu & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & \mu & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & \mu \end{bmatrix} \ , \ \underline{\underline{c}} = \frac{1}{E}\begin{bmatrix} 1 & -\nu & -\nu & 0 & 0 & 0 \\ -\nu & 1 & -\nu & 0 & 0 & 0 \\ -\nu & -\nu & 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & \frac{2(1+\nu)}{2(1+\nu)} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & \frac{2(1+\nu)}{2(1+\nu)} & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & \frac{2(1+\nu)}{2(1+\nu)} \end{bmatrix}\)

\(\ast\) Meaning of \(\nu < 0\)

  • \(\rightarrow\) First 2 equations of \(\underline{\epsilon} = \underline{\underline{d}} \cdot \epsilon\)
  • \(\varepsilon_x = \frac{1}{E} \{ \sigma_x - \nu(\sigma_y + \sigma_z)\}\)
  • \(\varepsilon_y = \frac{1}{E} \{ \sigma_y - \nu(\sigma_x + \sigma_z)\}\)

Proof of (3):

  • Internal work definition + kinematic compatibility condition

Vj*ŷj dV

ŷj = 1/2 (sj + sj,c)⇒ t = Vij* 1/2 (Sj + Sj,c) dV

  • due to the symmetry of ∂ij and the implicit summation we can write

⇒ ℓi = Vij*ij dV

  • Divergence theorem:

V (∂ij,jSi + ∂ijSij) dV = S ∂ijmjsi dS

⇒ ℓi = -Vij,jsidV + S ∂ijmjsidS

  • Equilibrium condition

{∂ij,j = -fi* on V∂ijmj = fi* on Su,se

⇒ ℓi = V fi*sidV + ∂Sf f*isidS + Su,seijmjcdS - Le

PRINCIPLE OF VIRTUAL DISPLACEMENT (PVD)

• Let's consider a REAL STATIC SET of a REAL BODY and a VIRTUAL KINEMATIC SET.

  • The VIRTUAL KIN SET must satisfy the following and:
  • Si = Sii
  • Si + δSi = Si

⇒ δSi = 0 on Su

Eij + δEij = 1/2 ((Sii − δSii),j + (Sij + δSjj),i)

due to linearity

⇒ |δEij = 1/2 (δSi,j + δSj,j) on V

E* set of kinematic compatible field with zero data on the boundary

Principle:

The condition δti - δte = 0 implies EQUILIBRIUM on V and St

∀ δS, δEij, δSi

  • v δti ∙ τij δEij dV
  • su δte ∙ Fi δSi ds dV
  • + ∫v fi δSi dV

Proof:

δti - δte ∙ ∫v τij δEij dV - ∫su Fi δSi ds dV

•Recalling the kinematic compatibility δEij = 1/2 (δSi,j + δSj,i)

3D ELASTIC BEHAVIOR

1) ELASTIC POTENTIAL

w(ε) = ∫ δt dε

dw = δt dε → δt = dw/dε

2) COMPLEMENTARY ELASTIC POTENTIAL

wc(δ) = ∫ εt dδ

dwc = εt dδ → εt = dwc/dδ

By considering a body with volume V, we can define:

  • TOTAL ELASTIC POTENTIAL Ω(ε) = ∫V w(ε) dV

In case of linear elastic behavior w = ½εt Eε

Ω(ε) = ½ ∫V εt dε Eε dV

  • TOTAL COMPLEMENTARY ELASTIC POTENTIAL ΩC(δ) = ∫V wc(δ) dV

In case of linear elastic behavior ΩC(δ) = ½ ∫V δt E-1 δ dV

OSSERVAZIONE:

ε = E-1 δ → equivalent of δ = Eε in 1D

δ = dw/dε = dεt dε → d = d2w/dε2t

d is a matrix containing the 2nd derivatives of w

  • Recalling the Schwartz’s theorem

2f(x,y)/∂y∂x = ∂2f(x,y)/∂x∂y → d = Msym

Proof

  • Let consider a stress field σ* and a variation δσ* + dσ*
    • σ* = ξ
    • δσ* st ξ ∈ ξn
    The variations δσ* and δt* must satisfy also
    • δσ* = 0 on V
    • δt* = 0 on Sf
  • The VARIATION of the TCE is
    • δTCE = TCE(σ* + δσ*) - TCE(σ*)
  • = -½V (σ* + δσ*) ξ (σ* + δσ*) dV = ∫Su (σ* + δt*)T ξ s dS
  • -½V σ*T ξ σ* dV - ∫Sc t*T ξ s dS
  • = ½V στ ξ σ* dV ±12Vf στ ξ δσ* dV ±12 δσ*τ ξ σ* dV +
  • + ½Vf δσ*τ ξ δσ* dV - ∫Su δξ*τ s dS ± ½2V* ξ σ* dV
  • = ∫V ξ*τ ξ δσ* dV - ∫Su δξ*τ s dS + ½2V ν δσ*τ ξ δσ* dV
Dettagli
Publisher
A.A. 2021-2022
211 pagine
1 download
SSD Ingegneria civile e Architettura ICAR/08 Scienza delle costruzioni

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher Elebi1 di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Computational Mechanics and inelastic structural analysis e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Politecnico di Milano o del prof Corigliano Alberto.