Tensorderivat (kontinuummekanik) - Tensor derivative (continuum mechanics)

De derivater af skalarer , vektorer og anden ordens tensorer med hensyn til anden ordens tensorer er af betydelig anvendelse i kontinuum mekanik . Disse derivater bruges i teorierne om ikke-lineær elasticitet og plasticitet , især i designet af algoritmer til numeriske simuleringer .

Den retningsbestemte derivat giver en systematisk måde at finde disse derivater.

Derivater med hensyn til vektorer og andenordens tensorer

Definitionerne af retningsderivater til forskellige situationer er angivet nedenfor. Det antages, at funktionerne er tilstrækkeligt glatte til, at derivater kan tages.

Derivater af skalarværdige funktioner for vektorer

Lad f ( v ) være en reel værdi af vektoren v . Derefter den afledte af f ( v ) i forhold til v (eller i v ) er den vektor defineres gennem dets dot produkt med enhver vektor u er

for alle vektorer u . Ovenstående punktprodukt giver en skalar, og hvis u er en enhedsvektor giver retningsderivatet af f ved v , i u- retningen.

Ejendomme:

  1. Hvis så
  2. Hvis så
  3. Hvis så

Derivater af vektorværdiansatte funktioner af vektorer

Lad f ( v ) være en vektor-værdsat funktion af vektoren v . Derefter den afledte af f ( v ) i forhold til v (eller i v ) er den anden ordens tensor defineres gennem dets dot produkt med enhver vektor u er

for alle vektorer u . Ovenstående punktprodukt giver en vektor, og hvis u er en enhedsvektor, giver retningsderivatet af f ved v , i retning u .

Ejendomme:

  1. Hvis så
  2. Hvis så
  3. Hvis så

Afledte af skalarvurderede funktioner af andenordens tensorer

Lad være en reel værdsat funktion af anden ordens tensor . Derefter differentialkvotienten af med hensyn til (eller i ) i retningen er den anden ordens tensor defineret som

for alle andenordens tensorer .

Ejendomme:

  1. Hvis så
  2. Hvis så
  3. Hvis så

Afledte af tensorværdige funktioner af andenordens tensorer

Lad være en anden ordens tensorværdieret funktion af den anden ordens tensor . Derefter differentialkvotienten af med hensyn til (eller i ) i retningen er den fjerde orden tensor defineret som

for alle andenordens tensorer .

Ejendomme:

  1. Hvis så
  2. Hvis så
  3. Hvis så
  4. Hvis så

Gradient af et tensorfelt

Den gradient , på en tensor felt i retning af en arbitrær konstant vektor c defineres som:

Gradienten af ​​et tensorfelt af orden n er et tensorfelt af orden n +1.

Kartesiske koordinater

Bemærk: Einstein-summeringskonventionen om opsummering på gentagne indekser bruges nedenfor.

Hvis er basisvektorerne i et kartesisk koordinatsystem med koordinater for punkter angivet med ( ), så gives gradienten af ​​tensorfeltet ved

Da basisvektorerne ikke varierer i et kartesisk koordinatsystem, har vi følgende relationer for gradienterne i et skalarfelt , et vektorfelt v og et andet ordens tensorfelt .

Kurvlinære koordinater

Bemærk: Einstein-summeringskonventionen om opsummering på gentagne indekser bruges nedenfor.

Hvis er de kontravariant basisvektorer i et krumlinjært koordinatsystem med koordinater af punkter angivet med ( ), så er gradienten af ​​tensorfeltet givet ved (se et bevis.)

Fra denne definition har vi følgende relationer til gradienterne i et skalarfelt , et vektorfelt v og et andet ordens tensorfelt .

hvor Christoffel-symbolet er defineret ved hjælp af

Cylindriske polære koordinater

I cylindriske koordinater er gradienten givet ved

Divergens af et tensorfelt

Den divergens af en tensor felt , er defineret på rekursive relation

hvor c er en vilkårlig konstant vektor, og v er et vektorfelt. Hvis er et tensorfelt af orden n > 1, så er divergensen af ​​feltet en tensor af orden n - 1.

Kartesiske koordinater

Bemærk: Einstein-summeringskonventionen om opsummering på gentagne indekser bruges nedenfor.

I et kartesisk koordinatsystem har vi følgende relationer for et vektorfelt v og et andet ordens tensorfelt .

hvor tensorindeksnotation for partielle derivater bruges i de yderste udtryk. Noter det

For en symmetrisk andenordens tensor er divergensen ofte skrevet som

Ovenstående udtryk bruges undertiden som definitionen i kartesisk komponentform (ofte også skrevet som ). Bemærk, at en sådan definition ikke er i overensstemmelse med resten af ​​denne artikel (se afsnittet om krøllede koordinater).

Forskellen stammer fra, om differentieringen udføres med hensyn til rækkerne eller kolonnerne i og er konventionel. Dette demonstreres med et eksempel. I et kartesisk koordinatsystem er den anden ordens tensor (matrix) gradienten af ​​en vektorfunktion .

Den sidste ligning svarer til den alternative definition / fortolkning

Kurvlinære koordinater

Bemærk: Einstein-summeringskonventionen om opsummering på gentagne indekser bruges nedenfor.

I buelinjede koordinater, de divergerende et vektorfelt v og en anden ordens tensor felt er

Mere generelt,


Cylindriske polære koordinater

I cylindriske polære koordinater

Krølle af et tensorfelt

Den krølle af en ordre- n > 1 tensor felt er også defineret ved hjælp af rekursive relation

hvor c er en vilkårlig konstant vektor, og v er et vektorfelt.

Krølle af et første ordens tensor (vektor) felt

Overvej et vektorfelt v og en vilkårlig konstant vektor c . I indeksnotation er krydsproduktet givet af

hvor er permutationssymbolet , ellers kendt som Levi-Civita-symbolet. Derefter,

Derfor,

Krølle af et andet ordens tensorfelt

For en anden ordens tensor

Derfor bruger definitionen af ​​krøllen af ​​et første ordens tensorfelt,

Derfor har vi det

Identiteter, der involverer krølningen af ​​et tensorfelt

Den mest almindeligt anvendte identitet, der involverer krumning af et tensorfelt , er

Denne identitet gælder for tensorfelter af alle ordrer. I det vigtige tilfælde af en anden ordens tensor indebærer denne identitet det

Afledt af determinanten for en anden ordens tensor

Derivatet af determinanten af ​​en anden ordens tensor er givet ved

I en ortonormalbasis, komponenterne i kan skrives som en matrix A . I så fald svarer højre side til matrixens medfaktorer.

Afledte af invarianter af en anden ordens tensor

De vigtigste invarianter af en anden ordens tensor er

Derivaterne af disse tre invarianter med hensyn til er

Afledt af andenordens identitetstensor

Lad være andenordens identitetstensor. Derefter gives afledningen af ​​denne tensor med hensyn til en anden ordens tensor af

Dette er fordi er uafhængig af .

Afledt af en anden ordens tensor med hensyn til sig selv

Lad være en anden ordens tensor. Derefter

Derfor,

Her er fjerde ordens identitetstensor. I indeksnotation med hensyn til et ortonormalt grundlag

Dette resultat indebærer det

hvor

Derfor, hvis tensoren er symmetrisk, så er afledningen også symmetrisk, og vi får

hvor den symmetriske fjerde ordens identitetstensor er

Afledt af det omvendte af en anden ordens tensor

Lad og være to andenordens tensorer, så

I indeksnotation med hensyn til et ortonormalt grundlag

Vi har også

I indeksnotation

Hvis tensoren er symmetrisk, så

Integration af dele

Domæne , dets grænse og den udadvendte enhed normal

En anden vigtig operation relateret til tensorderivater i kontinuummekanik er integration af dele. Formlen for integration af dele kan skrives som

hvor og er differentierbare tensorfelter af vilkårlig orden, er enheden udad normal i forhold til det domæne, som tensorfelterne er defineret over, repræsenterer en generaliseret tensorproduktoperatør og er en generaliseret gradientoperatør. Når er lig med identitetstensoren, får vi divergenssætningen

Vi kan udtrykke formlen for integration af dele i kartesisk indeksnotation som

I det specielle tilfælde, hvor tensorproduktoperationen er en sammentrækning af et indeks, og gradientoperationen er en divergens, og begge og er andenordens tensorer, har vi

I indeksnotation,

Se også

Referencer