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Mecánica de Sólidos Francisco Javier Montáns 5. Elasticidad lineal (la mayor parte, repaso 3 horas) “At the end of the year 1820 the fruit of all the ingenuity expended on elastic problems might be summed up as – an inadequate theory of flexure, an erroneous theory of torsion, an unproved theory of the vibrations of bars and plates, and the definition of Young’s modulus” Augustus Edward Hough Love (1863-1940) en 1927 Augustin Louis Cauchy 1789- 1857 Mecánica de Sólidos INDICE 1. El problema de contorno: ecuación de comportamiento 2. Ecuación de comportamiento de la elasticidad lineal 3. Ecuación de comportamiento de la termo-elasticidad lineal 4. Analogía de Duhamel-Neumann 5. El problema de contorno: métodos de resolución 6. Planteamiento del problema de contorno por potenciales 7. Principios de superposición y de unicidad de la solución elástico- lineal 8. Elasticidad bidimensional: deformación y tensión plana 9. Elasticidad bidimensional: ecuaciones unificadas 10. Elasticidad bidimensional: ecuaciones en coordenadas polares 11. Resolución del problema por potenciales 12. Ecuaciones de comportamiento en elasticidad lineal anisótropa: Módulos de elasticidad aparentes. Coeficientes de Lekhnitskii y de Chentov Elasticidad lineal 2 Mecánica de Sólidos EL PROBLEMA DE CONTORNO: ECUACIÓN CONSTITUTIVA • El problema de contorno Elasticidad lineal 3 Mecánica de Sólidos EL PROBLEMA DE CONTORNO: ECUACIÓN CONSTITUTIVA Elasticidad lineal 4 • El problema de contorno: planteamiento Caso estático: Mecánica de Sólidos EL PROBLEMA DE CONTORNO: ECUACIÓN CONSTITUTIVA • Motivaciones 1D – El comportamiento real es general y difícil de interpretar al incluir multitud de variables de carácter tensorial. Con frecuencia no existen ni siquiera suficientes ensayos experimentales que caractericen adecuadamente el material. Por ello: • Se crean “modelos” basados en observaciones experimentales, generalmente unidimensionales, generalizándolos a 3D (generalizaciones no obvias) de forma que, al menos, se reproduzcan los ensayos existentes de manera satisfactoria (es decir, como mejor se pueda) • Se desprecian aquellas variables que en un problema o material determinado no influyen (o se cree que no influyen) de manera relevante en el comportamiento observado (¡hace falta experiencia y entendimiento físico!) Ecuación constitutiva general Forma alternativa de ecuación constitutiva general Elasticidad lineal 5 Mecánica de Sólidos EL PROBLEMA DE CONTORNO: ECUACIÓN CONSTITUTIVA • Modelos de ecuación de comportamiento o constitutiva (“constitutive equation”) Ecuación constitutiva general Ecuación constitutiva de un fluido Ecuación constitutiva de un sólido elástico Ecuación constitutiva de un sólido termoelástico Ecuación constitutiva de un sólido viscoelástico Ecuación constitutiva de un sólido elastoplástico Ecuación constitutiva de un sólido termo-elastoplástico Ecuación constitutiva de un sólido viscoplástico Structural engineering is the art of modelling materials we do not wholly understand into shapes we cannot precisely analyse so as to withstand forces we cannot properly assess in such a way that the public at large has no reason to suspect the extent of our ignorance. A. R. Dykes in the 1946 Chairman’s Address to the Scottish Branch of the IStructE Elasticidad lineal 6 Mecánica de Sólidos EL PROBLEMA DE CONTORNO: ECUACIÓN CONSTITUTIVA • Ejemplos 𝜎 𝜀 𝜎 𝜀 𝜎 𝜀 𝜀1̇ 𝜀2̇ 𝜀3̇ 𝜎 𝜀 𝜀1̇ 𝜀2̇ 𝜀3̇ 𝜎 𝜀 𝜎 𝜀 (Hiper-)Elasticidad Viscoelasticidad Plasticidad Daño Viscoplasticidad Elasticidad Lineal Elasticidad lineal 7 Mecánica de Sólidos ECUACIÓN DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL • Comportamiento en elasticidad lineal (repaso) – Ley de Hooke uniaxial – Ley de Hooke tridimensional Elasticidad lineal 8 S S E= módulo de Young, 𝜈 = coef. Poisson Mecánica de Sólidos ECUACIÓN DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL • Ejercicio: – Escribir la representación matricial de los tensores , donde Comportamiento en elasticidad lineal isótropa (repaso) Deberes: hacerlo en pseudovectorial Solución (Voigt): Elasticidad lineal 9 Mecánica de Sólidos ECUACIÓN DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL • Formas alternativas (descomposición en parte volumétrica y desviadora) Tensor de flexibilidades elásticas isótropo Elasticidad lineal 10 Mecánica de Sólidos ECUACIÓN DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL • Ecuaciones en notación de Voigt 36 -> 21 const. Hiperelasticidad (sólidos de Green) Tensor de constantes elásticas o de rigidez Simetrías mayores y menores Elasticidad lineal 11 Mecánica de Sólidos ECUACIÓN DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL • Ecuaciones en notación pseudovectorial Elasticidad lineal 12 Mecánica de Sólidos ECUACIÓN DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL • Relación entre las constantes elásticas isótropo-lineales más habituales Elasticidad lineal 13 Mecánica de Sólidos EL PROBLEMA DE CONTORNO: MÉTODOS DE RESOLUCIÓN • El problema de contorno elástico-lineal isótropo • El problema de contorno termoelástico-lineal isótropo Elasticidad lineal 17 Igual Sistema de EDPs Mecánica de Sólidos EL PROBLEMA DE CONTORNO: MÉTODOS DE RESOLUCIÓN • Métodos de resolución – Métodos analíticos: resuelven problemas fundamentales, importantes, de forma exacta, pero para geometrías y cargas sencillas. Normalmente problemas lineales. Poco habitual actualmente en la práctica ingenieril. Las soluciones más importantes están en los manuales. El más usado es el de funciones de Airy. – Métodos numéricos: muy generales, se resuelve cualquier geometría y cargas, cualquier comportamiento (lineal o no-lineal), aproximados pero con errores numéricos despreciables. El mas usado es el Método de los Elementos Finitos. Extensivamente usado en las ingenierías. Elasticidad lineal 18 El adecuado depende de las condiciones de contorno Mecánica de Sólidos EL PROBLEMA DE CONTORNO: MÉTODOS DE RESOLUCIÓN • Ejemplo por integración directa – Calcular las tensiones y deformaciones de un depósito esférico de pared gruesa y comparar la solución con la obtenida por la teoría de Resistencia de Materiales (pared delgada) Elasticidad lineal 19 Solución: Resistencia de Materiales: Teoría de la elasticidad: • Fuerzas de volumen: se desprecian frente a las demás Mecánica de Sólidos EL PROBLEMA DE CONTORNO: MÉTODOS DE RESOLUCIÓN Elasticidad lineal 20 • Ejemplo por integración directa (cont) • Hipótesis sobre la forma de la solución (i.e. método semi-inverso) • Fuerzas de volumen: se desprecian frente a las demás • Condiciones de contorno: Sólo condiciones cont. de Neumann Mecánica de Sólidos EL PROBLEMA DE CONTORNO: MÉTODOS DE RESOLUCIÓN Elasticidad lineal 21 • Ejemplo por integración directa (cont) • Ecuaciones de compatibilidad sobre deformaciones no nulas (en coordenadas cilíndricas por geometría del problema): Deformaciones nula por geometría del problema Mecánica de Sólidos EL PROBLEMA DE CONTORNO: MÉTODOS DE RESOLUCIÓN Elasticidad lineal 22 • Ejemplo por integración directa (cont) • Ecuaciones de comportamiento • Ecuaciones de equilibrio (en coordenadas cilíndricas por geometría del problema). La única que no se cumple idénticamente es la radial: • Ecuación de campo Sustituyendo las tensiones en la ecuación de equilibrio se obtiene la ecuación de campo (en este caso también recibe el nombre de ecuación de Navier) E.D. ordinaria tipo Euler Mecánica de Sólidos EL PROBLEMA DE CONTORNO: MÉTODOS DE RESOLUCIÓN Elasticidad lineal 23 • Ejemplo por integración directa (cont) • Resolución de la EDO E.D. coef.ctes Condiciones de contorno Ecuación de comportamiento Mecánica de Sólidos EL PROBLEMA DE CONTORNO: MÉTODOS DE RESOLUCIÓN Elasticidad lineal 24 • Ejemplo por integración directa (cont) • Imposición de las c.c. en la solución Deberes: verificar que converge a la solución de R.M. cuando con Deberes: Calcular los valores extremos de la tensión circunferencial (*) (*) Mecánica de Sólidos EL PROBLEMA DE CONTORNO: MÉTODOS DE RESOLUCIÓN Elasticidad lineal 25 • Solución de un problema usando la de otro similar Oclusión en un medio infinito bajo presión Efecto concentrador de tensiones de una oclusión: Mecánica de Sólidos PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE CONTORNO POR POTENCIALES • Ecuaciones de Navier: planteamiento del problema en desplazamientos Elasticidad lineal 26 como Forma alternativa: Problema de contorno: Equilibrio Mecánica de Sólidos PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE CONTORNO POR POTENCIALES • Ejercicio: Obtener las ecuaciones de Navier para el caso incompresible Elasticidad lineal 27 Solución: Para el caso incompresible la presión no viene determinada por la ecuación de comportamiento, sino directamente por equilibrio (ojo criterio de signos de la presión) Forma alternativa (deberes) Mecánica de Sólidos PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE CONTORNO POR POTENCIALES • Ecuaciones de Beltrami-Michell: planteamiento del problema en tensiones Elasticidad lineal 28 Tomando el gradiente de la ecuación de Navier Traspuesta Sumándolas Usando compatibilidad cinemática y Ecuaciones de compatibilidad en deformaciones Ec. comportamiento Mecánica de Sólidos PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE CONTORNO POR POTENCIALES • Ecuaciones de Beltrami-Michell (cont) Elasticidad lineal 29 Usando Extrayendo la traza Ecuaciones de compatibilidad en tensiones (Ec. Michell) Caso habitual: Ecuaciones de Beltrami Mecánica de Sólidos PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE CONTORNO POR POTENCIALES • Ecuaciones de Beltrami-Michell (cont) Elasticidad lineal 30 Compatibilidad en tensiones Equilibrio en tensiones Fáciles de cumplir Difíciles de cumplir Problema de contorno en tensiones Mecánica de Sólidos ELASTICIDAD BIDIMENSIONAL • Elasticidad bidimensional: Una gran parte de problemas se pueden resolver, al menos de forma aproximada en el plano. En estos casos, si se resuelve el problema analíticamente, el número de ecuaciones a resolver se reduce considerablemente (así como su dificultad), y si se va a resolver numéricamente, el coste computacional se reduce en un orden de magnitud. Existen dos casos: Deformación plana (y axisimétrico) y Tensión plana. Elasticidad lineal 34 Se desacoplan los análisis en el plano XY y en la dirección Z, despreciándose él cambio en Z Mecánica de Sólidos ELASTICIDAD BIDIMENSIONAL: DEFORMACIÓN PLANA • Deformación plana: – Hipótesis, deformaciones – Ecuaciones de comportamiento, tensiones – Equilibrio Elasticidad lineal 35 Mecánica de Sólidos ELASTICIDAD BIDIMENSIONAL: DEFORMACIÓN PLANA • Deformación plana (cont) – Reducción de las ecuaciones de comportamiento al plano de interés Elasticidad lineal 36 (las tensiones en z no son nulas y se deben calcular) Mecánica de Sólidos ELASTICIDAD BIDIMENSIONAL: DEFORMACIÓN PLANA • Deformación plana (cont) – Ecuaciones de Navier en el plano de interés: No cambian – Ecuaciones de Beltrami (compatibilidad en tensiones) en el plano de interés Elasticidad lineal 37 Ecuación de compatibilidad no nula ± ± (sumando y restando y agrupando términos) (Deberes) Mecánica de Sólidos ELASTICIDAD BIDIMENSIONAL: DEFORMACIÓN PLANA • Deformación plana (cont) – Reducción de las ecuaciones de comportamiento al plano de interés Elasticidad lineal 38 Mecánica de Sólidos ELASTICIDAD BIDIMENSIONAL: TENSIÓN PLANA • Tensión plana: – Hipótesis Elasticidad lineal 39 Aprox. En el contorno, por tanto Mecánica de Sólidos ELASTICIDAD BIDIMENSIONAL: TENSIÓN PLANA • Tensión plana (cont) – Reducción de las ecuaciones de comportamiento al plano de interés Elasticidad lineal 40 sumando sumando sustituyendo Comportamiento 3D: (inmediato porque ) Mecánica de Sólidos ELASTICIDAD BIDIMENSIONAL: TENSIÓN PLANA • Tensión plana (cont) – Ecuaciones de Navier en el plano de interés: deberes – Ecuaciones de Beltrami (compatibilidad en tensiones) en el plano de interés Elasticidad lineal 41 Ecuación de compatibilidad en el plano Ecuaciones de compatibilidad fuera del plano, sólo se cumplen si Normalmente no se cumplirán (salvo en distribuciones lineales de tensiones), pero se despreciará su incumplimiento (espesores pequeños), por lo que la tensión plana es una hipótesis aproximada (a diferencia de la def. plana) Mecánica de Sólidos ELASTICIDAD BIDIMENSIONAL: TENSIÓN PLANA • Tensión plana (cont) – Ecuaciones de Beltrami (cont) Elasticidad lineal 42 En tensión plana (deberes): Mecánica de Sólidos EC. DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL ANISÓTROPA • Ecuaciones generales en notación de Voigt sym sym • Deberes: expresar las ecuaciones en notación pseudovectorial Elasticidad lineal 63 Mecánica de Sólidos EC. DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL ANISÓTROPA • Cambio de sistema de representación Nuevo sistema X’ Viejo sistema X Matriz de cambio de base del X al X’ (la representación matricial de la operación no es obvia) • Deberes: Demostrar que el cambio de sistema de representación se puede expresar como • Deberes: expresar la matriz de cambio de base en notación pseudovectorial, verificando que en este caso es la misma para tensiones y deformaciones Elasticidad lineal 64 Mecánica de Sólidos Anisotropía • Deberes: Demostrar que el cambio de sistema de representación se puede expresar como En el caso de deformaciones el 2 está en la caja donde tal que • Deberes: Demostrar que en el caso isótropo, el cambio de base no afecta a la representación matricial de la ecuación constitutiva (es invariante) Elasticidad lineal 65 EC. DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL ANISÓTROPA Mecánica de Sólidos EC. DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL ANISÓTROPA Anisotropía • Significado físico de los coeficientes Comportamiento uniaxial Comportamiento a cortante Acoplamiento a tracción entre direcciones (efecto Poisson) Acoplamiento entre extensión y cortante Acoplamiento cortante-cortante Sym Elasticidad lineal 66 Mecánica de Sólidos EC. DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL ANISÓTROPA Anisotropía • Significado físico de los coeficientes Elasticidad lineal 67 Mecánica de Sólidos EC. DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL ANISÓTROPA Tipos de anisotropía • Materiales monoclínicos: tienen un plano de simetría en el comportamiento (p.e. Z) 13 constantes independientes Deben ser cero para que exista esa simetría, ya que la deformación o tensión no sería simétrica Elasticidad lineal 68 Mecánica de Sólidos EC. DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL ANISÓTROPA • Materiales ortótropos: tienen dos (es decir, tres) planos de simetría ortogonales en el comportamiento (p.e. X,Y,Z) 9 constantes independientes (materiales compuestos) Deben ser cero para que exista esa simetría, ya que la deformación o tensión no sería simétrica Elasticidad lineal 69 Mecánica de Sólidos EC. DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL ANISÓTROPA Interpretación de los coeficientes que producen deformaciones simétricas y no simétricas Elasticidad lineal 70 Mecánica de Sólidos EC. DE COMPORTAMIENTOEN ELASTICIDAD LINEAL ANISÓTROPA Tipos de anisotropía • Materiales transversalmente isótropos: tienen un plano de comportamiento isótropo (p.e. Z), caso particular de ortotropía 5 constantes independientes (materiales compuestos de una fibra) Deben ser iguales para ser isótropo en el plano Elasticidad lineal 71 Mecánica de Sólidos EC. DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL ANISÓTROPA • Materiales isótropos: tienen los tres planos de comportamiento isótropo 2 constantes independientes (hipótesis mas habitual) Deberes: Hacer un cambio a 45º de un ensayo uniaxial y demostar que para obtener comportamiento isótropo el término a cortante debe ser Elasticidad lineal 72 Mecánica de Sólidos EC. DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL ANISÓTROPA Ortotropía • Determinación de los coeficientes de flexibilidad en ortotropía Dirección de la carga uniaxial Por simetría: Ensayos uniaxiales en direcciones 1 y 2: Elasticidad lineal 73 Mecánica de Sólidos EC. DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL ANISÓTROPA Ortotropía • Determinación de los coeficientes de rigidez en ortotropía Restricciones en las constantes: (energía elástica siempre positiva) Usando las ecuac. anteriores Elasticidad lineal 74 Mecánica de Sólidos EC. DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL ANISÓTROPA Ortotropía en tensión plana • Tensión plana (chapas de metal, materiales compuestos laminados, etc) Elasticidad lineal 75 Mecánica de Sólidos EC. DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL ANISÓTROPA Ortotropía en tensión plana • Cambio de sistema de representación: anisotropía aparente Elasticidad lineal 76 Mecánica de Sólidos EC. DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL ANISÓTROPA • Cambio de sistema de representación: Constantes aparentes Coeficientes de acoplamiento de Lekhnitskii (anisotropía aparente /ortotropía “general”) Constantes aparentes (más fáciles de medir: ensayo a tracción) Elasticidad lineal 77 Mecánica de Sólidos EC. DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL ANISÓTROPA • Cambio de sistema de representación: Constantes aparentes Elasticidad lineal 78 5. Elasticidad lineal�(la mayor parte, repaso 3 horas)� INDICE EL PROBLEMA DE CONTORNO: ECUACIÓN CONSTITUTIVA EL PROBLEMA DE CONTORNO: ECUACIÓN CONSTITUTIVA EL PROBLEMA DE CONTORNO: ECUACIÓN CONSTITUTIVA EL PROBLEMA DE CONTORNO: ECUACIÓN CONSTITUTIVA EL PROBLEMA DE CONTORNO: ECUACIÓN CONSTITUTIVA ECUACIÓN DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL ECUACIÓN DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL ECUACIÓN DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL ECUACIÓN DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL ECUACIÓN DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL ECUACIÓN DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL EL PROBLEMA DE CONTORNO: MÉTODOS DE RESOLUCIÓN EL PROBLEMA DE CONTORNO: MÉTODOS DE RESOLUCIÓN EL PROBLEMA DE CONTORNO: MÉTODOS DE RESOLUCIÓN EL PROBLEMA DE CONTORNO: MÉTODOS DE RESOLUCIÓN EL PROBLEMA DE CONTORNO: MÉTODOS DE RESOLUCIÓN EL PROBLEMA DE CONTORNO: MÉTODOS DE RESOLUCIÓN EL PROBLEMA DE CONTORNO: MÉTODOS DE RESOLUCIÓN EL PROBLEMA DE CONTORNO: MÉTODOS DE RESOLUCIÓN EL PROBLEMA DE CONTORNO: MÉTODOS DE RESOLUCIÓN PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE CONTORNO POR POTENCIALES PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE CONTORNO POR POTENCIALES PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE CONTORNO POR POTENCIALES PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE CONTORNO POR POTENCIALES PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE CONTORNO POR POTENCIALES ELASTICIDAD BIDIMENSIONAL ELASTICIDAD BIDIMENSIONAL: DEFORMACIÓN PLANA ELASTICIDAD BIDIMENSIONAL: DEFORMACIÓN PLANA ELASTICIDAD BIDIMENSIONAL: DEFORMACIÓN PLANA ELASTICIDAD BIDIMENSIONAL: DEFORMACIÓN PLANA ELASTICIDAD BIDIMENSIONAL: TENSIÓN PLANA ELASTICIDAD BIDIMENSIONAL: TENSIÓN PLANA ELASTICIDAD BIDIMENSIONAL: TENSIÓN PLANA ELASTICIDAD BIDIMENSIONAL: TENSIÓN PLANA EC. DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL ANISÓTROPA EC. DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL ANISÓTROPA EC. DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL ANISÓTROPA EC. DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL ANISÓTROPA EC. DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL ANISÓTROPA EC. DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL ANISÓTROPA EC. DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL ANISÓTROPA EC. DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL ANISÓTROPA EC. DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL ANISÓTROPA EC. DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL ANISÓTROPA EC. DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL ANISÓTROPA EC. DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL ANISÓTROPA EC. DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL ANISÓTROPA EC. DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL ANISÓTROPA EC. DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL ANISÓTROPA EC. DE COMPORTAMIENTO EN ELASTICIDAD LINEAL ANISÓTROPA
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