3次元のMohr円
これについて言及している資料は探しにくい
見つけたものを列挙しておく
『土質力学 (土木工学叢書)』
中瀬さんが書いている章
(『土質力学特論 (土木工学大成〈7〉)』)
応力円の話はないが、3次元の応力tensorの図的な解説が冒頭にある
『わかりやすい土質力学原論』
Mohr's circle for a general three-dimensional state of stresses | Mohr's_circle - Wikipedia
3次元問題のモールの応力円 | 建築構造学事始
『材料特性の数理モデル入門―構成則主要用語解説集 (構造工学シリーズ 4)』
角度周りの話がくわしい
その他、関連ページリストにもある
「八面体垂直応力」や「von Misesの降伏条件」に関連するキーワードで検索したほうが、いろいろ出てくるっぽい?
八面体せん断応力 [JSME Mechanical Engineering Dictionary]
構造力学メモ(その5) 八面せん断応力とミーゼス応力|Kou
第1章 応力とひずみ
塑性工学(II)* 塑性力学の基礎と加工への応用
3次元以上の場合 | 固有値と固有ベクトル4
対称性および非対称性を有する応力・ひずみ等の図式表示法 ― I.対称性を有する場合―
平島健一
IIはなかったhttps://yamanashi.repo.nii.ac.jp/search?page=1&size=20&sort=-createdate&search_type=0&q=平嶋%20健一
三次元のモールの応力円では、何がわかる? | モールの応力円とは?意味と書き方を、計算をすっとばして説明するよ【超初心者向け】 | のぼゆエンジニアリング
導出
表面力vectorから3次元のMohr円を求める
他の方法も探りたい
因みに、大抵の場合は平面のMohrの応力円で十分である
変形を司るのは、Cauchy応力tensorのうち偏差応力のみ
これはトレースが0という性質を持つため、中間主応力を最大主応力と最小主応力で記述できる
よって、三次元で主応力および最大剪断応力を求める際も、平面のMohrの応力円だけを考えれば十分となる
この説明はあやしい
本当に不要なのか?
等方-偏差分解
$ \bm\sigma={\cal\pmb D}:\bm\sigma+\frac13({\rm tr}\bm\sigma)\bm I
$ \sigma_m:=\frac13({\rm tr}\bm\sigma)=\frac13J_1
$ {\cal\pmb D}:\bm\sigmaの主応力を求める
$ \sigma_0-\sigma_m=\frac13(\sigma_0-\sigma_1)+\frac13(\sigma_0-\sigma_2)
$ \sigma_1-\sigma_m=\frac13(\sigma_1-\sigma_2)+\frac13(\sigma_1-\sigma_0)
$ \sigma_2-\sigma_m=\frac13(\sigma_2-\sigma_0)+\frac13(\sigma_2-\sigma_1)
$ q_{01}:=\frac12(\sigma_0-\sigma_1),q_{12}:=\frac12(\sigma_1-\sigma_2)で書き直す
$ \sigma_0-\sigma_m=\frac23q_{01}+\frac23q_{01}+\frac23q_{12}=\frac23(2q_{01}+q_{12})=\frac23(-q_{01}+q_{12})+q_{01}=\frac13(q_{01}+2q_{12})+q_{01}
$ \sigma_1-\sigma_m=\frac23q_{12}-\frac23q_{01}=\frac23(-q_{01}+q_{12})=\frac13(q_{01}+2q_{12})-q_{01}=\frac23(-q_{01}+q_{12})-q_{12}=\frac13(-2q_{01}-q_{12})+q_{12}
$ \sigma_2-\sigma_m=-\frac23q_{01}-\frac23q_{12}-\frac23q_{12}=\frac23(-q_{01}-2q_{12})=\frac23(-q_{01}+q_{12})-q_{12}=\frac13(-2q_{01}-q_{12})-q_{12}
以下、任意の正規直交既定$ \sf Eで考える
$ [\bm\sigma]^{\sf EE}=\begin{pmatrix}\sigma_{00}&\sigma_{01}&\sigma_{02}\\\sigma_{10}&\sigma_{11}&\sigma_{12}\\\sigma_{20}&\sigma_{21}&\sigma_{22}\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}\sigma_{00}&\sigma_{01}&\sigma_{02}\\\sigma_{01}&\sigma_{11}&\sigma_{12}\\\sigma_{02}&\sigma_{12}&\sigma_{22}\end{pmatrix}
$ = \begin{pmatrix}\frac23q_{01}&\sigma_{01}&0\\\sigma_{01}&-\frac23q_{01}&0\\0&0&0\end{pmatrix}+\begin{pmatrix}0&0&0\\0&\frac23q_{12}&\sigma_{12}\\0&\sigma_{12}&-\frac23q_{12}\end{pmatrix}+\begin{pmatrix}\frac23(q_{01}+q_{12})&0&\sigma_{02}\\0&0&0\\\sigma_{02}&0&-\frac23(q_{01}+q_{12})\end{pmatrix}+\sigma_m\begin{pmatrix}1&0&0\\0&1&0\\0&0&1\end{pmatrix}
$ q_{01}:=\frac12(\sigma_{00}-\sigma_{11}),q_{12}:=\frac12(\sigma_{11}-\sigma_{22})で書き直した
$ \sigma_{00}-\sigma_m=\frac23q_{01}+\frac23(q_{01}+q_{12})
$ \sigma_{11}-\sigma_m=\frac23q_{12}-\frac23q_{01}
$ \sigma_{22}-\sigma_m=-\frac23(q_{01}+q_{12})-\frac23q_{12}
Rodriguesの回転公式を用いて変換してみる
$ \sf Eを$ \bm n軸周りに$ \theta回転させた基底を$ Fとすると、
$ [\bm I]^{\sf FE}_{ij}=\bm f_i\cdot\bm e_j=\cos\theta\delta_{ij}+(1-\cos\theta)n_in_j+\sin\theta\epsilon_{jki}n_k=[\bm R(\bm n,\theta)]^{\sf EE}_{ji}=[\bm R(\bm n,\theta)^\top]^{\sf EE}_{ij}
$ \because\bm f_i=\bm R(\bm n,\theta)\cdot\bm e_i=\bm e_i\cos\theta+(1-\cos\theta )n_i\hat{\bm n}+\sin\theta\hat{\bm n}\times\bm e_i
$ [\hat{\bm n}]^{\sf E}_i=:n_i とした
別解:$ [\bm I]^{\sf FE}_{ij}=\bm f_i\cdot\bm e_j=(\bm R(\bm n,\theta)\cdot\bm e_i)\cdot\bm e_j=[\bm R(\bm n,\theta)]^{\sf EE}_{ji}
$ \pmb R(\pmb n,\theta):=\pmb I\cos\theta+(1-\cos\theta)\hat{\pmb n}\hat{\pmb n}-(\sin\theta)\hat{\pmb n}\cdot{\Large\pmb\epsilon}
これで$ \bm\sigmaを変換する
$ [\bm\sigma]^{\sf FF}=[\bm I]^{\sf FE}[\bm\sigma]^{\sf EE}[\bm I]^{\sf EF}
$ =[\bm R(\bm n,\theta)^\top]^{\sf EE}[\bm\sigma]^{\sf EE}[\bm R(\bm n,\theta)]^{\sf EE}
一つづつ計算
等方成分はそのまま相殺される
$ \begin{pmatrix}\frac23q_{01}&\sigma_{01}&0\\\sigma_{01}&-\frac23q_{01}&0\\0&0&0\end{pmatrix}
$ \begin{pmatrix}1&0&0\\0&-1&0\\0&0&0\end{pmatrix}で考える
$ \cos\theta\begin{pmatrix}1&0&0\\0&1&0\\0&0&1\end{pmatrix}+(1-\cos\theta)\begin{pmatrix}n_0n_0&n_0n_1&n_0n_2\\n_1n_0&n_1n_1&n_1n_2\\n_2n_0&n_2n_1&n_2n_2\end{pmatrix}-(\sin\theta)\begin{pmatrix}0&-n_2&n_1\\n_2&0&-n_0\\-n_1&n_0&0\end{pmatrix}
$ [\bm I]^{\sf EE}\begin{pmatrix}1&0&0\\0&-1&0\\0&0&0\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}1&0&0\\0&-1&0\\0&0&0\end{pmatrix}
$ \begin{pmatrix}1&0&0\\0&-1&0\\0&0&0\end{pmatrix}[\bm I]^{\sf EE}=\begin{pmatrix}1&0&0\\0&-1&0\\0&0&0\end{pmatrix}
$ [\hat{\bm n}\hat{\bm n}]^{\sf EE}\begin{pmatrix}1&0&0\\0&-1&0\\0&0&0\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}n_0^2&-n_0n_1&0\\n_1n_0&-n_1^2&0\\n_2n_0&-n_2n_1&0\end{pmatrix}
うーん、一般的に解こうとするのは相当難しいな
行列計算が尋常じゃない
下手に分解せず、Rodriguesの回転公式の成分表示をそのまま乗算してみるか
$ \begin{pmatrix}n_0^2(1-\cos\theta)+\cos\theta&n_0n_1(1-\cos\theta)+n_2\sin\theta&n_0n_2(1-\cos\theta)-n_1\sin\theta\\n_0n_1(1-\cos\theta)-n_2\sin\theta&n_1^2(1-\cos\theta)+\cos\theta&n_1n_2(1-\cos\theta)+n_0\sin\theta\\n_0n_2(1-\cos\theta)+n_1\sin\theta&n_1n_2(1-\cos\theta)-n_0\sin\theta&n_2^2(1-\cos\theta)+\cos\theta\end{pmatrix}\begin{pmatrix}1&0&0\\0&-1&0\\0&0&1\end{pmatrix}\begin{pmatrix}n_0^2(1-\cos\theta)+\cos\theta&n_0n_1(1-\cos\theta)-n_2\sin\theta&n_0n_2(1-\cos\theta)+n_1\sin\theta\\n_0n_1(1-\cos\theta)+n_2\sin\theta&n_1^2(1-\cos\theta)+\cos\theta&n_1n_2(1-\cos\theta)-n_0\sin\theta\\n_0n_2(1-\cos\theta)-n_1\sin\theta&n_1n_2(1-\cos\theta)+n_0\sin\theta&n_2^2(1-\cos\theta)+\cos\theta\end{pmatrix}
$ =\begin{pmatrix}n_0^2(1-\cos\theta)+\cos\theta&-n_0n_1(1-\cos\theta)+n_2\sin\theta&n_0n_2(1-\cos\theta)-n_1\sin\theta\\n_0n_1(1-\cos\theta)-n_2\sin\theta&-n_1^2(1-\cos\theta)+\cos\theta&n_1n_2(1-\cos\theta)+n_0\sin\theta\\n_0n_2(1-\cos\theta)+n_1\sin\theta&-n_1n_2(1-\cos\theta)-n_0\sin\theta&n_2^2(1-\cos\theta)+\cos\theta\end{pmatrix}\begin{pmatrix}n_0^2(1-\cos\theta)+\cos\theta&n_0n_1(1-\cos\theta)-n_2\sin\theta&n_0n_2(1-\cos\theta)+n_1\sin\theta\\n_0n_1(1-\cos\theta)+n_2\sin\theta&n_1^2(1-\cos\theta)+\cos\theta&n_1n_2(1-\cos\theta)-n_0\sin\theta\\n_0n_2(1-\cos\theta)-n_1\sin\theta&n_1n_2(1-\cos\theta)+n_0\sin\theta&n_2^2(1-\cos\theta)+\cos\theta\end{pmatrix}
$ \bm nまわりに$ \theta回転した後、y軸鏡映変換して、$ \bm n周りに$ \theta逆回転して戻す
$ \begin{pmatrix}1&0&0\\0&-1&0\\0&0&1\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}1&0&0\\0&1&0\\0&0&1\end{pmatrix}-2\begin{pmatrix}0&0&0\\0&1&0\\0&0&0\end{pmatrix}を代入する
$ =\begin{pmatrix}1&0&0\\0&1&0\\0&0&1\end{pmatrix}-2 \begin{pmatrix}0&n_0n_1(1-\cos\theta)+n_2\sin\theta&0\\0&n_1^2(1-\cos\theta)+\cos\theta&0\\0&n_1n_2(1-\cos\theta)-n_0\sin\theta&0\end{pmatrix}\begin{pmatrix}n_0^2(1-\cos\theta)+\cos\theta&n_0n_1(1-\cos\theta)-n_2\sin\theta&n_0n_2(1-\cos\theta)+n_1\sin\theta\\n_0n_1(1-\cos\theta)+n_2\sin\theta&n_1^2(1-\cos\theta)+\cos\theta&n_1n_2(1-\cos\theta)-n_0\sin\theta\\n_0n_2(1-\cos\theta)-n_1\sin\theta&n_1n_2(1-\cos\theta)+n_0\sin\theta&n_2^2(1-\cos\theta)+\cos\theta\end{pmatrix}
(計算途中)
$ =\begin{pmatrix}1&0&0\\0&1&0\\0&0&1\end{pmatrix}-2 \begin{pmatrix}(n_0n_1(1-\cos\theta)+n_2\sin\theta)^2&(n_0n_1(1-\cos\theta)+n_2\sin\theta)(n_1^2(1-\cos\theta)+\cos\theta)&(n_0n_1(1-\cos\theta)+n_2\sin\theta)(n_1n_2(1-\cos\theta)-n_0\sin\theta)\\0&n_1^2(1-\cos\theta)+\cos\theta&0\\0&n_1n_2(1-\cos\theta)-n_0\sin\theta&0\end{pmatrix}
いやー、これはちょっと無理です
等方-偏差分解を用いてMohr円を導出する
#2024-01-21 16:04:18
#2023-12-30 05:42:16
#2023-07-30 06:11:22
#2023-03-08 21:38:22
#2022-11-18 23:34:30
#2022-09-29 16:00:56
#2022-08-03 11:43:12