MECÁNICA DE SÓLIDOS Curso 2017/18. Tema 2 Las ecuaciones de la Mecánica de Sólidos

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1 MECÁNICA DE SÓLIDOS Curso 2017/18 Titulación: Grado en Ingeniería Mecánica Tema 2 Las ecuaciones de la Mecánica de Sólidos Profesores: Jorge Zahr Viñuela José Antonio Rodríguez Martínez

2 1. COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE MATERIALES 2. LAS ECUACIONES DE LA MECÁNICA DE SÓLIDOS 3. PLASTICIDAD 4. VISCOELASTICIDAD 5. VISCOPLASTICIDAD 6. INTRODUCCIÓN A LA MECÁNICA DE LA FRACTURA

3 Tema 2. TABLA DE CONTENIDOS 2.1 Introducción - Necesidad de generalizar - Un intento de definición 2.2 Formulando una Mecánica de Sólidos - Generalidades sobre las variables y las ecuaciones de gobierno - Ecuaciones del movimiento directas e inversas - Descripción material y espacial - Transformación de volúmenes y superficies 2.4 Las Ecuaciones de Gobierno - Generales: - ecuaciones de balance - Generales: - 2ª Ley de la Termodinámica - Particulares: - ecuaciones constitutivas 2.5 La Ecuación Constitutiva Termo-Mecánica - Definición y postulados que debe satisfacer un modelo constitutivo - Algunos ejemplos de modelos constitutivos

4 Tema 2. TABLA DE CONTENIDOS 2.1 Introducción - Necesidad de generalizar - Un intento de definición 2.2 Formulando una Mecánica de Sólidos - Generalidades sobre las variables y las ecuaciones de gobierno - Ecuaciones del movimiento directas e inversas - Descripción material y espacial - Transformación de volúmenes y superficies 2.4 Las Ecuaciones de Gobierno - Generales: - ecuaciones de balance - Generales: - 2ª Ley de la Termodinámica - Particulares: - ecuaciones constitutivas 2.5 La Ecuación Constitutiva Termo-Mecánica - Definición y postulados que debe satisfacer un modelo constitutivo - Algunos ejemplos de modelos constitutivos

5 2.1 Introducción (a): la necesidad de generalizar. Diap. nº 5 Antes de entrar en Teorías Constitutivas, intentaremos presentar un enfoque algo más GENERAL sobre la Mecánica de Sólidos Deformables, entendida ésta como disciplina científica dentro de la cual hay varios sujetos de estudio, uno de los cuales es la Modelización Constitutiva. Particularmente, debemos plantearnos las siguientes preguntas: Podría haber otras variables de campo importantes en la Mecánica de Sólidos Deformables, además de u, e y s (desplazamiento, deformación y tensión)? Qué ocurre con la temperatura? con la energía interna? etc Podría haber otras propiedades de los materiales participando en la Mecánica de Sólidos Deformables, además de E y n? Conductividad térmica, coeficiente de dilatación, densidad? etc Es posible abordar problemas acoplados relativos a Sólidos Deformables? Problemas térmico-estructurales, acústico-estructurales, etc

6 2.1 Introducción (b): un intento de definición. Diap. nº 6 Qué es la Mecánica de los Sólidos Deformables? Disciplina en la que se plantean modelos matemáticos con los que estudiar el comportamiento y las propiedades de los sólidos deformables Constituye una aproximación válida en SITUACIONES MACROSCÓPICAS en las que la GEOMETRÍA del sólido HA DE SER CONSIDERADA y la MICROESTRUCTURA de la materia PUEDE SER IGNORADA

7 Tema 2. TABLA DE CONTENIDOS 2.1 Introducción - necesidad de generalizar - un intento de definición 2.2 Formulando una Mecánica de Sólidos - generalidades sobre las variables y las ecuaciones de gobierno. - ecuaciones del movimiento directas e inversas - descripción material y espacial - transformación de volúmenes y superficies 2.4 Las Ecuaciones de Gobierno - Generales: - ecuaciones de balance - Generales: - 2ª Ley de la Termodinámica - Particulares: - ecuaciones constitutivas 2.5 La Ecuación Constitutiva Termo-Mecánica - definición y postulados que debe satisfacer un modelo constitutivo - algunos ejemplos de modelos constitutivos

8 2.2 Formulando una Mecánica de Sólidos: generalidades Diap. nº 8 En el caso más general, el comportamiento de un medio continuo sólido se describe en términos de un gran número de cantidades físicas. Algunas de ellas son: -- Variables de estado (e, s, Temperatura, r,, otras variables internas) Estas caracterizan el estado de un sólido, en cada instante del tiempo -- Funciones de estado (energía interna, entropía, energía libre, ) Son cantidades que dependen de las variables de estado -- Propiedades constantes del material (E,n,s 0, ) -- Cantidades globales (trabajo, calor, volumen total, masa total, ) Variables de interés Ecuaciones que relacionan las variables (ecuaciones de gobierno) Las cantidades físicas se relacionan entre sí a través de un conjunto de ecuaciones de gobierno.

9 2.2 Formulando una Mecánica de Sólidos: generalidades Diap. nº Sobre las variables de interés: Las cantidades físicas participantes pueden tener carácter escalar, vectorial o tensorial. Excepto las cantidades globales, todas las demás cantidades son variables de campo, en el sentido de que dependen de la posición y, en algunos casos, del tiempo. Siendo variables de campo, ellas evolucionan si el sólido se mueve y se deforma. Esta descripción puede realizarse de 2 maneras: -- descripción material (o Lagrangeana) -- descripción espacial (o Euleriana) Descripción material o espacial del movimiento de un sólido deformable Descripción material o espacial de la evolución de las variables de interés de dicho sólido deformable, durante su movimiento. y Cinemática del Sólido Deformable

10 2.2 Formulando una Mecánica de Sólidos: generalidades Diap. nº Sobre las ecuaciones de gobierno: Algunas ecuaciones representan principios físicos de validez general. Éstas son generalmente ecuaciones de balance, que admiten 2 tipos de formulación: -- formulación local: a través de ecuaciones diferenciales en derivadas parciales, en las que se realiza un balance de determinadas cantidades físicas en un volumen infinitesimal en torno a un punto del espacio. -- formulación global: a través de ecuaciones integrales, en las que se realiza un balance de determinadas cantidades físicas en todo el volumen que comprende el sólido en estudio. Otras corresponden a ecuaciones constitutivas, que son propias del material particular del sólido bajo estudio

11 Tema 2. TABLA DE CONTENIDOS 2.1 Introducción - Necesidad de generalizar - Un intento de definición 2.2 Formulando una Mecánica de Sólidos - Generalidades sobre las variables y las ecuaciones de gobierno - Ecuaciones del movimiento directas e inversas - Descripción material y espacial - Transformación de volúmenes y superficies 2.4 Las Ecuaciones de Gobierno - Generales: - ecuaciones de balance - Generales: - 2ª Ley de la Termodinámica - Particulares: - ecuaciones constitutivas 2.5 La Ecuación Constitutiva Termo-Mecánica - Definición y postulados que debe satisfacer un modelo constitutivo - Algunos ejemplos de modelos constitutivos

12 Diap. nº Qué es cinemática? t 0 W 0 t > t 0 W t x 3 Partícula en la posición x en t > t 0 x 2 Partícula en la posición X en t 0 Coordenadas espaciales de la partícula Coordenadas materiales de la partícula x 1 W 0 en t o : W t en t > t o : configuración de referencia o inicial configuración actual en el instante t En esta condición, es necesario realizar 2 cosas: (a) Describir el movimiento del sólido. (b) Describir la evolución de las variables de interés durante el movimiento.

13 Diap. nº Qué es cinemática? t 0 W 0 t > t 0 W t x 3 Partícula en la posición x en t > t 0 x 2 Partícula en la posición X en t 0 Coordenadas espaciales de la partícula Coordenadas materiales de la partícula x 1 (a) Describir el movimiento del sólido. x = φ X, t X = φ 1 x, t Ecuaciones del movimiento directas Ecuaciones del movimiento inversas (b) Describir la evolución de las variables de interés durante el movimiento. Si n es una variable de interés, entonces: n = n X, t n = n x, t Descripción material de n Descripción espacial de n

14 Descripción material Diap. nº 14 Nos fijamos en una partícula y estudiamos cómo cambian sus variables (su temperatura, estado tensional, etc.), durante el movimiento del sólido. t 1 ; W t1 t 2 ; W t2 t ; Wt t 0 ; W t0 x 3 Partícula en la posición x en t > t 2 x 2 Partícula en la posición x 2 en t 2 > t 1 n = n X, t 2 x 1 Partícula en la posición x 1 en t 1 > t 0 n = n X, t 1 Partícula en la posición X en t 0 n = n X, t 0

15 Diap. nº Descripción espacial Nos fijamos en un punto fijo del espacio y estudiamos las variables de las distintas partículas que pasan por él, durante el movimiento del sólido. t 1 ; W t1 t 0 ; W t0 P en X P Q en X Q x 3 x 2 Punto de coordenadas espaciales x x 1 n = n x, t 1 = n X P, t 1

16 Diap. nº Descripción espacial Nos fijamos en un punto fijo del espacio y estudiamos las variables de las distintas partículas que pasan por él, durante el movimiento del sólido. t 1 ; W t1 t 2 ; W t2 t 0 ; W t0 P en X P Q en X Q x 3 x 2 Punto de coordenadas espaciales x x 1 n = n x, t 1 = n X P, t 1 n = n x, t 2 = n X Q, t 2

17 Diap. nº Descripción espacial Nos fijamos en un punto fijo del espacio y estudiamos las variables de las distintas partículas que pasan por él, durante el movimiento del sólido. t 2 ; W t2 t ; Wt t 0 ; W t0 P en X P Q en X Q x 3 x 2 Punto de coordenadas espaciales x x 1 n = n x, t 1 = n X P, t 1 n = n x, t 2 = n X Q, t 2 n = n x, t = puesto que x Ω t

18 Diap. nº Descripción espacial Nos fijamos en un punto fijo del espacio y estudiamos las variables de las distintas partículas que pasan por él, durante el movimiento del sólido. t ; Wt t 0 ; W t0 P en X P Q en X Q x 3 x 2 Punto de coordenadas espaciales x x 1 n = n x, t 1 = n X P, t 1 A lo largo del tiempo, distintas partículas, cada una con su propia trayectoria, pasan por nuestro punto espacial, cuyas coordenadas son: x = x 1, x 2, x 3 n = n x, t 2 = n X Q, t 2 n = n x, t = puesto que x Ω t

19 Diap. nº Dos variables importantes Campo de desplazamientos: u = u X, t = u x, t Campo de velocidades: v = v X, t = v x, t t ; Wt t 0 ; W t0 x = φ X, t u = x X x 3 X x Campo de desplazamientos: (descripción material) u = x X = φ X, t X = u X, t x 1 x 2 La función φ que describe el movimiento contiene toda la información relativa al desplazamiento y a la velocidad. Campo de velocidades: (descripción material) v = u t = φ X, t t (La derivada parcial es a X cte.) = v X, t

20 Diap. nº Dos variables importantes Campo de desplazamientos: u = u X, t = u x, t Campo de velocidades: v = v X, t = v x, t Usando las ecuaciones de movimiento inversas X = φ 1 x, t puede obtenerse la descripción espacial de estos dos campos a partir de su descripción material : Desplazamiento: Velocidad: u = u X, t = u φ 1 x, t, t u x, t v = v X, t = v φ 1 x, t, t v x, t

21 Diap. nº El gradiente del campo de desplazamiento u Gradiente MATERIAL Campo de desplazamientos: (descripción material) u = x X = φ X, t X = u X, t Gradiente ESPACIAL El gradiente del campo de desplazamiento será relevante más adelante, puesto que participa en el concepto de deformación Este gradiente se denota u y es un tensor de 2º orden, no-simétrico. Sus 9 componentes son de la forma: u ij = u i X j Gradiente MATERIAL El tensor u expresado en forma de matriz: u 1 Τ X 1 u 1 Τ X 2 u 1 Τ X 3 u u 2 Τ X 1 u 2 Τ X 2 u 2 Τ X 3 u 3 Τ X 1 u 3 Τ X 2 u 3 Τ X 3 NOTA: las derivadas parciales son con respecto a las coordenadas materiales

22 Diap. nº El gradiente del campo de desplazamiento u Gradiente MATERIAL Campo de desplazamientos: (descripción espacial) Gradiente ESPACIAL u = x X = x φ 1 x, t = u x, t El gradiente ESPACIAL del campo de desplazamiento se define a partir de la descripción espacial u = u x, t Este gradiente espacial se denota u y es un tensor de 2º orden, no-simétrico. Sus 9 componentes son de la forma: u ij = u i x j Gradiente ESPACIAL El tensor u expresado en forma de matriz: u 1 Τ x 1 u 1 Τ x 2 u 1 Τ x 3 u u 2 Τ x 1 u 2 Τ x 2 u 2 Τ x 3 u 3 Τ x 1 u 3 Τ x 2 u 3 Τ x 3 NOTA: las derivadas parciales son con respecto a las coordenadas espaciales

23 Diap. nº El Tensor Gradiente de Deformación La matriz Jacobiana de la transformación x = φ X, t contiene a las componentes de un tensor de 2º orden. Se denomina Tensor Gradiente de Deformación y se denota como F. Sus 9 componentes son de la forma: F ij = x i X j El tensor F expresado en forma de matriz: J φ = x 1 Τ X 1 x 1 Τ X 2 x 1 Τ X 3 x 2 Τ X 1 x 2 Τ X 2 x 2 Τ X 3 F El tensor F relaciona diferenciales dx con diferenciales dx a través de: dx = F dx En componentes (recordar convención de Einstein): x 3 Τ X 1 x 3 Τ X 2 x 3 Τ X 3 Es un tensor no-simétrico: F ij = x i X j x j X i = F ji Matricialmente: dx 1 dx 2 = dx i = F ij dx j x 1 Τ X 1 x 1 Τ X 2 x 1 Τ X 3 x 2 Τ X 1 x 2 Τ X 2 x 2 Τ X 3 dx 1 dx 2 dx 3 x 3 Τ X 1 x 3 Τ X 2 x 3 Τ X 3 dx 3

24 Diap. nº El Tensor Gradiente de Deformación El tensor F se relaciona con el tensor u del siguiente modo: F = δ + u Análogamente, existe una relación entre F 1 y u : F 1 = δ u En forma de componentes, esto se expresa como: Matricialmente, esto se expresa como: F ij = x i X j = δ ij + u i X j x 1 Τ X 1 x 1 Τ X 2 x 1 Τ X u 1 Τ X 1 u 1 Τ X 2 u 1 Τ X 3 x 2 Τ X 1 x 2 Τ X 2 x 2 Τ X 3 = u 2 Τ X 1 u 2 Τ X 2 u 2 Τ X 3 x 3 Τ X 1 x 3 Τ X 2 x 3 Τ X u 3 Τ X 1 u 3 Τ X 2 u 3 Τ X 3 Expresiones análogas pueden encontrarse para F 1 Para qué sirve el tensor F?

25 Diap. nº El Tensor Gradiente de Deformación Consideremos 2 partículas infinitesimalmente cercanas, P y Q t 0 ; W t0 x = φ X, t P t ; dx Wt En t 0, se tiene: P: se encuentra en X P Q: se encuentra en X Q = X P + dx P dx Q x P Q En t > t 0, se tiene: P: se encuentra en x P = φ X P, t Q: se encuentra en x Q = x P + dx X P Primera utilidad del tensor F: x 3 La relación dx = F dx indica que el tensor F permite cuantificar: -- el cambio de magnitud (elongación) x 2 y x 1 -- el cambio de dirección (rotación) del vector infinitesimal dx durante el movimiento y la deformación del sólido.

26 Diap. nº Volúmenes y Superficies Así como la evolución de las variables de interés puede describirse en forma material o en forma espacial, también la evolución de elementos de volumen o de elementos de superficie admiten estos dos tipos de descripción. t ; Wt t 0 ; W t0 V W t0 Vt W t x 3 Punto de coordenadas espaciales x = x 1, x 2, x 3 Volumen V *, fijo en el espacio x 1 x 2 Definición: Volumen o Superficie Material Es un volumen o superficie finito o infinitesimal formado por partículas del sólido. Por lo tanto, un volumen o superficie material sufre movimiento y deformación si las partículas que los forman están en movimiento. Ejemplo: V Ω 0 Definición: Volumen o Superficie Espacial Es un volumen o superficie finito o infinitesimal formado por puntos fijos del espacio. Por lo tanto, si el sólido está en movimiento, el volumen o superficie espacial es atravesado las partículas que forman dicho sólido. Ejemplo: V R 3

27 Diap. nº Volúmenes y Superficies Evolución de un elemento de volumen material debido al movimiento y deformación descritos por φ t ; Wt t 0 ; W t0 x = φ X, t X 2 dv W 0 t 0 dvt W t X 1 X 3 Elemento de Volumen en la configuración de referencia: Elemento de Volumen en la configuración actual: Puede demostrarse que: dv 0 = dx 1 dx 2 dx 3 dv t Segunda utilidad del tensor F: El tensor F permite cuantificar cambios de volumen durante el movimiento y la deformación del sólido. dv t = det( F ) dv 0

28 Diap. nº 28 Evolución de un elemento de volumen material debido al movimiento y deformación descritos por j. Función j que define un movimiento físicamente posible. t ; Wt t 0 ; W t0 x = φ X, t dv W 0 t 0 dvt W t x 3 x 2 x 1 Puesto que: dv t = det F dv 0 es indispensable que det F > 0 De lo contrario: Si det F < 0 Si det F = 0 entonces la deformación y el movimiento asociado a φ produciría volúmenes negativos en la configuración deformada. entonces no puede obtenerse las ecuaciones de movimiento inversas.

29 Diap. nº Pequeño resumen Sabemos que el movimiento (y la deformación) se describen mediante la función φ : x = φ X, t Sabemos también que una función φ describe un movimiento físicamente posible si y sólo si: El tensor F, que está asociado a φ, describe : det J φ = det F > 0 -- La evolución temporal de fibras infinitesimales de material, según: dx = F dx -- La evolución temporal de elementos diferenciales de volumen, según: dv t = det F dv 0 Por otra parte, la descripción material del campo de desplazamientos es la siguiente: u = x X = φ X, t X = u X, t Su gradiente material, u, se relaciona con F según: F = δ + u F ij = x i X j = δ ij + u i X j

30 Diap. nº Dos formas escalares de medir deformación El concepto de stretch o estiramiento El concepto de deformación unitaria en la dirección N. Consideremos 2 partículas infinitesimalmente cercanas Movimiento y deformación N : vector unitario en la dirección de dx n : vector unitario en la dirección de dx dx = N dx dx N u n dx dx = dx n X x = X + u Ecuaciones del movimiento directas: x = φ X, t Ecuaciones del movimiento inversas: X = φ 1 x, t dx dx λ N stretch > 0 e N = λ N 1 = dx dx variación de longitud 1 def. unitaria = longitud inicial

31 Diap. nº Dos formas tensoriales de medir deformación dx = dx N Movimiento y deformación dx = dx n Consideremos 2 partículas infinitesimalmente cercanas N : vector unitario en la dirección de dx X N dx u x = X + u n dx n : vector unitario en la dirección de dx En esta condición, puede demostrarse que: También puede demostrarse que: dx 2 dx 2 dx 2 = λ 2 N 1 = N F T F δ N dx 2 dx 2 dx 2 = 1 1 λ N 2 = n δ F T F 1 n 2E F T F δ 2e δ F T F 1 E Tensor de deformaciones de Green Lagrange. (tensor simétrico de 2º orden) e Tensor de deformaciones de Euler Almansi. (tensor simétrico de 2º orden)

32 Diap. nº Relación deformación desplazamiento Deformación de Green-Lagrange y el gradiente material de u. Deformación de Euler-Almansi y el gradiente espacial de u. Usando la relación F u y la relación F 1 u, se puede escribir: En componentes: E = 1 2 u + u T + u T u ; e = 1 2 u + u T u T u E ij = 1 2 u i X j + u j X i + u k X i u k X j ; e ij = 1 2 u i x j + u j x i u k x i u k x j Los tensores de deformación E y e son distintos entre sí. Más aun, el tensor e no es la descripción espacial del tensor E. Incluso, ambos tensores son, en general, distintos del tensor de deformaciones que se utilizaba en la asignatura de Teoría de Elasticidad: ε ij = 1 2 u i x j + u j x i u i X j + u j X i + u k X i u k X j u i x j + u j x i u k x i u k x j = E ij = e ij

33 Diap. nº Relación deformación desplazamiento Deformación de Green-Lagrange y el gradiente material de u. Deformación de Euler-Almansi y el gradiente espacial de u. Los tensores de deformación E y e son válidos cualquiera sea el tamaño del desplazamiento y de su gradiente. Esto NO ocurría con el tensor de deformaciones ε, que se conoce como tensor de deformaciones infinitesimales (o tensor de pequeñas deformaciones ). Más adelante volveremos a encontrarnos con ε En Mecánica de Sólidos es conveniente usar E en lugar de e. Para qué sirve el tensor E?

34 Diap. nº Deformación y cambios geométricos Variación de longitud de segmentos infinitesimales de material. Variación de ángulos. Primera utilidad del tensor E: esta ya ha sido mencionada El tensor de deformación E permite calcular el alargamiento y la deformación unitaria o ingenieril, de una fibra infinitesimal que inicialmente estaba en la dirección material N: λ N = 1 + 2N E N e N = λ N 1 = 1 + 2N E N 1

35 Diap. nº Deformación y cambios geométricos Variación de longitud de segmentos infinitesimales de material. Variación de ángulos. Consideremos 3 partículas infinitesimalmente cercanas, P, Q y R que pertenecen a 2 fibras infinitesimales que se cruzan en un ángulo α 0 N Q y N R n Q y n R : vectores unitarios en las direcciones de dx Q y dx R : vectores unitarios en las direcciones de dx Q y dx R dx Q = dx Q N Q dx R = dx R N R Movimiento y deformación dx Q = dx Q n Q dx R = dx R n R dx R P R α 0 N R u P p dx R α t r n R X P dx Q Q N Q dx Q q n Q Segunda utilidad del tensor E: evolución de ángulos Se puede demostrar que el ángulo α t se obtiene de: cos α 0 = N Q N R cos α t = n Q n R = N Q 2E δ N R 1 + 2N Q E N Q 1 + 2N R E N R

36 Diap. nº Significado de las componentes del tensor E Qué hay en la diagonal del tensor E? Qué hay en los términos fuera de la diagonal del tensor E? Cuestiones previas: Consideremos un sistema de ejes cartesianos (O 123 ) y un conjunto de 3 vectores unitarios y ortogonales e 1, e 2 y e 3. Es decir, e 1, e 2 y e 3 forman una base ortonormal X 2 En este sistema de referencia, el tensor E tiene 9 componentes que se pueden ordenar en una matriz: E = E 11 E 12 E 13 E 21 E 22 E 23 E 31 E 32 E 33 e 2 O e 3 e 1 X 1 X 3 Además, en el sistema (O 123 ), los vectores de la base tienen las siguientes componentes: e 1 = ; e 2 = ; e 3 = Por lo tanto, se observa que las componentes escalares de E se obtienen como: E ij = e i E e j Matricialmente esto se representa como: E ij = e i T E e j Ejemplos: e 1 E e 1 = e 2 E e 3 = E 11 E 12 E 13 E 21 E 22 E 23 E 31 E 32 E 33 E 11 E 12 E 13 E 21 E 22 E 23 E 31 E 32 E = E 11 = E 23

37 Diap. nº Significado de las componentes del tensor E Qué hay en la diagonal del tensor E? Qué hay en los términos fuera de la diagonal del tensor E? Objetivo 1: Es decir: Queremos encontrar el stretch que sufre una fibra infinitesimal que inicialmente estaba en la dirección de e 1 N = e 1 En este caso, podemos denotar al estiramiento y a la deformación unitaria como: dx = dx N λ N = λ 1 ; e N = e 1 X 2 e 2 X N = e 1 dx x dx = n e 1 dx n Recordando las expresiones de la diap. 34: λ 1 = e 1 E e 1 = 1 + 2E 11 O e 3 e 1 X 1 dx E 11 = 1 2 λ = 1 2 e X 3 Por lo tanto, las componentes de la diagonal de E contienen información sobre: -- el estiramiento Análogamente, para fibras en las direcciones 2 y 3: E 22 = 1 2 λ = 1 2 e la deformación unitaria de fibras infinitesimales que inicialmente estaban alineadas con los ejes coordenados. E 33 = 1 2 λ = 1 2 e

38 Diap. nº Significado de las componentes del tensor E Qué hay en la diagonal del tensor E? Qué hay en los términos fuera de la diagonal del tensor E? Objetivo 2: Queremos encontrar el cambio del ángulo que forman 2 fibras infinitesimales que inicialmente estaban en la dirección de e 1 y de e 2 X 2 e 2 O X dx R = dx R N R πτ2 α 12 0 = e 3 e 1 X 1 dx Q = dx Q N Q πτ2 e 2 dx R α 12 e 1 dx Q El ángulo inicial entre e 1 y e 2 es: En este caso: Además: α 12 X, 0 = En general, α 12 = α 12 X, t Τ π 2 N Q = e 1 ; N R = e 2 cos α 12 X, 0 = cos Τ π 2 = e 1 e 2 = 0 Estamos buscando el incremento: α 12 X, t = α 12 X, t α 12 X, 0 X 3 Recordando las expresiones de la diap. 35, junto a la id. trigonométrica cos θ = sin Τ π 2 θ, se obtiene: cos α 12 X, t = e 1 2E δ e e 1 E e e 2 E e 2 = 2E E E 22 = sin π 2 α 12 X, t = sin α 12 X, t α 12 X, t = arcsin 2E E E 22 γ 12 X, t

39 Diap. nº Significado de las componentes del tensor E Qué hay en la diagonal del tensor E? Qué hay en los términos fuera de la diagonal del tensor E? Objetivo 2: Queremos encontrar el cambio del ángulo que forman 2 fibras infinitesimales que inicialmente estaban en la dirección de e 1 y de e 2 En resumen: γ 12 X, t = arcsin 2E E E 22 = α 12 X, t Análogamente, para pares de fibras en las direcciones 13 y 23: γ 13 X, t γ 23 X, t = arcsin = arcsin 2E E E 33 = α 13 X, t 2E E E 33 = α 23 X, t Por lo tanto, las componentes fuera de la diagonal de E contienen información sobre: -- la deformación angular. Sin embargo, existe acoplamiento: -- las componentes axiales afectan a la deformación angular!!!

40 Diap. nº Significado de las componentes del tensor E Qué hay en la diagonal del tensor E? Qué hay en los términos fuera de la diagonal del tensor E? Resumen sobre el tensor de deformación de Green-Lagrange E : Es un tensor de 2 orden, simétrico. Tiene 9 componentes, sólo 6 de ellas son independientes. Permite calcular, en forma exacta, el stretch y la deformación unitaria que sufre una fibra infinitesimal que inicialmente estaba situada en la posición X y orientada en una dirección arbitraria N. -- Las relaciones que dan λ N y e N en términos de E, X y N son no-lineales. Las componentes en la diagonal de E permiten calcular los stretches y las deformaciones unitarias de fibras que inicialmente estaban alineadas con los ejes coordenados de un sistema cartesiano. Permite calcular la variación que sufre el ángulo (o deformación angular γ QR ) que forman 2 fibras infinitesimales inicialmente situadas en la posición X y orientadas en las direcciones arbitrarias N Q y N R. -- Las relación que da γ QR en términos de E, X, N Q y N R es no-lineal y acoplada. Las componentes fuera de la diagonal de E permiten calcular las deformaciones angulares γ 12, γ 13 y γ 23 de pares de fibras que inicialmente estaban alineadas con los ejes coordenados de un sistema cartesiano.

41 Diap. nº El caso de pequeños desplazamientos y deformaciones infinitesimales Reconectando con la deformación que estudiamos en la asignatura de Elasticidad Supongamos que ocurren las siguientes 2 condiciones: (1) El desplazamiento es pequeño, es decir: X i x i (2) Los gradientes materiales y espaciales del desplazamiento son pequeños, es decir: u i X j 1 ; u i x j 1 i, j 1,2,3 Se tiene lo siguiente: 2 E ij = e ij = u i X j u i x j u i X j + u j X i + u k X i u k X j 1 2 u i x j + u j x i u k x i u k x j 1 2 u i X j + u j X i u i x j + u j x i Por lo tanto, si ocurre (1) y (2), las dos medidas de la deformación, E y e, colapsan en: E ij 1 2 u i X j + u j X i e ij ε ij 1 2 u i X j + u j X i Tensor de Deformación Infinitesimal ε

42 Diap. nº El caso de pequeños desplazamientos y deformaciones infinitesimales Para qué sirve el tensor ε de deformaciones infinitesimales? Condiciones de pequeña deformación : En relación a la figura de la diap. 31, se recuerda que: (1) El desplazamiento es pequeño, es decir: X i x i dx 2 dx 2 dx 2 = λ 2 N 1 = 2 N E N (2) Los gradientes materiales y espaciales del desplazamiento son pequeños, es decir: u i X j 1 ; u i x j 1 i, j 1,2,3 Primera utilidad del tensor ε : El tensor de deformación infinitesimal ε = ε X, t permite aproximar linealmente la deformación ingenieril de un segmento diferencial situado en X y orientado en la dirección material N: e N = λ N 1 N ε N Observamos ahora que si ocurre (1) y (2), entonces: λ N 1 Si se realiza una expansión de Taylor de λ N 2 1 alrededor del punto λ N = 1, se tiene: 2 N E N = λ N λ N 1 λ N 1 Como además, ya se sabe que E ε, se tiene finalmente que: N ε N λ N 1 = e N En componentes (recordar convención de Einstein): 1 2 u i X j + u j X i N i N j λ N 1 = e N

43 Diap. nº El caso de pequeños desplazamientos y deformaciones infinitesimales Para qué sirve el tensor ε de deformaciones infinitesimales? Condiciones de pequeña deformación : En relación a la figura de la diap. 35, se recuerda que: (1) El desplazamiento es pequeño, es decir: X i x i cos α t = n Q n R = N Q 2E δ N R 1 + 2N Q E N Q 1 + 2N R E N R (2) Los gradientes materiales y espaciales del desplazamiento son pequeños, es decir: u i X j 1 ; u i x j 1 i, j 1,2,3 Segunda utilidad del tensor ε : El tensor de deformación infinitesimal ε = ε X, t permite aproximar linealmente la variación del ángulo entre 2 segmentos diferenciales situados en X y orientados, respectivamente, en las dirección materiales N Q y N R : γ QR α = α t α 0 cos α 0 = N Q N R Observamos ahora que si ocurre (1) y (2), entonces: E ε ; 1 + 2N Q ε N Q 1 ; 1 + 2N R ε N R 1 En esta condición, puede demostrarse* que: α 2 = α t α N Q ε δ N R sin α 0 N Q ε δ N R sin α 0

44 Diap. nº Significado de las componentes del tensor ε Qué hay en la diagonal y fuera de la diagonal del tensor E? Cómo se comparan las componentes de E y las de ε? Objetivo 1: Tal como en la diap. 37, consideramos: Queremos encontrar el stretch que sufre una fibra infinitesimal que inicialmente estaba en la dirección de e 1 Ver figura de la diap. 37. N = e 1 y se denota al estiramiento y a la deformación unitaria como: λ N = λ 1 ; e N = e 1 Por lo tanto, las componentes de la diagonal de ε contienen información sobre: -- el estiramiento -- la deformación unitaria de fibras que inicialmente estaban alineadas con los ejes coordenados. En este caso, usando el resultado de la diap. 42, se obtiene: ε 11 = e 1 ε e 1 = e 1 = λ 1 1 Análogamente, para fibras en las direcciones 2 y 3: ε 22 = e 2 ε e 2 = e 2 = λ 2 1 ε 33 = e 3 ε e 3 = e 3 = λ 3 1 Esta relación es lineal!!!

45 Diap. nº Significado de las componentes del tensor ε Qué hay en la diagonal y fuera de la diagonal del tensor E? Cómo se comparan las componentes de E y las de ε? Objetivo 1: Queremos encontrar el stretch que sufre una fibra infinitesimal que inicialmente estaba en la dirección de e 1 Ver figura de la diap. 37. COMPARACIÓN de las componentes en la DIAGONAL Usando el tensor de deformaciones de Green- Lagrange, E: Usando el tensor de deformaciones infinitesimales, ε: E 11 = 1 2 λ = 1 2 e ε 11 = e 1 = λ 1 1 E 22 = 1 2 λ = 1 2 e ε 22 = e 2 = λ 2 1 E 33 = 1 2 λ = 1 2 e ε 33 = e 3 = λ 3 1 La relación entre la componente E ii (no sum) y la def. ingenieril e i es no-lineal!!! La relación entre la componente ε ii (no sum) y la def. ingenieril e i es lineal!!!

46 Diap. nº Significado de las componentes del tensor ε Qué hay en la diagonal y fuera de la diagonal del tensor ε? Cómo se comparan las componentes de E y las de ε? Objetivo 2: Queremos encontrar el cambio del ángulo que forman 2 fibras infinitesimales que inicialmente estaban en la dirección de e 1 y de e 2 Ver figura de la diap. 38. Tal como en la diap. 38, el ángulo inicial entre e 1 y e 2 es: α 12 X, 0 = Τ π 2 Además: N Q = e 1, N R = e 2, cos α 12 X, 0 = cos Τ π 2 = e 1 e 2 = 0 sin α 12 X, 0 = sin Τ π 2 = 1 En este caso, desarrollando el resultado de la diap. 43, se obtiene: γ 12 α 12 2 e 1 ε e 2 = 2ε 12 ε 12 = 1 2 γ 12 = 1 2 α 12 Análogamente, para fibras en las direcciones 2 y 3: ε 13 = 1 2 γ 13 = 1 2 α 13 ε 23 = 1 2 γ 23 = 1 2 α 23

47 Diap. nº Significado de las componentes del tensor ε Qué hay en la diagonal y fuera de la diagonal del tensor E? Cómo se comparan las componentes de E y las de ε? Objetivo 2: Queremos encontrar el cambio del ángulo que forman 2 fibras infinitesimales que inicialmente estaban en la dirección de e 1 y de e 2 Ver figura de la diap. 38. COMPARACIÓN de las componentes FUERA de la DIAGONAL Usando el tensor de deformaciones de Green-Lagrange, E: Usando el tensor de deformaciones infinitesimales, ε: γ 12 X, t = α 12 = arcsin 2E E E 22 γ 12 X, t = α 12 = 2 ε 12 γ 13 X, t = α 13 = arcsin 2E E E 33 γ 13 X, t = α 13 = 2 ε 13 γ 23 X, t = α 23 = arcsin 2E E E 33 γ 23 X, t = α 23 = 2 ε 23 La relación entre la componente E ij (i j) y la def. angular γ ij es no-lineal!!! Además, hay acoplamiento!!! La relación entre la componente ε ij (i j) y la def. angular γ ij es proporcional!!! No hay acoplamiento!!!

48 Tema 2. TABLA DE CONTENIDOS 2.1 Introducción - necesidad de generalizar - un intento de definición 2.2 Formulando una Mecánica de Sólidos - generalidades sobre las variables y las ecuaciones de gobierno - ecuaciones del movimiento directas e inversas - descripción material y espacial - transformación de volúmenes y superficies 2.4 Las Ecuaciones de Gobierno - Generales: - ecuaciones de balance - Generales: - 2ª Ley de la Termodinámica - Particulares: - ecuaciones constitutivas 2.5 La Ecuación Constitutiva Termo-Mecánica - definición y postulados que debe satisfacer un modelo constitutivo - algunos ejemplos de modelos constitutivos

49 2.4 Las Ecuaciones de Gobierno Diap. nº 49 Recuerdo Variables de interés Ecuaciones que relacionan las variables -- descripción material o Lagrangeana -- descripción espacial o Euleriana Algunas son principio físicos generales: -- formulación local -- formulación global Otras son ecuaciones constitutivas del material.

50 2.4 Las Ecuaciones de Gobierno Diap. nº 50 A. Ecuaciones de Conservación y Balance Conservación de la masa (ecuación de continuidad) Principios generales (aportan 8 ecuaciones) Balance de la cantidad de movimiento (ecuaciones de equilibrio interno) Balance del momento de la cantidad de movimiento (o del momento angular) simetría del tensor de tensiones Balance de la energía (primer principio de la Termodinámica) B. Segunda Ley de la Termodinámica Desigualdad de Clausius-Planck Desigualdad del flujo de calor C. Ecuaciones constitutivas Conducción del calor (usualmente se usa la Ley de Fourier) Principios generales (aportan 2 restricciones) Propias del material (aportan un número de ecuaciones que depende del modelo particular en uso) Comportamiento termo-mecánico (ecuación constitutiva termo-mecánica) Ecuaciones termodinámicas de estado (para la energía interna y otras variables)

51 2.4 Las Ecuaciones de Gobierno: A. Conservación y Balance Diap. nº 51 Conservación de la masa: La masa de un volumen material infinitesimal en movimiento y deformación es constante en el tiempo. r r div Balance de la cantidad de movimiento: (o balance del momento lineal) La resultante de las fuerzas que actúan sobre un volumen material infinitesimal es igual a la variación de su cantidad de movimiento v 0 Balance del momento de la cantidad de movimiento: (o balance del momento angular) El momento resultante en un punto O de las acciones sobre un volumen material infinitesimal es igual a la variación por unidad de tiempo del momento respecto a O de la cantidad de movimiento s rb r v 0 T s s r v v b b s e e q q r densidad de masa velocidad fuerzas de masa, N/kg tensor tensión, N/m 2 energía interna, J/kg Tensor velocidad de deformación flujo de calor, J/m 2 Calor generado, W/kg Balance de energía (primer principio de la Termodinámica): La variación temporal de la energía interna de un volumen material infinitesimal es suma de la variación de la energía mecánica comunicada y de la energía calorífica almacenada r e s : e r div q

52 Diap. nº Las Ecuaciones de Gobierno: B. El 2º ppio. de la Termod. Desigualdad de Clausius-Plank La tasa de entropía interna que se genera por conducción de calor es positiva El calor siempre fluye de las partes más frías a las más calientes s Desigualdad del flujo de calor La tasa de entropía que se genera en el S. D. siempre es mayor o igual que la tasa de cantidad de calor por unidad de temperatura r T 1 q div r T 0 r v v b b s e e q q r s T densidad de masa velocidad fuerzas de masa, N/kg tensor tensión, N/m 2 energía interna, J/kg Tensor velocidad de deformación flujo de calor, J/m 2 Calor generado, J/kg entropía, W/kg temperatura 1 rt q T 2 0

53 Diap. nº Las Ecuaciones de Gobierno: C. Ecuaciones Constitutivas Para conducción del calor q kt Para el comportamiento termo-mecánico (Ecuación constitutiva termo-mecánica) Para la entropía s f Ecuaciones termodinámicas de estado e i s, e, e, T,,..., 1 0 s s e, T,,...,, 1 e s, e, T,... F i p i = 1,,6 r, T,,..., 1 0 p p i = 1,,p r v v b b s e e q q r s T k 1,..., p densidad de masa velocidad fuerzas de masa, N/kg tensor tensión, N/m 2 energía interna, J/kg Tensor velocidad de deformación flujo de calor, J/m 2 Calor generado, J/kg entropía, W/kg temperatura conductividad térmica Variables termodinámicas propias del modelo particular en uso

54 Diap. nº Las Ecuaciones de Gobierno: C. Ecuaciones Constitutivas Para el comportamiento termo-mecánico (Ecuación constitutiva termo-mecánica) f i s, e, e, T,,..., 1 0 p i = 1,,6 En lo que sigue, nos concentraremos precisamente en la ecuación constitutiva para el comportamiento termo-mecánico. r v v b b s e e q q r s T k 1,..., p densidad de masa velocidad fuerzas de masa, N/kg tensor tensión energía interna, J/kg Tensor velocidad de deformación flujo de calor, J/m 2 Calor generado, J/kg entropía, J/kg temperatura conductividad térmica Variables termodinámicas propias del modelo particular en uso

55 Tema 2. TABLA DE CONTENIDOS 2.1 Introducción - necesidad de generalizar - un intento de definición 2.2 Formulando una Mecánica de Sólidos - generalidades sobre las variables y las ecuaciones de gobierno - ecuaciones del movimiento directas e inversas - descripción material y espacial - transformación de volúmenes y superficies 2.4 Las Ecuaciones de Gobierno - Generales: - ecuaciones de balance - Generales: - 2ª Ley de la Termodinámica - Particulares: - ecuaciones constitutivas 2.5 La Ecuación Constitutiva Termo-Mecánica - definición y postulados que debe satisfacer un modelo constitutivo - algunos ejemplos de modelos constitutivos

56 2.5 La Ecuación Constitutiva Termo-mecánica Definición f i s, e, e, T,,..., 1 0 p i = 1,,6 Diap. nº 56 En Mecánica de los Sólidos Deformables, se entiende por ECUACIÓN CONSTITUTIVA de un material (en ocasiones denominado MODELO CONSTITUTIVO) a una ecuación matemática mediante la cual se relacionan entre sí las magnitudes mecánicas y termodinámicas más relevantes del sólido, tales como: tensión, deformación, velocidad de deformación, temperatura,

57 2.5 La Ecuación Constitutiva Termo-mecánica Definición f i s, e, e, T,,..., 1 0 p i = 1,,6 Diap. nº 57 Las ecuaciones constitutivas más simples deben proporcionar, como mínimo, una relación entre la tensión y la deformación en un punto material del sólido bajo análisis. En algunos casos sencillos, el modelo constitutivo proporciona una expresión explícita para obtener la tensión σ como función de la deformación ε (este es el caso, por ejemplo, de la Ley de Hooke-Lamé en Elasticidad) En otros casos, el modelo constitutivo se establece mediante una función no lineal de σ y ε, lo que impide obtener explícitamente σ a partir de ε. En estos casos, las ecuaciones constitutivas suelen resolverse por iteraciones. (Este es el caso, por ejemplo, de la Ley de Ramberg- Osgood, que se estudiará más adelante, en el capítulo de Plasticidad) Dependiendo de la conveniencia, las ecuaciones constitutivas pueden formularse ya sea como una ecuación tensorial, como un sistema varias de ecuaciones escalares, o bien, recurriendo al álgebra de matrices. Más aun, en algunos casos en los que existe un retraso entre causa y efecto, las ecuaciones constitutivas pueden formularse mediante ecuaciones diferenciales, donde aparecen derivadas temporales de σ y de ε. (Este es el caso de Viscoelasticidad, que se estudiará más adelante)

58 2.5 La Ecuación Constitutiva Termo-mecánica Postulados Fundamentales Diap. nº 58 Principio de determinismo Principio de acción local El estado tensional en un punto material de un medio continuo está determinado por los movimientos del medio continuo en el pasado. Principio de objetividad

59 2.5 La Ecuación Constitutiva Termo-mecánica Postulados Fundamentales Diap. nº 59 Principio de determinismo Principio de acción local Principio de objetividad La historia de los movimientos del medio continuo únicamente influye en el estado tensional en un punto material a través de los movimientos relativos entre dicho punto y los puntos de su entorno material.

60 2.5 La Ecuación Constitutiva Termo-mecánica Postulados Fundamentales Diap. nº 60 Principio de determinismo Principio de acción local Principio de objetividad La ecuación constitutiva para un punto material ha de formularse mediante un único funcional independiente del sistema de referencia. Expresado de otra forma, una ecuación constitutiva ha de formularse de un modo que garantice que el estado tensional en un punto material sea independiente del sistema de coordenadas elegido para medirlo.

61 2.5 La Ecuación Constitutiva Termo-mecánica Construcción de un Modelo Constitutivo Diap. nº 61 Empíricos o fenomenológicos Teóricos o físicos Relaciones causa-efecto Aproximación microscópica e, e,t,.. Variables observables Semi-fenomenológicos Aproximación termodinámica Se disminuye el nº. de constantes e, e,t,.. Se relacionan con microestructura

62 2.5 La Ecuación Constitutiva Termo-mecánica Algunos Ejemplos Diap. nº 62 Ley de Hooke-Lamé Es el modelo constitutivo más simple. Es aplicable a materiales elásticos, lineales e isótropos, mientras su deformación sea pequeña (e 1). Expresión tensorial (libre de índices): s D :e Expresión en componentes: s ij D e ijkl kl Si se reconoce que ε, ሶ T, μ 1,, μ p no forman parte del Modelo Constitutivo de Hooke- Lamé, se observa que las expresiones anteriores son plenamente compatibles con la forma f σ, ε, ε, ሶ T, μ 1,, μ p = 0 que se había propuesto anteriormente (en la diapositiva 54) para una ecuación constitutiva genérica implícita. En este formato, la Ley de Hooke se escribe: f σ, ε ; D = σ D ε = 0

63 2.5 La Ecuación Constitutiva Termo-mecánica Algunos Ejemplos Diap. nº 63 Ley de Hooke-Lamé Es el modelo constitutivo más simple. Es aplicable a materiales elásticos, lineales e isótropos, mientras su deformación sea pequeña (e 1). Expresión tensorial (libre de índices): s D :e Expresión en componentes: s ij D e ijkl kl s : Tensor de tensiones (matemáticamente, es un tensor simétrico de segundo orden) e : Tensor de deformaciones (también es un tensor simétrico de segundo orden) D: Tensor de rigidez del material (es un tensor simétrico de cuarto orden) Las componentes de D dependen de las dos conocidas constantes elásticas isótropas, que son propiedades del material: E : Módulo de Young. n : coeficiente de Poisson.

64 2.5 La Ecuación Constitutiva Termo-mecánica Algunos Ejemplos Diap. nº 64 Otras familias de modelos constitutivos Elasticidad lineal anisótropa Elasticidad no-lineal Teoría Total de la Plasticidad Plasticidad perfecta Endurecimiento por deformación plástica Teoría Incremental de la Plasticidad Plasticidad perfecta Endurecimiento por deformación plástica Visco-elasticidad

65 2.6 Algunas Aplicaciones prácticas Diap. nº 65 Inestabilidades termoplásticas Estricción dinámica Mecanizado de alta velocidad. Viruta en diente de sierra Procesos de estampado

66 2.6 Algunas Aplicaciones prácticas Diap. nº 66 Proceso de penetración Incremento térmico Choque PROCESOS TERMOELASTOVISCOPLÁSTICOS Alta velocidad de deformación Grandes deformaciones