Voigt notation(Voigt标记法)和 Mandel notation(Mandel标记法)

1.什么是张量?

定义:满足某种坐标转换关系的有序数组成的集合称之为张量。

太抽象了不懂,没关系,这里也不涉及复杂的张量知识,了解即可。只需要知道下面几点就可以了。

零阶张量(标量):如密度,温度,压力等;

一阶张量(矢量):如速度,位移,加速度等;

二阶张量:如应力、应变等;

四阶张量:弹性刚度等;

张量的计算比较复杂,为了简化张量计算,需要将张量矩阵化。Voigt标记法和Mandel标记法就是两种张量矩阵化方法,主要在连续介质力学中应用。

2. Voigt notation

广义胡克定律

张量表示法:\sigma =\mathbb{C}:\varepsilon\sigma\mathbb{C}\varepsilon分别是应力张量、弹性刚度张量、应变张量。

指标表示法:\sigma _{ij}=\mathbb{C}_{ijkl}\varepsilon _{kl}

应力应变张量的Voigt矩阵表示为:

\large \sigma _{ij}=\begin{bmatrix} \sigma _{11} & \sigma _{12} &\sigma _{13} \\ \sigma _{21}& \sigma _{22} &\sigma _{23} \\ \sigma _{31}& \sigma _{32} & \sigma _{33} \end{bmatrix}\overset{Voigt}{\rightarrow}\begin{Bmatrix} \sigma \end{Bmatrix}=\begin{bmatrix} \sigma _{11}\\ \sigma _{22}\\ \sigma _{33}\\ \sigma _{23}\\ \sigma _{31}\\ \sigma _{12} \end{bmatrix},              \large \varepsilon _{ij}=\begin{bmatrix} \varepsilon_{11} & \varepsilon_{12} &\varepsilon_{13} \\ \varepsilon_{21}& \varepsilon_{22} &\varepsilon_{23} \\ \varepsilon_{31}& \varepsilon_{32} & \varepsilon_{33} \end{bmatrix}\overset{Voigt}{\rightarrow}\begin{Bmatrix} \varepsilon\end{Bmatrix}=\begin{bmatrix} \varepsilon_{11}\\ \varepsilon_{22}\\ \varepsilon_{33}\\ 2\varepsilon_{23}\\ 2\varepsilon_{31}\\ 2\varepsilon_{12} \end{bmatrix}

从张量到矩阵的指标转换对应规则如下

Voigt notation(Voigt标记法)和 Mandel notation(Mandel标记法)_第1张图片

所以广义胡克定律的矩阵表达如下:

Voigt notation(Voigt标记法)和 Mandel notation(Mandel标记法)_第2张图片

 采用Voigt标记法弹性刚度张量分量进一步表示为:

                                         Voigt notation(Voigt标记法)和 Mandel notation(Mandel标记法)_第3张图片

 3. Mandel notation

应力应变Mandel矩阵表示为

\large \sigma _{ij}=\begin{bmatrix} \sigma _{11} & \sigma _{12} &\sigma _{13} \\ \sigma _{21}& \sigma _{22} &\sigma _{23} \\ \sigma _{31}& \sigma _{32} & \sigma _{33} \end{bmatrix}\overset{Mandel}{\rightarrow}\begin{Bmatrix} \sigma \end{Bmatrix}=\begin{bmatrix} \sigma _{11}\\ \sigma _{22}\\ \sigma _{33}\\ \sqrt{2}\sigma _{23}\\ \sqrt{2}\sigma _{31}\\ \sqrt{2}\sigma _{12} \end{bmatrix},   \large \varepsilon _{ij}=\begin{bmatrix} \varepsilon_{11} & \varepsilon_{12} &\varepsilon_{13} \\ \varepsilon_{21}& \varepsilon_{22} &\varepsilon_{23} \\ \varepsilon_{31}& \varepsilon_{32} & \varepsilon_{33} \end{bmatrix}\overset{Mandel}{\rightarrow}\begin{Bmatrix} \varepsilon\end{Bmatrix}=\begin{bmatrix} \varepsilon_{11}\\ \varepsilon_{22}\\ \varepsilon_{33}\\ \sqrt{2}\varepsilon_{23}\\ \sqrt{2}\varepsilon_{31}\\ \sqrt{2}\varepsilon_{12} \end{bmatrix}

所以广义胡克定律的矩阵表达如下:

Voigt notation(Voigt标记法)和 Mandel notation(Mandel标记法)_第4张图片

弹性刚度张量的Mandel表示如下:

                                 Voigt notation(Voigt标记法)和 Mandel notation(Mandel标记法)_第5张图片

 参考文献:

1.Notes on Continuum Mechanics by Eduardo W. V. Chaves 

2.https://en.wikipedia.org/wiki/Voigt_notation#Mandel_notation

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