द्विविम प्रतिबल

चित्र 7.1 सातत्य में समतल तनाव अवस्था।

सातत्य यांत्रिकी में, किसी सामग्री को समतल तनाव के अंतर्गत कहा जाता है यदि किसी विशेष तल पर तनाव (यांत्रिकी) शून्य है। जब वह स्थिति संरचना के पूरे तत्व पर होती है, जैसा कि अक्सर पतली प्लेटों के मामले में होता है, तो तनाव विश्लेषण काफी सरल हो जाता है, क्योंकि तनाव की स्थिति को आयाम 2 के टेन्सर द्वारा दर्शाया जा सकता है (बल्कि 2×2 मैट्रिक्स के रूप में प्रतिनिधित्व किया जा सकता है) 3×3 से अधिक)। एक संबंधित धारणा, प्लेन स्ट्रेन, अक्सर बहुत मोटे सदस्यों पर लागू होती है।

समतल तनाव आम तौर पर पतली सपाट प्लेटों में होता है जिन पर केवल उनके समानांतर भार बलों द्वारा कार्य किया जाता है। कुछ स्थितियों में, तनाव विश्लेषण के उद्देश्य से धीरे से घुमावदार पतली प्लेट को भी समतल तनाव माना जा सकता है। यह मामला है, उदाहरण के लिए, दबाव में तरल पदार्थ से भरे एक पतली दीवार वाले सिलेंडर का। ऐसे मामलों में, प्लेट के लंबवत तनाव घटक इसके समानांतर वाले घटकों की तुलना में नगण्य होते हैं।

हालाँकि, अन्य स्थितियों में, एक पतली प्लेट के झुकने के तनाव को नजरअंदाज नहीं किया जा सकता है। कोई अभी भी द्वि-आयामी डोमेन का उपयोग करके विश्लेषण को सरल बना सकता है, लेकिन प्रत्येक बिंदु पर समतल तनाव टेंसर को झुकने की शर्तों के साथ पूरक होना चाहिए।

गणितीय परिभाषा

गणितीय रूप से, सामग्री में किसी बिंदु पर तनाव एक समतल तनाव है यदि तीन प्रमुख तनावों में से एक (कौची तनाव टेंसर के eigenvalues ​​​​और eigenvectors) शून्य है। यानी कार्टेशियन समन्वय प्रणाली है जिसमें तनाव टेंसर का रूप होता है

$\sigma ={\begin{bmatrix}\sigma _{11}&0&0\\0&\sigma _{22}&0\\0&0&0\end{bmatrix}}\equiv {\begin{bmatrix}\sigma _{x}&0&0\\0&\sigma _{y}&0\\0&0&0\end{bmatrix}}$

उदाहरण के लिए, 10, 40 और 5 सेंटीमीटर मापने वाले सामग्री के एक आयताकार ब्लॉक पर विचार करें $x$, $y$, और $z$, वह में फैलाया जा रहा है $x$ दिशा और में संपीड़ित $y$ दिशा, क्रमशः 10 न्यूटन (इकाई) और 20 एन परिमाण वाले विपरीत बलों के जोड़े द्वारा, समान रूप से संबंधित चेहरों पर वितरित की जाती है। ब्लॉक के अंदर स्ट्रेस टेंसर होगा

$\sigma ={\begin{bmatrix}500\mathrm {Pa} &0&0\\0&-4000\mathrm {Pa} &0\\0&0&0\end{bmatrix}}$

अधिक सामान्यतः, यदि कोई पहले दो समन्वय अक्षों को मनमाने ढंग से लेकिन शून्य तनाव की दिशा के लंबवत चुनता है, तो तनाव टेंसर का रूप होगा

$\sigma ={\begin{bmatrix}\sigma _{11}&\sigma _{12}&0\\\sigma _{21}&\sigma _{22}&0\\0&0&0\end{bmatrix}}\equiv {\begin{bmatrix}\sigma _{x}&\tau _{xy}&0\\\tau _{yx}&\sigma _{y}&0\\0&0&0\end{bmatrix}}$

और इसलिए इसे 2 × 2 मैट्रिक्स द्वारा दर्शाया जा सकता है,

$\sigma _{ij}={\begin{bmatrix}\sigma _{11}&\sigma _{12}\\\sigma _{21}&\sigma _{22}\end{bmatrix}}\equiv {\begin{bmatrix}\sigma _{x}&\tau _{xy}\\\tau _{yx}&\sigma _{y}\end{bmatrix}}$

गठनात्मक समीकरण

Main article: Hooke's law § Plane stress

घुमावदार सतहों में समतल तनाव

कुछ मामलों में, समतल तनाव मॉडल का उपयोग धीरे से घुमावदार सतहों के विश्लेषण में किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, एक पतली दीवार वाले सिलेंडर पर विचार करें जो एक अक्षीय संपीड़न भार के अधीन है जो इसके रिम पर समान रूप से वितरित है, और एक दबावयुक्त तरल पदार्थ से भरा हुआ है। आंतरिक दबाव दीवार पर एक प्रतिक्रियाशील घेरा तनाव उत्पन्न करेगा, एक सामान्य तन्य तनाव जो सिलेंडर अक्ष के लंबवत और उसकी सतह पर स्पर्शरेखा निर्देशित होगा। सिलेंडर को संकल्पनात्मक रूप से अनियंत्रित किया जा सकता है और एक सपाट पतली आयताकार प्लेट के रूप में विश्लेषण किया जा सकता है जो एक दिशा में तन्य भार और दूसरी दिशा में संपीड़न भार के अधीन है, दोनों प्लेट के समानांतर हैं।

प्लेन स्ट्रेन (स्ट्रेन मैट्रिक्स)

चित्र 7.2 सातत्य में समतल तनाव अवस्था।

Main article: Infinitesimal strain theory

यदि एक आयाम दूसरों की तुलना में बहुत बड़ा है, तो सबसे लंबे आयाम की दिशा में तनाव (सामग्री विज्ञान) बाधित है और इसे स्थिर माना जा सकता है, इसका मतलब है कि इसके साथ प्रभावी रूप से शून्य तनाव होगा, इसलिए एक विमान तनाव की स्थिति उत्पन्न होगी (चित्र 7.2)। इस मामले में, हालांकि सभी प्रमुख तनाव गैर-शून्य हैं, गणना के लिए सबसे लंबे आयाम की दिशा में मुख्य तनाव की उपेक्षा की जा सकती है। इस प्रकार, तनाव के दो-आयामी विश्लेषण की अनुमति मिलती है, जैसे जलाशय द्वारा लोड किए गए क्रॉस सेक्शन पर एक बांध का विश्लेषण किया गया।

संगत स्ट्रेन टेंसर है:

$\varepsilon _{ij}={\begin{bmatrix}\varepsilon _{11}&\varepsilon _{12}&0\\\varepsilon _{21}&\varepsilon _{22}&0\\0&0&0\end{bmatrix}}\,\!$

और संबंधित तनाव टेंसर है:

$\sigma _{ij}={\begin{bmatrix}\sigma _{11}&\sigma _{12}&0\\\sigma _{21}&\sigma _{22}&0\\0&0&\sigma _{33}\end{bmatrix}}\,\!$

जिसमें गैर-शून्य $\sigma _{33}\,\!$ यह पद पॉइसन अनुपात|पॉइसन प्रभाव से उत्पन्न होता है। हालाँकि, इस शब्द को अस्थायी रूप से तनाव विश्लेषण से हटाया जा सकता है और केवल इन-प्लेन शब्दों को छोड़ा जा सकता है, जिससे विश्लेषण प्रभावी रूप से दो आयामों तक कम हो जाएगा।

समतल तनाव और समतल तनाव में तनाव परिवर्तन

एक बिंदु पर विचार करें $P\,\!$ तनाव घटकों के साथ समतल तनाव, या समतल तनाव की स्थिति में एक सातत्य में $(\sigma _{x},\sigma _{y},\tau _{xy})\,\!$ और अन्य सभी तनाव घटक शून्य के बराबर हैं (चित्र 8.1)। एक अतिसूक्ष्म भौतिक तत्व के स्थैतिक संतुलन से $P\,\!$ (चित्र 8.2), सामान्य तनाव $\sigma _{\mathrm {n} }\,\!$ और कतरनी तनाव $\tau _{\mathrm {n} }\,\!$ के लम्बवत् किसी भी तल पर $x\,\!$-$y\,\!$ विमान गुजर रहा है $P\,\!$ एक यूनिट वेक्टर के साथ $\mathbf {n} \,\!$ का कोण बनाना $\theta \,\!$ क्षैतिज के साथ, यानी $\cos \theta \,\!$ में दिशा कोज्या है $x\,\!$ दिशा, द्वारा दी गई है:

$\sigma _{\mathrm {n} }={\frac {1}{2}}(\sigma _{x}+\sigma _{y})+{\frac {1}{2}}(\sigma _{x}-\sigma _{y})\cos 2\theta +\tau _{xy}\sin 2\theta \,\!$

$\tau _{\mathrm {n} }=-{\frac {1}{2}}(\sigma _{x}-\sigma _{y})\sin 2\theta +\tau _{xy}\cos 2\theta \,\!$

इन समीकरणों से संकेत मिलता है कि एक समतल तनाव या समतल तनाव की स्थिति में, कोई भी सभी दिशाओं में एक बिंदु पर तनाव घटकों को निर्धारित कर सकता है, अर्थात एक फ़ंक्शन के रूप में $\theta \,\!$, यदि कोई तनाव घटकों को जानता है $(\sigma _{x},\sigma _{y},\tau _{xy})\,\!$ उस बिंदु पर किन्हीं दो लंबवत दिशाओं पर। यह याद रखना महत्वपूर्ण है कि हम समानांतर दिशा में अतिसूक्ष्म तत्व के एक इकाई क्षेत्र पर विचार कर रहे हैं $y\,\!$-$z\,\!$ विमान।

चित्र 8.1 - समतल तनाव स्थितियों के तहत सातत्य में एक बिंदु पर तनाव परिवर्तन।

चित्र 8.2 - समतल तनाव की स्थिति के तहत सातत्य में एक बिंदु से गुजरने वाले विमान पर तनाव घटक।

मुख्य दिशाएँ (चित्र 8.3), यानी, उन विमानों का अभिविन्यास जहां कतरनी तनाव घटक शून्य हैं, कतरनी तनाव के लिए पिछले समीकरण बनाकर प्राप्त किया जा सकता है $\tau _{\mathrm {n} }\,\!$ शून्य के बराबर. इस प्रकार हमारे पास है:

$\tau _{\mathrm {n} }=-{\frac {1}{2}}(\sigma _{x}-\sigma _{y})\sin 2\theta +\tau _{xy}\cos 2\theta =0\,\!$

और हम प्राप्त करते हैं

$\tan 2\theta _{\mathrm {p} }={\frac {2\tau _{xy}}{\sigma _{x}-\sigma _{y}}}\,\!$

यह समीकरण दो मानों को परिभाषित करता है $\theta _{\mathrm {p} }\,\!$ जो हैं $90^{\circ }\,\!$ अलग (चित्र 8.3)। कोण ज्ञात करके वही परिणाम प्राप्त किया जा सकता है $\theta \,\!$ जो सामान्य तनाव बनाता है $\sigma _{\mathrm {n} }\,\!$ अधिकतम, यानी ${\frac {d\sigma _{\mathrm {n} }}{d\theta }}=0\,\!$ प्रिंसिपल जोर देते हैं $\sigma _{1}\,\!$ और $\sigma _{2}\,\!$, या न्यूनतम और अधिकतम सामान्य तनाव $\sigma _{\mathrm {max} }\,\!$ और $\sigma _{\mathrm {min} }\,\!$क्रमशः, दोनों मानों को प्रतिस्थापित करके प्राप्त किया जा सकता है $\theta _{\mathrm {p} }\,\!$ के लिए पिछले समीकरण में $\sigma _{\mathrm {n} }\,\!$. इसे समीकरणों को पुनर्व्यवस्थित करके प्राप्त किया जा सकता है $\sigma _{\mathrm {n} }\,\!$ और $\tau _{\mathrm {n} }\,\!$, पहले पहले समीकरण में पहले पद को स्थानांतरित करना और प्रत्येक समीकरण के दोनों पक्षों का वर्ग करना और फिर उन्हें जोड़ना। इस प्रकार हमारे पास है

$\left[\sigma _{\mathrm {n} }-{\tfrac {1}{2}}(\sigma _{x}+\sigma _{y})\right]^{2}+\tau _{\mathrm {n} }^{2}=\left[{\tfrac {1}{2}}(\sigma _{x}-\sigma _{y})\right]^{2}+\tau _{xy}^{2}\,\!$

$(\sigma _{\mathrm {n} }-\sigma _{\mathrm {avg} })^{2}+\tau _{\mathrm {n} }^{2}=R^{2}\,\!$

कहाँ

$R={\sqrt {\left[{\tfrac {1}{2}}(\sigma _{x}-\sigma _{y})\right]^{2}+\tau _{xy}^{2}}}\quad {\text{and}}\quad \sigma _{\mathrm {avg} }={\tfrac {1}{2}}(\sigma _{x}+\sigma _{y})\,\!$

जो त्रिज्या वाले एक वृत्त का समीकरण है $R\,\!$ निर्देशांक के साथ एक बिंदु पर केन्द्रित $[\sigma _{\mathrm {avg} },0]\,\!$, जिसे मोहर सर्कल कहा जाता है। लेकिन यह जानना कि प्रिंसिपल के लिए कतरनी तनाव पर जोर देता है $\tau _{\mathrm {n} }=0\,\!$, तो हम इस समीकरण से प्राप्त करते हैं:

$\sigma _{1}=\sigma _{\mathrm {max} }={\tfrac {1}{2}}(\sigma _{x}+\sigma _{y})+{\sqrt {\left[{\tfrac {1}{2}}(\sigma _{x}-\sigma _{y})\right]^{2}+\tau _{xy}^{2}}}\,\!$

$\sigma _{2}=\sigma _{\mathrm {min} }={\tfrac {1}{2}}(\sigma _{x}+\sigma _{y})-{\sqrt {\left[{\tfrac {1}{2}}(\sigma _{x}-\sigma _{y})\right]^{2}+\tau _{xy}^{2}}}\,\!$

चित्र 8.3 - दो आयामों में तनावों का परिवर्तन, प्रमुख तनावों की कार्रवाई के विमानों और अधिकतम और न्यूनतम कतरनी तनावों को दर्शाता है।

कब $\tau _{xy}=0\,\!$ अतिसूक्ष्म तत्व मुख्य तलों की दिशा में उन्मुख होता है, इस प्रकार आयताकार तत्व पर कार्य करने वाले तनाव प्रमुख तनाव होते हैं: $\sigma _{x}=\sigma _{1}\,\!$ और $\sigma _{y}=\sigma _{2}\,\!$. फिर सामान्य तनाव $\sigma _{\mathrm {n} }\,\!$ और कतरनी तनाव $\tau _{\mathrm {n} }\,\!$ प्रमुख तनावों के एक कार्य के रूप में बनाकर निर्धारित किया जा सकता है $\tau _{xy}=0\,\!$. इस प्रकार हमारे पास है

$\sigma _{\mathrm {n} }={\frac {1}{2}}(\sigma _{1}+\sigma _{2})+{\frac {1}{2}}(\sigma _{1}-\sigma _{2})\cos 2\theta \,\!$

$\tau _{\mathrm {n} }=-{\frac {1}{2}}(\sigma _{1}-\sigma _{2})\sin 2\theta \,\!$

फिर अधिकतम कतरनी तनाव $\tau _{\mathrm {max} }\,\!$ तब होता है जब $\sin 2\theta =1\,\!$, अर्थात। $\theta =45^{\circ }\,\!$ (चित्र 8.3):

$\tau _{\mathrm {max} }={\frac {1}{2}}(\sigma _{1}-\sigma _{2})\,\!$

फिर न्यूनतम कतरनी तनाव $\tau _{\mathrm {min} }\,\!$ तब होता है जब $\sin 2\theta =-1\,\!$, अर्थात। $\theta =135^{\circ }\,\!$ (चित्र 8.3):

$\tau _{\mathrm {min} }=-{\frac {1}{2}}(\sigma _{1}-\sigma _{2})\,\!$

यह भी देखें

• प्लेन स्ट्रेन