我們將從建立描述應力 σ {\displaystyle \sigma } 和應變 ε {\displaystyle \varepsilon } 之間關係的本構方程開始。這是連續介質力學中專注於純彈性區的子集,特別是將重點放線上性彈性上,其中胡克定律成立。
圖 1 : (a) 作用於物體的外部力 P , {\displaystyle \mathbf {P} ,} 將在內部傳遞。物體上想象的切片上的一個點將受到表面力的作用。(b) 作用在這個切片上的力可以投影到作用在面積 A {\displaystyle A} 上的正向或切向分量。
應力和應變的概念起源於考慮作用於物體上的力和物體的位移。從力開始,可以施加兩種型別的力。首先是表面力,它可以是點力,也可以是作用在表面上的分佈力。其次是體力,它作用於物體的每個元素,而不僅僅是表面(例如,重力、電場等)。
所關注的物體受到許多力的作用,這些力透過材料傳遞。在物體內部的任何一點,您可以想象將其切開以觀察想象的切割表面上的力,如圖 1 所示。這些力是切割面兩側的材料之間的相互作用。我們將物體中某點的應力定義為作用在該想象切割表面的力。
圖 2 : 一個具有應力的無窮小長方體材料,根據 ( x 1 , x 2 , x 3 ) {\displaystyle (x_{1},x_{2},x_{3})} 座標系定義。
您還記得,應力被定義為力除以作用力的面積。力 P {\displaystyle \mathbf {P} } 是一個向量量,允許將分量投影到法線和切向方向。如圖 1 所示,法向分量根據角度 θ {\displaystyle \theta } 定義,產生法嚮應力 σ 33 = P cos θ A {\displaystyle \sigma _{33}={\frac {P\cos \!\theta }{A}}} 。力的切向分量 P sin θ {\displaystyle P\sin \!\theta } 可以進一步投影到圖 1 中標識為 x 1 {\displaystyle x_{1}} 和 x 2 {\displaystyle x_{2}} 的兩個正交方向,產生兩個正交剪下應力。這是根據角度 ϕ {\displaystyle \phi } 執行的,得到 σ 31 = P sin θ cos ϕ A {\displaystyle \sigma _{31}={\frac {P\sin \!\theta \cos \!\phi }{A}}} 和 σ 32 = P sin θ sin ϕ A {\displaystyle \sigma _{32}={\frac {P\sin \!\theta \sin \!\phi }{A}}} 。
這裡需要注意的是,我們定義的座標系使得 x 3 {\displaystyle x_{3}} 方向是垂直於切割表面的方向。使用 ( x 1 , x 2 , x 3 ) {\displaystyle (x_{1},x_{2},x_{3})} 而不是 ( x , y , z ) {\displaystyle (x,y,z)} 很方便,因為它允許我們將索引傳遞給應力和應變數。在這個例子中,法嚮應力由 σ 33 {\displaystyle \sigma _{33}} 給出,以指定法嚮應力施加到法線在 x 3 {\displaystyle x_{3}} 方向的表面上,並在 x 3 {\displaystyle x_{3}} 方向上投射一個力。切向分量 σ 31 {\displaystyle \sigma _{31}} 和 σ 32 {\displaystyle \sigma _{32}} 指定法線為 x 3 {\displaystyle x_{3}} 的表面,力分別在 x 1 {\displaystyle x_{1}} 和 x 2 {\displaystyle x_{2}} 方向上投影。切割一個無窮小的長方體,應力在所有三個方向上定義,如圖2 所示。為了比較,一些教科書中使用的符號將寫法嚮應力為 σ x {\displaystyle \sigma _{x}} ,而在這裡我們將使用 σ 11 {\displaystyle \sigma _{11}} 。這些教科書還使用 τ {\displaystyle \tau } 表示剪下應力,例如 τ x y {\displaystyle \tau _{xy}} ,而在這裡我們將使用 σ 12 {\displaystyle \sigma _{12}} 。這使得應力狀態可以簡潔地用矩陣(張量)形式表示
σ = ( σ 11 σ 12 σ 13 σ 21 σ 22 σ 23 σ 31 σ 32 σ 33 ) {\displaystyle \sigma =\left({\begin{aligned}\sigma _{11}\quad \sigma _{12}\quad \sigma _{13}\\\sigma _{21}\quad \sigma _{22}\quad \sigma _{23}\\\sigma _{31}\quad \sigma _{32}\quad \sigma _{33}\end{aligned}}\right)}
圖 1 中透過物體上某點切出的想象切片可以是任何平面,但作用力保持不變。這會導致表面法線的定義改變,並可能導致應力表示式發生變化。應力的物理存在不會改變,但描述方式會改變,即座標系會發生改變。本節的其餘部分將重點介紹應力座標變換的表達和分析。
我們將從簡化正在處理的圖景開始。平面應力條件存在於薄的二維物體中,例如一張紙,該物體在平面外沒有應力。這使我們能夠寫成 σ 33 = 0 {\displaystyle \sigma _{33}=0} . 此外,在 x 3 {\displaystyle x_{3}} 方向上沒有剪下力,因此 σ 13 = σ 23 = 0 {\displaystyle \sigma _{13}=\sigma _{23}=0} 。對於處於平面應力條件下的物體,我們的目標是確定任何軸方向下某點的應力狀態。
圖 3 :(a) 平面應力條件下定義的面積 A {\displaystyle A} ,其中面積的法線為 x 1 ′ {\displaystyle x_{1}'} ,從 x 1 {\displaystyle x_{1}} 旋轉了 θ {\displaystyle \theta } 。A 在 x 1 {\displaystyle x_{1}} 和 x 1 {\displaystyle x_{1}} 方向上的投影如圖所示。(b) 圖中顯示了作用在該面積上的總應力的分量。
對於該物體,零力方向為 x 3 {\displaystyle x_{3}} 方向,即紙面向外方向,非零應力狀態在 x 1 {\displaystyle x_{1}} 和 x 2 {\displaystyle x_{2}} 方向,其分量為 σ 11 {\displaystyle \sigma _{11}} , σ 22 {\displaystyle \sigma _{22}} 和 σ 12 = σ 21 {\displaystyle \sigma _{12}=\sigma _{21}} 。
想象一個新的區域,它定義在一個繞 x 3 {\displaystyle x_{3}} 軸旋轉的平面上,其法線方向定義為 x 1 ′ {\displaystyle x_{1}'} ,它與 x 1 {\displaystyle x_{1}} 的夾角為 θ {\displaystyle \theta } ,如圖 3 所示。
作用在該區域上的力的分量由原始應力作用在新區域的投影面上確定。
F 1 = σ 11 A cos θ + σ 12 A sin θ = S 1 A F 2 = σ 22 A sin θ + σ 12 A cos θ = S 2 A {\displaystyle {\begin{aligned}F_{1}=\sigma _{11}A\cos \!\theta +\sigma _{12}A\sin \!\theta =S_{1}A\\F_{2}=\sigma _{22}A\sin \!\theta +\sigma _{12}A\cos \!\theta =S_{2}A\end{aligned}}} [1 & 2]
其中元素 A cos θ {\displaystyle A\cos \!\theta } 和 A sin θ {\displaystyle A\sin \!\theta } 是 A 在原始方向上的投影,如圖 3 (a) 所示,以及 S 1 {\displaystyle S_{1}} 和 S 2 {\displaystyle S_{2}} 是 x 1 {\displaystyle x_{1}} 和 x 2 {\displaystyle x_{2}} 方向上的總應力,其中 σ 12 = σ 21 {\displaystyle \sigma _{12}=\sigma _{21}} 。然後,除以 A 得
S 1 = σ 11 cos θ + σ 12 sin θ S 2 = σ 22 sin θ + σ 12 cos θ {\displaystyle {\begin{aligned}S_{1}=\sigma _{11}\cos \!\theta +\sigma _{12}\sin \!\theta \\S_{2}=\sigma _{22}\sin \!\theta +\sigma _{12}\cos \!\theta \end{aligned}}} [3 & 4]
將圖 3 (b) 所示的總應力投影到 x 1 ′ {\displaystyle x_{1}'} 座標中的法線方向,得到
σ 11 ′ = S 1 cos θ + S 2 sin θ {\displaystyle \sigma _{11}'=S_{1}\!\cos \!\theta +S_{2}\!\sin \!\theta } [5]
類似地,我們將切線投影到平面並得到
σ 12 ′ = S 2 cos θ − S 1 sin θ {\displaystyle \sigma _{12}'=S_{2}\!\cos \!\theta -S_{1}\!\sin \!\theta } [6]
得到
σ 11 ′ = ( σ 11 cos θ + σ 12 sin θ ) cos θ + ( σ 22 sin θ + σ 12 cos θ ) sin θ = σ 11 cos 2 θ + σ 22 sin 2 θ + 2 σ 12 sin θ cos θ {\displaystyle {\begin{aligned}\sigma _{11}'&=(\sigma _{11}\cos \!\theta +\sigma _{12}\sin \!\theta )\cos \!\theta +(\sigma _{22}\sin \!\theta +\sigma _{12}\cos \!\theta )\sin \!\theta \\&=\sigma _{11}\cos ^{2}\!\theta +\sigma _{22}\sin ^{2}\!\theta +2\ \sigma _{12}\sin \!\theta \cos \!\theta \end{aligned}}} [7]
和
σ 12 ′ = ( σ 22 sin θ + σ 12 cos θ ) cos θ − ( σ 11 cos θ + σ 12 sin θ ) sin θ = σ 12 ( c o s 2 θ − sin 2 θ ) + ( σ 22 − σ 11 ) sin θ cos θ {\displaystyle {\begin{aligned}\sigma _{12}'&=(\sigma _{22}\sin \!\theta +\sigma _{12}\cos \!\theta )\cos \!\theta -(\sigma _{11}\cos \!\theta +\sigma _{12}\sin \!\theta )\sin \!\theta \\&=\sigma _{12}(cos^{2}\!\theta -\sin ^{2}\!\theta )+(\sigma _{22}-\sigma _{11})\sin \!\theta \cos \!\theta \end{aligned}}} [8]
圖 4 : 一個新的區域,它相對於圖 3 中所示的原始區域旋轉了 π 2 {\displaystyle {\frac {\pi }{2}}} 。
已知 σ 12 ′ = σ 21 ′ {\displaystyle \sigma _{12}'=\sigma _{21}'} ,因此只需要確定 σ 22 ′ {\displaystyle \sigma _{22}'} 。為此,我們定義了一個新的區域,該區域相對於我們原始平面旋轉了 π {\textstyle \pi } /2,如圖 4 所示。在這個新的方向上,
S 1 A = σ 11 A cos ( θ + π 2 ) + σ 12 A sin ( θ + π 2 ) S 1 = − σ 11 sin θ + σ 12 cos θ {\displaystyle {\begin{aligned}S_{1}A&=\sigma _{11}A\cos(\theta +{\pi \over 2})+\sigma _{12}A\sin(\theta +{\pi \over 2})\\S_{1}&=-\sigma _{11}\sin \!\theta +\sigma _{12}\cos \!\theta \end{aligned}}} [9]
和
S 2 A = σ 22 A sin ( θ + π 2 ) + σ 12 A cos ( θ + π 2 ) S 2 = σ 22 cos θ − σ 12 sin θ {\displaystyle {\begin{aligned}S_{2}A&=\sigma _{22}A\sin(\theta +{\pi \over 2})+\sigma _{12}A\cos(\theta +{\pi \over 2})\\S_{2}&=\sigma _{22}\cos \!\theta -\sigma _{12}\sin \!\theta \end{aligned}}} [10]
將總應力投影到法線方向得到
σ 22 ′ = S 1 cos ( θ + π 2 ) + S 2 sin ( θ + π θ ) = − S x 1 sin θ + S x 2 cos θ {\displaystyle {\begin{aligned}\sigma _{22}'&=S_{1}\cos(\theta +{\pi \over 2})+S_{2}\sin(\theta +{\pi \over \theta })\\&=-S_{x_{1}}\sin \!\theta +S_{x_{2}}\cos \!\theta \end{aligned}}} [11]
將公式 9 和10 代入公式 11 中的 S 1 {\displaystyle S_{1}} 和 S 2 {\displaystyle S_{2}} ,得到 σ 22 ′ {\displaystyle \sigma _{22}'} :
σ 22 ′ = − ( − σ 11 sin θ + σ 12 cos θ ) sin θ + ( σ 22 cos θ − σ 12 sin θ ) cos θ = σ 11 sin 2 θ + σ 22 cos 2 θ − 2 σ 12 sin θ cos θ {\displaystyle {\begin{aligned}\sigma _{22}'&=-(-\sigma _{11}\sin \!\theta +\sigma _{12}\cos \!\theta )\sin \!\theta +(\sigma _{22}\cos \!\theta -\sigma _{12}\sin \!\theta )\cos \!\theta \\&=\sigma _{11}\sin ^{2}\!\theta +\sigma _{22}\cos ^{2}\!\theta -2\ \sigma _{12}\sin \!\theta \cos \!\theta \end{aligned}}} [12]
眾所周知的三角恆等式
cos 2 θ = cos 2 θ + 1 2 sin 2 θ = 1 − cos 2 θ 2 2 sin θ cos θ = sin 2 θ cos 2 θ − sin 2 θ = cos 2 θ {\displaystyle {\begin{array}{lcl}\cos ^{2}\!\theta ={\cos 2\theta +1 \over 2}&\quad &\sin ^{2}\!\theta ={1-\cos 2\theta \over 2}\\2\sin \!\theta \cos \!\theta =\sin 2\theta &&\cos ^{2}\!\theta -\sin ^{2}\theta =\cos 2\theta \end{array}}}
分別應用於公式 7 、8 和12 中的 σ 11 ′ {\displaystyle \sigma _{11}'} , σ 12 ′ {\displaystyle \sigma _{12}'} 和 σ 22 ′ {\displaystyle \sigma _{22}'} ,得到:
σ 11 ′ = σ 11 + σ 22 2 + σ 11 − σ 22 2 cos 2 θ + σ 12 sin 2 θ {\displaystyle {\begin{aligned}\sigma _{11}'&={\sigma _{11}+\sigma _{22} \over 2}+{\sigma _{11}-\sigma _{22} \over 2}\cos {2\theta }+\sigma _{12}\sin {2\theta }\end{aligned}}} [13]
σ 22 ′ = σ 11 + σ 22 2 − σ 11 − σ 22 2 cos 2 θ − σ 12 sin 2 θ {\displaystyle {\begin{aligned}\sigma _{22}'&={\sigma _{11}+\sigma _{22} \over 2}-{\sigma _{11}-\sigma _{22} \over 2}\cos {2\theta }-\sigma _{12}\sin {2\theta }\end{aligned}}} [14]
和
σ 12 ′ = σ 22 − σ 11 2 sin 2 θ + σ 12 cos 2 θ {\displaystyle {\begin{aligned}\sigma _{12}'&={\sigma _{22}-\sigma _{11} \over 2}\sin 2\theta +\sigma _{12}\cos 2\theta \end{aligned}}} [15]
從這個推導中可以得到許多直接結果,從這些結果中我們可以獲得更深入的見解。從 σ ′ {\displaystyle \sigma '} 的方程得到的其中一個結果是 σ 11 ′ + σ 22 ′ = σ 11 + σ 22 {\displaystyle \sigma _{11}'+\sigma _{22}'=\sigma _{11}+\sigma _{22}} ,對於所有 θ {\displaystyle \theta } 。這意味著應力張量 σ {\displaystyle {\boldsymbol {\sigma }}} 的跡是不變的。
第二個結果是,最大法嚮應力和剪下應力以週期為 π {\displaystyle \pi } 的正弦波變化。在這個振盪中,法嚮應力和剪下應力相移,導致 (1) 最大和最小法嚮應力在剪下為零時發生,(2) 最大和最小剪下應力相移 π {\displaystyle \pi } /4,(3) 最大和最小法嚮應力相移 π {\displaystyle \pi } /2,(4) 最大和最小剪下應力相移 π {\displaystyle \pi } /4,從最小和最大法嚮應力。
任何應力狀態都可以旋轉,以產生 σ 12 = σ 21 = 0 {\displaystyle \sigma _{12}=\sigma _{21}=0} 。這使得應力張量對角化,並給出極端的法嚮應力。在這種方向下,平面稱為主平面,法嚮應力稱為主應力。產生這些主應力的方向稱為主軸。按照慣例,我們將第一個主應力定義為 σ p 1 {\displaystyle \sigma _{p1}} 為最大值,依次遞減的主應力為 σ p 2 {\displaystyle \sigma _{p2}} 和 σ p 3 {\displaystyle \sigma _{p3}} ,雖然在這裡我們只限制在二維平面應力,並且只列舉 σ p 1 {\displaystyle \sigma _{p1}} 和 σ p 2 {\displaystyle \sigma _{p2}} 。
我們知道 σ 12 = 0 {\displaystyle \sigma _{12}=0} 在主方向上,這意味著我們可以使用方程式 8 來表示 σ 12 ′ {\displaystyle \sigma _{12}'} 來確定旋轉張量 σ {\displaystyle {\boldsymbol {\sigma }}} 到 σ ′ {\displaystyle \sigma '} (它是主張量)所需的角( θ {\displaystyle \theta } ),
0 = σ 12 ′ = σ 21 ′ 0 = σ 12 ( cos 2 θ − sin 2 θ ) + ( σ 22 − σ 11 ) sin θ cos θ − ( σ 22 − σ 11 ) sin θ cos θ = σ 12 ( cos 2 θ − sin 2 θ ) sin θ cos θ cos 2 θ − sin 2 θ = σ 12 σ 11 − σ 22 {\displaystyle {\begin{aligned}0&=\sigma _{12}'=\sigma _{21}'\\0&=\sigma _{12}(\cos ^{2}\!\theta -\sin ^{2}\!\theta )+(\sigma _{22}-\sigma _{11})\sin \!\theta \cos \!\theta \\-(\sigma _{22}-\sigma _{11})\sin \!\theta \cos \!\theta &=\sigma _{12}(\cos ^{2}\!\theta -\sin ^{2}\!\theta )\\{\sin \!\theta \cos \!\theta \over \cos ^{2}\!\theta -\sin ^{2}\!\theta }&={\sigma _{12} \over \sigma _{11}-\sigma _{22}}\end{aligned}}}
得到
tan 2 θ = 2 σ 12 σ 11 − σ 22 {\displaystyle {\begin{aligned}\tan 2\theta &={2\ \sigma _{12} \over \sigma _{11}-\sigma _{22}}\end{aligned}}} [16]
如圖 5 所示,透過繪製 tan 2 θ {\displaystyle \tan 2\theta } 的圖形,我們可以觀察到相鄰根之間相隔 π {\textstyle \pi } /2。此外,我們現在可以使用勾股定理來求解主應力。
圖 5 : t a n 2 θ {\displaystyle tan2\theta } 根的圖形演示,它們之間相隔 π 2 {\displaystyle {\frac {\pi }{2}}} 。
對於一個簡單的直角三角形,斜邊為 c {\displaystyle c} ,兩條直角邊分別為 a {\displaystyle a} 和 b {\displaystyle b} ,我們知道
sin ξ = b c cos ξ = a c tan ξ = b a {\displaystyle {\begin{aligned}\sin \xi ={b \over c}\\\cos \xi ={a \over c}\\\tan \xi ={b \over a}\end{aligned}}}
這可以與勾股定理 a 2 + b 2 = c 2 {\displaystyle a^{2}+b^{2}=c^{2}} 和 **公式 16** 組合起來
a = σ 12 b = 1 2 ( σ 11 − σ 22 ) c = ± ( 1 4 ( σ 11 − σ 22 ) 2 + σ 12 2 ) 1 2 {\displaystyle {\begin{aligned}a&=\sigma _{12}\\b&={1 \over 2}(\sigma _{11}-\sigma _{22})\\c&=\pm \left({1 \over 4}(\sigma _{11}-\sigma _{22})^{2}+{\sigma _{12}}^{2}\right)^{1 \over 2}\end{aligned}}}
這些可以進一步組合,得到
sin 2 θ = ± σ 12 ( 1 4 ( σ 11 − σ 22 ) 2 + σ 12 2 ) 1 2 {\displaystyle {\begin{aligned}\sin 2\theta &=\pm {\sigma _{12} \over \left({1 \over 4}(\sigma _{11}-\sigma _{22})^{2}+{\sigma _{12}}^{2}\right)^{1 \over 2}}\end{aligned}}} [17]
和
cos 2 θ = ± 1 2 ( σ 11 − σ 22 ) ( 1 4 ( σ 11 − σ 22 ) 2 + σ 12 2 ) 1 2 {\displaystyle {\begin{aligned}\\\cos 2\theta &=\pm {{1 \over 2}(\sigma _{11}-\sigma _{22}) \over \left({1 \over 4}(\sigma _{11}-\sigma _{22})^{2}+{\sigma _{12}}^{2}\right)^{1 \over 2}}\end{aligned}}} [18]
這些方程式告訴我們,對於給定的應力狀態, σ {\displaystyle \sigma } ,需要進行怎樣的旋轉才能使 σ {\displaystyle \sigma } 與主軸對齊。
將這些方程式代入公式 13 中的 σ 11 ′ {\displaystyle \sigma _{11}'} ,可以確定主應力。
σ p = σ 11 + σ 22 2 + σ 11 − σ 22 2 ( ± 1 2 ( σ 11 − σ 22 ) ( 1 4 ( σ 11 − σ 22 ) 2 + σ 12 2 ) 1 2 ) + σ 12 ( σ 12 ± ( 1 4 ( σ 11 − σ 22 ) 2 + σ 12 2 ) 1 2 ) = σ 11 + σ 22 2 + 1 4 ( σ 11 − σ 22 ) 2 ± ( 1 4 ( σ 11 − σ 22 ) 2 + σ 12 2 ) 1 2 + σ 12 2 ± ( 1 4 ( σ 11 − σ 22 ) 2 +
得到
= σ 11 + σ 22 2 ± ( 1 4 ( σ 11 − σ 22 ) 2 + σ 12 2 ) 1 2 {\displaystyle {\begin{aligned}&={\sigma _{11}+\sigma _{22} \over 2}\pm \left({1 \over 4}(\sigma _{11}-\sigma _{22})^{2}+{\sigma _{12}}^{2}\right)^{1 \over 2}\end{aligned}}} [19]
使用公式 19 代入公式 16 中,求解 θ {\displaystyle \theta } ,其中 0 < θ < π 4 {\displaystyle 0<\theta <{\pi \over 4}} .
為了找到最大剪下應力,我們將簡化的公式 15 對 σ 12 ′ {\displaystyle \sigma _{12}'} 求導,並將結果設為 0 {\displaystyle 0} .
0 = d d θ ( σ 22 − σ 11 2 sin 2 θ + σ 12 cos 2 θ ) = 2 σ 22 − σ 11 2 cos 2 θ − 2 σ 12 sin 2 θ = ( σ 22 − σ 11 ) cos 2 θ − 2 σ 12 sin 2 θ {\displaystyle {\begin{aligned}0&={\operatorname {d} \over \operatorname {d} \!\theta }\left({\sigma _{22}-\sigma _{11} \over 2}\sin 2\theta +\sigma _{12}\cos 2\theta \right)\\&=2{\sigma _{22}-\sigma _{11} \over 2}\cos 2\theta -2\sigma _{12}\sin 2\theta \\&=(\sigma _{22}-\sigma _{11})\cos 2\theta -2\sigma _{12}\sin 2\theta \end{aligned}}}
得到關於 2 θ {\displaystyle 2\theta } 的表示式
σ 22 − σ 11 2 σ 12 = sin 2 θ cos 2 θ = tan 2 θ {\displaystyle {\begin{aligned}\\{\sigma _{22}-\sigma _{11} \over 2\ \sigma _{12}}&={\sin 2\theta \over \cos 2\theta }=\tan 2\theta \end{aligned}}} [20]
注意到公式 20 和公式 16 是負倒數關係,這意味著 2 θ p {\displaystyle 2\theta _{p}} 和 2 θ M A X {\displaystyle 2\theta _{MAX}} 相差 π {\displaystyle \pi } /2。這表明
tan ϕ = a b tan ϕ + π 2 = − b a {\displaystyle {\begin{aligned}\tan \phi ={\frac {a}{b}}\\\tan \phi +{\frac {\pi }{2}}={\frac {-b}{a}}\end{aligned}}}
這意味著 2 θ p {\displaystyle 2\theta _{p}} 和 2 θ M A X {\displaystyle 2\theta _{MAX}} 之間相差 π {\displaystyle \pi } /4。將 **方程** **20** 代入 **方程** **15**,可以得到 σ 12 M A X {\displaystyle \sigma _{12MAX}} 的表示式。
σ 12 M A X = ± [ ( σ 11 − σ 22 2 ) 2 + σ 12 2 ] 1 2 {\displaystyle \sigma _{12MAX}=\pm \left[\left({\sigma _{11}-\sigma _{22} \over 2}\right)^{2}+{\sigma _{12}}^{2}\right]^{1 \over 2}} [21]
一個方便視覺化角度關係的方法是使用莫爾圓,我們將在下面推導。對 **方程** **13** 關於 σ 11 ′ {\displaystyle \sigma _{11}'} 和 **方程** **15** 關於 σ 12 ′ {\displaystyle \sigma _{12}'} 進行整理,
σ 11 ′ − σ 11 + σ 22 2 = σ 11 − σ 22 2 cos 2 θ + σ 12 sin 2 θ {\displaystyle {\begin{aligned}\sigma _{11}'-{\sigma _{11}+\sigma _{22} \over 2}&={\sigma _{11}-\sigma _{22} \over 2}\cos {2\theta }+\sigma _{12}\sin {2\theta }\end{aligned}}} [22]
σ 12 ′ = σ 22 − σ 11 2 sin 2 θ + σ 12 cos 2 θ {\displaystyle {\begin{aligned}\sigma _{12}'={\sigma _{22}-\sigma _{11} \over 2}\sin {2\theta }+\sigma _{12}\cos {2\theta }\end{aligned}}} [23]
對這兩個表示式進行平方,
( σ 11 ′ − σ 11 + σ 22 2 ) 2 = ( σ 11 − σ 22 2 cos 2 θ + σ 12 sin 2 θ ) 2 {\displaystyle {\begin{aligned}\left(\sigma _{11}'-{\sigma _{11}+\sigma _{22} \over 2}\right)^{2}&=\left({\sigma _{11}-\sigma _{22} \over 2}\cos {2\theta }+\sigma _{12}\sin {2\theta }\right)^{2}\end{aligned}}}
( σ 12 ′ ) 2 = ( σ 22 − σ 11 2 sin 2 θ + σ 12 cos 2 θ ) 2 {\displaystyle {\begin{aligned}\left(\sigma _{12}'\right)^{2}&=\left({\sigma _{22}-\sigma _{11} \over 2}\sin 2\theta +\sigma _{12}\cos 2\theta \right)^{2}\end{aligned}}}
接下來,將它們加在一起得到
( σ 11 ′ − σ 11 + σ 22 2 ) 2 + σ 12 ′ 2 = ( σ 11 − σ 22 2 ) 2 ( cos 2 2 θ + sin 2 2 θ ) + σ 12 2 ( cos 2 2 θ + sin 2 2 θ ) ( σ 11 ′ − σ 11 + σ 22 2 ) 2 + σ 12 ′ 2 = ( σ 11 − σ 22 2 ) 2 + σ 12 2 {\displaystyle {\begin{aligned}\left(\sigma _{11}'-{\sigma _{11}+\sigma _{22} \over 2}\right)^{2}+{\sigma _{12}'}^{2}&=\left({\sigma _{11}-\sigma _{22} \over 2}\right)^{2}(\cos ^{2}\!2\theta +\sin ^{2}\!2\theta )+{\sigma _{12}}^{2}(\cos ^{2}\!2\theta +\sin ^{2}\!2\theta )\\{\left(\sigma _{11}'-{\sigma _{11}+\sigma _{22} \over 2}\right)^{2}}+{\sigma _{12}'}^{2}&=\left({\sigma _{11}-\sigma _{22} \over 2}\right)^{2}+{\sigma _{12}}^{2}\end{aligned}}}
得到的表示式是圓的方程: ( x − h ) 2 + y 2 = r 2 {\displaystyle (x-h)^{2}+y^{2}=r^{2}}
圖 6 :平面應力條件下的莫爾圓。初始應力狀態為 σ {\displaystyle \sigma } ,系統繞 θ {\displaystyle \theta } 旋轉到 σ ′ {\displaystyle \sigma '} ,對應於圖中繞 2 θ {\displaystyle 2\theta } 旋轉。
( σ 11 ′ − σ 11 + σ 22 2 ) 2 ⏟ ( x − h ) 2 + σ 12 ′ 2 ⏟ y 2 = ( σ 11 − σ 22 2 ) 2 + σ 12 2 ⏟ r 2 {\displaystyle \underbrace {\left(\sigma _{11}'-{\sigma _{11}+\sigma _{22} \over 2}\right)^{2}} _{(x-h)^{2}}+\underbrace {{\sigma _{12}'}^{2}} _{y^{2}}=\underbrace {\left({\sigma _{11}-\sigma _{22} \over 2}\right)^{2}+{\sigma _{12}}^{2}} _{r^{2}}} [24]
從該表示式中,在圖 6 中繪製了莫爾圓。對於給定的應力狀態, σ {\displaystyle \sigma } ,圓心為 h = σ 11 − σ 22 2 {\displaystyle h={\frac {\sigma _{11}-\sigma _{22}}{2}}} ,半徑為 r = ( ( σ 11 − σ 11 2 ) 2 + σ 12 2 ) 1 2 {\displaystyle r=\left(\left({\frac {\sigma _{11}-\sigma _{11}}{2}}\right)^{2}+\sigma _{12}^{2}\right)^{\frac {1}{2}}} 。一條平分線與圓相交,使得其在 x 軸上的投影識別出 σ 11 {\displaystyle \sigma _{11}} 和 σ 22 {\displaystyle \sigma _{22}} 。其在 y 軸上的投影識別出 σ 12 {\displaystyle \sigma _{12}} 。旋轉平分線等效於將應力狀態變換 2 π {\displaystyle 2\pi } ,即,在圖上旋轉 ϕ {\displaystyle \phi } 等效於在我們的方程中旋轉 2 π {\displaystyle 2\pi } 。這使得可以從圖中讀取新的應力狀態。當平分線水平時,識別出主方向。在圖上將平分線旋轉 π {\displaystyle \pi } 等效於將系統旋轉 θ = π {\displaystyle \theta =\pi } /2,這可以想象為旋轉長方體面,直到系統恢復到初始狀態,即,它回到原始應力狀態。此外,在圖上將平分線旋轉 π {\displaystyle \pi } /2 等效於旋轉 θ = π {\displaystyle \theta =\pi } /4,眾所周知,這是具有最大剪下應力的方向。因此,從給定的初始應力狀態 σ {\displaystyle \sigma } ,所有可以透過旋轉實現的應力狀態都在圓上視覺化。
從二維泛化到三維,我們從一個雙軸平面應力系統過渡到一個三軸系統。確定主軸和角關係類似於二維情況,將在下面說明。注意,按照慣例,當三個主應力中的兩個相等時,我們稱該系統為“圓柱形”,如果所有三個主應力都相等,我們稱該系統為“靜水壓力”或“球形”。
與雙軸系統的情況類似,我們首先定義一個面積為 A {\displaystyle A} 的平面,該平面穿過我們的 x 1 {\displaystyle x_{1}} 、 x 2 {\displaystyle x_{2}} 和 x 3 {\displaystyle x_{3}} 座標系,如圖7 所示。該平面在 ( J {\displaystyle J} 、 K {\displaystyle K} 和 L {\displaystyle L} ) 與軸相交,如圖所示。為了簡化問題並使我們能夠朝著推導方向取得進展,我們將假設該平面是主平面之一,因此剪下應力分量為零。因此,我們只需要考慮垂直於該平面的主應力。
定義 ℓ {\displaystyle \ell } 、 m {\displaystyle m} 和 n {\displaystyle n} 為 x 1 {\displaystyle x_{1}} 、 x 2 {\displaystyle x_{2}} 和 x 3 {\displaystyle x_{3}} 與應力法線的夾角的餘弦。使用平行於 x 1 {\displaystyle x_{1}} 、 x 2 {\displaystyle x_{2}} 和 x 3 {\displaystyle x_{3}} 的單位向量 i ^ {\displaystyle {\hat {i}}} 、 j ^ {\displaystyle {\hat {j}}} 和 k ^ {\displaystyle {\hat {k}}} ,我們有
圖 7 : 穿過 x、y、z 座標系的 3D 座標平面 JKL ,其中 O {\displaystyle O} 是原點,並且在其上作用著正剪下應力。 ℓ = cos θ 1 = i ^ ⋅ σ | σ | m = cos θ 2 = j ^ ⋅ σ | σ | ; n = cos θ 3 = k ^ ⋅ σ | σ | {\displaystyle \ell =\cos \theta _{1}={{\hat {i}}\cdot {\boldsymbol {\sigma }} \over |{\boldsymbol {\sigma |}}}\quad m=\cos \theta _{2}={{\hat {j}}\cdot {\boldsymbol {\sigma }} \over |{\boldsymbol {\sigma |}}};\quad n=\cos \theta _{3}={{\hat {k}}\cdot {\boldsymbol {\sigma }} \over |{\boldsymbol {\sigma |}}}}}}
應力沿 x 1 {\displaystyle x_{1}} , x 2 {\displaystyle x_{2}} 和 x 3 {\displaystyle x_{3}} 方向的投影給出了總應力 S 1 {\displaystyle S_{1}} , S 2 {\displaystyle S_{2}} 和 S 3 {\displaystyle S_{3}}
S 1 = σ p ℓ ; S 2 = σ p m ; S 3 = σ p n {\displaystyle S_{1}=\sigma _{p}\ell ;\quad S_{2}=\sigma _{p}m;\quad S_{3}=\sigma _{p}n}
在雙軸推導中,面積被投影到三個方向,在 **圖 7** 中產生三角形,面積分別為 L O K = A ℓ {\displaystyle LOK=A\ell } , J O L = A m {\displaystyle JOL=Am} 和 J O K = A n {\displaystyle JOK=An} 。現在我們可以將兩個參考系中的力相等。
S 1 A = σ p ℓ A = F x = L O K σ 11 + J O L σ 21 + J O K σ 31 + = A ℓ σ 11 + A m σ 21 + A n σ 31 {\displaystyle {\begin{aligned}S_{1}A=\sigma _{p}\ell A=F_{x}&=LOK\sigma _{11}+JOL\sigma _{21}+JOK\sigma _{31}+\\&=A\ell \sigma _{11}+Am\sigma _{21}+An\sigma _{31}\end{aligned}}}
所以,
σ p ℓ = σ 11 ℓ + σ 21 m + σ 31 n {\displaystyle {\begin{aligned}\sigma _{p}\ell &=\sigma _{11}\ell +\sigma _{21}m+\sigma _{31}n\end{aligned}}} [25]
透過類似的過程, F x 2 {\displaystyle F_{x_{2}}} 和 F x 3 {\displaystyle F_{x_{3}}} 分量得到
σ p m = σ 12 ℓ + σ 22 m + σ 32 n {\displaystyle {\begin{aligned}\sigma _{p}m&=\sigma _{12}\ell +\sigma _{22}m+\sigma _{32}n\end{aligned}}} [26]
σ p n = σ 13 ℓ + σ 23 m + σ 33 n {\displaystyle {\begin{aligned}\sigma _{p}n&=\sigma _{13}\ell +\sigma _{23}m+\sigma _{33}n\end{aligned}}} [27]
這些方程可以重新整理為
0 = ( σ 11 − σ p ) ℓ + σ 12 m + σ 13 n {\displaystyle {\begin{aligned}0&=(\sigma _{11}-\sigma _{p})\ell +\sigma _{12}m+\sigma _{13}n\end{aligned}}} [28]
0 = σ 12 ℓ + ( σ 22 − σ p ) m + σ 23 n {\displaystyle {\begin{aligned}0&=\sigma _{12}\ell +(\sigma _{22}-\sigma _{p})m+\sigma _{23}n\end{aligned}}} [29]
0 = σ 13 ℓ + σ 23 m + ( σ 33 − σ p ) n {\displaystyle {\begin{aligned}0&=\sigma _{13}\ell +\sigma _{23}m+(\sigma _{33}-\sigma _{p})n\end{aligned}}} [30]
這一組方程可以解出 [ ℓ , m , n ] {\displaystyle \left[\ell ,m,n\right]} ,對於 σ p {\displaystyle \sigma _{p}} 的特定值。這一組世俗方程可以解出特徵值 σ p {\displaystyle \sigma _{p}} 和特徵向量 [ ℓ , m , n ] {\displaystyle \left[\ell ,m,n\right]} 。當 ℓ , m , {\displaystyle \ell ,m,} 和 n {\displaystyle n} 不為零時,非平凡解涉及將行列式
d e t | σ 11 − σ p σ 12 σ 13 σ 12 σ 22 − σ p σ 23 σ 13 σ 23 σ 33 − σ p | {\displaystyle det\ \left|{\begin{matrix}\sigma _{11}-\sigma _{p}&\sigma _{12}&\sigma _{13}\\\sigma _{12}&\sigma _{22}-\sigma _{p}&\sigma _{23}\\\sigma _{13}&\sigma _{23}&\sigma _{33}-\sigma _{p}\end{matrix}}\right|}
設為零並解出特徵值和隨後的特徵向量。
重新排列後,我們得到
0 = σ p 3 − ( σ 11 + σ 22 + σ 33 ) σ p 2 + ( σ 11 σ 22 + σ 22 σ 33 + + σ 33 σ 11 − σ 12 2 − σ 23 2 − σ 31 2 ) σ p − ( σ 11 σ 22 σ 33 + 2 σ 12 σ 23 σ 31 − σ 11 σ 23 2 − σ 22 σ 13 2 − σ 33 σ 12 2 ) {\displaystyle {\begin{aligned}0={\sigma _{p}}^{3}-&(\sigma _{11}+\sigma _{22}+\sigma _{33}){\sigma _{p}}^{2}\\&\quad +(\sigma _{11}\sigma _{22}+\sigma _{22}\sigma _{33}++\sigma _{33}\sigma _{11}-{\sigma _{12}}^{2}-{\sigma _{23}}^{2}-{\sigma _{31}}^{2})\sigma _{p}\\&\qquad \qquad -(\sigma _{11}\sigma _{22}\sigma _{33}+2\sigma _{12}\sigma _{23}\sigma _{31}-\sigma _{11}{\sigma _{23}}^{2}-\sigma _{22}{\sigma _{13}}^{2}-\sigma _{33}{\sigma _{12}}^{2})\end{aligned}}} [31]
該三次方程的三個根給出主應力, σ p 1 {\displaystyle \sigma _{p1}} , σ p 2 {\displaystyle \sigma _{p2}} ,和 σ p 3 {\displaystyle \sigma _{p3}} 。一旦確定主應力,便將它們代回正則方程 28-30 以確定對應於 [ ℓ , m , n ] {\displaystyle \left[\ell ,m,n\right]} 的特徵向量,同時還認識到 ℓ 2 + m 2 + n 2 = 1 {\displaystyle \ell ^{2}+m^{2}+n^{2}=1} 。
求解三次方程不是本文的重點,但方程 31 很重要,因為主應力前面的係數必須是不變的,也就是說,無論座標系的方位如何,都必須存在相同的主座標。從三次方程可以看出,三個不變數是
I 1 = ( σ 11 + σ 22 + σ 33 ) {\displaystyle {\begin{aligned}I_{1}=(\sigma _{11}+\sigma _{22}+\sigma _{33})\end{aligned}}} [32]
I 2 = ( σ 11 σ 22 + σ 22 σ 33 + σ 33 σ 11 − σ 12 2 − σ 23 2 − σ 31 2 ) {\displaystyle {\begin{aligned}I_{2}=(\sigma _{11}\sigma _{22}+\sigma _{22}\sigma _{33}+\sigma _{33}\sigma _{11}-{\sigma _{12}}^{2}-{\sigma _{23}}^{2}-{\sigma _{31}}^{2})\end{aligned}}} [33]
I 3 = ( σ 11 σ 22 σ 33 + 2 σ 12 σ 23 σ 31 − σ 11 σ 23 2 − σ 22 σ 13 2 − σ 33 σ 12 2 ) {\displaystyle {\begin{aligned}I_{3}=(\sigma _{11}\sigma _{22}\sigma _{33}+2\sigma _{12}\sigma _{23}\sigma _{31}-\sigma _{11}{\sigma _{23}}^{2}-\sigma _{22}{\sigma _{13}}^{2}-\sigma _{33}{\sigma _{12}}^{2})\end{aligned}}} [34]
這很有用,因為這些不變數關係決定了不同方向上應力之間的關係,即給定 σ {\displaystyle \sigma } ,你現在可以直接確定 σ 1 {\displaystyle \sigma _{1}} , σ 2 {\displaystyle \sigma _{2}} ,和 σ 3 {\displaystyle \sigma _{3}} 。
現在,我們將把我們的解決方案推廣到不僅包括主應力。就像我們之前做的那樣,我們可以寫出總的力
S x 1 A = F x 1 = σ 11 ℓ A + σ 12 m A + σ 31 n A {\displaystyle {\begin{aligned}S_{x_{1}}A=F_{x_{1}}=\sigma _{11}\ell A+\sigma _{12}mA+\sigma _{31}nA\end{aligned}}}
S x 1 = σ 11 ℓ + σ 12 m + σ 33 n {\displaystyle {\begin{aligned}\qquad S_{x_{1}}=\sigma _{11}\ell +\sigma _{12}m+\sigma _{33}n\end{aligned}}} [35]
S x 2 = σ 12 ℓ + σ 22 m + σ 23 n {\displaystyle {\begin{aligned}\qquad S_{x_{2}}=\sigma _{12}\ell +\sigma _{22}m+\sigma _{23}n\end{aligned}}} [36]
S x 3 = σ 13 ℓ + σ 23 m + σ 33 n {\displaystyle {\begin{aligned}\qquad S_{x_{3}}=\sigma _{13}\ell +\sigma _{23}m+\sigma _{33}n\end{aligned}}} [37]
這些公式給出了總應力
S 2 = S x 1 2 + S x 2 2 + S x 3 2 {\displaystyle S^{2}={S_{x_{1}}}^{2}+{S_{x_{2}}}^{2}+{S_{x_{3}}}^{2}} [38]
由此,法向分量的投影為
σ ′ = S x 1 ℓ + S x 2 m + S x 3 n {\displaystyle \sigma '=S_{x_{1}}\ell +S_{x_{2}}m+S_{x_{3}}n} [39]
將 **公式** **34-36** 代入 **公式** **38** 中,得到
σ ′ = ( σ 11 ℓ + σ 12 m + σ 31 n ) ℓ + ( σ 12 ℓ + σ 22 m + σ 31 n ) m + ( σ 13 ℓ + σ 31 m + σ 33 n ) n {\displaystyle {\begin{aligned}\sigma '&=(\sigma _{11}\ell +\sigma _{12}m+\sigma _{31}n)\ \ell +(\sigma _{12}\ell +\sigma _{22}m+\sigma _{31}n)\ m+(\sigma _{13}\ell +\sigma _{31}m+\sigma _{33}n)\ n\end{aligned}}}
簡化為
σ ′ = σ 11 ℓ 2 + σ 22 m 2 + σ 33 n 2 + 2 σ 12 ℓ m + 2 σ 23 m n + 2 σ 31 n ℓ {\displaystyle \sigma '=\sigma _{11}\ell ^{2}+\sigma _{22}m^{2}+\sigma _{33}n^{2}+2\sigma _{12}\ell m+2\sigma _{23}mn+2\sigma _{31}n\ell } [40]
剪下分量的幅值可以透過利用 S 2 = σ ′ 2 + τ 2 {\displaystyle S^{2}={\sigma '}^{2}+\tau ^{2}} 來確定,但我們無法輕鬆地將剪下應力分解為其組成部分。幸運的是,我們主要對最大剪下應力感興趣。我們知道包含最大剪下應力的平面位於主法嚮應力平面之間的中間位置。從將已知的應力狀態設定為主軸開始,使得 σ 11 = σ p 1 {\displaystyle \sigma _{11}=\sigma _{p_{1}}} , σ 22 = σ p 2 {\displaystyle \sigma _{22}=\sigma _{p_{2}}} ,以及 σ 33 = σ p 3 {\displaystyle \sigma _{33}=\sigma _{p_{3}}} ,我們的方向餘弦在主軸和包含最大剪下應力的平面的法線之間。這意味著用於投影的公式 39 被改寫為
σ ′ = σ p 1 ℓ 2 + σ p 2 m 2 + σ p 3 n 2 {\displaystyle \sigma '=\sigma _{p_{1}}\ell ^{2}+\sigma _{p_{2}}m^{2}+\sigma _{p_{3}}n^{2}} [41]
對該公式進行平方運算,我們得到
σ ′ 2 = σ p 1 2 ℓ 4 + σ p 2 2 m 4 + σ p 3 2 n 4 + 2 σ p 1 σ p 2 ℓ 2 m 2 + 2 σ p 1 σ p 3 ℓ 2 n 2 + 2 σ p 2 σ p 3 m 2 n 2 p {\displaystyle {\sigma '}^{2}={\sigma _{p_{1}}}^{2}\ell ^{4}+{\sigma _{p_{2}}}^{2}m^{4}+{\sigma _{p_{3}}}^{2}n^{4}+2\sigma _{p_{1}}\sigma _{p_{2}}\ell ^{2}m^{2}+2\sigma _{p_{1}}\sigma _{p_{3}}\ell ^{2}n^{2}+2\sigma _{p_{2}}\sigma {p_{3}}m^{2}n_{2}^{p}} [42]
然後我們可以使用主成分並將公式 34-36 代入公式 37 得到
S 2 = σ 11 2 ℓ 2 + σ 22 2 m 2 + σ 33 2 n 2 {\displaystyle S^{2}={\sigma _{11}}^{2}\ell ^{2}+{\sigma _{22}}^{2}m^{2}+{\sigma _{33}}^{2}n^{2}} [43]
經過大量的代數運算並將公式 41 & 42 代入公式 40 ,我們得到
τ M A X 2 = ( σ 11 − σ 22 ) 2 ℓ 2 m 2 + ( σ 11 − σ 33 ) 2 ℓ 2 n 2 + ( σ 22 − σ 33 ) 2 m 2 n 2 {\displaystyle \tau _{MAX}^{2}=(\sigma _{11}-\sigma _{22})^{2}\ell ^{2}m^{2}+(\sigma _{11}-\sigma _{33})^{2}\ell ^{2}n^{2}+(\sigma _{22}-\sigma _{33})^{2}m^{2}n^{2}} [44]
透過這個解決方案,我們現在有三個可能的平面。一個平面平分 σ 11 {\displaystyle \sigma _{11}} 和 σ 22 {\displaystyle \sigma _{22}} ,另一個平面平分 σ 11 {\displaystyle \sigma _{11}} 和 σ 33 {\displaystyle \sigma _{33}} ,最後一個平面平分 σ 22 {\displaystyle \sigma _{22}} 和 σ 33 {\displaystyle \sigma _{33}} 。(平分意味著 θ = π 4 {\textstyle \theta ={\pi \over 4}} ,以及 cos π 4 = 2 2 {\textstyle \cos {\pi \over 4}={{\sqrt {2}} \over 2}} )。以下是這三個平面的 ℓ , m , n {\displaystyle \ell ,m,n} 和 τ {\displaystyle \tau } 值
ℓ {\displaystyle {\boldsymbol {\ell }}}
m {\displaystyle {\boldsymbol {m}}}
n {\displaystyle {\boldsymbol {n}}}
τ {\displaystyle {\boldsymbol {\tau }}}
0 {\displaystyle 0}
2 2 {\displaystyle {\frac {\sqrt {2}}{2}}}
2 2 {\displaystyle {\frac {\sqrt {2}}{2}}}
1 2 ( σ 22 − σ 33 ) {\displaystyle {\frac {1}{2}}(\sigma _{22}-\sigma _{33})}
2 2 {\displaystyle {\frac {\sqrt {2}}{2}}}
0 {\displaystyle 0}
2 2 {\displaystyle {\frac {\sqrt {2}}{2}}}
1 2 ( σ 11 − σ 33 ) {\displaystyle {\frac {1}{2}}(\sigma _{11}-\sigma _{33})}
2 2 {\displaystyle {\frac {\sqrt {2}}{2}}}
2 2 {\displaystyle {\frac {\sqrt {2}}{2}}}
0 {\displaystyle 0}
1 2 ( σ 11 − σ 22 ) {\displaystyle {\frac {1}{2}}(\sigma _{11}-\sigma _{22})}
按照慣例, σ 11 > σ 22 > σ 33 {\displaystyle \sigma _{11}>\sigma _{22}>\sigma _{33}} ,因此我們的最大剪下應力為
τ M A X = σ 11 − σ 33 2 {\displaystyle \tau _{MAX}={\sigma _{11}-\sigma _{33} \over 2}}
圖 8 :一個 3D 莫爾圓包含三個圓,每個軸一個圓,並遵循 σ 11 > σ 22 > σ 33 {\displaystyle \sigma _{11}>\sigma _{22}>\sigma _{33}} 慣例。
請注意,我們知道存在兩個最大剪下應力平面,它們彼此旋轉了 π {\textstyle \pi } /2。因此,上面的方向餘弦實際上是 ± 2 2 {\textstyle \pm {{\sqrt {2}} \over 2}} 。
由於這些軸向旋轉是解耦的,我們可以使用莫爾圓來表示 3D 應力狀態,如圖 8 所示。