ラメの弾性定数とは

/連続体力学

ラメの弾性定数

ラメの弾性定数(Lamé constants)とは、等方等質な弾性体の変形を記述する際に用いられる2つのパラメータ、ラメの第1定数 $\lambda$ と ラメの第2定数 $\mu$ の総称です。

弾性体の歪みエネルギーは以下で表されますが、

$$U=\frac{1}{2}C_{ijkl}q_{ij}q_{kl}$$

歪みエネルギーはスカラーであるため、この各項もスカラーになります。2階の対称テンソル $q_{ij}$ から作られる2次のスカラー量は $q_{ll}^2$ と $q_{ij}q_{ij}$ のみであるため、以下のように書き替えることができます。ここで、$\lambda$ と $\mu$ はラメの弾性定数と呼ばれています。

$$U\equiv\frac{1}{2}\lambda q_{ll}^2+\mu q_{ij}q_{ij}  -①$$

    • \(q_{ij}\):歪みテンソル
    • \(\lambda\):第1ラメ定数
    • \(\mu\):第2ラメ定数(剛性率、せん断弾性率)
    • \(U\):単位体積当たりのひずみエネルギー

フックの法則はラメの弾性定数により以下で表されます(ラメの構成式)。

$$\sigma_{ij}\equiv\frac{\partial U}{\partial q_{ij}}=\lambda q_{ll}\delta_{ij}+2\mu q_{ij}  -②$$

ヤング率とポアソン比

ヤング率とポアソン比は以下のように定義されます。

  • ヤング率:$Y$
    一方向に応力を加えたとき、応力とその方向の歪み(伸縮)の関係を表します。一方向の応力を $\sigma_{11}$、その方向の歪みを $q_{11}$ とすると、

$\sigma_{11}=Yq_{11}  -③$
$\sigma_{22}=\sigma_{33}=0  -④$

  • ポアソン比:$\nu$
    一方向に応力を加えたとき、応力とその垂直方向の歪み(伸縮)の関係を表します。応力方向の歪みを $q_{11}$、その垂直方向の歪みを $q_{22}$(または $q_{33}$)とすると、

$q_{22}=q_{33}=-\nu q_{11}  -⑤$

ラメの弾性定数は、ヤング率 $Y$ とポアソン比 $\nu$ により以下のように表すことができます。

$$\lambda=\frac{Y\nu}{(1+\nu)(1-2\nu)}  -⑥$$$$\mu=\frac{Y}{2(1+\nu)}  -⑦$$

また、ヤング率とポアソン比は、ラメの弾性定数により以下のように表すことができます。

$$Y=\frac{\mu(3\lambda+2\mu)}{\lambda+\mu}  -⑧$$$$\nu=\frac{\lambda}{2(\lambda+\mu)}  -⑨$$

通常の安定な弾性体の条件は以下になります。

$$Y>0,\qquad -1<\nu<\frac12$$

⑥⑦の導出

②の $i=j=1$ について、⑤を代入し、③を使うと、

$$\sigma_{11}=\lambda(q_{11}+q_{22}+q_{33})+2\mu q_{11}=\big(\lambda(1-2\nu)+2\mu\big)q_{11}$$$$Y=\lambda(1-2\nu)+2\mu  -(1)$$

②の $i=j=2$ について、⑤を代入し、④を使うと、

$$\sigma_{22}=\lambda(q_{11}+q_{22}+q_{33})+2\mu q_{22}=\big(\lambda(1-2\nu)-2\mu\nu\big)q_{11}$$$$2\mu\nu=\lambda(1-2\nu)  -(2)$$

(1) と (2) から $\mu$ を消去すると⑥が得られます。

$$\lambda=\frac{Y\nu}{(1+\nu)(1-2\nu)}  \to⑥$$

一方、(1) と (2) から $\lambda$ を消去すると⑦が得られます。

$$\mu=\frac{Y}{2(1+\nu)}  \to⑦$$

剛性率

剛性率とは、せん断応力に対するせん断歪み(ずれ変形)の弾性率(変形のしにくさ)を表します。剛性率 $\mu$ は、②で $i\ne j$ と置くと、以下のように表されます。

$$\sigma_{ij}=2\mu q_{ij}   (i\ne j)  -⑩$$

また、ひずみテンソルのせん断成分 \(q_{ij}\) と、工学せん断ひずみ \(\gamma_{ij}\) の間には以下の関係があります。

$$\gamma_{ij}=2q_{ij}   (i\ne j)  -⑪$$

体積弾性率

体積弾性率 $K$ とは、静水圧 $p$ の関係式である

$$\sigma_{ij}=-p\delta_{ij}  -⑫$$

と体積歪み $q_{ll}$ の関係を表します。尚、最後の式は②と③を使っています。

$$p=-Kq_{ll}$$$$K=\lambda+\frac{2}{3}\mu  -⑬$$

体積弾性率は、ヤング率とポアソン比で表すと以下になります。

$$K=\frac{Y}{3(1-2\nu)}  -⑭$$

①の弾性体の歪みエネルギーは、体積弾性率により以下で表されます。最後の式は $\delta_{ij}^2=3$ を使っています。

$$U=\frac{1}{2}Kq_{ll}^2+\mu\Big(q_{ij}q_{ij}-\frac{1}{3}q_{ll}^2\Big)$$$$=\frac{1}{2}Kq_{ll}^2+\mu\Big(q_{ij}-\frac{1}{3}q_{ll}\delta_{ij}\Big)^2$$

この第1項は体積歪み、第2項は等積歪みを表します。それぞれの場合で歪みエネルギーが正 $U\ge0$ になるためには、係数の $K$ と $\mu$ が正である必要があります。

$$K\ge0  ,  \mu\ge0$$

⑬を導く

②で $i=j$ と置くと、$\delta_{ll}=3$ より、$\sigma_{ll}=(3\lambda+2\mu)q_{ll}$ となるため、これを②に代入して $q_{ll}$ を消去すると、以下のように書き替えられます。

$$q_{ij}=\frac{1}{2\mu}\sigma_{ij}-\frac{\lambda}{2\mu(3\lambda+2\mu)}\sigma_{ll}\delta_{ij}$$

これに⑫を代入すると、

$$q_{ij}=-\frac{p}{3\lambda+2\mu}\delta_{ij}$$

ここで $i=j$ と置くと、$\delta_{ll}=3$ より、⑬が得られます。

$$q_{ll}=-\frac{3p}{3\lambda+2\mu}$$

 

物理学
力学、電磁気学、光学、弾性体力学、流体力学、相対論、熱・統計力学、量子力学、物性論、プラズマ物理、電子工学、量子コンピュータ、場の量子論、弦理論
散策路TOP
物理学、数学、力学、電磁気学、連続体力学、相対論、熱・統計力学、量子力学、解析学、代数学、幾何学、統計学、論理学、物性論、プラズマ物理、電子工学、情報・暗号、機械学習、金融・ゲーム理論、IT、FP、宗教・思想

 

タイトルとURLをコピーしました