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기계공학 기타과목(4대역학 외)/탄성학

[탄성학] 3차원 응력변환

by bigpicture 2024. 3. 20.
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(x,y,z) 좌표계에서의 응력요소를 (x',y',z')좌표계에서의 응력요소로 바꾸는 방법에 대해 알아봅시다. 유도과정은 생략하고 결과만 알아볼 것입니다. 두 좌표계 간의 방향코사인은 아래와 같습니다. 

 

  x y z
x' $l_{1}$ $m_{1}$ $n_{1}$
y' $l_{2}$ $m_{2}$ $n_{2}$
z' $l_{3}$ $m_{3}$ $n_{3}$

 

변환 공식은 아래와 같습니다. 

 

$\sigma_{x'}=\sigma_{x}l^2_{1} +\sigma_{y}m^2_{1}  +\sigma_{z}n^2_{1}  +2( \tau_{xy} l_{1}m_{1}  + \tau_{yz} m_{1}n_{1}  +  \tau_{xz} l_{1}n_{1})$

 

$\sigma_{y'}=\sigma_{x}l^2_{2} +\sigma_{y}m^2_{2}  +\sigma_{z}n^2_{2}  +2( \tau_{xy} l_{2}m_{2}  + \tau_{yz} m_{2}n_{2}  +  \tau_{xz} l_{2}n_{2})$

 

$\sigma_{z'}=\sigma_{x}l^2_{3} +\sigma_{y}m^2_{3}  +\sigma_{z}n^2_{3}  +2( \tau_{xy} l_{3}m_{3}  + \tau_{yz} m_{3}n_{3}  +  \tau_{xz} l_{3}n_{3})$

 

$\tau_{x'y'}=\sigma_{x} l_{1}l_{2} + \sigma_{y} m_{1}m_{2}  + \sigma_{z} n_{1}n_{2}  + \tau_{xy}(l_{1}m_{2}+m_{1}l_{2})  + \tau_{yz}(m_{1}n_{2}+n_{1}m_{2})  + \tau_{xz}(n_{1}l_{2}+l_{1}n_{2})$

 

$\tau_{y'z'}=\sigma_{x} l_{2}l_{3} + \sigma_{y} m_{2}m_{3}  + \sigma_{z} n_{2}n_{3}  + \tau_{xy}(l_{2}m_{3}+m_{2}l_{3})  + \tau_{yz}(m_{2}n_{3}+n_{2}m_{3})  + \tau_{xz}(n_{2}l_{3}+l_{2}n_{3})$

 

$\tau_{x'z'}=\sigma_{x} l_{1}l_{3} + \sigma_{y} m_{1}m_{3}  + \sigma_{z} n_{1}n_{3}  + \tau_{xy}(l_{1}m_{3}+m_{1}l_{3})  + \tau_{yz}(m_{1}n_{3}+n_{1}m_{3})  + \tau_{xz}(n_{1}l_{3}+l_{1}n_{3})$

 

행렬 형태로 나타내면 아래와 같습니다. 

 

$\begin{bmatrix}
\sigma_{x'} \\ 
\sigma_{y'} \\ 
\sigma_{z'} \\ 
\tau_{x'y'} \\ 
\tau_{y'z'} \\ 
\tau_{x'z'} \\ 

\end{bmatrix}
=\begin{bmatrix}
l^2_{1} & m^2_{1}  &n^2_{1}  & 2l_{1}m_{1}  & 2m_{1}n_{1}  & 2l_{1}n_{1} \\ 
l^2_{2} & m^2_{2}  &n^2_{2}  & 2l_{2}m_{2}  & 2m_{2}n_{2}  & 2l_{2}n_{2} \\ 
l^2_{3} & m^2_{3}  &n^2_{3}  & 2l_{3}m_{3}  & 2m_{3}n_{3}  & 2l_{3}n_{3} \\
l_{1}l_{2} & m_{1}m_{2}  & n_{1}n_{2}  & l_{1}m_{2}+m_{1}l_{2}  & m_{1}n_{2}+n_{1}m_{2}  & n_{1}l_{2}+l_{1}n_{2} \\
l_{2}l_{3} & m_{2}m_{3}  & n_{2}n_{3}  & l_{2}m_{3}+m_{2}l_{3}  & m_{2}n_{3}+n_{2}m_{3}  & n_{2}l_{3}+l_{2}n_{3} \\
l_{1}l_{3} & m_{1}m_{3}  & n_{1}n_{3}  & l_{1}m_{3}+m_{1}l_{3}  & m_{1}n_{3}+n_{1}m_{3}  & n_{1}l_{3}+l_{1}n_{3} \\
\end{bmatrix}

\begin{bmatrix}
\sigma_{x} \\ 
\sigma_{y} \\ 
\sigma_{z} \\ 
\tau_{xy} \\ 
\tau_{yz} \\ 
\tau_{xz} \\ 

\end{bmatrix}$

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