二階反對稱張量的一點理解

本文粗略對反對稱張量進行簡要介紹,結合了個人的理解,難免有錯誤和不足之處,還望批評指正。

反對稱張量(skew tensor),在力學中一般代表旋轉。任何二階張量都可以分解為對稱張量和反對稱張量的組合:

二階反對稱張量的一點理解的圖1

反對稱張量之所以重要,是因為變形過程與旋轉緊密相關。若二階反對稱張量的一點理解的圖2,則認為A是反對稱張量,很明顯二階反對稱張量的一點理解的圖3可以表示成下面的形式

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于是

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進一步推導,上式滿足如下關系

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對于上式右端括號中的項二階反對稱張量的一點理解的圖7,r為自由指標,(k,l)為啞指標,如果我們按啞指標展開:

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自由指標r表示方程的個數

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由于二階反對稱張量的一點理解的圖10分量中的重復指標項等于0,順指標為1,逆指標為-1,因此上式可變為

111.png                                                                                                                                             .............. (*)

上式右端項已經作了如下變量代換

二階反對稱張量的一點理解的圖12

且wr(r=1,2,3)可以看作是如下矢量的分量

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可以看到,w1、w2、w3分別為矢量we1,e2,e3三個軸的分量。

一般地,我們習慣把A記為W,于是

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將上式代入二階反對稱張量的一點理解的圖15的表達式,可以得到

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上式兩端同時乘以二階反對稱張量的一點理解的圖17,可以得到

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二階反對稱張量的一點理解的圖19

如果我們把wr當作一個向量w的分量,稱為“軸向量”,很明顯,矢量w與旋轉張量W相關,實際上通過(*)式可知,wr恰好對應的是旋轉張量W分量Wij的軸向方向,二者符合“右手法則”,如下圖所示:

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figure 1.  Antisymmetric tensor components and the axial vector[1]

對于矢量而言,有“投影”的概念,如:對于一個矢量v,投影到ei軸的分量表示為

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同樣,對于二階張量亦有“投影”的概念,根據張量積的概念,張量的投影需要張量同兩個矢量軸點乘,因此可以將二階張量W的“二次投影”定義如下:

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而若是一個矢量與張量點乘(左乘或右乘),則是改變該矢量的方向和大小,稱為“一次投影”,例如:

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上式清晰描述了a矢量經W張量轉向后在各個基矢量方向的大小。其中,i為自由指標,j為啞指標,于是將上式寫成分量形式

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由于二階反對稱張量的一點理解的圖25,所以上式簡化為

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上式清晰表示了矢量a通過W轉向后所得矢量在三個軸方向上的大小。另一方面,考慮到W與w有直接關系,W·a是一種轉向、變大小的運算,叉乘運算也是一種轉向、變大小的運算,因此下面我們計算軸向量w×a,看是否同W·a有直接關系:

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對比可得

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當然,上式關系也可通過上面的關系二階反對稱張量的一點理解的圖30直接證得:

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二階反對稱張量的一點理解的圖32

figure 2. Orthonormal basis defined by the axial vector[1]

下面我們考慮軸矢量w同某個新坐標系二階反對稱張量的一點理解的圖33的某個軸方向重合(如figure 2所示),假設重合軸為二階反對稱張量的一點理解的圖34,即二階反對稱張量的一點理解的圖35,于是

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矢量a在新坐標系中的表述為

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所以

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因此

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W在新基的三個方向上的一次投影分量為

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W在新基的二次投影分量為

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W在新基上的分量可表示為

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W分量和軸矢量在新坐標系中的表征如下圖所示

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由上圖可知,此時新基二階反對稱張量的一點理解的圖44方向對應單元的純剪切方向。

參考文獻:

[1] Chaves E W V. Notes on continuum mechanics[M]. Springer Science & Business Media, 2013.

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