应力与坐标MECHANICS / FIELD NOTESVOL. 01 / 三维应力

ELASTOPLASTIC MECHANICS · AN INTERACTIVE STUDY

换一个坐标,看见同一份应力。

在三维空间中转动坐标轴,读懂应力分量的变化与不变。

悬停,或轻按文字 · 让思考从一次输入开始
01

给应力一个新视角

输入状态 · 设定旋转 · 观察变换

应力状态

拉应力为正,压应力为负;τij = τji。切换单位只更改数值的单位标记。


旋转轴

单位轴 n = (0, 0, 1)

°
−180°0°180°

遵循右手定则。超出滑块范围的角度可直接输入;绕原坐标轴旋转,不累积上一次变换。

A CHANGE OF BASIS

同一原点,两组基向量

围绕原坐标系 z 轴 · 右手定则

35°当前坐标旋转角
原坐标系新坐标系旋转轴 n
拖动 / 方向键观察 · 滚轮 / 双指缩放

虚线保留原方向,实线标记新方向;弧线箭头表示此次旋转方向。

02

分量改变,状态不变

随输入实时更新

原应力 σ

MPa

行、列顺序均为 x,y,z。非对角项为剪应力。

方向余弦 Q

无量纲

第 i 行表示新基向量 e′i 在原坐标系中的分量。

新应力 σ′

MPa

行、列顺序均为 x′,y′,z′。这是同一应力的新表达。

σ′ = Q σ QT

Qij = e′i · ej,Q = RT。旋转矩阵 R 的三列是新基向量在原坐标系中的分量。

应力迹 I₁

保持不变
变换前 · MPa
变换后 · MPa

主应力 σ₁ ≥ σ₂ ≥ σ₃

保持不变
变换前 · MPa
变换后 · MPa

03

关于这一次旋转

NOTES ON THE CONVENTION

坐标系转过一个角度,
应力仍在原处。

应力张量描述材料一点的受力状态。改变观察所用的坐标基,会改变正应力和剪应力的数值,但同一物理应力状态保持不变。主应力与应力迹因此保持一致。

这里采用右手坐标系。旋转轴由原坐标系中的向量 a 指定,并自动归一化为 n。右手拇指指向 n,四指弯曲方向即为正角度方向。三维图只表示坐标基的方向,轴长不表示应力大小。

展开旋转公式与数值约定

将 a 归一化为 n = (nx, ny, nz)。令 K v = n × v,使用 Rodrigues 公式 R = cos θ I + (1 − cos θ) nnT + sin θ K。新基向量 e′i = R ei;向量分量满足 v′ = RTv = Qv。

例如绕原 z 轴正向旋转 90°,新 x′ 轴沿原 +y,新 y′ 轴沿原 −x。此时 σ′x = σy、σ′y = σx、τ′xy = −τxy、τ′yz = −τzx、τ′zx = τyz。

主应力通过对称矩阵 Jacobi 迭代求得,并按从大到小排列。数值核验在按最大应力分量归一化后进行,容差为 10−10;显示数字经舍入,计算使用完整精度。零应力单独处理。若输入或计算超出浏览器数值表示范围,将提示错误并保留、淡化上一次有效结果。

角度允许多周及负值。终点方向用 θ 对 360° 取余计算;弧线最多绘制一圈,旁边保留完整角度。极大角度受浮点数精度限制。减弱动态效果模式下,文字与粒子静态显示,播放按钮直接展示目标角度。