Deformationsinvarianten

Die Deformationsinvarianten $ I_{1},I_{2},I_{3} $ bezeichnen in der Kontinuumsmechanik die drei Hauptinvarianten des rechten oder linken Cauchy-Green Deformationstensors. Sie stellen die Koeffizienten des charakteristischen Polynoms bei Hauptachsentransformation des Strecktensors dar. Gleichzeitig lassen sie sich nach dem Satz von Vieta auch durch die Hauptstreckungen $ \lambda _{1},\lambda _{2},\lambda _{3} $ ausdrücken:

$ {\begin{array}{lclcl}I_{1}&=&\mathrm {Spur} ({\mathbf {b}})&=&\lambda _{1}^{2}+\lambda _{2}^{2}+\lambda _{3}^{2}\\I_{2}&=&\mathrm {Spur} ({\mathbf {b}}^{-1})\,\det({\mathbf {b}})&=&\lambda _{1}^{2}\,\lambda _{2}^{2}+\lambda _{1}^{2}\,\lambda _{3}^{2}+\lambda _{2}^{2}\,\lambda _{3}^{2}\\I_{3}&=&\det({\mathbf {b}})&=&\lambda _{1}^{2}\,\lambda _{2}^{2}\,\lambda _{3}^{2}\end{array}} $

mit

• $ {\mathbf {b}} $ der Deformationstensor
• $ \mathrm {Spur} ({\mathbf {b}}) $ der Spur des Deformationstensors,
• $ \det({\mathbf {b}}) $ der Determinante des Deformationstensors,
• $ {\mathbf {b}}^{-1} $ der Inversen des Deformationstensors und
• $ \lambda _{1,2,3}^{2}=\eta _{1,2,3} $ der Eigenwerte des Deformationstensors.

Obige Zusammenhänge gelten für den linken Cauchy-Green Tensor $ {\mathbf {b}}:={\mathbf {F\cdot F^{\top }}} $ und den rechten Cauchy-Green Tensor $ {\mathbf {C}}:={\mathbf {F^{\top }\cdot F}} $, denn beide Tensoren haben wegen

$ \mathbf {b} \cdot {\vec {v}}=\eta {\vec {v}}\quad \Leftrightarrow \quad \mathbf {F^{\top }\cdot b} \cdot {\vec {v}}={\mathbf {F^{\top }\cdot F\cdot F^{\top }}}\cdot {\vec {v}}={\mathbf {C\cdot (F^{\top }}}\cdot {\vec {v}})=\eta (\mathbf {F^{\top }} \cdot {\vec {v}}) $

Veranschaulichung der Polarzerlegung

dieselben Eigenwerte und damit auch dieselben Invarianten, was sie einander mathematisch ähnlich macht. Der Tensor F ist der Deformationsgradient. Gleiches gilt für die symmetrischen, positiv definiten, rechten und linken Deformationstensoren U bzw. v, die sich gemäß

$ \mathbf {F} =\mathbf {R\cdot U} =\mathbf {v\cdot R} . $

aus der Polarzerlegung des Deformationsgradienten ergeben, siehe Bild. Darin ist R ein eigentlich orthogonaler Tensor mit den Eigenschaften R^T · R = 1 und det(R) = +1 (1 ist der Einheitstensor.) Der rechte und linke Deformationstensor haben wegen

$ \mathbf {v} \cdot {\vec {v}}=\lambda {\vec {v}}\quad \Leftrightarrow \quad {\mathbf {b}}\cdot {\vec {v}}={\mathbf {F\cdot F^{\top }}}\cdot {\vec {v}}=\mathbf {v\cdot R\cdot R^{\top }\cdot v^{\top }} \cdot {\vec {v}}=\lambda \mathbf {v} \cdot {\vec {v}}=\lambda ^{2}{\vec {v}} $

die Hauptstreckungen λ_1,2,3 als Eigenwerte, denn sie sind ebenfalls einander ähnlich:

$ \mathbf {R^{\top }\cdot v} \cdot {\vec {v}}=\mathbf {R^{\top }\cdot v\cdot R\cdot R^{\top }} \cdot {\vec {v}}=\mathbf {R^{\top }\cdot R\cdot U\cdot R^{\top }} \cdot {\vec {v}}=\mathbf {U\cdot (R^{\top }} \cdot {\vec {v}})=\lambda (\mathbf {R^{\top }} \cdot {\vec {v}}). $

Weil der Deformationsgradient immer und überall invertierbar ist, sind dies die Strecktensoren auch.

Die dritte Invariante stellt gleichzeitig das Quadrat des Volumenverhältnisses $ J:=\operatorname {det} (\mathbf {F} ) $ dar:

$ I_{3}(\mathbf {b} )=I_{3}(\mathbf {C} )=J^{2}=I_{3}^{2}(\mathbf {v} )=I_{3}^{2}(\mathbf {U} ). $

Bei Inkompressibilität im Werkstoffverhalten ($ J=1 $) bleibt also die dritte Invariante der Strecktensoren gleich der Identität.

Literatur

• H. Altenbach: Kontinuumsmechanik. Springer, 2012, ISBN 978-3-642-24118-5.