On the impossibility of linear Cauchy and Piola-Kirchhoff constitutive theories for stress in solids

We investigate the possibility of linear elasticity as an infinitesimal theory based on a genuinely linear response function which retains its validity even for finite deformations. Careful consideration of the domain of definition of the stress response function, the definition of linearity and the notion of material frame-indifference leads to our main result that an exact linear constitutive theory for elastic solids is impossible. We then generalize our result to viscoelasticity theory where the stress response is dependent on deformation gradient histories.

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Zusammenfassung Verf. betrachten die Möglichkeit linearer Elastizität als infinitesimale Theorie begründet auf einer echt linearen Reaktionsfunktion die ihre Gültigkeit sogar für endliche Deformationen behält. Genaue Betrachtung des Definitionsbereiches der Spannungsreaktionsfunktion, der Definition von Linearität, und des Objektivitätsbegriffes führen zum Hauptresultat dass eine echt lineare Theorie für elastische Körper unmöglich ist. Das Resultat wird dann auf viskoelastische Theorie verallgemeinert, wobei die Spannungsreaktion von der Vorgeschichte des Deformationsgradienten abhängt.

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Department of Aerospace Engineering and Mechanics

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Department of Mathematics     

Eine numerische Methode zur Lösung der Navier-Stokesschen Gleichungen für die zweidimensionale,inkompressible, stationäre Strömung längs einer dünnen Platte

Übersicht Es wird eine Differenzenmethode zur numerischen Integration der Navier-Stokesschen Gleichungen für die zweidimensionale, inkompressible, stationäre Strömung längs einer dünnen Platte beschrieben. Zur Verringerung des Rechenaufwandes wird angenommen, daß die Platte Symmetrieebene der Strömung ist. Die Ergebnisse einiger Testrechnungen für die Strömung längs einer endlich langen sowie einer unendlich langen Platte werden mit den Näherungslösungen von Blasius für die Plattengrenzschicht und von Goldstein für die Nachlaufströmung verglichen. Dabei zeigt sich deutlich die Stromaufwärtswirkung der Plattenvorderkante auf die ankommende Strömung und der Plattenhinterkante auf die Grenzschicht kurz vor dem Plattenende.

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Summary A difference method will be described for the numerical integration of the Navier-Stokes equations for the two-dimensional, incompressible, steady flow along a flat thin plate. To reduce the computation time the plate is assumed to be the symmetry plane of the flow. The results of some computation tests for the flow along a plate of finite and infinite length, are compared with the approximate solutions of Blasius for the boundary-layer flow and of Goldstein for the wake behind the plate. The upstream effect of the leading edge on the incoming flow and of the trailing edge on the boundary layer shortly before the end of the plate becomes visible.

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Auszug aus dem Bericht UW 62/70-ö der Messerschmitt-Bölkow-Blohm GmbH, Ottobrunn. Die Arbeit ist Teil des Forschungsauftrages T 01-830-I-205 des Bundesministeriums der Verteidigung.     

Zur zyklischen elasto-plastischen Torsion des Kreiszylinders bei endlichen Verzerrungen

Übersicht Es werden die Grundgleichungen für die elasto-plastische Torsion kreiszylindrischer Körper bei endlichen Verzerrungen aufgestellt und für die zyklische Torsion eines Vollzylinders konstanter Länge näherungsweise gelöst. Für die Spannungsverteilung über den Querschnitt in Abhängigkeit von der Zyklenzahl werden geschlossene Formeln angegeben. Als Stoffgesetz für die plastischen Deformationen wird die Theorie des plastischen Potentials mit der Fließbedingung nach Huber-Mises-Hencky bei isotroper, linearer Werkstoffverfestigung zu Grunde gelegt. Bei der Berücksichtigung des elastischen Anteils der Deformationsgeschwindigkeiten ergibt sich ein Poynting-Effekt, der sich durch Druckspannungen in Achsrichtung äußert.

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Summary The basic equations for the elastic-plastic torsion of cylindrical bodies in the case of finite deformations are stated and are approximately solved for the cyclic torsion of a cylinder of constant length. Formulae are given for the stress distribution of the section depending on the number of cycles. Taking into account the elastic part of the rate of deformation a Poynting effect is obtained which causes axial pressure.

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Die vorliegende Arbeit entstand während eines Studienaufenthaltes des erstgenannten Verfassers am Institut für Mechanik der Ruhr-Universität Bochum. Herrn Professor Dr.-Ing. Th. Lehmann sowie dem Deutschen Akademischen Austauschdienst sei für die Ermöglichung dieses Aufenthaltes herzlich gedankt.     

Finite plane strain problems for compressible elastic solids: General solution and volume changes

Summary We are concerned with the analytic solution of finite plane-strain boundary-value problems for compressible isotropic elastic solids. A new formulation of the governing equations is presented which leads to an explicit representation for their general solution in respect of a particular class of strain-energy functions. In order to study the effects of the non-linearity of the constitutive law in more detail a specific boundaryvalue problem is solved in closed form. The nature of the volume changes predicted by the theory is then examined.

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Zusammenfassung Behandelt werden analytische Lösungen für Randwertprobleme endlicher ebener Verzerrungszustände in kompressiblen isotropen elastischen Festkörpern. Es wird eine neue Formulierung der Grundgleichungen gegeben, die zu einer expliziten Darstellung ihrer allgemeinen Lösung in bezug auf eine besondere Klasse von elastischen Potentialen führt. Um die Effekte der Nichtlinearität der Materialgleichung genauer zu studieren, wird ein geeignetes Randwertproblem in geschlossener Form gelöst. Sodann werden die von der Theorie vorausgesagten Volumenänderungen untersucht.

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Presented under the titleVolume changes associated with finite elastic deformations.     

On the solution of the stability problem of elastic rods subjected to triangularly distributed,tangential follower forces

Summary In order to complete the existing theory of beams subjected to follower forces, an exact solution for the case of triangularly distributed loads is presented. The results obtained may be compared with those reported in the literature and which were based on approximate calculations by means of the Method of Galerkin and the Finite Difference Method. The conclusion is that there is good agreement between all these results, thus confirming the dependability of the approximate methods.

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Übersicht Zur Abrundung der bereits bekannten Ergebnisse-zur Theorie von Balken mit Folgelasten wird eine exakte Lösung für den Fall einer dreieckförmig verteilten Last angegeben. Die Ergebnisse können mit den in der Literatur angegebenen verglichen werden, die auf der Grundlage von Näherungen nach der Methode von Galerkin oder mit Hilfe von finiten Elementen erhalten wurden. Die gute Übereinstimmung bestätigt die Zuverlässigkeit der Näherungslösungen.

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The financial support of this research by NRC Grant A7297 is gratefully acknowledged.     

Charakterisierung makromolekularer Substanzen mit Hilfe der Strömungsdoppelbrechung

Zusammenfassung Die Theorie der Strömungsdoppelbrechung von Lösungen und Schmelzen makromolekularer Substanzen wird einer Betrachtung unterzogen. Hierbei wird der Zusammenhang mit den elasto-viskosen Eigenschaften unterstrichen. Die Natur des sogenannten spannungsoptischen Koeffizienten wird untersucht. Seine physikalische Bedeutung wird auch für Systeme, die nur geringfügig verknäuelte Makromoleküle enthalten, erläutert. Hierfür wird die Persistenzstatistik zu Hilfe genommen.Für verdünnte Lösungen von genügend verknäuelten Makromolekülen (mit Gaußscher Endpunktsverteilung) wird die Möglichkeit einer in Bezug auf die Variablen: Temperatur, Viskosität des Lösungsmittels, Molekulargewicht und Konzentration invarianten Darstellung der Meßergebnisse demonstriert. Die störende Rolle einer eventuellen kinetischen Steifheit der Ketten wird erörtert.Als anschauliche Größe tritt die Knäuelaufweitung hervor, die als Folge des Strömungszustandes auftritt. Ihr Zusammenhang mit den Normalspannungen wird gezeigt. Der starke Einfluß des Unsymmetrie einer breiten Molekulargewichtsverteilung auf die scheinbare Knäuelaufweitung, wie sie an polydispersen Lösungen gefunden wird, führt zur Verwendung dieser Größe für Polydispersitätsuntersuchungen.Nebst Ergebnissen an Lösungen von Polystyrol und von Poly--Benzyl-L-Glutamat, wie sie aus der Literatur bekannt sind, werden eigene Ergebnisse an anionischen Polystyrolen und an Cellulose-Tricarbanilat zur Veranschaulichung herangezogen.

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Summary The theory of the flow birefringence as obtained in solutions and melts of polymeric substances, is considered. The relation between flow birefringence and elastico-viscous properties and, in particular, the nature of the stress-optical coefficient are discussed. In this connection, also systems containing only slightly coiled macromolecules are considered. For the purpose, use is made of the statistics of persistent chains.For dilute solutions of intensively coiled molecules (Gaussian molecules), the presentation of data in reduced form is demonstrated. The said reduction holds with respect to temperature, solvent viscosity, molecular weight and concentration. The disturbing role of the kinetic stiffness of the chains is discussed.Attention is paid to the coil expansion as an illustrative quantity. Its relation to the normal stresses is emphasized. The apparent coil expansion which is obtained with polydisperse systems, appears to be very sensitive to the skewness of broad molecular weight distributions. As a consequence, this quantity is very useful for polydispersity investigations.Besides literature data which were obtained on solutions of polystyrene and of poly--benzyl-L-glutamate, own results on anionic polystyrenes and on cellulose-tricarbanilate are used for illustration.

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Erweiterte Fassung eines Vortrages, der aus Anlaß der Arbeitstagung der Sektion Rheologie des Vereins Österreichischer Chemiker am 28. September 1965 in Graz gehalten wurde.     

Zur Stabilität der dünnen Kegelschale

Zusammenfassung Die obigen Ausführungen über die Stabilität der dünnwandigen Kreiskegelschale stellen eine Ergänzung und Erweiterung einer früheren Arbeit des Verfassers dar, in der die Ausbeulgrenze für gleichförmig verteilte Auflast und für konstanten Außendruck ermittelt worden ist. Nach einer kurzen Zusammenstellung der früheren Ergebnisse wird die Stabilität der auf Torsion beanspruchten Kegelschale betrachtet. Zur Aufstellung der Beulbedingung wird das Energiekriterium verwendet. Da eine exakte Lösung des sich ergebenden Variationsproblems nicht durchführbar ist, wird zur angenäherten Lösung das Ritzsche Verfahren benutzt. Der dabei gewählte Ansatz wird beim übergang zum Zylinder mit der exakten Lösung identisch. Damit ist in der Regel eine gute Genauigkeit der Lösung gewährleistet, da praktisch auf Torsion beanspruchte Kegelschalen fast stets in einer Form vorkommen, die sich nur wenig von der einer Zylinderschale unterscheidet. Die sich ergebende Beulbedingung kann durch Vernachlässigung unwesentlicher Glieder erheblich vereinfacht werden, so daß ihre zahlenmäßige Auswertung leicht möglich ist und ein übersichtliches Kurvennetz ergibt. Dieses Kurvennetz kann schließlich mit hinreichender Genauigkeit durch eine recht einfache Näherungsformel wiedergegeben werden.     

Zur Bestimmung der Verwölbungen und Profilverformungen von elastischen Stäben mit beliebigen und dünnwandigen Querschnitten

Übersicht Eine bereits vorgestellte Theorie, die eine schrittweise Bestimmung der Verwölbungen und Profilverformungen von Stäben mit beliebiger Querschnittsform ermöglicht, wird zusammengefaßt und hinsichtlich des Problems gekoppelter Biegung und Torsion erweitert. Dabei wird auf einer allgemeinen Approximationsstufe die Lage des Schub und Drillruhepunkts für das zugehörige Verwölbungsproblem angegeben und die Einführung von Hilfskräften zur Erzeugung von Gleichgewichtszuständen für das zugehörige Profilverformungsproblem erörtert. Die Theorie wird anschließend auf Stäbe mit dünnwandigen Querschnitten spezialisiert, Beispiele aus der Ingenieurpraxis sollen die Anwendbarkeit des Verfahrens zeigen.

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On the determination of cross-sectional warpings and distortions of bars with arbitrary and thin-walled cross-sections

Summary An already presented theory which allows for a stepwise determination of cross-sectional warpings and distortions of bars with arbitrary cross-sections is summarized and extended with respect to the problem of coupled bending and torsion. On a general approximation level the locations of the shear centers due to bending and torsion are given for the corresponding warping problem and the introduction of auxiliary forces in order to get equilibrated states of stress is discussed for the corresponding distortional problem. The theory is then specialized to bars with thin-walled cross-sections. Examples from the engineering practice shall demonstrate the applicability of the method.

     

Die Knickung verwundener Stäbe als technisches Beispiel zur Schaeferschen Theorie zweiparametriger Eigenwertprobleme

Übersicht In der vorliegenden Arbeit wird die Schaefersche Theorie zweiparametriger Eigenwertaufgaben auf die Knickung verwundener Stäbe angewendet. Es wird gezeigt, daß die Schaefersche Theorie die schnelle Abschätzung der kritischen Lasten für die verwundenen Knickstäbe ermöglicht und daß der dabei begangene Fehler für alle technischen Zwecke zu vernachlässigen ist.

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Summary This paper deals with an application of Schaefer's theory of two-parametric eigenvalue problems to the stability of twisted columns. It is shown that Schaefer's theory allows a quick estimate of the critical loads of the twisted columns and that the error involved in such an estimate may be neglected for all technical purposes.

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Herrn Prof. Dr.-Ing. Hermann Schaefer zum 60. Geburtstag gewidmet. Die Verfasser danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft für die Unterstützung dieser Arbeit.     

Krafteinleitung in versteifte orthotrope Scheiben

Übersicht In dieser Arbeit wird zunächst der Verschiebungs- und Spannungszustand einer Scheibe mit speziellem Orthotropiegesetz ermittelt. Danach erfolgt die Aufstellung der Differentialgleichungen für eine an den Rändern durch Gurte versteifte orthotrope Scheibe. Die Lösungen der Differentialgleichungen werden in der Form von numerisch gewonnenen Übertragungsmatrizen angegeben.

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Summary The stresses and displacements in a panel with special orthotropy are determined. Differential equations are established for an orthotropic panel which is stiffened by flanges on two edges. The solution of the differential equations are given as transfer matrices which are numerically derived.

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Die Arbeit entstand auf Anregung von Herrn Prof. Dr.-Ing. G. Czerwenka.     

Die Berechnung stationärer ebener Grenzschichtströmungen nicht-Newtonscher Flüssigkeiten,für die das Ostwald-de Waelesche Reibungsgesetz gilt

Übersicht Für nicht-Newtonsche Flüssigkeiten, für die das Ostwald-de Waelesche Potenzreibungsgesetz gilt, werden die ebenen Grenzschichtdifferentialgleichungen aufgestellt und es wird ihre Gültigkeit diskutiert. Als exakte Lösungen der Differentialgleichungen für die Strömungs- und Temperaturgrenzschicht werden die ähnlichen Lösungen für die Keilströmungen behandelt. Mit den Ergebnissen der ähnlichen Lösungen werden Näherungsverfahren zum Berechnen der Strömungs- und Temperaturgrenzschichten aufgestellt.

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Summary A study of the laminar boundary layer equations of fluids governed by the Ostwald-de Waele. power law is presented. Using the similar solutions for flows past wedges, methods for the approximate solution of the laminar velocity and thermal boundary layer equations are presented for the case of laminar flow past arbitrary external surfaces.

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Die vorhegende Arbeit entstand während der Assistenztätigkeit des Verfassers am Institut für Maschinenelemente und Fördertechnik der Technischen Hochschule Braunschweig (Direktor Prof. Dr.-Ing. O. Lutz) auf Anregung von Herrn Prof. Dr.-Ing. K. Gersten. Verfasser dankt den Herren Professoren Schlichting, Lutz und Gersten, die ihm die Durchführung dieser Arbeit ermöglichten.     

Untersuchungen zur Dynamik von Magnetschwebefahrzeugen auf elastischen Fahrwegen

Übersicht Es werden Methoden entwickelt, mit deren Hilfe man das dynamische Verhalten von Magnetschwebefahrzeugen auf elastischen Fahrwegen untersuchen kann. Ausgehend von einer Analyse des Fahrzeugs, der Magnetstellglieder und des Fahrwegs wird in systematischer Weise das mathematische Modell des Gesamtsystems aufgebaut. Es ergeben sich lineare Zustandsgleichungen mit periodisch zeitvariablen Koeffizienten und springenden Zustandsgrößen. Sie bilden die Grundlage für die Berechnung der Stabilitätsbedingungen und der stationären Lösung sowie für eine numerische Simulation. Die Leistungsfähigkeit der Methoden wird anhand eines Beispiels demonstriert.

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Summary Methods are developed to investigate the dynamical behaviour of magnetically levitated vehicles on flexible guideways. Starting with the analysis of vehicle, suspension and guideway the mathematical model of the closed-loop system is obtained in a systematic way. The results are linear state equations with periodically time-varying coefficients and jumping states. They underlie the evaluation of stability conditions and steady-state responses as well as numerical simulation procedures. The efficiency of the methods is demonstrated by an example.

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Die Untersuchungen wurden mit Mitteln des Bundesministeriums für Forschung und Technologie gefördert.     

Über die Festigkeit von Kreiszylinderschalen mit nicht-achsensymmetrischer Belastung

Zusammenfassung Mit vorliegender Abhandlung kann das Problem der Kreiszylinderschale mit beliebiger kontinuierlicher Belastung, abgesehen von Knickbetrachtungen, als vollständig gelöst gelten. Neben der genauen Lösung geben die in Tabelle 3 zusammengestellten Formeln un Verein mit den Gleichungen für die Schale ohne Biegungswiderstand ein Mittel an die Hand, schnell und für die Praxis fast stets genau genug den Spannungszustand zu ermitteln. Längere Untersuchungen zeigen, daß die Nachgiebigkeit der Versteifungsringe bei achsensymmetrischer Belastung günstig, bei nicht achsensymmetrischer Belastung jedoch in mehr oder weniger hohem Grade ungünstig wirkt, je nachdem sich die Spantschwerlinie innerhalb oder außerhalb der Mittelfläche des Zylinders befindet. Es ist ratsam, Rohre und Kessel auf nicht zu schmaler Basis zu lagern. Bei Zylinderschalen großen Durchmessers wird man, wo es sich konstruktiv vertreten läßt, die Versteifungsringe außerhalb des umschlossenen Raumes anordnen.Zur vollständigen Beurteilung der durch Spante versteiften Zylinderschale ist noch die Kenntnis ihrer Knicksicherheit erforderlich. Die Lösung hat v. Mises gegeben 1. In einer noch unveröffentlichten Arbeit ist auch der Einfluß des Druckes auf die Zylinderböden untersucht. Ebendort beurteilt derselbe Verfasser die Knicksicherheit bei Berücksichtigung einer nicht-achsensymmetrischen Belastung. Forschungen über den kritischen Druck in einem begrenzten Schalenteil sind m. W. noch nicht veröffentlicht. J. Geckeler hat jedoch auf der Tagung der Gesellschaft für angewandte Mathematik und Mechanik anläßlich der Werkstoffschau in Berlin 1927 Mitteilung von theoretischen Untersuchungen über die Knicksicherheit beliebiger Schalen gemacht, die durch Versuche bestätigt sind.Karlsruher Dissertation. Referent: Prof. K. v. Sanden, Korreferent: Prof. Dr.-Ing. Th. Pöschl.     

Zur Stabilität von Strömungen viskoelastischer Flüssigkeiten

Zusammenfassung Das Zustandekommen von Instabilitäten des Zellularströmungstyps in der ebenen und kreisförmigen Couette-Strömung aufgrund von Trägheit und Viskoelastizität wird anschaulich gemacht, und es werden die Störungsgleichungen für eine sog. Theorie 2. Ordnung aufgestellt und diskutiert. Diese Gleichungen werden für die ebene Couette-Strömung in vollständiger Form und anschließend für die nicht-ebene Couette-Strömung unter Vernachlässigung der Trägheit gelöst. Man findet, daß in beiden Fällen die sog. zweite Normalspannungs-differenz eine entscheidende Rolle spielt. Weiter wird gezeigt, daß die gefundenen Kriterien auch über den Anwendungsbereich der Theorie 2. Ordnung hinaus als Näherung gültig bleiben, wenn man die darin vorkommenden Materialkonstanten durch die entsprechenden Materialfunktionen ersetzt. Zum Abschluß werden orientierende Versuche mit einer Couette-Apparatur an viskoelastischen Flüssigkeiten beschrieben. In einer Polyisobutylenlösung treten Instabilitäten des diskutierten Typs bereits unter Bedingungen auf, bei denen die Drehzahl etwa 600 mal kleiner ist, als sie für die Erzeugung derartiger Störungen in einer vergleichbaren Newtonschen Flüssigkeit benötigt würde. In einer Al-Naphthenat-Lösung wird außerdem das Einsetzen elastischer Turbulenz beobachtet, wobei die Drehzahl ca. 30 mal kleiner ist, als sie zur Erzeugung von Trägheitsturbulenz sein müßte.

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Summary Instabilities of the cellular type in straight and circular Couette flow as generated by inertia and visco-elasticity are elucidated, and perturbation equations are derived and discussed for a second-order theory. For straight Couette flow these equations are solved in full generality, but for circular Couette flow with neglect of inertia only. It is found that in both cases the so-called second normal-stress difference is of decisive importance. It is shown further, that stability criteria may also be used as a good approximation outside the range of applicability of the second-order theory, if the material constants are substituted by the respective material functions. Finally, some makeshift experiments with viscoelastic fluids in a Couette apparatus are briefly described. A solution of polyisobutylene shows instabilities of the discussed type under conditions in which the rotational speed is about 600 times lower than it should be for generating such disturbances in comparable Newtonian fluids. In a solution of Al-naphthenate, in addition the transition to elastic turbulent flow was observed. Here, the speed was about 30 times lower than it should be to generate inertial turbulence.

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Herrn Dr. phil. W. Meskat zum 60. Geburtstag gewidmet

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Über die Ergebnisse dieser Untersuchung wurde auf der Jahrestagung der Gesellschaft für Angewandte Mathematik und Mechanik in Darmstadt am 13. April 1966 berichtet, vgl. (12).

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Herrn Dr.G. Kaufhold und Herrn Stud.-ReferendarH. Schmittmann sei für die Vorbereitung und Durchführung der numerischen Rechnungen, sowie Herrn Dr.J. Pawlowski für die Bestimmung der Fließkurven herzlich gedankt. Den Herren cand. phys.E. Schultes undH. Pickelin gebührt Dank für die sorgfältige Durchführung der Experimente.     

Über die Stabilität der Biegeschwingungen von in Längsrichtung periodisch hin- und herbewegten Stäben

Übersicht Es werden die freien Biegeschwingungen von geführten und in Längsrichtung periodisch hin- und herbewegten Stäben untersucht. Mit den Annahmen der technischen Biegelehre wird die Bewegungsgleichung hergeleitet. Mit Hilfe der Methode von Kantorowitsch wird sie auf ein System gewöhnlicher Differentialgleichungen zweiter Ordnung mit periodischen Koeffizienten reduziert. Anhand dieses Systems werden Instabilitätsbereiche bestimmt.

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Summary The free bending vibrations of elastic beams moving periodically in longitudinal direction through clampings are investigated. The differential equation for these vibrations is established by assumptions of the technical theory of bending. It is reduced to a system of ordinary differential equations of second order with periodic coefficients by means of Kantorowitsch's Method. The instability regions are determined.

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Dank eines Stipendiums der Alexander-von-Humboldt-Stiftung ist diese Arbeit während meiner Tätigkeit am Institut für Getriebelehre und Maschinendynamik der Technischen Universität Braunschweig und am Institut für Technische Mechanik der Universität Karlsruhe entstanden.     

Eindimensionale stationäre Gleichdruekströmung in bewegten Systemen

Zusammenfassung Ausgehend von der Eulerschen Gleichung für die eindimensionale, stationäre Strömung einer idealen Flüssigkeit, für die der auf die Flächeneinheit bezogene Flüssigkeitsdruck überall konstant angenommen wird, werden Strömungen in bewegten Systemen untersucht. Das System war einer gleichförmigen Translation bzw. einer gleichförmigen Drehung unterworfen. Der Zuwachs des Quadrates der Absolutgeschwindigkeit wurde speziell als linear abhängig von einer Längenkoordinate gefordert. Die sich ergebenden partiellen Differentialgleichungen wurden teils rechnerisch, teils graphisch integriert. Es konnten dann sowohl die Absolutbahn als auch die Relativbahn der Bewegung bestimmt werden.Über den Zusammenhang der gefundenen Ergebnisse mit einer von Trefftz gegebenen Formel, die in einer Patentschrift des Reichspatentamtes veröffentlicht ist, und über darüber hinausgehende Anwendungen im Strömungsmaschinenbau soll später berichtet werden.Diese Arbeit wurde vom Verfasser auf Anregung von F. Schicht (Außig) im Zusammenhang mit Berechnungen der Gleichdruckgebläse durchgeführt. Sie war schon am 19. Mai 1944 erstmals bei der Schriftleitung eingegangen und für das (nicht mehr erschienene) zweite Heft des Bandes XV des Ingenieur-Archivs bestimmt gewesen.     

Theory of incremental motion in a body with initial elasto-plastic deformation

A theory of incremental deformation is developed for a body with initial stress and strain, valid for elastic and plastic pre-deformation. The superimposed motion is assumed hyperelastic. We present the constitutive equation, relating a measure of incremental stress to incremental strain, and the momentum equations referred to the prestrained initial configuration of the body. The latter is linearized with respect to the displacement field of the superimposed motion. For general nonlinear pre-deformation the constitutive theory of an anisotropic body may be based on the assumed strain energy that is an isotropic function of the Green strain tensor and a number of material directors of unit length. For bodies with elastoplastic prestrain and prestress, an elastic constitutive relation that depends on the plastic pre-deformation and the deformation from a relaxed state is postulated. Imposing the requirements of invariance with respect to rotations of the plastic pre-deformation and using the objectivity rule, we show that the constitutive function of stress must be an isotropic function of its arguments. This leads to a new theory of acoustoelasticity for an elasto-plastically prestrained material with anisotropic natural state by incorporating materially fixed unit directors as independent variables in the constitutive equations.

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Zusammenfassung Es wird eine Theorie der inkrementellen Deformation für einen Körper mit Vorspannung und Vorverformung entwickelt, welche sowohl für elastische wie plastische Vorverformung Gültigkeit hat. Die überlagerte Bewegung wird als hyperelastisch angenommen. Wir leiten die Materialgleichung her, welche eine inkrementelle Spannung mit einer inkrementellen Verzerrung verknüpft und geben die Impulsgleichung in einer auf die anfängliche Verformung bezogenen Konfiguration. Diese Impulsgleichung wird bezüglich des überlagerten Verschiebungsfeldes linearisiert. Für eine allgemeine nichtlineare Vorverformung kann die Materialtheorie eines anisotropen Körpers auf der Basis einer postulierten Verzerrungsenergie gegründet werden, welche eine isotrope Funktion des Greenschen Verzerrungstensors und einer Zahl materieller Direktoren mit Länge 1 darstellt. Für elasto-plastisch vorgespannte und vorverformte Körper wird eine elastische Materialgleichung postuliert, die von der plastischen Vorverformung sowie der Deformation aus einer relaxierten Konfiguration abhängt. Es wird gezeigt, daß die Materialgleichung für den Spannungstensor eine isotrope Funktion ihrer Argumente sein muß, wenn man als übergeordnetes Prinzip das Objektivitätsprinzip fordert und Invarianz des Spannungsfunktionals gegenüber Rotationen der plastischen Vordeformation verlangt. Durch Einführen von materiellen Direktoren der Einheitslänge als unabhängige Konstitutivvariablen erhält man hieraus eine neue Theorie der Akusteolastizität für elasto-plastisch vorverformte Materialien mit anisotropen natürlichen Referenzzuständen.

     

Untersuchungen zur statischen Druckmessung in turbulenter Strömung

Zusammenfassung Statische Drucksonden versagen wegen ihrer Richtungsempfindlichkeit im allgemeinen bei der Messung in stark turbulenten Strömungen. In der vorliegenden Arbeit wurde versucht, die auftretenden Fehler als eine Turbulenzabhängigkeit des Eichfaktors der Sonde aufzufassen, die bei der Auswertung der Messungen in Rechnung zu ziehen ist. Es wurde für die Untersuchungen eine Sonde benutzt, die lediglich auf die turbulenten Schwankungen in einer einzigen Richtung senkrecht zur Hauptströmungsrichtung reagiert. Zur Messung dieser Querschwankungen wurde eine besonders für ebene Strömungen brauchbare Turbulenzsonde entwickelt. Durch Ausmessung der Mischzonen zweier Luftströme von verschiedenem Querschnitt mit der statischen Sonde, der Turbulenzsonde und einem Pitotrohr wurde die Abhängigkeit des Beiwertes der statischen Sonde von den turbulenten Querschwankungen in einer Eichkurve festgelegt. Dabei waren die zugrunde gelegten statischen Drücke nach der Tollmienschen Theorie für das ebene Mischgebiet eines unendlich ausgedehnten Luftstromes mit der angrenzenden ruhenden Luft berechnet. Es war durch Kombination der Messungen mit den drei genannten Sonden auf Grund der Eichkurve möglich, den statischen Druckverlauf in dem durch ein Gitter aus äquidistanten zylindrischen Stäben hervorgerufenen Strömungsfeld zu erhalten. Die Messungen wurden in zwei Versuchsreihen durchgeführt: erstens im Freistrahl, zweitens zur Vermeidung einer dort auftretenden Kontraktion in einem geschlossenen Kanal.Um eine Beurteilung der hinter dem Gitter gemessenen Drücke zu ermöglichen, wurde die hier auftretende Strömung auf Grund des Prandtlschen Mischungswegansatzes in erster und zweiter Näherung aus den hydrodynamischen Bewegungsgleichungen berechnet. Die so erhaltene Theorie gibt die wirklichen Verhältnisse hinter dem Gitter in einer Entfernung von viermal Gitterteilung ab gut wieder.Göttinger Dissertation. Referent: Prof. Dr.L. Prandtl.     

On the propagation of flexural waves in anisotropic bars

Summary Propagation of flexural waves in circularly cylindrical bars of anisotropic material on the basis of the exact three-dimensional theory of elasticity of small deformations is considered, the rigor of the analysis being the same as the one of the Pochhammer-Chree theory. A system of the governing equations of motion for the cylindrical orthotropy (its axis coinciding with the axis of the bar) is derived and expressed in terms of radial, tangential and axial displacement components. For a steady-state sinusoidal flexural wave the system reduces to coupled ordinary second order differential equations with a regular singular point. Solution for a transversely isotropic is obtained by means of Frobenius series method. Upon using two or three terms of the series approximate dispersion relations for isotropic material as well as for the pyrolytic graphite type material and two other types of anisotropic materials are obtained and illustrated by graphs. Higher order modes than those already known are found.

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Übersicht Die Fortpflanzung von Biegewellen in kreiszylindrischen Balken aus anisotropem Material wird auf der Grundlage der exakten dreidimensionalen Elastizitätstheorie kleiner Verformungen betrachtet. Die Strenge der hier gegebenen Untersuchungen entspricht der in der Theorie von Pochhammer-Chree. Das System der Bewegungsgleichungen wird für zylindrische Orthotropie, deren Achse mit der Balkenachse zusammenfällt, abgeleitet und durch die radialen, atngentialen und axialen Verschiebungskomponenten ausgedrückt. Das System reduziert sich im Fall einer stationären sinusförmigen Biegewelle auf gekoppelte, gewöhnliche Differentialgleichungen 2. Ordnung mit einem singulären Punkt. Lösungen für transversale Isotropie werden mit Hilfe der Reihenmethode von Frobenius abgeleitet. Unter Verwendung von zwei oder drei Gliedern dieser Reihen werden angenäherte Dispersionsbeziehungen sowohl für isotropes Material als auch für Material vom Typ pyrolytischen Graphits und für zwei andere Typen anisotropischer Materialien erhalten und graphisch dargestellt. Es werden Schwingungsformen gefunden, die von höherer Ordnung als die bisher bekannten sind.

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Research supported by a grant of the National Science Foundation.     

Duale Quaternionen in der Kinematik räumlicher Getriebe. Eine anschauliche Darstellung

Übersicht Euler, Hamilton, Clifford und Study haben die mathematischen Grundlagen für die kinematische Analyse räumlicher Bewegungen geschaffen. Keler und Yang haben auf dieser Basis Verfahren für technische Zwecke formuliert und angewendet. Die vorliegende Arbeit hat das Ziel, die wesentlichen Elemente der Theorie möglichst anschaulich und mathematisch möglichst einfach darzustellen. Als Beispiel dient ein schon von Yang gewähltes Getriebe. Abschließend wird gezeigt, welche Bedeutung Ergebnisse der Anwendung der Theorie für Untersuchungen über das dynamische Verhalten von Getrieben haben.

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Summary The mathematical foundation for analytical methods in the kinematics of spatial linkages was laid by Euler, Hamilton, Clifford and Study. Keler and Yang were the first to formulate on this basis a systematic analytical procedure for engineering applications. The purpose of the present paper is to give with as little mathematics as possible simple geometrical interpretations for the essential elements of the theory. As an illustrative example a linkage is chosen which was analyzed by Yang already. It is demonstrated how the theory can be used in investigations of the dynamics of spatial linkages.

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Dedicated to Prof. Sigurd Falk on the occasion of his sixtieth birthday