从纯数学和严格定义的角度来看,答案是:没有(或者说定义特征值没有意义)。
但是,如果你把它仅仅看作一个 3x3 的数字矩阵去硬算,当然能算出数来,但这通常是错误的数学操作。
下面我们从三个层面深度剖析,为什么 PK1 应力张量 P “不配”拥有特征值。
1. 空间不匹配(最根本的数学原因)
特征值的定义前提:
特征值问题 Av = λv 的核心要求是:输入向量 v 和输出向量 Av 必须在同一个空间里,这样你才能比较它们是否“共线”(平行)。
PK1 的尴尬处境:
PK1 应力张量 P 是一个两点张量 (Two-point tensor)。
- 它的输入端在参考构型(过去,Reference)。
- 它的输出端在当前构型(现在,Current)。
这就像你在进行汇率换算:输入的是“人民币”,输出的是“美元”。如果你问:“有没有一笔钱,它的人民币数值等于美元数值(λ倍)?”这在物理上是没有意义的,因为这两个向量属于不同的基底,无法直接叠加或比较方向。
因此,在严格的张量分析中,两点张量没有特征值。
2. 对称性缺失(矩阵角度的灾难)
即使你忽略物理意义,强行把 P 视为一个普通的 3x3 实数矩阵进行计算,也会遇到巨大的数学麻烦。
- Cauchy 应力 σ:是对称矩阵 (σ^T = σ),根据线性代数谱定理,对称矩阵一定有实数特征值,且特征向量正交。所以它有完美的主应力。
- PK2 应力 S:也是对称矩阵,也有实数特征值。
- PK1 应力 P:通常是非对称矩阵 (P^T ≠ P)。
对于非对称矩阵:
- 它的特征值可能是复数(Complex numbers)。应力出现虚数在静力学中没有物理意义。
- 它的特征向量通常不正交。
所以,强行求 P 的矩阵特征值,得到的结果是一堆乱码,既不能代表主应力,也不能代表主方向。
3. 正确的数学工具:奇异值分解 (SVD)
虽然 P 没有特征值分解(Eigendecomposition),但它有奇异值分解(Singular Value Decomposition, SVD)。
你上一张图片中的公式:
P = Σ σ_i (n_i ⊗ N_i)
这其实就是 SVD 的形式,而不是特征值分解的形式!
- σ_i (系数):这是奇异值 (Singular Values)。在力学上,它们被称为主名义应力 (Principal Nominal Stresses)。
- N_i:这是右奇异向量,代表参考构型(过去)的主轴方向。
- n_i:这是左奇异向量,代表当前构型(现在)的主轴方向。
总结:
P 把过去的 N_i 映射成了现在的 n_i,并拉伸了 σ_i 倍。因为它把一个基底变成了另一个基底(发生了旋转和变形),所以这叫 SVD,不叫特征值问题。
一句话结论
数学上,PK1 没有特征值,因为它连接了两个不同的空间且不对称;它只有奇异值(即主名义应力 σ_i),这对应着图片里推导出的那个系数。想深入探讨更多计算机科学与数学交叉领域的基础知识,欢迎来云栈社区交流学习。
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