参变量变分原理的提出、发展与应用

参变量变分原理及其参数二次规划算法是由钟万勰院士1985年针对弹性接触边界非线性问题首次提出来的,经过将近40年的不断发展,目前参变量变分原理已经成功应用于各个领域,其中包括弹塑性分析、接触问题、润滑力学、岩土力学、变刚度杆系结构、先进材料性能分析、材料的蠕变与损伤、柔性结构力学和LQ最优控制等各个工程领域。本文首先回顾了参变量变分原理的起源,介绍了参变量变分原理的基本概念,然后以弹塑性分析问题为例,阐明建立参变量变分原理的理论模型以及实现数值参数二次规划求解原理,最后详细回顾了参变量变分原理的基本理论与相应数值算法在各个领域的发展及其工程应用,展示了参变量变分原理在求解各类非线性问题的特色与优势。     

用于弹性蠕变损伤问题的参变量变分原理

参变量变分原理是近年来发展的用于处理数学物理问题中边界待定边值问题的一种有效方法,本文建立起用于蠕变损伤问题结构分析的参变量变分原理,该原理将原问题化为求解带约束条件的泛函极值,其约束条件就是由蠕变损伤本构关系推导出的系统状态方程组;该原理物理意义明确、表达式简单并且规范,容易为计算机实现。本文给出原理的证明,并就2.25Cr-1Mo钢在550℃下的蠕变问题给出实例。     

考虑损伤累积的热弹塑性问题变分原理及其有限元方法

本文基于连续介质损伤力学中有效应力的概念，研究建筑结构抗火分析中遇到的热弹塑性问题与损伤的耦合，并运用参变量变分原理，建立起用于热弹塑性损伤问题结构分析的变分原理。本文给出了原理应用的有限元列式。具有明确的物理意义，表达形式规范，便于数值手段实现。     

摩擦约束塑性力学变分不等原理的半反推法

带摩擦约束的弹塑性接触问题,由于摩擦约束条件是一种判别性的条件,它的变分问题的逆问题的研究比较困难。本文对弹塑性接触力学中的变分不等问题的逆问题进行了研究,改进了半反推法并将其应用到弹塑性变分不等原理的研究中,导出了摩擦约束弹塑性增量广义变分不等原理中的能量泛函,消除了用拉氏乘子法可能产生的临界变分现象,在证明中,巧妙地处理了增量表示的接触摩擦边界条件,避免了使用非线性泛函分析和凸分析,简化了证明。     

基于参数变分原理的Cosserat连续体弹塑性分析

基于参数变分原理,提出了Cosserat模型弹塑性计算的算法,给出了基于Cosserat理论的参数最小势能原理,基于所提出的变分方程,建立了Cosserat理论弹塑性分析的参数二次规划模型,进一步将算法应用于平面应变软化问题计算中,获得的结果具有良好的非网格依赖性.     

摩擦约束广义变分不等原理的临界变分现象及分析

对于具有摩擦约束的弹塑性接触问题,由于边界接触面上的摩擦力由不等式表示,导致得到包含摩擦约束的广义变分原理为广义变分不等原理.广义变分不等原理通过将摩擦力纳入问题的能量泛涵,可避免考虑摩擦力变化的具体过程,便于数值方法如有限元等在弹性接触问题上的应用.但是,通过对广义变分不等原理的研究,发现在弹性力学广义变分不等原理中,势能型和余能型广义变分不等原理,均存在临界变分现象,即变分时拉格朗日乘子为零,变分失败;或者得到的能量泛函变分后得不到问题的欧拉方程.在对弹性力学广义变分不等原理临界变分现象进行分析后,提出了避免发生临界变分现象的方法.实际应用证明了方法的有效性.通过避免临界变分现象的发生,可以保证拉格朗日乘子方法的有效使用.     

塑性全量理论中的控制变量变分原理

控制变量变分原理也称参变量变分原理,其主要特点是在能量泛函中引入了不直接参加变分的控制变量,并要求极值过程始终受状态方程的控制。文[10-16]建立了弹塑性增量理论下的若干控制变量变分原理,使得增量问题有限元解不必迭代且精确度高。本文针对简单加载全量理论问题,建立了相应的控制变量变分原理,使得这一类工程上应用较多的弹塑性理论可以用解参数二次规划的方法求解,不再依靠传统迭代途经。全量问题可用解增量问题的程序统一解算,前者只相当于在后者的本构材料库的程序接口里增添新的材料性质而巳。     

参数二次规划法在计算力学中的应用(一)

绪言 一系列论文发表了关于参数变分原理在弹性接触问题和弹塑性分析中的理论和应用。所提出的参数最小势能原理和参数最小余能原理的特点是构造的能量泛函中含有两类变量:一类是状态变量,它们和经典变分原理中的一样;另一类是控制变量,它们不参加变分,但控制着变分过程,使问题的非线性本构特性(或状态方程)得以满足。参数变分原理     

直梁靠模成形变分原理问题的探讨

对矩形截面的理想弹塑性直梁在靠模成形过程中边界待定问题,用势能变分原理推导出理想弹塑性材料的靠模悬臂梁弯曲成形的挠曲线方程,从而得到直梁靠模成形的弯曲问题的解.计算表明,推导出的直梁靠模成形的挠曲面方程可应用于工程实际.     

带孔隙损伤的弹性固体的广义变分原理

应用弹性微结构理论,建立了具广义力场带孔隙损伤线弹性固体的基本模型．应用变积方法,同时分别建立了带孔隙损伤弹性固体四类和两类变量的广义变分原理,这些变分原理对应着带孔隙损伤弹性固体微分方程和初值边值条件．应用弹性微结构理论,建立了带孔隙损伤的弹性Timoshenko 梁的基本方程,得到带孔隙损伤的弹性Timoshenko 梁两类变量的广义变分原理．这些广义变分原理为近似求解带孔隙损伤的弹性问题提供了有效途径．     

Principle of minimum energy dissipation rate in steady Hele-Shaw flows

A new local form of the principle, in which dissipation is estimated only in a small vicinity of a free interface in steady Hele-Shaw flows, is proposed. It is established that for the problem of bubble propulsion the principle proposed is mathematically equivalent to the variational principle formulated by Saffman and Taylor without physical validation. It is shown that the new local form of the minimum dissipation principle effectively solves the problem of selection of a unique selection in the problems of both bubble and finger propulsion.     

The variational principle of structural analysis for damage-coupled elastoplastic creep problem

Based on the concept of the effective stress in continuum damage mechanics, this paper studies the damage-coupled problem in elastoplastic creep. By using the parametric variational principle developed from optimal control theory, a numerical principle for the problem discussed has been established, the proof for which is also given. It is found that the principle proposed has a normalized form and can easily be put into application by computer.This project is supported by the National Natural Science Foundation of China     

Estimating Dirichlet's integral and electrical conductance for systems which are not self-adjoint

In simple electrical flow problems the Dirichlet integral of the potential function gives the electrical conductance. Moreover the Dirichlet integral of an arbitrary function satisfying the boundary condition gives an upper bound for the conductance. This last property (Dirichlet's principle) does not hold if the boundary value problem is not self-adjoint. This paper develops new algorithms for estimating the conductance. The proof of these algorithms replaces the Dirichlet principle with the elliptic maximum principle. There is an analogous discrete problem for conductance of electrical networks of the non-reciprocal type. The conductance problem both for continuous bodies and discrete networks can be treated by a single postulational theory.     

固体－气幕－液体耦合系统广义变分原理

基于驻值势能原理，本文建立了固体－气幕－液体耦合系统的广义变分原理．本文进一步根据薄气幕层的特性，将广义变分原理的相关项适当组合，得出结论，在薄气幕层情况下，固体－气幕－液体三介质耦合问题可以化为在气泡振动方程、速度与压力连续条件限制下的流－固两介质耦合问题来进行数值计算．     

On the Optimal Shape of a Compressed Rotating Rod

By using Pontryagin's maximum principle we determine the shape of the lightest compressed rotating rod, stable against buckling. It is shown that the cross-sectional area function is determined from the solution of a nonlinear boundary value problem. A variational principle for this boundary value problem is formulated and a first integral is constructed. The optimal shape of a rod is determined by numerical integration.     

A variational principle for non-linear elastodynamics and its application to the hybrid stress model

A variational principle is derived for the mixed initial-boundary value problem of non-linear elastodynamics. This principle involves stress quantities only. It is an extension of a similar one derived by Gurtin[1] for linear elastodynamics. The principle is then specialized to the class of semilinear materials, and generalized for the use in the hybrid stress model of finite element analysis. An incremental procedure for the numerical solution is described.     

基于高斯原理的非理想系统动力学建模

高斯原理给出了通过求函数极值、从可能运动中鉴别出真实运动的规则, 它可以使得多体系统动力学问题不需通过求解微分(代数)方程, 而是采用求解最小值的优化方法来解决, 从而提供了一种适用于优化算法的建模思路, 因此, 如何定义恰当的高斯拘束函数是动力学优化方法得以实现的前提. 对于理想系统而言, 约束对系统的作用可以通过约束方程来体现, 故高斯拘束可表达为系统质点加速度的函数, 系统的动力学问题因此可以描述为目标函数为高斯拘束函数、优化变量为质点加速度的约束最优化问题; 当系统中需要考虑干摩擦等非理想因素时, 部分相互作用不能被所定义的约束方程所涵盖而需要采用额外的物理规律来描述, 这种相互作用破坏了原有的针对理想系统的高斯拘束函数的极值特性. 基于变分类的高斯原理, 推导并证明了目标函数以理想约束力所表达的非理想系统的极值原理, 针对目前文献中用于非理想系统的高斯原理进行了讨论, 指出其实际为文中的极值原理在非理想约束力与理想约束力无明显关联时的一种特殊表达形式, 当非理想约束力与理想约束力有明显的函数关系(如库仑摩擦定律中滑动摩擦力与法向约束力间的线性关系)时, 该形式失效; 同时根据文中的极值原理, 得到了考虑库仑摩擦时非理想的多体系统动力学问题的优化模型. 例子中分析了优化模型及相应的线性互补性模型的关系, 分析发现在满足刚体滑动问题的唯一性条件下二者互为充分必要条件, 从而证明了文中优化模型的可靠性; 并采用优化计算方法进行了动力学模拟, 模拟结果显示了将高斯原理与优化算法相结合的可行性及有效性.      

DYNAMIC MODELING OF NONIDEAL SYSTEM BASED ON GAUSS'S PRINCIPLE$^{\bf 1)}$

高斯原理给出了通过求函数极值、从可能运动中鉴别出真实运动的规则, 它可以使得多体系统动力学问题不需通过求解微分(代数)方程, 而是采用求解最小值的优化方法来解决, 从而提供了一种适用于优化算法的建模思路, 因此, 如何定义恰当的高斯拘束函数是动力学优化方法得以实现的前提. 对于理想系统而言, 约束对系统的作用可以通过约束方程来体现, 故高斯拘束可表达为系统质点加速度的函数, 系统的动力学问题因此可以描述为目标函数为高斯拘束函数、优化变量为质点加速度的约束最优化问题; 当系统中需要考虑干摩擦等非理想因素时, 部分相互作用不能被所定义的约束方程所涵盖而需要采用额外的物理规律来描述, 这种相互作用破坏了原有的针对理想系统的高斯拘束函数的极值特性. 基于变分类的高斯原理, 推导并证明了目标函数以理想约束力所表达的非理想系统的极值原理, 针对目前文献中用于非理想系统的高斯原理进行了讨论, 指出其实际为文中的极值原理在非理想约束力与理想约束力无明显关联时的一种特殊表达形式, 当非理想约束力与理想约束力有明显的函数关系(如库仑摩擦定律中滑动摩擦力与法向约束力间的线性关系)时, 该形式失效; 同时根据文中的极值原理, 得到了考虑库仑摩擦时非理想的多体系统动力学问题的优化模型. 例子中分析了优化模型及相应的线性互补性模型的关系, 分析发现在满足刚体滑动问题的唯一性条件下二者互为充分必要条件, 从而证明了文中优化模型的可靠性; 并采用优化计算方法进行了动力学模拟, 模拟结果显示了将高斯原理与优化算法相结合的可行性及有效性.     

Canonical equations in the geometrically nonlinear theory of thin anisotropic shells

The functional in the principle of minimum potential energy of layered anisotropic shells with a nonlinear relationship between strains and displacements is transformed into a canonical integral that coincides with the functional in the Reissner principle. Partial forms of the functional are derived for problem formulations where the dimension can be reduced with respect to one of the coordinates. The canonical system of equations is linearized and then normalized. The boundary-value problem is solved by the numerical discrete-orthogonalization method. An anisotropic spherical shell under external compression is analyzed for stability as an example