平衡和虚位移原理

1981年在广州召开的全国高校工科理论力学教学经验交流会上,有关虚位移原理的文章中提出的问题之一是,若将平衡理解为"静止和匀速直线运动",那么"主动力在任何虚位移上的元功之和为零"(以下简记为∑F·δr=0)不能作为系统平衡的充分条件。一个反例就是光滑圆环上不受主动力作用(或主动力沿半径方向)的质点,它处处满足∑F·δr=0的条件,但可以沿环作匀速圆运动,而非直线运动。其实,一切光滑曲面上的质点,当无主动力作用,或主动力沿曲面 ...     

关于Griffith准则的Murrell三维推广

本文根据 Griffith 准则的 Murrell 三维推广理论,导出它对应于原 Griffith 准则中 δ(?)=-T(?)直线段部份在δ_2=0平面上是一条双曲线.这时的单轴抗压强度与抗拉强度之比仍为8,而不是一般认为的12.     

对严湘赣文“‘力学系统平衡的判别准则'与虚位移原理”的几点看法

1.在双面珲想约束下,D'Alembert-Lagrange原理(动力学普遍方程)有形式(?)(F_i-m_ia_i)δr_i=0 (1)其中,F_i为主动力(不是严文所说"外力").如果满足(?)m_ia_i·δa_i=0 (2)则有(?)F_i·δr_i=0 (3)这就是虚位移原理给出的质点系平衡的充要条件.因此,"力学系统平衡的判别准则"没有问题.     

由结构力学的平面问题例说最小势能原理

最小势能原理作为结构力学的提高部分,很少在该课程中看到关于它的完整介绍。本文以等刚度连续梁为研究对象,在只考虑弯曲变形的情况下,讨论了位移法典型方程的适用条件。在此基础上,分析了势能法和位移法之间的对偶关系。得出：等刚度连续梁在平面载荷与支座反力构成的平衡力系作用下,可能的小位移状态由虚力方程控制。若真实位移还能利用叠加原理进行求解,则可能位移状态下的总势能在真实位移处取极小值。等刚度连续梁弯曲变形的分析验证了最小势能原理,有助于对一般情况下最小势能原理的深刻认识。     

时滞状态正反馈在振动控制中的新特征

控制理论中广泛采用负反馈,而正反馈的应用不多, 一个重要原因是正反馈将系统的变化放大而使系统的稳定性变差. 如果反馈环节具有时滞, 那么正反馈未必使系统稳定性变差. 本文以线性振动系统为例, 采用稳定性切换方法和利用确定时滞系统稳定性的最大实部特征根, 详细研究了时滞状态正反馈在镇定系统不稳定运动和改善系统稳定性方面的作用. 我们发现,时滞位移正反馈明显优于时滞位移负反馈, 表现为: (1). 正反馈控制可以用较小的时滞去镇定不稳定运动和改善系统稳定性; (2). 正反馈控制可容许的时滞范围很大, 而负反馈控制的可容许时滞范围很小; (3). 正反馈对应的闭环系统的最大实部特征根的实部的极小值可显著小于负反馈对应的闭环系统的最大实部特征根的实部的极小值, 因而在相同的初始条件下, 正反馈作用下的闭环系统比之负反馈作用下的闭环系统可以更快地稳定到平衡点. 我们还发现, 对时滞速度反馈与时滞加速度反馈来说, 负反馈优于正反馈; 而对相同的反馈增益, 时滞位移正反馈优于时滞速度正反馈和时滞加速度正反馈. 关键字镇定,振动控制,时滞正反馈, 稳定性切换, 特征根      

ew Features of Positive Time-Delayed Feedbacks in Vibration Control

控制理论中广泛采用负反馈,而正反馈的应用不多, 一个重要原因是正反馈将系统的变化放大而使系统的稳定性变差. 如果反馈环节具有时滞, 那么正反馈未必使系统稳定性变差. 本文以线性振动系统为例, 采用稳定性切换方法和利用确定时滞系统稳定性的最大实部特征根, 详细研究了时滞状态正反馈在镇定系统不稳定运动和改善系统稳定性方面的作用. 我们发现,时滞位移正反馈明显优于时滞位移负反馈, 表现为: (1). 正反馈控制可以用较小的时滞去镇定不稳定运动和改善系统稳定性; (2). 正反馈控制可容许的时滞范围很大, 而负反馈控制的可容许时滞范围很小; (3). 正反馈对应的闭环系统的最大实部特征根的实部的极小值可显著小于负反馈对应的闭环系统的最大实部特征根的实部的极小值, 因而在相同的初始条件下, 正反馈作用下的闭环系统比之负反馈作用下的闭环系统可以更快地稳定到平衡点. 我们还发现, 对时滞速度反馈与时滞加速度反馈来说, 负反馈优于正反馈; 而对相同的反馈增益, 时滞位移正反馈优于时滞速度正反馈和时滞加速度正反馈. 关键字镇定,振动控制,时滞正反馈, 稳定性切换, 特征根     

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.     

变质量可控力学系统的Gauss原理和Appell方程

力学系统的运动依赖于力和约束,人们可以借助于力来控制运动(称为动力学控制),也可以借助于约束来控制运动(称为运动学控制)。我们研究一类力学系统,它的约束依赖于某些控制参数。得到可控力学系统的Lagrange方程、Hamilton方程和AppelI方程,用Gauss原理导出一阶非线性非完整系统广义坐标下的Appell 方程。本文考虑非线性非完整系统,导出了变质量可控力学系统在广义坐标和准坐标下的Gauss原理及Appell方程,最后举例说明其应用。本文主要结果是(1.5),(1.6),(1.20),(2.1),(3.13)及(3.14)。     

关于用能量法分析弹性稳定的注记

在杆系结构力学的稳定分析中,设原始平衡状态下的结构势能(?)为零,则当体系受微小扰动后,体系的势能为(?)=(?)_c+△(?)=△(?)=U+V=U-pλ (1)上式中△(?)为势能增量,U 为变形能,λ为 P 作用点沿 P 方向产生的位移.     

末端带有刚体的旋转梁运动稳定性分析

在对含有柔性元件的复杂航天器进行稳定性等动力学行为的分析中, 通常采用的离散化方法, 可能会导致"动力刚化"等现 象.将梁作为带分布参数的子系统(无限自由度)分析, 基于Rumyancev定理, 通过计算系统相对势能泛函的一阶变分得到了系统的定常运动, 把系统定常运动稳定性的分析归结为系统变势能泛函存在孤立极小值的问题.在分析中不需要建立系统的运动微分方程, 简化了建模过程, 由系统相对势能泛函的二阶变分的正定性得到了使系统定常运动稳定的充分条件, 同时这个条件是使用基于李雅普诺夫直接法思想分析运动稳定性问题得到的最为广泛的充分条件.     

关于用能量法分析弹性稳定的注记

<正> 在杆系结构力学的稳定分析中,设原始平衡状态下的结构势能(?)为零,则当体系受微小扰动后,体系的势能为(?)=(?)_c+△(?)=△(?)=U+V=U-pλ (1)上式中△(?)为势能增量,U 为变形能,λ为 P 作用点沿 P 方向产生的位移.     

谈虚位移原理 ()

所谓"一个反例"在水平放置的光滑圆环中以速度v 运动的质点,处处满足F·δr=0,但不平衡(图1).认为这例显示虚位移原理失效了.首先我们对学生的要求是,他应该知道这是动力学问题,立式应该用动力学普遍方程:(F-ma)·...     

圆柱绕流教学中常被忽略的一个问题

<正> 笔者所见不少流体力学教材在讲述无环量圆柱绕流时,大都这样处理:1)推出速度势(?)(或流函数(?))满足的 Laplace 方程 ▽~2(?)=0(或▽~2(?)=0);2)给出若干个基本解;3)将均匀流与偶极子两个基本解叠     

椭圆壳体的弹塑性失稳

在静水外压作用下理想圆柱薄壳丧失弹性稳定是个古典的力学问题。1884年兰范(M. Levy)首次给出了此问题的临界外压是P_(er)=2Ek~3/1-μ~2 (1)E为弹性模数,k=δ/D为尺寸因素,δ为壳体壁厚,D为壳体中面直径,μ为泊桑比。     

应力波传播与屈曲耦合情况下结构动力屈曲控制方程及波前边界条件的探讨

从应力波作用下结构动力屈曲的特点出发,指出应力波作用下结构屈曲与应力波传播的耦合导致时间成为结构屈曲的参变量,从而应力波作用下结构屈曲的真实运动与邻近运动是不同时刻、不同扰动区域的比较,这使得其控制方程的建立不宜采用传统的等时积分变分原理;以压应力波作用下弹性直杆为例,应用能量守恒原理,根据屈曲时刻结构能量的转换关系,建立了其屈曲控制方程,并实际推导得到了波前边界条件为横向位移,转角和曲率为零;其中,波前边界第三个条件出现的原因是轴向应力波的传播与屈曲的耦合.     

ELASTOSTATIC SOLUTOINS FOR SEMI-INFINITE ORTHOTROPIC CANT1LEVERED STRIPS

The elastostatic solutions of semi-infinite orthotropic cantilevered strips with traction free edges and loading at infinity are governed by the differential equationφ,_(?)+(2+δ_0)φ,_(?)+φ,_(?)=0 withδ_0>-4 .Based on the work of [10] forδ_0>0 case,.this paper completes the case δ=0 for (?)sotropic materials and the case 0>δ_0>-4 for orthotropic materials.The solutions of the above problems have important application in the properly formulated boundary conditions of plate theories for prescribed displacement edge data.     

物理变分原理及其在电磁介质中的应用

和数学变分原理的意义不同,物理变分原理是物理界的客观规律,是基本规律.热力学定律是能量守恒定律,指任一自然过程的能量总是守恒的;但同时又是物理变分原理,指从一种状态变化到另一无限接近的状态,在所有可能的稳定过程中,真实过程的能量取极小值,因而又是动量定律.特别是对于存在迁移变分的过程和偏离平衡态不大的不可逆过程,物理变分原理特别有效,可以用来推求连续介质的控制方程,且尚未完全研究透彻.本文对这一原理及其在电磁介质中的某些应用进行了一些研究.     

相空间中非保守系统的Herglotz广义变分原理及其Noether定理

与经典变分原理相比,基于由微分方程定义的作用量的Herglotz广义变分原理给出了非保守动力学系统的一个变分描述,它不仅能够描述所有采用经典变分原理能够描述的动力学过程,而且能够应用于经典变分原理不能适用的非保守或耗散系统.将Herglotz广义变分原理拓展到相空间,研究相空间中非保守力学系统的Herglotz广义变分原理与Noether定理及其逆定理.首先,提出相空间中Herglotz广义变分原理,给出相空间中非保守系统的变分描述,导出相应的Hamilton正则方程;其次,基于非等时变分与等时变分之间的关系,导出相空间中Hamilton-Herglotz作用量变分的两个基本公式;再次,给出Noether对称变换的定义和判据,提出并证明相空间中非保守系统基于Herglotz变分问题的Noether定理及其逆定理,揭示了相空间中力学系统的Noether对称性与守恒量之间的内在联系.在经典条件下,Herglotz广义变分原理退化为经典变分原理,与之相应的相空间中的Noether定理退化为经典Hamilton系统的Noether定理.文末以著名的Emden方程和平方阻尼振子为例说明上述方法和结果的有效性.     

浅谈用δ函数表示集中力

1.力学上常常用δ函数表示集中力及瞬态脉冲函数。一般的表达式为: δ_(M_0)(M)=0 M≠M_0但作为作用在M_0的集中力的定义,存在着漏洞。力作为力学中的基本概念,应理解为物体产生变形或获得加速度的外因。受力物体会产生力的效应(外效应和内效应)。集中力作为一种力,也不能离开它对物体的效应桌认识,而正是在这一点上,定义(1)是不够严密的。作为一个例子,我们考虑图1所示两个悬臂粱,它们材料和几何形状均相同,它们承受的荷载分别为δ_ 1(x)和δ_2(x): ...