弹性理论中广义变分原理的研究及其在有限元计算中的应用

本文的目的在于说明怎样系统地建立各种广义变分原理,怎样合理地使用各种广义变分原理来改进有限元计算的成效。为了易于说明问题,本文只局限于弹性理论的各种广义变分原理,但其推广并不困难。本文指出,广义变分原理的泛函,可以系统地采用拉格朗日乘子法,把一般有条件的变分原理化为无条件的变分原理来唯一地决定的。拉格朗日乘子所代表的物理量,可以通过变分求极值或驻值的过程求得,从而消除了在建立广义变分原理的泛函时,人们经常陷入的象猜谜一样的困境。本文也指出:我们同样可以用拉格朗日乘子法把一般有多个条件的变分原理,化为条件个数较少的变分原理。我们称变分条件减少了的变分原理为各级不完全的广义变分原理。凡是把全部变分条件都消除了的变分原理,称为完全的广义变分原理,或简称广义变分原理;实际上是完全无条件的变分原理。本文建立了弹性小位移变形理论中的各级不完全的广义位能原理,和各级不完全的广义余能原理,包括从最小位能原理和最小余能原理分别导出的最完全的广义变分原理;并且证明了这两个弹性力学广义变分原理的泛函是等同的。在这些广义变分原理中,包括了Hellinger-Reissner(1950),胡海昌-鹫津久一郎(1955)的广义变分原理。本文也建立了弹性大位移变形理论中的位能原理和余能原理,并建立了有关位能余能的各级不完全的广义变分原理,包括以大位移变形的最小位能和最小余能原理分别导出的弹性力学广义变分原理,并且也证明了在大位移变形情况下,这两个弹性力学的广义变分原理也是等同的。本文除了列举广义变分原理在有限元法上的众所周知的应用外,还补充了三个比较重要的应用范围。     

论拉氏乘子法及其唯一性问题

本文指出文[13](1985)对于拉氏乘子法的最近论点仍旧是先验的,并不是国际上大家所公认而又证实了的“古老的数学概念”(1983),该文所赖以立论的三个实例,都不成立。所说明的,不是象文中所称的那样,“在力学问题中正确应用拉氏乘子法的要点”,恰好相反,文[13]很不正确地应用了拉氏乘子法,从而达到了错误结论,甚至只能求助于所谓“猜谜语“的方法。 本文也指出拉氏乘于是可以根据拉氏乘子法唯一地识別的,文[10]、文[16]说拉氏乘子的不唯一性应是对拉氏乘子法的误解所引起的。 本文讨论的弹性力学问题是非线性弹性体的一般弹性力学问题,其应力应变关系是非线性的,当应变很小可以略去其非线性项时,其结果可以还原为线性弹性体的各种广义变分原理。因此,不论Hellinger-Reissner 原理或胡-鹫原理都是本文所讨论的非线性弹性体的广义变分原理的近似特例。     

非线性弹性体大变形问题的新广义变分原理

本文把作者在文[1]中得到的关于非线性弹性体小变形问题的结果,推广到大变形问题,建立了非线性弹性体大变形问题的广义的余能原理。利用本文结果,有可能构造出新的有限元模型。本文还明确指出了本文结果和若干已知的含三类独立变量σ(应力)、e(应变)、u(位移)的无条件的变分原理中的自变量σ、e,仍然受到对称张量的变分约束条件的限制。这在变分原理的理论阐述和实际应用中都是有益的和不可忽视的。     

非线性薄壁复合曲梁广义变分原理之研究

应用拉氏乘子法建立了两端边界均为完全约束的复合材料自然弯曲闭口薄壁细长梁大位移变形弹性理论的非完全广义变分原理的泛函￣［１，２］，其中考虑了对叠层复合材料变得敏感的横向剪切变形以及和扭转有关的翘曲变形的影响，分析中还包括了拉压、弯曲和扭转的相互耦合。由泛函驻值条件可以导出所给问题的平衡方程及全部边界条件。上述方法还可以方便地推广到其它各种非完全约束边界的情况。此外，广义变分原理建立也有助于扩大有限元法和其它近似方法在薄壁复合曲梁中的应用。     

Reissner板问题的有限元广义混合法

用一般弹性体的广义混合变分原理,导出了适合Ｒｅｉｓｓｎｅｒ板弯曲问题的广义混合变分原理及其有限元广义混合法。算例说明,该有限元模式的刚度可以改变,比常规位移法的精度高,同时还能克服常规Ｒｅｉｓｓｎｅｒ板位移元用于计算薄板时所出现的“剪切自锁”现象,计算结果稳定,最后分析该法能够克服“剪切自锁”现象的原因。     

弹性力学广义混合变分原理及有限元广义混合法

本文提出大位移非线性弹性理论更为一般的变分原理,称为广义混合变分原理.其特点是在它们的泛函中,含有可供任意选择的附加函数.令这些函数为某些特殊值,就可得到大位移非线性弹性理论中已有的诸变分原理.此外,略去泛函中的高阶小量,就直接得到小位移线性理论的更一般的广义变分原理,由于篇幅所限,这部份内容在此不再详述.本文的主要内容有三部份:(1)用新的思路建立并证明广义混合变分原理(大位移非线性;并把线性,非线性诸变分原理统一在一个框架中);(2)把广义混合变分原理用于有限元分析,称为有限元广义混合法;这时泛函中的附加函数对有限元分析的精度有影响,如何选择它们,使数值解答最佳,是一个有待进一步研究的问题;本文建议一个选择它们的准则;(3)给出有限元广义混合法的算例;为了比较,本文以文献[6]中的题目为对象,计算了应力强度因子.结果表明,按本文建议的准则,广义混合法的解答精度较高(单元数目相同).     

关于非保守非线性动力弹性理论的广义变分原理

本文关于非线性弹性理论三类共轭变量对应的六种基本方程,用二变量和三变量直接法构成十二种互有联系的非保守动力体系的拟广义变分原理,它们形成一种统一理论;其中部分内容为文[2]用虚功原理——Lagrange乘子法导出的结果,但比之具有更普遍的意义.     

关于非线性弹性理论的变分原理

本文提出一类仅依赖于应力场的余能原理,说明在非线性弹性理论中类似于线性理论那样的仅以应力场为独立变量的纯粹的余能原理同样是存在的,同时还提出了一类仅以应变场为独立变量的原理,比较了它们与线性理论的余能原理的异同,并推导与上述原理对应的广义变分原理。最后提出同一变分原理有三种等价形式以整理各原理的关系,说明各变分原理不仅可从单一的虚功原理导出,而且都可以看作同一广义变分原理的各级不完全变分原理,给出上下端都封闭的关系图。     

虚功的等价性及其在固体力学中的应用

本文根据变分学原理提出一组与固体力学中基本微分方程、边界条件(等式或不等式)等价的虚功表达式(等式或不等式),并由此建立放松连续性条件的方程,导出了放松应力边界连续性条件的Saint—Venant原理的表达式、放松位移边界连续性条件下悬臂梁位移的新解答、放松所有约束条件的广义变分原理以及求解摩擦接触问题的变分不等式。     

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.     

弹性扁壳的广义变分原理及扁壳理论的某些问题

本文导出了一个以应力函数及挠度为变量函数的弹性扁壳的广义变分原理。在这个变分原理中,扁壳全部基本方程都是Euler方程,全部边界条件都是自然边界条件。 应用这个变分原理,我們討論了以下問題: 1.用应力函数及挠度表示几何边界条件的問題; 2.多連通扁壳的位移单位条件問題。 文内还导出了大挠度情形的广义变分原理。     

建议一种非线性弹性论的约束变分原理及其与广义变分原理的协调性

本文建议一种新的约束变分原理,通过拉氏乘子法构成广义变分原理,其拉氏乘子不为零值.     

平面曲杆的广义变分原理

1. 引言本文应用Lagfange乘子法,建立了两端边界均为完全约束的地下拱形结构动力分析的广义泛函(15);对于地面拱形结构的广义泛函,只要去掉广义泛函(15)中的抗力项即可;此外,还可以很简便地推广到各种不完全约束边界的情况中。对于非保守体系的各种情况,我们考虑了非保守力,给出了非保守体系的广义变分原理。同时在弹塑性分析中也是适用的。另外还给出了地下拱形结构静力分析的广义变分泛函(22)。     

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。     

非线性弹性薄壳静力学的一些基本原理

根据对偶互补的基本思想,系统地建立了非线性弹性薄壳静力学的各类变分原理.文中首先给出非线性薄壳静力学的广义虚功原理的表式,然后从该式出发,不仅能得到非线性薄壳静力学的虚功原理,而且通过所给出的广义Legendre变换,还能系统地成对导出非线性弹性薄壳静力学的3类变量(U,ε,x,N,M)、2类变量(U,N,M)变分原理、以及总势能驻值原理和总余能驻值原理的互补泛函.同时,通过这条新途径还能清楚地阐明这些原理的内在联系.     

对于建立弹性力学最一般广义变分原理的一点意见

自胡海昌-鹫津久一郎建立弹性力学的广义变分原理后,在线弹性与小变形的范围内,这个原理应该是最一般的了,因为它在变分时对应力,应变、位移不需要附加任何变分约束条件,而经过变分后能导出应力,应变和位移应满足的全部方程和条件,但目     

粘性流动动力学有限元变分原理

本文把建立有限元变分原理的一种新方法“Ｎ〉２直接方法”从固体力学推广到流体力学，并用该方法把粘性流体动力学的广义功率消耗原理＾［２］和广义变分原理＾［２］发展成为有限元变分原理。还在论证中发现，相邻有限元交界面上的应力协调条件会自然地满足而无需引进任何拉氏乘子。本文还建立了混合杂交非协调元的变分原理和广义变分原理，它解除了全部协调性约束条件和其它的边界性约束条件，但是并不增加待定的拉氏乘子，因此使     

刚塑性广义变分不等原理及其在平面应变分析中的应用

首先利用Lagrangian乘子法，从势能角度出发构造了考虑摩擦效应这一能导致变分不等形式的广义能量泛函，把一般的有条件的变分原理化为无条件的变分原理唯一确定，得出了各Lagrangian乘子所代表的物理意义。建立了刚塑性理论中的Coulomb摩擦约束的广义变分不等原理。而后基于退化的摩擦约束广义变分等式原理，对长矩形板镦粗进行了塑性加工工步分析，所得结果与经典上限法结果相吻合。     

粘性流体动力学有限元变分原理

本文把建立有限元变分原理的一种新方法“N>2直接方法”从固体力学推广到流体力学,并用该方法把粘性流体动力学的广义功率消耗原理和广义变分原理发展成为有限元变分原理。还在论证中发现,相邻有限元交界面上的应力协调条件会自然地满足而无需引进任何拉民乘子。本文还建立了混合杂交非协调元的变分原理和广义变分原理,它解除了全部协调性约束条件和其它的边界性约束条件,但是并不增加待定的拉氏乘子,因此使有限元计算得到简化。本文结果可以作为粘性流体动力学有限元计算的基础定理。     

试论极限分析变分式中乘子的不唯一性

1963年钱令希、钟万勰提出了关于极限分析的一个广义变分原理,其特点是速度场ν_i和应力场σ_(ij),可以同时独立变分,而屈服条件也在变分意义下得到满足。从而为近似求解复杂结构极限分析问题,提供了一个比较现实的新途径。用现在比较通用的话来说,他们建立的变分原理,是一个二类变量的广义变分原理。在这个变分式中,有一个乘子,曾