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。     

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。     

弹性理论中非保守问题的一般变分原理

本文提出并证明了在用“伴生”力系统代替非保守系统时弹性理论中若干变分原理,由于在这种系统中作用力可为非保守力,这些原理只能以拟变分形式表示,即拟势能原理、拟余能原理、广义拟变分原理以及拟Hamilton原理,利用给出的变分原理,计算了在非保守力作用下压杆等问题的临界荷载。     

论虚位移原理

本文简述了虚位移原理的形成与发展的历史要点,突出了拉格朗日把此原理看作静力学普遍原理的观点,根据平衡的经典定义表达了虚位移原理的最一般形式,并发展了拉普拉斯解除约束原理的思想,利用自由虚位移集合的分解式给出了虚位移原理的纯静力学的证明。     

包含终值条件为驻值条件的哈氏型弹性动力学变分原理

对于弹性动力学的终值问题,给出了包含终值条件为驻值条件的Hamilton型弹性动力学变分原理,其中有位能作用量变分原理、余能作用量变分原理,广义位能作用量变分原理及广义余能作用量变分原理。通过一个简例说明了所给原理的应用。     

经典力学基本微分原理与不完整力学组的运动方程

本文引入坐标空间、速度空间和加速度空间三个基本空间概念,给出了各个空间所对应的约束和虚位移的定义.以此作为基础,对经典力学的三个基本微分原理(D'Alembert-Lagrange原理,Bertrand原理以及Gauss原理)给出了统一的表述.此外,又从Bertrand原理出发,导出了关于不完整力学组的一系列运动方程.     

弹性接触问题的势能原理及其算法

本文从弹性有摩擦接触问题的最小余能原理出发,首先约化了二次规划计算表的尺度,然后对这个计算表进行反演,推出最小势能原理的二次规划计算表。指出计算工作可以从最小势能原理直接进行,而不必通过余能原理来转化。最后对最小势能原理作出了表述形式及其证明。     

GAUSS PRINCIPLE OF LEAST CONSTRAINT IN GENERALIZED COORDINATES AND ITS GENERALIZATION

当采用广义坐标描述系统的运动时,相比质点形式的高斯最小拘束原理,通过广义坐标形式的高斯最小拘束原理来建立动力学优化模型,计算效率更高. 从高斯原理的变分形式出发推导了广义坐标形式的高斯最小拘束原理,并研究了非理想约束、单边约束及刚体碰撞情形下的高斯最小拘束原理的形式. 研究认为:对刚体碰撞情形下,高斯最小拘束原理不能取代碰撞恢复定律,碰撞恢复定律以碰撞后广义速度的约束方程形式起作用.     

耗散系统的虚功变分不等式及其应用

对于保守系统,能量变分原理为推导力学系统控制方程提供了简洁的途径.对于耗散系统,控制方程的建立往往需要引入经验的或理性的假定,增大了建模的难度.针对耗散系统,引入系统局部稳定的概念,并在此基础上,提出一类虚功变分不等式.这一不等式事实上揭示了耗散系统的一类虚功不等原理.该原理的物理含义为:使系统状态稳定的必要条件是,在该状态附近所有可能的虚拟路径上系统释放的势能不大于系统耗散的能量.研究表明:仅需结合虚功不等原理和能量守恒原理,即可导出准静态系统力学状态量的全部控制方程.作为应用,文章重新讨论了塑性力学,结合虚功不等原理与能量守恒原理,导出经典塑性力学的全部控制方程,并证明了经典的最大塑性耗散原理可以作为虚功不等原理的推论导出;同时,以Mohr-Coulomb强度准则为例,讨论了虚功不等原理在强度理论中的应用,说明基于应力的强度准则可以是基于能量的稳定性准则的推论.上述例子说明了虚功不等原理的广泛适用性和在建立耗散系统控制方程中的有效性.     

以Jaumann应力和右伸长张量为共轭变量的一对广义变分原理

本文提出了以Jaumann应力和右伸长张量作为共轭应力应变变量的一对非线性广义变分原理,其中一个是势能原理,另一个是余能原理。     

变加速动力学系统的广义高斯最小拘束原理

变加速运动在日常生活和工程问题中普遍存在.变加速动力学又称牛顿猝变动力学,因其在混沌理论和非线性动力学中的应用而获得广泛关注.高斯原理是一个具有极值性质的微分变分原理.因此,研究变加速动力学系统的广义高斯原理在理论和应用两方面都有重要意义.文章提出并研究变加速动力学系统的广义高斯原理.首先,引入急动度空间的广义高斯变分概念,将质点的达朗贝尔原理对时间求导数后与广义高斯变分点乘,并利用高斯意义下的理想约束条件,建立了变加速动力学系统的广义高斯原理.在此基础上,通过构造广义拘束函数建立并证明变加速动力学系统的广义高斯最小拘束原理,并给出原理的阿佩尔形式、拉格朗日形式和尼尔森形式.其次,研究原理对变质量力学的推广.从密歇尔斯基方程出发,将它对时间求导并与广义高斯变分点乘,建立了具有理想约束的变质量变加速动力学系统的广义高斯原理.通过构造变质量系统的广义拘束函数,建立并证明变质量力学系统变加速运动的广义高斯最小拘束原理.文中以开普勒-牛顿空间问题为例,利用所得的广义高斯最小拘束原理方法进行计算,验证了方法的有效性.     

理论力学研究性教学新探索——质点系变分原理与弹性介质(结构)变分原理

本文从理论力学研究性教学角度探讨质点系经典变分原理与连续介质/结构变分原理之间的理论联系。弹性介质/结构属于空间连续分布的相互作用质点系,通过将质点之间的弹性相互作用力视作特殊的主动力（有势力）,从而准确构造弹性相互作用所做的内力功,实现将质点系变分原理过渡到弹性介质/结构力学的变分原理。论文通过对比分析,将详细说明质点系变分原理与弹性介质/结构变分原理的理论对应关系,并强调在基础力学研究性教学中展示这一理论联系的必要性。     

分析力学初值问题的一种变分原理形式

明确了分析力学初值问题的控制方程,按照广义力和广义位移之间的对应关系,将 各控制方程卷乘上相应的虚量,代数相加,进而在 原空间中建立了分析力学初值问题的一种变分原理形式,即建立了分析力学初值问题的卷积 型变分原理和卷积型广义变分原理. 推导了分析力学初值问题卷积型变分原理和卷积型广义 变分原理的驻值条件. 在建立分析力学初值问题的一种变分原理形式的同时, 将变积方法推广为卷变积方法.     

虚功原理不同于最小势能原理

虚功原理和最小势能原理是力学中的重要变分原理。许多固体力学文献在引用这两个原理时,常常说它们是"一致的","等价的","本质上是相同的"等等。本文将指出,它们是不同的。为具体起见,这里用小位移弹性理论来讨论。一、最小势能原理所反映的客观规律首先弄清最小势能原理反映了那些客观规律。弹性体系统的总势能是 ...     

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。     

变分原理和非线性力学

非线性力学应用广泛,研究它的求解方法日益重要。求解方法的基础是变分原理。本文将求解方法分成两类,一种是采用Gurtin的卷积形式,另一种是谱分解形式。作者曾对非线性力学的变分原理进行研究,建立了各种变分原理,其中较多地采用了谱分解形式。本文介绍了作者的一些工作,包括悬挂结构、薄壳、土力学和随机振动方面的变分原理,其中有关弹性-孔隙介质固结的动力学和随机振动的原理首次在本文中发表。根据变分原理可用有限元法求解。     

再论变形体虚功原理

在现有结构力学教材中,关于虚功原理的表述大体上可以分为4大类: 虚功原理是一充分必要性命题; 虚功原理是一充分必要性命题但只证明必要性部分; 虚功原理仅仅是必要性命题,但它有2种``应用'------虚位移原理和虚力原理; 虚功原理仅仅是必要性命题,它和虚位移原理、虚力原理是有异同的. 即使是最近出版的``十一五'规划教材中,也还存在虚功原理是一充分必要性命题的提法. 为此,再次给出原理的正确阐述和证明,指出需要对虚功原理和虚位移原理加以区分,阐明它们之间的异同.     

刚体动力学的拟变分原理及其应用

为了适应航天事业发展的需要,极有必要开展多柔体系统的理论分析.作为应用非保守系统的拟变分原理进行多柔体动力学的理论分析的组成部分,研究了刚体动力学的拟变分原理及其应用:建立了刚体动力学的拟变分原理,推导出刚体动力学的拟变分原理的拟驻值条件; 建立了刚体动力学的广义拟变分原理,说明了应用广义拟变分原理求得问题的解析解和数值解的途径; 最后,借助算例说明了应用变分方法来研究刚体动力学问题的优越性.      

热弹性力学的广义变分原理

Biot建立了热弹性力学的变分原理。此后,和Ⅲ将上述变分原理推广到有热源的情况,从而导出了热弹性力学的力学平衡方程,力的边界条件以及具有热源的热传导方程。 下面建立带有运算子的热弹性力学的广义变分原理。根据此原理可以导出力学平衡     

抖空竹的力学原理分析

空竹是我国传统的音响玩具,具有健身功效．抖空竹的技艺中蕴涵着丰富的力学原理,尤其是单轮空竹,与回转仪的原理如出一辙．主要阐述抖单轮空竹中的几个基本的力学原理．