超细长弹性杆动力学的Gauss原理

研究基于Gauss 变分的超细长弹性杆动力学建模的分析力学方法.分别在弧坐标和时间的广义加速度空间定义虚位移,给出了非完整约束加在虚位移上的限制方程;建立了弹性杆动力学的Gauss原理,由此导出Kirchhoff方程、Lagrange方程、Nielsen方程以及Appell方程;对于受有非完整约束的弹性杆,导出了带乘子的Lagrange方程;建立了弹性杆截面动力学的Gauss最小拘束原理并说明其物理意义. 关键词： 超细长弹性杆动力学 分析力学 Gauss变分 最小拘束原理     

精确Cosserat弹性杆动力学的分析力学方法

以脱氧核糖核酸和工程中的细长结构为背景, 大变形大范围运动的弹性杆动力学受到关注. 将分析力学方法运用到精确Cosserat弹性杆动力学, 旨在为前者拓展新的应用领域, 为后者提供新的研究方法. 基于平面截面假定, 在弯扭基础上再计及拉压和剪切变形形成精确Cosserat弹性杆模型. 用刚体运动的概念描述弹性杆的变形, 导出弹性杆变形和运动的几何关系; 在定义截面虚位移及其变分法则的基础上, 建立用矢量表达的d’Alembert-Lagrange原理, 在线性本构关系下化作分析力学形式, 并导出Lagrange方程和Nielsen方程, 定义正则变量后化作Hamilton正则方程; 对于只在端部受力的弹性杆静力学, 导出了将守恒量预先嵌入的Lagrange方程, 并讨论了其首次积分. 从弹性杆的d’Alembert-Lagrange原理导出积分变分原理, 在线性本构关系下化作Hamilton原理. 形成的分析力学方法使弹性杆的全部动力学方程具有统一的形式, 为弹性杆动力学的对称性和守恒量的研究及其数值计算铺平道路. 关键词： 精确Cosserat弹性杆 分析动力学方法 变分原理 Lagrange方程     

Kirchhoff方程的相对常值特解及其Lyapunov稳定性

对于超细长弹性杆静力学的Kirchhoff方程，用动力学的概念和方法研究其常值特解 和稳定性问题.计算了Kirchhoff方程相对固定坐标系、截面主轴坐标系以及中心线Frenet 坐标系的常值特解，进行了Kirchhoff动力学比拟，用一次近似理论分别讨论了它们的Lyapu nov稳定性，导出了若干稳定性判据，并在参数平面上绘出了稳定域. 关键词： 超细长弹性杆 Kirchhoff方程 常值特解 Lyapunov稳定性     

完整力学系统的高阶运动微分方程

从质点系的牛顿动力学方程出发,引入系统的高阶速度能量,导出完整力学系统的高阶Lagrange方程、高阶Nielsen方程以及高阶Appell方程,并证明了完整系统三种形式的高阶运动微分方程是等价的.结果表明,完整系统高阶运动微分方程揭示了系统运动状态的改变与力的各阶变化率之间的联系,这是牛顿动力学方程以及传统分析力学方程不能直接反映的.因此,完整系统高阶运动微分方程是对牛顿动力学方程及传统Lagrange方程、Nielsen方程、Appell方程等二阶运动微分方程的进一步补充. 关键词： 高阶速度能量 高阶Lagrange方程 高阶 Nielsen方程 高阶Appell方程     

基于高斯原理的Cosserat弹性杆动力学模型

在动力学普遍原理中, 高斯最小拘束原理的特点是可通过寻求函数极值的变分方法直接得出运动规律, 而无须建立动力学微分方程. Kirchhoff动力学比拟方法以刚性截面的姿态表述弹性细杆的几何形态, 并发展为以弧坐标s和时间t为自变量的弹性杆分析力学. 由于截面姿态的局部微小改变沿弧坐标的积累不受限制, Kirchhoff模型适合描述弹性杆的超大变形. Cosserat弹性杆模型考虑了Kirchhoff模型忽略的截面剪切变形、中心线伸缩变形和分布力等因素, 是更符合实际弹性杆的动力学模型. 建立了基于高斯原理的Cosserat弹性杆的分析力学模型, 导出拘束函数的普遍形式, 以平面运动为例进行讨论. 关于弹性杆空间不可自相侵占的特殊问题, 给出相应的约束条件对可能运动施加限制, 以避免自相侵占情况发生.     

受曲面约束弹性细杆的平衡问题

作为DNA等一类生物大分子的力学模型，弹性细杆的非线性力学再次受到关注，形成一个力学与分子生物学的交叉学科.除了不受外界约束的自由弹性细杆外，受曲面约束的弹性细杆静力学具有重要的应用背景.在分析约束、约束方程和约束力的基础上建立了受曲面约束的圆截面弹性细杆的平衡微分方程，即曲面上的Kirchhoff方程，它是以截面主矢和截面姿态坐标以及中心线的Descartes坐标为变量的微分/代数方程.作为应用，讨论了约束是圆柱面的情形.此时平衡的无量纲方程仅含的物理参数是截面对形心的抗扭刚度和对主轴的抗弯刚度的比值，与几何参数无关.由此导出方程的螺旋杆特解.数值计算表明，对弹性细杆中心线的几何形状有显著影响的是截面主矢和姿态坐标及其导数的起始值，而不是物理参数. 关键词： 弹性细杆 DNA超螺旋 曲面约束 螺旋杆     

弹性细杆平衡的动态稳定性

从动力学观点讨论弹性细杆的平衡稳定性问题.建立了弹性杆的动力学方程，导出了杆的弯扭度与截面角速度之间的运动学关系式.对具有弧坐标s和时间t双重自变量的离散动力系统扩充了Lyapunov 稳定性定义.以具有初扭率的非圆截面直杆的平衡稳定性为例，应用一次近似方法证明了当静力学意义下的稳定性条件得到满足时，动力学意义下的稳定性条件必同时满足. 关键词： 弹性杆动力学方程 Kirchhoff理论 Lyapunov稳定性     

超细长弹性杆的Mei对称性及其Noether守恒量

基于Kirchhoff的动力学比拟,用动力学的概念和方法研究圆截面弹性杆的Hamilton函数和方程,并给出弹性杆的Mei对称性定义和定理以及定理的证明,最后给出弹性杆动力学系统的Mei对称性导致Noether守恒量的条件及定理,并给出算例. 关键词： 超细长弹性杆 Mei对称性 Noether守恒量     

圆截面弹性螺旋杆的稳定性与振动

基于Kirchhoff理论讨论圆截面弹性螺旋杆的动力学问题.以杆中心线的Frenet坐标系为参考系，建立用欧拉角描述的弹性杆动力学方程.讨论其在端部轴向力和扭矩作用下保持的无扭转螺旋线平衡状态.在静力学和动力学领域内讨论其平衡稳定性问题.还讨论了弹性杆平衡的Lyapunov稳定性和欧拉稳定性两种不同稳定性概念之间的区别和联系.在一次近似意义下证明了螺旋杆在空间域内的欧拉稳定性条件是时域内Lyapunov稳定性的必要条件.导出了解析形式螺旋杆三维弯曲振动的固有频率，为螺旋线倾角和受扰挠性线波数的函数. 关键词： 弹性螺旋杆 Kirchhoff动力学比拟 Lyapunov稳定性 欧拉稳定性     

事件空间中力学系统的微分变分原理

研究事件空间中力学系统的微分变分原理.基于D'Alembert原理，建立了事件空间中力学系统的D'Alembert-Lagrange原理、Jourdain原理、Gauss原理和万有D'Alembert原理，给出了这些原理的Euler-Lagrange参数形式、Nielsen参数形式和Appell参数形式，并导出了万有D'Alembert原理的Mangeron-Deleanu参数形式. 关键词： 分析力学 事件空间 微分变分原理     

Jourdain Principle of a Super-Thin Elastic Rod Dynamics

A super thin elastic rod is modeled with a background of DNA super coiling structure, and its dynamics is discussed based on the Jourdain variation. The cross section of the rod is taken as the object of this study and two velocity spaces about are coordinate and the time are obtained respectively. Virtual displacements of the section on the two velocity spaces are defined and can be expressed in terms of Jourdain variation. JourdMn principles of a super thin elastic rod dynamics on arc coordinate and the time velocity space are established, respectively, which show that there are two ways to realize the constraint conditions. If the constitutive relation of the rod is linear, the Jourdain principle takes the Euler-Lagrange form with generalized coordinates. The Kirchhoff equation, Lagrange equation and Appell equation can be derived from the present Jourdain principle. While the rod subjected to a surface constraint, Lagrange equation with undetermined multipliers may be derived.     

Fractional differential equations of motion in terms of combined Riemann—Liouville derivatives

In this paper,we focus on studying the fractional variational principle and the differential equations of motion for a fractional mechanical system.A combined Riemann-Liouville fractional derivative operator is defined,and a fractional Hamilton principle under this definition is established.The fractional Lagrange equations and the fractional Hamilton canonical equations are derived from the fractional Hamilton principle.A number of special cases are given,showing the universality of our conclusions.At the end of the paper,an example is given to illustrate the application of the results.     

Covariant Canonical Formalism of Fields

The canonical formalism of fields consistentwith the covariance principle of special relativity isgiven here. The covariant canonical transformations offields are affected by 4-generating functions. All dynamical equations of fields, e.g., theHamilton, Euler–Lagrange, and other fieldequations, are preserved under the covariant canonicaltransformations. The dynamical observables are alsoinvariant under these transformations. The covariantcanonical transformations are therefore fundamentalsymmetry operations on fields, such that the physicaloutcomes of each field theory must be invariant under these transformations. We give here also thecovariant canonical equations of fields. These equationsare the covariant versions of the Hamilton equations.They are defined by a density functional that is scalar under both the Lorentz and thecovariant canonical transformations of fields.     

Dirac structures in Lagrangian mechanics Part II: Variational structures

Part I of this paper introduced the notion of implicit Lagrangian systems and their geometric structure was explored in the context of Dirac structures. In this part, we develop the variational structure of implicit Lagrangian systems. Specifically, we show that the implicit Euler–Lagrange equations can be formulated using an extended variational principle of Hamilton called the Hamilton–Pontryagin principle. This variational formulation incorporates, in a natural way, the generalized Legendre transformation, which enables one to treat degenerate Lagrangian systems. The definition of this generalized Legendre transformation makes use of natural maps between iterated tangent and cotangent spaces. Then, we develop an extension of the classical Lagrange–d’Alembert principle called the Lagrange–d’Alembert–Pontryagin principle for implicit Lagrangian systems with constraints and external forces. A particularly interesting case is that of nonholonomic mechanical systems that can have both constraints and external forces. In addition, we define a constrained Dirac structure on the constraint momentum space, namely the image of the Legendre transformation (which, in the degenerate case, need not equal the whole cotangent bundle). We construct an implicit constrained Lagrangian system associated with this constrained Dirac structure by making use of an Ehresmann connection. Two examples, namely a vertical rolling disk on a plane and an $L$–$C$ circuit are given to illustrate the results.