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。     

亦论广义变分原理与无条件变分原理——就本题答胡海昌先生

本文就胡海昌先生提出的:(1)变分原理的边界(约束)条件算不算约束;(2)关于广义变分原理的命名的争论,进行了详细的答复。     

非保守弹性动力学初值问题的简单Gurtin型拟变分原理

按照广义力和广义位移之间的对应关系,将弹性动力学基本方程卷积乘上相应的虚量,然后积分且代数相加,并利用体积力和面积力均为伴生力这一特征,建立了非保守系统初值问题的简单Gurtin型五类变量的完全拟变分原理.更进一步地还建立了非保守系统初值问题的简单Gurtin型不完全拟变分原理和有条件不完全拟变分原理.在建立非保守系统初值问题的各类简单Gurtin型拟变分原理的同时,还将变积方法推广为卷变积方法.最后,介绍了寻求伴生力的方法.     

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。     

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.     

广义变分不等原理在圆柱体非均匀镦粗中的应用

基于摩擦约束广义变分不等原理，对圆柱体非均匀镦粗成形工艺进行详细的塑性加工工步分析，实践证明了广义变分不等原理理论的正确性和实际操作的可行性以及优越性。     

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.      

基于Herglotz型微分变分原理研究相空间中非保守系统的守恒律

为了进一步探究非保守系统的Herglotz变分问题与其守恒律之间的关系,该文提出并研究基于Herglotz型微分变分原理构建相空间中非保守力学系统的守恒律.首先,基于相空间中非保守系统的Herglotz变分问题,建立该系统的Herglotz型微分变分原理;其次,利用广义变分与经典等时变分之间的关系,给出微分变分原理不变性条件的变换,并建立非保守系统的守恒定理,得到了该系统基于Herglotz变分问题的守恒量及其存在条件;再次,导出守恒定理的逆定理,由相空间中非保守系统的已知守恒量可找到无限小变换的空间和时间的生成元.文末举例说明结果的应用.     

结构边界约束修改后的重分析方法

在结构设计优化中经常将结构边界约束作为设计优化对象,结构边界约束的修改通常导致系统的求解规模发生改变,使得快速准确分析修改后结构的响应成为一个挑战。本文发展了逐次矩阵逆(SMI)方法,提出了一种适合各种结构边界约束(包括初始结构中的约束)修改的快速重分析算法。该方法利用边界约束修改后对应刚度矩阵的对称性,有效缩减了计算量。数值算例表明,本文方法能够快速给出精确的重分析结果。     

基于非约束模态刚柔耦合系统的动力刚化分析

以挠性航天器为研究对象,引入非约束模态概念,建立了含有动力刚化效应的刚柔耦合动力学模型。首先,根据Hamilton变分原理建立挠性航天器动力学模型;然后,根据非约束模态正交性分离振型,得到离散化的非约束模态的动力学模型;最后,对给定激励下动力学方程仿真,并与约束模态情况进行对比。仿真结果表明:非约束模态一次动力学模型的广义刚度随航天器转速提升而增大,且随转速的提升更加明显,出现动力刚化现象,非约束模态零次动力学模型广义刚度随航天器转速的提升出现为负的情况,不存在动力刚化现象;基于非约束模态一次动力学模型挠性附件的响应振幅较约束模态刚柔耦合系统小,且随航天器转速的提升同样不会出现发散情况,适用于航天器在任何转速情况下建模。非约束模态零次动力学模型挠性结构振动振幅随转速的提升出现发散情况,即便非约束模态建模方法优于约束模态,非约束模态零次模型也不适用于航天器高转速情况。     

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。     

非线性有限元分析的非协调模式及存在的问题

利用非协调模式提高非线性有限元分析广泛采用的低阶单元的精度和性能,是国际计算力学界研究的热点和难点.阐述了国际上在非线性有限元分析中已广泛采用的增广假设应变法方法(the enhanced assumed strain, EAS)的基本原理,详细讨论了非协调模式用于非线性有限元分析保证收敛、稳定的条件及增广假设应变场插值函数的构造方法.介绍了国内学者关于几何非线性非协调模式的研究方法和研究成果: (1)从Hellinger-Reissner广义变分原理出发,提出了几何非线性非协调模式的收敛条件,并采用非线性计算的若干简化措施建立几何非线性非协调元的简化模型;(2)一类放松单元间协调要求的非线性广义变分原理,对几何非线性问题可以选择事先无协调约束的非协调函数建立非协调元,收敛性可以保证,并根据此非线性广义变分原理可建立C$^1$或C$^0$类几何非线性广义杂交元,C$^1$或C$^0$类精化杂交元和精化直接刚度法.指出了EAS方法用于非线性有限元分析存在的问题,即本构关系和求解方法的限制,并对非协调元应用于非线性有限元分析提出了展望.      

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(续)

四大位移非线性弹性体的广义变分原理--完全的和不完全的我们也可以通过拉格朗日乘子法,导出大位移非线性弹性体的有关广义变分原理,设λ_(ij)和μ_i为待定的拉格朗日乘子,于是根据(49)式导出的无条件的广义变分泛函为 ...     

建议一个大变位热弹塑性极限分析模型及广义变分原理

本文建议一种供大变位热弹塑性极限分析用的基本模型及得到广义变分原理。大变位极限分析问题固然是要求求取稳定性解,我们也期望广义变分原理有利于为此提供某些近似解途径。其中吸取文献〔1〕关于小变位弹塑性介质极限分析问题比之文献〔2-6〕的二点改进之处,一是变分泛函中包含划分弹、塑性域变量,二是物性模型扩大为弹塑性介质,包括刚塑性介质。同时讨论了变分泛函可能存在的各种形式,其中包括分域问题。符号应力σ_(ij);位移速度v_i;熵流S_i;温度T;热胀系数a_(ij);比热C;体力f_i;热源q;屈服常数k;域V其边界S;热弹性域V_e;热塑性域V_p;边界单位法线n_i;上划“一”为边界给定值。     

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。     

固体力学:变分方式的表达

《Solid Mechanics:A Variational Approach》(固体力学:变分方式的表达)著者为C.L.Dym及I.H.shames教授,1973年McGraw-Hill出版.它是一本适合于理工科力学专业或研究生使用的固体力学教科书. 本书对于固体力学主要是弹性力学及应用弹性力学作了变分方式的表达.全书共计九章,分别为:线弹性力学(分为应力,应变,一般原理,及平面应力四个分章);变分法引论;弹性力学的变分原理(分为关键的变分原理,卡氏定理与结构力学,二次泛函与     

基于非标准Lagrange函数下非完整系统的广义Chaplygin方程

本文提出并研究基于非标准Lagrange指数函数和非标准Lagrange幂函数下非完整系统的广义Chaplygin方程．给出基于非标准Lagrange函数下非完整系统动力学的微分变分原理,建立相应非标准Lagrange函数下动力学系统受线性非完整约束和非线性非完整约束下的广义Chaplygin方程．并举例说明结果的应用．     

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。     

任意旋成面叶栅气动正命题的广义变分原理、变分原理与互偶极值原理

本文致力于任意旋成面叶栅和流道气动正命题(沿叶面可有气体喷人或吸出,例如边界层控制、气膜式或发汗式冷却等)的变分原理的探索研究,为在叶轮机气动计算领域中引进和推广有限元法提供一个较严密的理论基础.结果有:1.对均熵流动,建立了两条广义变分原理,并从它们派生出两族亚广义变分原理,包括亚声速下的一对互偶极值原理;2.对非均熵流动,建立了一条广义变分原理,并由此派生出一族亚广义变分原理.文中着重充分发挥自然边界条件和人工界面的有力作用,以简化叶栅复杂多样的边界条件的处理.除用于有限元法外,它们也为变分一差分法和各种变分直接解法创造了有利条件.