二维振荡机翼含激波跨声速非定常势流的变分原理

本文研究任意二维机翼作任意周期振荡时的跨声速非定常绕流问题,为之建立了相应的变分原理。文中力图充分发挥‘变域变分’和‘自然界面条件’这两个有力工具的作用,把振荡激波和自由尾涡面上的间断条件(例如Rankine-Hugoniot激波条件)也都转化成了自然界面条件,以有利于数值处理,并兼顾了翼面吸(喷)气的作用。本文旨在为将有限元法及其它变分直接解法引进非定常跨声速流动领域提供一个较完密的理论基础,并可进一步推广到三维机翼、二维及三维旋转叶栅的同类气动问题中去。     

三维非定常可压跨声速有旋流动的统一变域变分理论

本文利用Ｃｌｅｂｓｃｈ变量,应用半反推法首次建立了三维非定常可压跨声有旋流体的广义变分原理及变分原理族,应用变域变分工具,几乎所有界面条件（包括激波、尾涡面条件等）都转化成了自然边界条件,这给有限元计算带来了很大的方便。     

转子内含激波跨声速全三元流动各类杂交命题统一的变域变分理论:(Ⅰ)势流

本文将文[1,16]所提出的各类杂交气动命题统一的变域变分原理推广到全三元亚跨声速流动,并顾及了叶面及内外壁上的抽(喷)气分布,应用变域变分工具成功地处理了全部未知边界与间断面(例如激波、自由尾涡面),将几乎全部界面条件都转化成自然条件。本文理论为叶片的气动设计与改型提供了一系列新途径,为有限元法及其它变分直接解法奠定了新的理论基础,同时也是叶片最优设计理论[6]的一个重要组成部分。     

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。     

热压电变分原理

热释电介的许多传感器及机敏结构或中的关键材料，本文系统地讨论了在基础理论和数值计算中极具重要地位的各类变分原理，包括准静态变分原理、动态变分原理和关于固有频率的变分原理。最后建立了关于静态压电要板的变分原理，并由此导出了各向异性压电板的控制方程及边界条件。     

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。     

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。     

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。     

建议一个极限分析的广义变分原理

刚塑性介质极限分析广义变分原理的工作,钱令希等和Mura-Lee 提出,王仁等作了讨论,存在的问题是关于泛函及刚、塑性分界面参量的正确取法.薛大为引用Lagrange 乘子法得到正确结果,但不足之处是变分泛函中未取界面参量,因而积分域出现了事先未定的塑性域,使用中限制了自由性.鉴于此,本文完成了二方面的工作:1)扩大了物理模型,即采用弹塑性介质屈服、流动条件(见[5]),并形式上取各向异性非均匀介质,得到的结果包含或可退化为刚塑性的情况,这样就扩大了实用范围.2)针对上述存在问题,给出二种正确的包含分域参数的泛函.一是据作者过去引进分域参     

翼型跨音速流动计算和外形设计的变域变分有限元方法

在气体动力学问题研究中经常会碰到诸如激波、翼型设计等未知界面问题。未知界面的存在为该类问题的理论分析和数值求解带来了很大困难。刘高联针对未知界面问题发展了一种变域变分有限元方法,该方法将未知界面看作是一个变化区域的边界,采用变域变分将未知界面结合在变分泛函中,使其与求解流场的控制方程结合起来,从而将未知界面的求解和流场的求解完全耦合进行,因而是一种处理未知界面的独特工具,极适合于气动外形的设计求解。本文运用变域变分有限元方法对翼型跨音速流动正、反命题进行了数值研究。由于在跨音速翼型绕流中存在激波,所以为了得到压缩激波解,采用了“人工密度”办法。几个算例均得到了满意的计算结果和设计结果,证明了本文方法的有效性和优越性。     

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.     

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。     

广义变分原理与无条件变分原理

在讨论变分原理和有限元素法的许多文献中,常常出现“广义变分原理”和“无条件变分原理”这样两个名词。在不同的文献中,例如在专著[1]～[3]中,这两个名词有不同的含义,给读者带来许多不便。本文对此进行讨论,并希望能求得一致的理解和用法。有无条件是一个古老的数学概念,指的是变分式中的自变函数事前要不要满足某种条件(不包括函数的连续性、可导性、可积性等一系列定性的要求,有时甚至不包括边界条件,见文献[3]第21页)。如果在某变分式中,自变函数事前不用满足什么条件,那末     

关于线粘弹性动力学中各种变分原理

本文提出一条简单而统一的新途径,系统地建立了线粘弹性动力学中各种简化Gurtin型变分原理,文中首先给出一个很有用的以卷积表示的积分关系式,然后从该式出发,系统地导出成互补关系的五类变量、四类变量、三类变量、二类变量及一类变量简化Gurtin型变分原理,并清楚地阐明它们之间的内在联系,而且,还发现当前在国际上有广泛影响的力学变分原理方面的名著[1]及文[2]中,所给出的四个变分原理的泛函式均有误.本文除给出这四个正确的泛函式外,还建立了一些新的更一般广义变分原理。     

Gurtin变分原理及其应用的时间有限元法

动力学Ｇｕｒｔｉｎ变分原理完整地表征了动力学的全部特征。由于在Ｇｕｒｔｉｎ变分原理的泛函中含有双重卷积，给时间域的离散带来很大困难。本文通过在Ｌａｐｌａｃｅ空间构造泛函，获得了几个具有单重卷积的Ｇｕｒｔｉｎ原理。由于卷积降阶，所给出的泛函更加便于应用。本文还通过在时间域采用适当的插值多项式逼近广义节点坐标，进一步讨论了时间有限元法实施的基本原理和步骤。     

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     

不可压流体饱和多孔弹性梁的变分原理及有限元方法

基于不可压饱和多孔弹性梁动力弯曲的数学模型,建立了以多孔弹性梁挠度和孔隙流体压力等效力偶为宗量的Gurtin型变分原理,并给出了特殊边界条件下解耦时的仅以挠度为宗量的变分原理.同时,作为动力响应的退化情形,讨论了拟静态情形下的相应变分原理.根据所建立的变分原理,导出了一个有限元离散公式.由于Gurtin型变分原理是关于时间的卷积型的泛函,空间的有限元离散导致一个关于时间的对称微分一积分方程组,此方程组可进一步转化为常微分方程组.利用隐式Euler法,给出了时间区域的计算格式.作为一个数值例子,分析了饱和多孔弹性悬臂梁在自由端简谐载荷作用下的动力响应,分析了流相与固相相互作用对饱和多孔弹性悬臂梁动力响应的影响.     

组合型带肋扁扭壳的广义变分原理及内力分析

本文给出了组合型带肋扁扭壳广义变分原理的三种表达式,以及用应力函数φ和挠度w为变量的混合型广义变分式.根据这些广义变分式导出了十字脊线处的衔接条件.应用变分差分法,从以φ和w为变量的混合型广义变分式出发,求得了各种常用边界条件下的有矩理论解.本文理论分析结果得到了模型试验的证实,并已应用于实际工程中.附录中给出了组合型扭壳与边拱协同工作的广义势能原理表达式.     

平面扇形域问题的新正交关系和变分原理

通过构造新的对偶向量, 用空间的环向坐标数学上比拟Hamilton体系的时间变量,在平面弹性扇形域问题中导出了一个斜对角Hamilton算子. 该算子具有主对角元为零,斜对角元是非零对称算子的结构特性. 得到两个独立的、对称的子正交关系.恰当选择对偶向量后, 直角坐标系下各向同性平面弹性问题的新正交关系被推广到极坐标情形. 根据控制微分方程的弱(积分)形式及相应的边界条件,建立了对应边值问题的变分原理, 并提出了相应的泛函表达式.      

二维Nonlocal线弹性理论的变分原理与对偶方程

基于Eringen提出的Nonlocal线弹性理论的微分形式本构关系,导出了相应的能量密度表达式,进而得到二维Nonlocal线弹性理论的变分原理.利用变分原理导出了对偶平衡方程和相应的边界条件.进而给出了非局部动力问题的Lagrange函数,并引入对偶变量和Hamilton函数,得到了对偶体系下的变分方程.在Hamilton体系下,通过变分得到了二维Nonlocal线弹性理论的对偶平衡方程和相应的边界条件.