Kirchhoff弹性杆动力学建模的分析力学方法

以杆的横截面为研究对象，讨论了其自由度，给出了截面虚位移定义，并定义变分和偏微分运算对独立坐标服从交换关系. 给出了曲面约束的基本假设，讨论了约束对截面自由度的影响以及加在虚位移上的限制方程. 从D'Alembert原理出发结合虚功原理，建立了弹性杆动力学的D'Alembert-Lagrange原理，当杆的材料服从线性本构关系时，化作Euler-Lagrange形式、Nielsen形式和Appell形式. 由此导出了Kirchhoff方程以及Lagrange方程、Nielsen方程和Appell方程，得到 关键词： 超细长弹性杆 分析力学方法 Kirchhoff动力学比拟 变分原理     

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     

高阶非完整约束系统嵌入变分恒等式的积分变分原理

本文从高阶非完整系统嵌入变分恒等式的积分变分原理出发, 根据三种不等价条件变分的选取, 得到了高阶非完整系统的三类不等价动力学模型, 即高阶非完整约束系统的vakonomic方程、Lagrange-d'Alembert 方程和一种新的动力学方程. 当高阶非完整约束方程退化为一阶非完整约束时, 利用此理论可以得到一般非完整系统的vakonomic模型、Chetaev模型和一种新的动力学模型. 最后借助于应用实例验证了结论的正确性. 关键词： 高阶非完整约束 变分恒等式 条件变分 vakonomic动力学     

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.     

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     

基于能量守恒框架下的波动力学理论研究

基于波动力学的基本概念,提出了在能量守恒框架下建立波动力学方程的新思路与方法.首先,回顾了用牛顿第二定律推导波动力学方程,同时回顾并分析了利用Hamilton变分原理,推导了在连续介质中的Lagrange方程、Hamilton正则方程,以及相应的波动力学方程;其次,在能量守恒的框架下,建立了连续介质的Lagrange方程、Hamilton正则方程和波动力学方程,并证明其结果与利用经典力学推导的结果的一致性,特别地,澄清了用Hamilton变分原理建立保守系统下连续介质的Lagrange方程和Hamilton正则方程时在边界条件应用时的一些模糊认识.在能量守恒框架下建立一系列动力学方程,为我们在不涉及泛函求极值的变分原理等基础上刻画和表述复杂介质中波动现象的演化规律提供了另一种途径,也深入探讨了最小作用原理的物理本质.最后,在能量守恒的框架下给出了建立黏弹性介质中的波动力学微分方程的应用.     

三类非完整变分下的约束运动微分方程

在分析三类不等价的非完整变分,即vakonomic变分、Suslov变分和Hlder变分的基础上,利用Lagrange乘子法和稳定作用量原理,讨论非线性非完整约束系统在这三类变分下的运动微分方程,论证了这三类微分方程等价的条件-作为一般约束系统的特例,得到了仿射非完整约束系统的运动微分方程-最后借助两个实例验证了结论的正确性- 关键词： 非完整约束 Chetaev条件 vakonomic动力学 Lagrange乘子法     

转动系统相对论性Birkhoff动力学的基本理论

建立转动系统相对论性Birkhoff动力学的基本理论,给出其Birkhoff函数和Birkhoff函数组、Pfaff作用量、Pfaff-Birkhoff原理、Pfaff-Birkhoff-D’Alembert原理,以及Birkhoff方程.并研究转动系统相对论性Lagrange力学、Hamilton力学与转动系统相对论性Birkhoff动力学之间的关系,证明完整保守、完整非保守转动相对论系统都可纳入转动相对论Birkhoff系统 关键词： 转动系统 相对论 Birkhoff动力学 变分原理     

非完整系统Chetaev动力学和vakonomic动力学的等价条件

就一般非完整约束系统，从约束方程满足的变分恒等式出发，利用增广位形流形上的向量场定义三类非自由变分，即非完整变分：vakonomic变分、Hlder变分、Suslov变分，并讨论它们之间的关系以及它们成为自由变分的充要条件.利用非完整变分以及相应的积分变分原理建立两类动力学方程：vakonomic方程和Routh方程或Chaplygin方程.通过vakonomic方程分别与Routh方程和Chaplygin方程比较，得到它们具有共同解的两类充分必要条件.这些条件并不是约束的可积性条件. 关键词： 非完整约束 非完整变分 Chetaev条件 vakonomic动力学     

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.     

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     

Dynamics of nonholonomic systems from variational principles embedded variation identity

Nondeterminacy of dynamics, i.e., the nonholonomic or the vakonomic, fundamental variational principles, e.g., the Lagrange-d'Alembert or Hamiltonian, and variational operators, etc., of nonholonomic mechanical systems can be attributed to the non-uniqueness of ways how to realize nonholonomic constraints. Making use of a variation identity of nonholonomic constraints embedded into the Hamilton's principle with the method of Lagrange undetermined multipliers, three kinds of dynamics for the nonholonomic systems including the vakonomic and nonholonomic ones and a new one are obtained if the variation is respectively reduced to three conditional variations: vakonomic variation, Hölder's variation and Suslov's variation, defined by the identity. Therefore, different dynamics of nonholonomic systems can be derived from an integral variational principle, utilizing one way of embedding constraints into the principle, with different variations. It is verified that the similar embedding of the identity into the Lagrange-d'Alembert principle gives rise to the nonholonomic dynamics but fails to give the vakonomic one unless the constraints are integrable.     

Noether symmetry and conserved quantities of the analytical dynamics of a Cosserat thin elastic rod

In this paper, we investigate the Noether symmetry and Noether conservation law of elastic rod dynamics with two independent variables： time t and arc coordinate s. Starting from the Lagrange equations of Cosserat rod dynamics, the criterion of Noether symmetry with Lagrange style for rod dynamics is given and the Noether conserved quantity is obtained. Not only are the conservations of generalized moment and generalized energy obtained, but also some other integrals.     

弱非完整系统Mei对称性导致的新型精确和近似守恒量

研究弱非完整系统Lagrange方程的Mei对称性导致的一种结构方程和新型精确以及近似守恒量. 首先建立系统的Lagrange方程. 其次在群的无限小变换下, 给出了弱非完整系统及其一次近似系统Mei对称性的定义和判据, 然后得到了Mei对称性导致的新型结构方程、 新型精确和近似守恒量的表达式. 最后, 举例研究系统的精确新型守恒量和近似新型守恒量问题. 关键词： 弱非完整系统 Mei对称性 新型结构方程 新型守恒量     

Lagrange equations of nonholonomic systems with fractional derivatives

This paper obtains Lagrange equations of nonholonomic systems with fractional derivatives. First, the exchanging relationships between the isochronous variation and the fractional derivatives are derived. Secondly, based on these exchanging relationships, the Hamilton's principle is presented for non-conservative systems with fractional derivatives. Thirdly, Lagrange equations of the systems are obtained. Furthermore, the d'Alembert–Lagrange principle with fractional derivatives is presented,and the Lagrange equations of nonholonomic systems with fractional derivatives are studied. An example is designed to illustrate these results.