【精选】2-能力原理与变分法-1029-文稿.pdf

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【精选】2-能力原理与变分法-1029-文稿

目录 第2 章 能量原理与变分法2 2.1 小位移变形弹性理论的基本方程和边界条件2 2.1.1 小位移变形弹性理论的基本假定2 2.1.2 小位移变形弹性理论的基本方程和边界条件2 1、基本方程2 2、边界条件7 2.2 小位移变形弹性理论的基本变分原理7 2.2.1 求解小位移变形弹性问题的方法7 1、求解小位移变形弹性问题的途径7 2、求解小位移变形弹性问题的常用能量原理8 2.2.2 应变能和应变余能9 2.2.3 虚位移原理和最小势能原理 11 1、虚位移原理 11 2、最小势能原理 12 2.2.4 虚应力原理和最小余能原理 13 1、虚应力原理 13 2、最小余能原理 14 2.3 小位移变形弹性理论的广义变分原理 15 2.3.1 两类变量广义变分原理 15 2.3.2 三类变量广义变分原理 17 2.4 变分问题的近似解法 19 2.4.1 里茨法 19 2.4.2 伽辽金法21 参考文献23 第2章 能量原理与变分法 弹性力学也称弹性理论,主要研究弹性体在外力或温度变化等外界因素作用下所产生的 应力、应变和位移,可用以解决结构或机械设计中所提出的强度、刚度和稳定性问题。 求解复杂弹性力学问题时,需要联立求解满足给定条件下的平衡方程、几何方程和物理 方程,这在数学上面临很大的困难,促使人们不断研究各种近似方法。变分法是应用最广泛 的近似解法,人们从19 世纪后期开始采用变分法求解弹性力学问题,它通过能量的概念, 将弹性力学控制微分方程的联合求解转换为给定边界条件下能量泛函极值问题,因而可以采 用代数方程进行求解。另外,由能量原理提供的变分直接解法是有限元法等数值方法的理论 基础。 弹性力学变分法中所研究的泛函,也就是弹性体的能量,分为以位移为基本未知量和以 应力为基本未知量两大类型,其中前者求解简便、应用广泛,而后者主要应用于某些特定问 题。因此,弹性力学中的变分法又称为能量法。 2.1 小位移变形弹性理论的基本方程和边界条件 2.1.1 小位移变形弹性理论的基本假定 弹性体是变形体的一种,它的特征为:在外力作用下物体发生变形,当外力不超过某一 限度时,除去外力后物体即恢复原状。绝对弹性体是不存在的,物体在外力除去后的残余变 形很小时,一般就被当作弹性体进行处理。弹性力学的基本假定如下: (1)假定物体是连续的,就是假定整个物体的体积都被组成这个物体的介质所填满, 不留下任何空隙。实际的可变形固体,从其物质结构来说,均具有不同程度的空隙,但这些 空隙的大小与构件尺寸相比均极其微小,因而可忽略不计,认为其结构是密实的。 (2 )假定物体是完全弹性的,就是假定物体完全服从胡克定律——应变与引起该应变 的那个应力分量成比例。 (3 )假定物体是均匀的,就是整个物体是由同一材料组成的,从物体中任取一小部分, 不论其体积大小如何,其力学方面的性能都完全一样。实际的可变形固体,其组成部分的性 能有不同程度的差异。但由于组成部分的尺寸很微小、排列不规则,物体的力学性能反映出 所组成部分力学性能的统计平均量,即力学性能是均匀的。 (4 )假定位移和形变是微小的。认为形体的变形很微小,保证构件在其弹性变形范围 内,其应力应变满足胡克定律,才能将弹性力学中的代数方程和微分方程简化为线性方程, 保证构件的变形发生在线弹性阶段。 在经典的弹性力学中还有各向同性假设,即材料是各向同性的。现在一些复合材料并不 是各向同性的,所以就不必用各向同性这个假设了。 2.1.2 小位移变形弹性理论的基本方程和边界条件 1、基本方程 为了说明计算固体力学方法的内涵,先扼要介绍弹性力学边值问题微分描述的基本方程。 对于如图2-1 所示的弹性体,弹性体在约束和外载荷作用下会产生应力和变形。在弹性力学 中,会在物体内部任一点处切出一微小单元体,如图2-2 所示。针对微小的单元体建立基本 方程,把复杂形状弹性体的受力和变形分析问题归结为偏微分方程组的边

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