弹性力学的变分解法精选PPT.ppt

关于弹性力学的变分解法第1页，讲稿共76张，创作于星期日泛函的定义及举例函数：对于变量x的某一变域中的每一个值，y都有唯一一个值与之相对应，那么变量y称作变量x的函数。记为：y=f(x)x称为函数的自变量。泛函：对于某一类函数y()中的每一个函数y(x)，变量J都有一个值与之相对应，那么变量J称作依赖于函数y(x)的泛函。记为：J=J y(x)y(x)称为泛函的宗量。第2页，讲稿共76张，创作于星期日例子 第3页，讲稿共76张，创作于星期日第4页，讲稿共76张，创作于星期日第5页，讲稿共76张，创作于星期日第6页，讲稿共76张，创作于星期日第7页，讲稿共76张，创作于星期日第8页，讲稿共76张，创作于星期日泛函的极值泛函极值定理：若可微泛函Jy(x)在y0(x)上达到极值，则在y=y0(x)上的变分为零。即第9页，讲稿共76张，创作于星期日14.1 弹性体的虚功原理弹性体的虚功原理第10页，讲稿共76张，创作于星期日第11页，讲稿共76张，创作于星期日第12页，讲稿共76张，创作于星期日静力可能的应力与几何可能的位移第13页，讲稿共76张，创作于星期日第14页，讲稿共76张，创作于星期日高斯公式第15页，讲稿共76张，创作于星期日第16页，讲稿共76张，创作于星期日14.2 贝蒂互换定理贝蒂互换定理第17页，讲稿共76张，创作于星期日第18页，讲稿共76张，创作于星期日第19页，讲稿共76张，创作于星期日第20页，讲稿共76张，创作于星期日14.3 位移变分方程位移变分方程 最小势能原理最小势能原理第21页，讲稿共76张，创作于星期日第22页，讲稿共76张，创作于星期日第23页，讲稿共76张，创作于星期日第24页，讲稿共76张，创作于星期日第25页，讲稿共76张，创作于星期日第26页，讲稿共76张，创作于星期日第27页，讲稿共76张，创作于星期日第28页，讲稿共76张，创作于星期日第29页，讲稿共76张，创作于星期日14.4 最小势能原理推导以位移表示的平衡微分方程及边界条件第30页，讲稿共76张，创作于星期日第31页，讲稿共76张，创作于星期日第32页，讲稿共76张，创作于星期日第33页，讲稿共76张，创作于星期日第34页，讲稿共76张，创作于星期日第35页，讲稿共76张，创作于星期日第36页，讲稿共76张，创作于星期日 一、一、里兹（里兹（Ritz）法）法基本思想：基本思想：设定位移函数的表达形式，使其满足位移边界条件，其中含有若干设定位移函数的表达形式，使其满足位移边界条件，其中含有若干待定常数，然后利用最小势能原理待定常数，然后利用最小势能原理(位移变分方程位移变分方程)确定这些常数，确定这些常数，即得位移解。即得位移解。设选取的位移表达式如下：设选取的位移表达式如下：（a）其中：其中：为互不相关的为互不相关的 3m 个系数；个系数；为设定的函数，且在边界上有：为设定的函数，且在边界上有：为边界上取零值的设定函数为边界上取零值的设定函数 显然，上述函数满足位移边界显然，上述函数满足位移边界条件。条件。此时，位移的变分此时，位移的变分由系数由系数 Am、Bm、Cm的变分来实现。的变分来实现。与变分无关。与变分无关。14.5 基于最小势能原理的近似计算方法第37页，讲稿共76张，创作于星期日（b）位移的变分：位移的变分：形变势能的变分：形变势能的变分：由应变能计算式可知：由应变能计算式可知：（c）根据最小原理，有：根据最小原理，有：第38页，讲稿共76张，创作于星期日将上式整理、移项、合并，可得：将上式整理、移项、合并，可得：完全任意，且互相独立，完全任意，且互相独立，要使上式成立，则须有：要使上式成立，则须有：第39页，讲稿共76张，创作于星期日 Ritz 法方程法方程或称或称 Rayleigh-Ritz 法方程法方程说明：说明：（1）由由 U 的表达式（的表达式（4-20）可知，）可知，U 是系数是系数的二次函数，的二次函数，因而，上式为各系数的线性方程因而，上式为各系数的线性方程 组。组。互不相关，因而，总可以求出全部的系数。互不相关，因而，总可以求出全部的系数。（2）求出了系数求出了系数就可求得其它量，如位移、应力等就可求得其它量，如位移、应力等（3）在假定位移函数时，须保证其满足全部位移边界条件。在假定位移函数时，须保证其满足全部位移边界条件。第40页，讲稿共76张，创作于星期日第41页，讲稿共76张，创作于星期日第42页，讲稿共76张，创作于星期日第43页，讲稿共76张，创作于星期日第44页，讲稿共76张，创作于星期日第45页，讲稿共76张，创作于星期日第46页，讲稿共76张，创作于星期日基本思想构造位移试函数满足位移(面力)边界条件RayleighRitz(瑞利里兹)法(伽辽金)法 通过能量变分，偏微分方程边值问题转化为线性通过能量变分，偏微分方程边值问题转化为线性代数方程组。代数方程组。位移边界条件位移与面力边界条件第47页，讲稿共76张，创作于星期日解：用瑞利里兹法位移试函数 例例1：两端简支的等截面梁，受均匀分布载荷q作用如图所示,不计体力。试求解梁的挠度w(x)满足梁的位移边界条件：在x=0，l处，w=0 简支梁的形变势能为：第48页，讲稿共76张，创作于星期日积分后可得:外力势能为:当m为奇数时。第49页，讲稿共76张，创作于星期日有：所以回代 第50页，讲稿共76张，创作于星期日挠曲线表达式是无穷级数精确解这个级数收敛很快，只要取少数几项就可以得到足够的精度。如果取一项 这一结果与精确值十分接近。第51页，讲稿共76张，创作于星期日例例2:如图所示简支梁，中点处承受有集中如图所示简支梁，中点处承受有集中P，试，试求的梁的挠曲线方程。求的梁的挠曲线方程。PABlxy解解:（1）假设位移试探函数）假设位移试探函数（必须满足位移边界条件）（必须满足位移边界条件）设位移试探函数为（取一项）：设位移试探函数为（取一项）：式中：式中：a 为待定常数。为待定常数。（2）计算形变势能）计算形变势能 U：（a）（b）显然，式（显然，式（a）满足端点的位移边界条件）满足端点的位移边界条件:（3）代入）代入Ritz 法方程，求解法方程，求解（c）（d）第52页，讲稿共76张，创作于星期日PABlxy讨论：讨论：（1）中点的挠度：中点的挠度：（e）而材料力学的结果：而材料力学的结果：两者比较：两者比较：式（式（a）的结果偏小）的结果偏小1.46%。如果取如下位移函数：如果取如下位移函数：式中项数式中项数 m 取得越多，则求得精度就越高。取得越多，则求得精度就越高。（2）所取的位移函数必须满足位移边界条件。所取的位移函数必须满足位移边界条件。（3）位移函数选取不是唯一的，如：位移函数选取不是唯一的，如：第53页，讲稿共76张，创作于星期日PABlxy例例3:如图所示简支梁，中点处承受有集中如图所示简支梁，中点处承受有集中P，试求的梁的挠曲线方程。，试求的梁的挠曲线方程。解解:（1）假设位移试探函数）假设位移试探函数式中：式中：A1、A2 为待定常数。为待定常数。显然，式（显然，式（a）满足端点的位移边界条件）满足端点的位移边界条件:（2）计算：）计算：梁的形变势能梁的形变势能:（3）代入）代入 Ritz 法方程法方程:第54页，讲稿共76张，创作于星期日PABlxy例例3:如图所示简支梁，中点处承受有集中如图所示简支梁，中点处承受有集中P，试求的梁的挠曲线方程。，试求的梁的挠曲线方程。解解:位移函数位移函数（a）（3）代入）代入 Ritz 法方程法方程:所求挠曲线方程所求挠曲线方程:第55页，讲稿共76张，创作于星期日PABlxy所求挠曲线方程所求挠曲线方程:中点挠度中点挠度:而材料力学的结果：而材料力学的结果：第56页，讲稿共76张，创作于星期日解：位移试函数 例例4：矩形薄板，四边固定，受平行于板面的体力作用。设坐标轴如图所示，试用RayleighRitz法求解。m和n为正整数在边界x=0，a，和y=0，b上，u=v=0，所以试函数满足位移边界条件。第57页，讲稿共76张，创作于星期日平面应力问题 因此 第58页，讲稿共76张，创作于星期日将位移试函数代入求导数后再积分 因此 如果体力已知，积分可求待定系数Amn和Bmn第59页，讲稿共76张，创作于星期日例例5：图示薄板，宽为图示薄板，宽为 a，高度为，高度为 b，左边和下边受连杆支承，左边和下边受连杆支承，右边和上边分别受有均布压力右边和上边分别受有均布压力 q1和和 q2 作用，不计体力。试作用，不计体力。试求薄板的位移。求薄板的位移。解：解：（1）假设位移函数）假设位移函数（a）满足边界条件：满足边界条件：在式（在式（a）中）中u,v 各取一项各取一项，即，即（b）（2）计算形变势能）计算形变势能 U将式（将式（b）代入平面应力情形下形变）代入平面应力情形下形变势能公式，有势能公式，有积分得：积分得：（c）第60页，讲稿共76张，创作于星期日（c）（3）代入）代入Ritz 法方程求解法方程求解体力体力有有在右边界：在右边界：在上边界：在上边界：于是有：于是有：将式（将式（c）代入，得）代入，得（11-15）第61页，讲稿共76张，创作于星期日联立求解，得：联立求解，得：（f）代入位移表达式（代入位移表达式（b），得：），得：（g）讨论：讨论：（1）如果在位移式（如果在位移式（a）中再多取一些系）中再多取一些系数如：数如：A2、B2等，但是经计算，这些系等，但是经计算，这些系数全为零。数全为零。（2）位移解（位移解（g）满足几何方程、平衡方程和）满足几何方程、平衡方程和边界条件。边界条件。表明：位移解（表明：位移解（g）为问题的精确解。）为问题的精确解。第62页，讲稿共76张，创作于星期日Ritz 法解题步骤：法解题步骤：（1）假设位移函数，使其满足边界条件；）假设位移函数，使其满足边界条件；（2）计算形变势能计算形变势能 U；（3）代入）代入Ritz 法方程求解待定系数；法方程求解待定系数；（4）回代求解位移、应力等。）回代求解位移、应力等。第63页，讲稿共76张，创作于星期日例例6:图示矩形薄板，宽为图示矩形薄板，宽为2 a，高度为，高度为2 b，左右两边和下，左右两边和下边均被固定，而上边的给定位移为：边均被固定，而上边的给定位移为：（a）不计体力。试求薄板的位移和应力。不计体力。试求薄板的位移和应力。解解:（1）假设位移函数）假设位移函数只取一项，即只取一项，即 m=1,将位移分量设为：将位移分量设为：（b）显然，可满足位移边界条件：显然，可满足位移边界条件：第64页，讲稿共76张，创作于星期日（2）代入）代入Galerkin 法方程求解法方程求解该问题中无应力边界条件，式（该问题中无应力边界条件，式（b）满足全部条件。）满足全部条件。可用伽辽金（可用伽辽金（Galerkin）法求解。）法求解。X=Y=0，m=1，伽辽金法方程变为：伽辽金法方程变为：（c）第65页，讲稿共76张，创作于星期日 将将其其代代入入伽伽辽辽金金方方程程（c）,可可求求得：得：第66页，讲稿共76张，创作于星期日代回位移表达式（代回位移表达式（b）,得位移解答：得位移解答：当当 b=a，取，取 =0.2时，上述解答成为时，上述解答成为：第67页，讲稿共76张，创作于星期日（3）求应力分量）求应力分量应用几何方程及物理方程，可求得应力为：应用几何方程及物理方程，可求得应力为：第68页，讲稿共76张，创作于星期日第69页，讲稿共76张，创作于星期日由虚功原理：应力变分方程（虚应力方程）应力变分方程（虚应力方程）第70页，讲稿共76张，创作于星期日由广义虚功原理：第71页，讲稿共76张，创作于星期日表明表明在已知位移的边界上，虚面力在真实位移上作在已知位移的边界上，虚面力在真实位移上作的功，等于整个弹性体的虚应力在真实应变上的功，等于整个弹性体的虚应力在真实应变上作的功。即虚应力方程。作的功。即虚应力方程。第72页，讲稿共76张，创作于星期日146 最小余能原理最小余能原理1、由Green公式：另可以证明第73页，讲稿共76张，创作于星期日第74页，讲稿共76张，创作于星期日2、由虚应力原理、由虚应力原理第75页，讲稿共76张，创作于星期日感感谢谢大大家家观观看看第76页，讲稿共76张，创作于星期日