变分与弹塑性力学精.ppt

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1、变分与弹塑性力学2000.3哈尔滨建筑大学哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作王焕定教授制作1第1页，本讲稿共32页2000.3哈尔滨建筑大学哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作王焕定教授制作21.1 虚力原理与余能原理虚力原理与余能原理1.1.1 虚位移原理和势能原理（复习）虚位移原理和势能原理（复习）1）虚位移原理的虚功方程虚位移原理的虚功方程矩阵表达矩阵表达矩阵表达矩阵表达WWe=V VFbTuddV+SS FsT u udS=W=Wi=VTdV V体积力虚功体积力虚功体积力虚功体积力虚功表面力虚功表面力虚功表面力虚功表面力虚功虚变形功虚变形功虚变形功虚变形功We=VFbiuid dV+SFsiui

2、dS=W=Wi=Vijij ijdV V虚功方程虚功方程张量表达张量表达第2页，本讲稿共32页2000.3哈尔滨建筑大学哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作王焕定教授制作32）势能原理的数学表达势能原理的数学表达势能原理的数学表达势能原理的数学表达Ve=V+VP=1/2VijijdV-VFbiuidV-SFsiuidS=min总势能总势能总势能总势能应变能应变能外力势能外力势能1.1.2 虚力原理虚力原理1）虚力原理的表述虚力原理的表述虚力原理的表述虚力原理的表述 给定位移状态协调的充分必要条件为：对给定位移状态协调的充分必要条件为：对一切自平衡的虚应力，恒有如下虚功方程成立一切自平衡的虚应力，恒有

3、如下虚功方程成立（矩阵）（矩阵）V T T dV=Su(L )T T u u 0dS虚反力功虚反力功虚反力功虚反力功表面给定位移表面给定位移表面给定位移表面给定位移虚余变形功虚余变形功虚余变形功虚余变形功第3页，本讲稿共32页2000.3哈尔滨建筑大学哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作王焕定教授制作4虚功方程虚功方程张量表达张量表达 V V ijij ijdV V=Suijnjui0 0dS2)必要性证明必要性证明ij=1/2(=1/2(u ui,j+uj,i)=D-1ijklklV V：ij,j j=0 S：ijnj=0 已知条件已知条件：=A T u=D D-1 V：=0 =0 S：L=0需证

4、明的是：需证明的是：需证明的是：需证明的是：V ij ijijdV V=SuSuij ijnj ju ui i0dS或张量表达形式已知条件：或张量表达形式已知条件：第4页，本讲稿共32页2000.3哈尔滨建筑大学哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作王焕定教授制作5V(A Au)TddV V=S(L L )T u dS S-V(A A)T u dV V1/21/2V V(ui,j+u+uj j,i)ijdV V=Sijn njui idS-V ij,j juidV证明证明：利用格林公式：利用格林公式或张量形式格林公式或张量形式格林公式考虑到虚应力的已知自平衡条件，立即可得考虑到虚应力的已知自平衡条件，

5、立即可得 V ij ijijdV=Suij ijnjui0 0d dS必要性证毕必要性证毕。第5页，本讲稿共32页2000.3哈尔滨建筑大学哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作王焕定教授制作62)充分性证明充分性证明V：ij,j j=0 S：ijnj j=0=0 已知条件已知条件 ：=D-1-1 需证明的是：应变需证明的是：应变ij是协调的。是协调的。或张量表达形式或张量表达形式或张量表达形式或张量表达形式 ij=D-1ijkl klV ijijdV=Suijn njui0dS V TdV V=SuSu(L)T u 0dS SV：A A=0 =0 S：L=0 证明证明证明证明 ：因为：因为V：A A

6、=0，所以，所以对任意对任意 V V(A A)T dV V=0利用格林公式和已知条件可得利用格林公式和已知条件可得第6页，本讲稿共32页2000.3哈尔滨建筑大学哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作王焕定教授制作7设体内三个虚剪应力任意、独立，另三个正应力满设体内三个虚剪应力任意、独立，另三个正应力满足足A=0。又因为又因为完全任意，因此可设完全任意，因此可设V(D-1-AT)TdV+Su(L)T(-u 0)dS=0(a)在此条件下，式在此条件下，式(a a)由于虚应力的任意、独立性可得由于虚应力的任意、独立性可得V:D-1-AT =0 =0 S Su：-u 0 0=0=0充分性证毕。充分性证毕。充

7、分性证毕。充分性证毕。第7页，本讲稿共32页2000.3哈尔滨建筑大学哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作王焕定教授制作81.1.3 余能原理余能原理和由虚位移原理导出势能原理一样，由虚力原理和由虚位移原理导出势能原理一样，由虚力原理 V TdV=Su(L )T u u 0dS S可得可得可得可得(1/2VT ddV-Su(L)T u 0 0d dS)=0)=0记记VC如下所示，并称为如下所示，并称为如下所示，并称为如下所示，并称为变形体的总余能变形体的总余能V VC C=1/2VT T dV-Su(L L )T T u 0 0dS则由则由V VC=0可得可得 在一切可能的静力平衡状态中，某应力状态

8、为在一切可能的静力平衡状态中，某应力状态为真实应力的充要条件是，变形体的总余能取驻值。真实应力的充要条件是，变形体的总余能取驻值。对线弹性体，此驻值为最小值。对线弹性体，此驻值为最小值。余能原理余能原理第8页，本讲稿共32页2000.3哈尔滨建筑大学哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作王焕定教授制作9余能原理等价于协调，表达为余能原理等价于协调，表达为VC=1/2VijijdV-SuFsiu0 0idS=min利用格林公式，立即可证明利用格林公式，立即可证明Ve+VC=01.2 泛函的变换格式（龙驭球提出）泛函的变换格式（龙驭球提出）简单来说，势能原理等价平衡，表达为简单来说，势能原理等价平衡，表达

9、为Ve=V+VP=1/2VijijdV-VFbiuidV-SFsiuidS=min1.2.1 一些预备知识一些预备知识1)变量的分类变量的分类变量的分类变量的分类第9页，本讲稿共32页2000.3哈尔滨建筑大学哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作王焕定教授制作10 除泛函变量外，泛函中的其他变量称为泛函的除泛函变量外，泛函中的其他变量称为泛函的增广变量增广变量。在余能泛函在余能泛函VC C=1/2VijijdV-SuFsiu0idS中中中中ij 是泛函变量，其他是增广变量。是泛函变量，其他是增广变量。泛函中所显含的自变函数称为泛函的泛函中所显含的自变函数称为泛函的泛函变量泛函变量。在势能泛函在势能泛

10、函Ve=V+VP=1/2VijijdV-VFbiuidV-SFsiuidS中中ui 是泛函变量，其他是增广变量。是泛函变量，其他是增广变量。是泛函变量，其他是增广变量。是泛函变量，其他是增广变量。第10页，本讲稿共32页2000.3哈尔滨建筑大学哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作王焕定教授制作11 泛函中泛函变量事先所需满足的条件，称为泛函中泛函变量事先所需满足的条件，称为泛函的泛函的强制条件强制条件。在余能泛函在余能泛函中中ij 所需满足的平衡条件（内部和所需满足的平衡条件（内部和边界）即为强制条件。边界）即为强制条件。V VC C=1/2VijijdV-SuSuFsiu0idS2)2)泛函所满

11、足的条件泛函所满足的条件 在势能泛函在势能泛函中中ui 所满足的协调条件即为强制条所满足的协调条件即为强制条件。件。Ve=V+VP=1/2VijijdV-VFbiuidV-SFsiuidS第11页，本讲稿共32页2000.3哈尔滨建筑大学哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作王焕定教授制作12 在余能泛函在余能泛函中中ij 所对应的应变应满足的协调条所对应的应变应满足的协调条件为自然条件。件为自然条件。由返函的变分等于零所导出的条件，称为泛函的由返函的变分等于零所导出的条件，称为泛函的由返函的变分等于零所导出的条件，称为泛函的由返函的变分等于零所导出的条件，称为泛函的自自然条件然条件。在势能泛函在势能

12、泛函中中ui 所满足的平衡条件即为自然条所满足的平衡条件即为自然条件。件。在泛函在泛函在泛函在泛函中，泛函变量与增广变量间，或增广变量之中，泛函变量与增广变量间，或增广变量之中，泛函变量与增广变量间，或增广变量之中，泛函变量与增广变量间，或增广变量之间所应满足的条件称为间所应满足的条件称为间所应满足的条件称为间所应满足的条件称为增广条件增广条件增广条件增广条件。在势能泛函在势能泛函在势能泛函在势能泛函中几何方程和物理方程即为增广条件。中几何方程和物理方程即为增广条件。中几何方程和物理方程即为增广条件。中几何方程和物理方程即为增广条件。3)3)泛函间关系的分类泛函间关系的分类第12页，本讲稿共3

13、2页2000.3哈尔滨建筑大学哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作王焕定教授制作13 如果广义等价的两泛函，其变量和条件均对应相如果广义等价的两泛函，其变量和条件均对应相同，称此两泛函为同，称此两泛函为等价等价等价等价的。的。两泛函所包含的全部变量、全部条件均相同，两泛函所包含的全部变量、全部条件均相同，但是变量的区分不同，或变量的条件不同等，称但是变量的区分不同，或变量的条件不同等，称此两泛函为此两泛函为广义等价广义等价广义等价广义等价。如果两泛函等价，且只相差一比例系数，则称这两如果两泛函等价，且只相差一比例系数，则称这两如果两泛函等价，且只相差一比例系数，则称这两如果两泛函等价，且只相差一比例

14、系数，则称这两泛函泛函泛函泛函互等互等。1.2.2 泛函的三种变换格式泛函的三种变换格式泛函的三种变换格式泛函的三种变换格式1)泛函的放松格式泛函的放松格式拉氏乘子法（传统）拉氏乘子法（传统）拉氏乘子法（传统）拉氏乘子法（传统）基本思路是，将强制条件用拉氏乘子引入泛函，基本思路是，将强制条件用拉氏乘子引入泛函，从泛函变分判断拉氏乘子含义，并得到放松了强从泛函变分判断拉氏乘子含义，并得到放松了强制条件的多自变量泛函的变换格式。制条件的多自变量泛函的变换格式。第13页，本讲稿共32页2000.3哈尔滨建筑大学哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作王焕定教授制作142)增广格式增广格式增广格式增广格式高阶拉

15、氏乘子法（钱伟长）高阶拉氏乘子法（钱伟长）教材上介绍了从余能原理得到海林格教材上介绍了从余能原理得到海林格-赖斯纳二赖斯纳二赖斯纳二赖斯纳二变量广义余能原理的基本步骤，请大家按思路自行推变量广义余能原理的基本步骤，请大家按思路自行推变量广义余能原理的基本步骤，请大家按思路自行推变量广义余能原理的基本步骤，请大家按思路自行推证。只有自己动手，才能真真掌握。证。只有自己动手，才能真真掌握。证。只有自己动手，才能真真掌握。证。只有自己动手，才能真真掌握。基本思路是，对无条件泛函，将增广条件构造一基本思路是，对无条件泛函，将增广条件构造一正定二次型，再乘一待定乘子，从而得到新的增广正定二次型，再乘一待

16、定乘子，从而得到新的增广变量变为泛函变量的无条件泛函。变量变为泛函变量的无条件泛函。请大家自行证明教材给出的，钱伟长教授建立的泛请大家自行证明教材给出的，钱伟长教授建立的泛请大家自行证明教材给出的，钱伟长教授建立的泛请大家自行证明教材给出的，钱伟长教授建立的泛函是三变量的无条件泛函。函是三变量的无条件泛函。函是三变量的无条件泛函。函是三变量的无条件泛函。3)3)等价格式等价格式龙驭球格式龙驭球格式 基本思路是，用自然条件构造正定二次型，按基本思路是，用自然条件构造正定二次型，按增广格式建立与原泛函等价的新泛函。增广格式建立与原泛函等价的新泛函。第14页，本讲稿共32页2000.3哈尔滨建筑大学

17、哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作王焕定教授制作15 请大家自行证明教材给出的，钱伟长教授建立的请大家自行证明教材给出的，钱伟长教授建立的另一泛函也是三变量的无条件泛函。并证明当参数另一泛函也是三变量的无条件泛函。并证明当参数等于等于1时，将时，将“退化退化”成两变量的海林格成两变量的海林格-赖斯纳赖斯纳泛函（差一符号）。泛函（差一符号）。4)4)换元乘子法（龙驭球）换元乘子法（龙驭球）换元乘子法（龙驭球）换元乘子法（龙驭球）将增广变量通过增广条件引入泛函，从而增广将增广变量通过增广条件引入泛函，从而增广条件成为强制条件，再用拉氏乘子法放松强制条条件成为强制条件，再用拉氏乘子法放松强制条件，将增广

18、变量引入无条件泛函的方法。件，将增广变量引入无条件泛函的方法。第15页，本讲稿共32页2000.3哈尔滨建筑大学哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作王焕定教授制作161.3 含可选参数的广义变分原理含可选参数的广义变分原理1.3.1 含可选参数的广义变分原理含可选参数的广义变分原理1）变分泛函的建立变分泛函的建立变分泛函的建立变分泛函的建立 从三变量无条件胡海昌从三变量无条件胡海昌从三变量无条件胡海昌从三变量无条件胡海昌-鹫津久一郎广义泛函出鹫津久一郎广义泛函出发，用等价格式龙驭球建立了教材上前发，用等价格式龙驭球建立了教材上前12121212个正个正定二次型，我补充了后两个二次型，乘定二次型，我补

19、充了后两个二次型，乘1414个参个参个参个参数构成和胡数构成和胡数构成和胡数构成和胡-鹫广义泛函等价的新泛函。龙驭球认鹫广义泛函等价的新泛函。龙驭球认为参数是可以任意选取的，因此称为含任意参数为参数是可以任意选取的，因此称为含任意参数的广义变分原理。的广义变分原理。我提出并得到龙先生认同，参数不能完全任意我提出并得到龙先生认同，参数不能完全任意选取，必须满足教材图示的通路关系。选取，必须满足教材图示的通路关系。2)2)参数选取问题参数选取问题参数选取问题参数选取问题第16页，本讲稿共32页2000.3哈尔滨建筑大学哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作王焕定教授制作17从而建立了含可选参数的广义变分原

20、理。从而建立了含可选参数的广义变分原理。最基本的是结构力学中介绍的虚功原理，它是一最基本的是结构力学中介绍的虚功原理，它是一最基本的是结构力学中介绍的虚功原理，它是一最基本的是结构力学中介绍的虚功原理，它是一个必要性命题，要求力状态平衡，要求位移状态协个必要性命题，要求力状态平衡，要求位移状态协个必要性命题，要求力状态平衡，要求位移状态协个必要性命题，要求力状态平衡，要求位移状态协调，满足此条件恒有虚功方程成立。调，满足此条件恒有虚功方程成立。调，满足此条件恒有虚功方程成立。调，满足此条件恒有虚功方程成立。虚功原理中力状态是给定的一个，虚位移是任虚功原理中力状态是给定的一个，虚位移是任意的，条

21、件的改变导致结论的改变，由此得到虚意的，条件的改变导致结论的改变，由此得到虚位移原理。在无限分割情况下，等价于平衡条件。位移原理。在无限分割情况下，等价于平衡条件。它是一个充分必要性命题。它是一个充分必要性命题。1.3.2 变分原理间的相互关系变分原理间的相互关系第17页，本讲稿共32页2000.3哈尔滨建筑大学哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作王焕定教授制作18 虚力原理也是虚功原理条件改变的结果，位虚力原理也是虚功原理条件改变的结果，位移给定虚应力任意，无限分割时等价于协调条移给定虚应力任意，无限分割时等价于协调条件。它也是充要条件。件。它也是充要条件。由虚位移原理可导得势能原理，由虚力原理可

22、由虚位移原理可导得势能原理，由虚力原理可导得余能原理（当然它们也可由定义来推导）。导得余能原理（当然它们也可由定义来推导）。它们是一对对偶的原理。它们是一对对偶的原理。从势能原理出发，用从势能原理出发，用放松格式放松格式放松格式放松格式可得到无条件的可得到无条件的势能原理，用势能原理，用换元乘子法换元乘子法可得到二变量广义余可得到二变量广义余能原理、三变量的广义势能原理。能原理、三变量的广义势能原理。从余能原理出发，用从余能原理出发，用放松格式放松格式可得无条件的可得无条件的广义余能原理，用广义余能原理，用换元乘子法换元乘子法可得到三变量的广可得到三变量的广义势能原理。义势能原理。第18页，本

23、讲稿共32页2000.3哈尔滨建筑大学哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作王焕定教授制作19 从二变量的广义余能原理和三变量的广义势从二变量的广义余能原理和三变量的广义势能原理出发，用能原理出发，用格林公式格林公式可分别得到二变量的广可分别得到二变量的广义势能原理和三变量广义余能原理。义势能原理和三变量广义余能原理。从二变量的广义余能原理或二变量的广义势能原从二变量的广义余能原理或二变量的广义势能原从二变量的广义余能原理或二变量的广义势能原从二变量的广义余能原理或二变量的广义势能原理出发，用理出发，用理出发，用理出发，用等价格式等价格式可得到二变量含可选参数的可得到二变量含可选参数的广义变分原理，当

24、满足特定退化条件时，将退广义变分原理，当满足特定退化条件时，将退化为无条件的势能原理。参数为零时恢复成二化为无条件的势能原理。参数为零时恢复成二变量广义变分原理。变量广义变分原理。第19页，本讲稿共32页2000.3哈尔滨建筑大学哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作王焕定教授制作20 从三量的广义余能原理或三变量的广义势能原理出从三量的广义余能原理或三变量的广义势能原理出发，用发，用等价格式等价格式可得到三变量含可选参数的广义变可得到三变量含可选参数的广义变分原理，当满足特定退化条件时，将退化为二变分原理，当满足特定退化条件时，将退化为二变量的含可选参数广义变分原理。参数为零时恢复量的含可选参数广义

25、变分原理。参数为零时恢复成三变量广义变分原理。成三变量广义变分原理。上述原理间的关系，可用教材上上述原理间的关系，可用教材上上述原理间的关系，可用教材上上述原理间的关系，可用教材上P.196 P.196 图图图图6-26-2来表示。来表示。如果真的掌握了如果真的掌握了有限元有限元有限元有限元所学习的内容，象从所学习的内容，象从所学习的内容，象从所学习的内容，象从势能原理出发通过构造位移场那样，合适地建立变分原势能原理出发通过构造位移场那样，合适地建立变分原势能原理出发通过构造位移场那样，合适地建立变分原势能原理出发通过构造位移场那样，合适地建立变分原理对应的场变量，即可用变分原理得到对应的有限

26、元列理对应的场变量，即可用变分原理得到对应的有限元列理对应的场变量，即可用变分原理得到对应的有限元列理对应的场变量，即可用变分原理得到对应的有限元列式。下面简单介绍基于赖斯纳原理的混合元分析。式。下面简单介绍基于赖斯纳原理的混合元分析。式。下面简单介绍基于赖斯纳原理的混合元分析。式。下面简单介绍基于赖斯纳原理的混合元分析。第20页，本讲稿共32页2000.3哈尔滨建筑大学哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作王焕定教授制作211.4 基于基于Reissner原理的混合元原理的混合元1.4.1 原理的使用选择原理的使用选择 前面介绍了从余能原理获得了二变量广义余能前面介绍了从余能原理获得了二变量广义余能

27、原理如下：原理如下：用于单元时，考虑结点力作用后改为用于单元时，考虑结点力作用后改为用于单元时，考虑结点力作用后改为用于单元时，考虑结点力作用后改为第21页，本讲稿共32页2000.3哈尔滨建筑大学哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作王焕定教授制作22 由此原理出发，如由此原理出发，如有限元有限元所述，进行有限所述，进行有限元分析时要求构造的应力场跨单元协调、在单元应力元分析时要求构造的应力场跨单元协调、在单元应力边界上要求平衡，构造这样的变量场是困难的。为此，边界上要求平衡，构造这样的变量场是困难的。为此，用格林公式作变换，得到二变量广义势能泛函如下：用格林公式作变换，得到二变量广义势能泛函如下：

28、用于单元时，考虑结点力作用可同样修改。当用此用于单元时，考虑结点力作用可同样修改。当用此泛函作有限元分析时，要求位移场跨单元泛函作有限元分析时，要求位移场跨单元(C0级级)协调，协调，由由有限元有限元可知，这是不难做到的。因此，一般可知，这是不难做到的。因此，一般用它分析。用它分析。第22页，本讲稿共32页2000.3哈尔滨建筑大学哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作王焕定教授制作231.4.2 单元列式及说明单元列式及说明 用上述原理作单元列式时，要建立两类变量场：用上述原理作单元列式时，要建立两类变量场：位移场位移场(u)和应力场和应力场和应力场和应力场()，位移场只要满足跨单元，位移场只要满足

29、跨单元协调，协调，并不要并不要像位移元组装后需作约束条件处像位移元组装后需作约束条件处理，理，使满足位移边界条件使满足位移边界条件。设设 (u u)=()=(N N)()e ()=()(P P)e代入赖斯纳原理并经数学推导后，可得教材代入赖斯纳原理并经数学推导后，可得教材上上(6.4-7)所示混合元性质方程。所示混合元性质方程。第23页，本讲稿共32页2000.3哈尔滨建筑大学哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作王焕定教授制作24式式(6.4-7)中的一些矩阵分别为中的一些矩阵分别为 有了有了有了有了(6.4-7)(6.4-7)混合元性质方程，作整体组装即可获得混合元性质方程，作整体组装即可获得混合

30、元性质方程，作整体组装即可获得混合元性质方程，作整体组装即可获得整体性质方程。但必须注意，整体性质矩阵是奇异整体性质方程。但必须注意，整体性质矩阵是奇异整体性质方程。但必须注意，整体性质矩阵是奇异整体性质方程。但必须注意，整体性质矩阵是奇异的，求解时必须作必要的处理。的，求解时必须作必要的处理。的，求解时必须作必要的处理。的，求解时必须作必要的处理。只和只和()有关有关有关有关和和和和()、(u)有关有关只和只和(u u)有关有关有关有关只和只和()有关有关有关有关 混合元分析可直接求得应力，因此一般来说应混合元分析可直接求得应力，因此一般来说应力的精度比位移元要高。力的精度比位移元要高。第2

31、4页，本讲稿共32页2000.3哈尔滨建筑大学哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作王焕定教授制作25 混合元依据的是驻值原理，因此结果没有一致混合元依据的是驻值原理，因此结果没有一致的趋向性。的趋向性。赖斯纳原理包含两类场变量，这就存在必须解赖斯纳原理包含两类场变量，这就存在必须解决它们之间合理地配合的问题。决它们之间合理地配合的问题。当应力参数矩阵当应力参数矩阵(P P)相邻单元无关时，可对单元相邻单元无关时，可对单元性质方程进行缩聚处理，最终可得到单元性质方程进行缩聚处理，最终可得到单元“刚度刚度方程方程”，只要修改，只要修改“刚度矩阵刚度矩阵”和和“等效结点荷等效结点荷载矩阵载矩阵”，就可用位

32、移元的计算程序来解算。，就可用位移元的计算程序来解算。对平面和空间问题来说，位移元建立位移场并无对平面和空间问题来说，位移元建立位移场并无对平面和空间问题来说，位移元建立位移场并无对平面和空间问题来说，位移元建立位移场并无多大困难，混合元对板壳计算更有用。多大困难，混合元对板壳计算更有用。多大困难，混合元对板壳计算更有用。多大困难，混合元对板壳计算更有用。第25页，本讲稿共32页2000.3哈尔滨建筑大学哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作王焕定教授制作261.4.3 薄板弯曲的混合元薄板弯曲的混合元 薄板弯曲理论中的广义势能泛函为薄板弯曲理论中的广义势能泛函为式中有关符号的说明见教材式中有关符号的

33、说明见教材式中有关符号的说明见教材式中有关符号的说明见教材P.200P.200。从。从的表达式的表达式的表达式的表达式可见，用它进行混合元分析需要可见，用它进行混合元分析需要可见，用它进行混合元分析需要可见，用它进行混合元分析需要 w 具有具有C1级连续。级连续。这将与位移元一样产生困难。这将与位移元一样产生困难。为此，需对上述泛函进行改造。为此，需对上述泛函进行改造。第26页，本讲稿共32页2000.3哈尔滨建筑大学哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作王焕定教授制作27 Herrmann提出用分部积分和奥提出用分部积分和奥-高公式高公式对上述对上述泛函进行改造，获得如下的泛函进行改造，获得如下的H

34、errmann泛函（教泛函（教泛函（教泛函（教材上有这种纯数学的具体推导）材上有这种纯数学的具体推导）材上有这种纯数学的具体推导）材上有这种纯数学的具体推导）有了广义变分泛函，和平面问题一样，设出有了广义变分泛函，和平面问题一样，设出挠度场挠度场 w 和弯矩场和弯矩场和弯矩场和弯矩场 M 后，代入泛函即可建立薄后，代入泛函即可建立薄板弯曲的混合元性质方程。板弯曲的混合元性质方程。教材上结合常弯矩三角形、线性弯矩三角形混合教材上结合常弯矩三角形、线性弯矩三角形混合教材上结合常弯矩三角形、线性弯矩三角形混合教材上结合常弯矩三角形、线性弯矩三角形混合元介绍了一些具体列式，可供大家应用时参考。元介绍了

35、一些具体列式，可供大家应用时参考。元介绍了一些具体列式，可供大家应用时参考。元介绍了一些具体列式，可供大家应用时参考。第27页，本讲稿共32页2000.3哈尔滨建筑大学哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作王焕定教授制作281.5 放松约束的变分原理及杂交元放松约束的变分原理及杂交元1.5.1 修正余能原理修正余能原理 前面已得到余能原理，作有限元分析时前面已得到余能原理，作有限元分析时VC=1/21/2VijijdV-SuFsiu0idSe=min该泛函的强制条件为该泛函的强制条件为 Ve:ij,j+F Fbi=0 Se上上:FSi-ijn nj j=0 SBLBL上上:(:(ij ijnj)+-(

36、ij ijnj)-=0相邻界面相邻界面前面已经提到，要事先满足上述条件是困难的。为前面已经提到，要事先满足上述条件是困难的。为此，可利用放松格式来得到放松了边界处约束条件此，可利用放松格式来得到放松了边界处约束条件的修正余能原理（具体推导见教材）。的修正余能原理（具体推导见教材）。第28页，本讲稿共32页2000.3哈尔滨建筑大学哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作王焕定教授制作29V V*C=1/21/2VijijdV+S SFsiuidS-SijnjuidSe e=min该泛函的强制条件改为了该泛函的强制条件改为了 Ve:ij,j j+Fbi=0 Sueue上上:ui i-ui0=0 有兴趣的同

37、学，可自学教材上修正势能原理的有兴趣的同学，可自学教材上修正势能原理的推证推证.但教材中已经指出，基于修正势能原理的杂交但教材中已经指出，基于修正势能原理的杂交位移元应用较少。位移元应用较少。必须注意的是，修正余能原理是多变量泛函，但必须注意的是，修正余能原理是多变量泛函，但是和赖斯纳原理不同，它在域内是单变量的，在边是和赖斯纳原理不同，它在域内是单变量的，在边界上才是多变量的。界上才是多变量的。第29页，本讲稿共32页2000.3哈尔滨建筑大学哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作王焕定教授制作30 修正余能原理在域内是有强制条件的，放松的只修正余能原理在域内是有强制条件的，放松的只是边界上的约束条

38、件。是边界上的约束条件。1.5.2 基于修正余能原理的杂交应力元基于修正余能原理的杂交应力元 设设设设 Ve:0ij,j+F Fbi=0 是单元内的一个特解，又设是单元内的一个特解，又设是单元内的一个特解，又设是单元内的一个特解，又设 Ve:ij ij=HikikPkj+0ij，应力参数应力参数P Pkj和其他单元无关。和其他单元无关。再设再设 S Se:ui=Ni ii，将应力和位移代入修正余将应力和位移代入修正余能原理，经单元列式推导（具体推导见教材），考能原理，经单元列式推导（具体推导见教材），考虑到应力参数虑到应力参数P Pkj和其他单元无关，最后可得象位和其他单元无关，最后可得象位移

39、元一样的移元一样的“刚度刚度”方程方程 kijj j=FEi第30页，本讲稿共32页2000.3哈尔滨建筑大学哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作王焕定教授制作31 因此只要修改单元刚度、等效荷载的子程序，因此只要修改单元刚度、等效荷载的子程序，即可用位移元程序计算杂交应力元分析问题。即可用位移元程序计算杂交应力元分析问题。当结点受有荷载作用时，综合等效结点荷载中当结点受有荷载作用时，综合等效结点荷载中尚需组装直接结点荷载。尚需组装直接结点荷载。杂交应力元构造场变量时，也必须注意适当的匹杂交应力元构造场变量时，也必须注意适当的匹配。配。象位移元分析一样，对已知位移边界条件，需象位移元分析一样，对已知位移边界条件，需要进行边界条件处理。要进行边界条件处理。对薄板弯曲问题，可仿此思路建立修正的变分原对薄板弯曲问题，可仿此思路建立修正的变分原理，从而建立板弯曲杂交元。有兴趣的可自行参阅理，从而建立板弯曲杂交元。有兴趣的可自行参阅有关文献。有关文献。第31页，本讲稿共32页2000.3哈尔滨建筑大学哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作王焕定教授制作32再次强调，本章内容再次强调，本章内容理论性很强，必须亲自理论性很强，必须亲自动手，才能真真掌握！动手，才能真真掌握！第32页，本讲稿共32页