非线性有限元及弹塑性力学

VC=1/2∫VσijεijdV-∫SuFsiu0idS = min
利用格林公式，立即可证明
Ve+ VC=0
1.2 泛函的变换格式（龙驭球提出）
1.2.1 一些预备知识 1) 变量的分类
2000.3
哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作
9
泛函中所显含的自变函数称为泛函的泛函变 量。
除泛函变量外，泛函中的其他变量称为泛函 的增广变量。
1.广义变分原理及其应用
1.1 虚力原理与余能原理 1.2 泛函的变换格式
1.3 含可选参数的广义变分原理 1.4 基于Reissner原理的混合元 1.5 放松约束的变分原理及杂交元
2000.3
哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作
1
1.1 虚力原理与余能原理
1.1.1 虚位移原理和势能原理（复习）
1） 虚位移原理的虚功方程——矩阵表达
在余能泛函
VC=1/2∫VσijεijdV-∫SuFsiu0idS 中σij 是泛函变量，其他是增广变量。
在势能泛函
Ve=Vε+VP =1/2∫VσijεijdV
-∫VFbiuidV- ∫SσFsiuidS
中ui 是泛函变量，其他是增广变量。
2000.3
哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作
10
2) 泛函所满足的条件
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。对线弹性体，此驻值为最小值。
2000.3
哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作
8
简单来说，势能原理等价平衡，表达为
Ve=Vε+VP =1/2∫VσijεijdV
-∫VFbiuidV- ∫SσFsiuidS = min
余能原理等价于协调，表达为
对任意 [λ] ∫V ([A]δ[σ])T [λ]dV=[0]
利用格林公式和已知条件可得
2000.3
哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作
6
∫V( [D] -1[σ]-[A]T[λ ])Tδ[σ]dV +∫Su([L]δ[σ])T ( [λ]-[u ]0)dS=0
(a)
设体内三个虚剪应力任意、独立，另三个正应 力满足[A]δ[σ]=[0]。又因为[λ]完全任意，因此 可设
1/2∫V(ui ,j+uj ,i) δσijdV= ∫SδσijnjuidS-∫V δσij ,juidV 考虑到虚应力的已知自平衡条件，立即可得
∫VεijδσijdV=∫Suδσijnjui0dS
必要性证毕。 2000.3
哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作
5
2) 充分性证明 已知条件 ：[ε]= [D]-1[σ]
虚余变形功 2000.3
虚反力功
哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作
表面给定位移3
虚功方程——张量表达 ∫VεijδσijdV=∫Suδσijnjui0dS
2) 必要性证明 已知条件 ：[ε]=[A]T[u]=[D]-1[σ]
V：δ[σ]=[0] Sσ：[L]δ[σ]=[0]
或张量表达形式已知条件：
εij=1/2(ui ,j+uj ,i)=D-1ijklσkl
2000.3
哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作
11
由返函的变分等于零所导出的条件，称为泛 函的自然条件。
在余能泛函中σij 所对应的应变应满足的协调
条件为自然条件。
在势能泛函中ui 所满足的平衡条件即为自然
条件。
在泛函中，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增广条件。
在势能泛函中几何方程和物理方程即为增广 条件。
∫V[ε]Tδ[σ]dV=∫Su([L]δ[σ])T [u ]0dS 可得
δ(1/2∫V[ε]T [σ]dV-∫Su([L] [σ])T [u ]0dS)=0 记VC如下所示，并称为变形体的总余能
VC=1/2∫V[ε]T [σ]dV-∫Su([L] [σ])T [u ]0dS
则由δVC=0可得
余能原理
体积力虚功 表面力虚功
δWe=∫V[Fb]Tδ[u]dV+ ∫Sσ[Fs]Tδ[u]dS
虚变形功 =δWi=∫V[σ]Tδ[ε]dV
虚功方程——张量表达
δWe=∫VFbiδuidV+ ∫SσFsiδuidS
=δWi=∫VσijδεijdV
2000.3
哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作
2
2） 势能原理的数学表达
3) 泛函间关系的分类
2000.3
哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作
12
两泛函所包含的全部变量、全部条件均相同，
泛函中泛函变量事先所需满足的条件，称为 泛函的强制条件。
在余能泛函中σij 所需满足的平衡条件（内部
和边界）即为强制条件。
VC=1/2∫VσijεijdV-∫SuFsiu0idS 在势能泛函中ui 所满足的协调条件即为强制
条件。
Ve=Vε+VP =1/2∫VσijεijdV -∫VFbiuidV- ∫SσFsiuidS
∫V[ε]Tδ[σ]dV=∫Su([L]δ[σ])T [u ]0dS
V：[A]δ[σ]=[0] Sσ：[L]δ[σ]=[0]
或张量表达形式 εij=D-1ijklσkl ∫VεijδσijdV=∫Suδσijnjui0dS
V：δσij ,j =0 Sσ ：δσijnj=0
需证明的是：应变εij是协调的。 [证明] ：因为V：[A]δ[σ]=[0]，所以
V
:
x

1
x

y

2
y
z

3
z
在此条件下，式(a)由于虚应力的任意、独立性
可得
充分性证毕。
V: [D] -1[σ]-[A]T[λ ]=[0] Su： [λ]-[u ]0=[0]
2000.3
哈尔滨建筑大学 王焕定教授制作
7
1.1.3 余能原理
和由虚位移原理导出势能原理一样，由虚力 原理
V：δσij ,j =0 Sσ ：δσijnj=0
需证明的是：∫VεijδσijdV=∫Suδσijnjui0dS
2000.3明]：利用格林公式 ∫V( [A][u])Tδ[σ]dV= ∫S([L]δ[σ])T [u ] dS-∫V([A]δ[σ])T [u ] dV 或张量形式格林公式
应变能
总势能
Ve=Vε+VP =1/2∫VσijεijdV 外力势能
-∫VFbiuidV- ∫SσFsiuidS = min
1.1.2 虚力原理
1）虚力原理的表述
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（矩阵）
∫V[ε]Tδ[σ]dV=∫Su([L]δ[σ])T [u ]0dS