平衡微分方程的适用范围
平衡微分方程
平衡微分方程
平衡微分方程是指在一个系统的各方面存在着平衡状态时的微分方程。
平衡状态指的是系统的各个部分性质保持不变，即系统不发生任何变化。
平衡微分方程是通过对系统的各个部分进行微分运算，从而得到系统在平
衡状态下的特定方程。
例如，在化学反应中，当反应达到平衡状态时，反应物和生成物的浓
度不再发生任何变化，此时化学反应的微分方程就可以表示为平衡微分方程。
同样，在物理学中，当物体处于平衡状态时，其受力平衡，可以利用
牛顿定律将其表示为平衡微分方程。
平衡微分方程是研究系统稳定性和动态特性的重要工具，在工程学、
生物学、经济学等领域有广泛应用。
金属塑性变形理论第26讲-力平衡微分方程
04
CATALOGUE
力平衡微分方程的扩展
非线性力平衡微分方程
非线性力平衡微分方程描述了非线性物 理系统中的力平衡关系，考虑了力的非 线性效应，如弹性变形、塑性变形和流 体动力学等。
该方程形式较为复杂，需要使用数值方法进 行求解，如有限元法和有限差分法等。
非线性力平衡微分方程在工程领域 中有着广泛的应用，如结构分析和 动力学分析等。
多物理场力平衡微分方程
01
多物理场力平衡微分方程描述了多个物理场之间的相互作 用和力平衡关系，如电磁场、流体场和弹性力学场等。
02
该方程组由多个偏微分方程组成，每个方程描述一个物理 场的运动规律。
03
多物理场力平衡微分方程的求解需要使用耦合求解方法，如有 限元法和谱方法等，同时需要考虑不同物理场之间的耦合效应
金属塑性变形理论 第26讲-力平衡微分 方程
contents
目录
• 力平衡微分方程的推导 • 力平衡微分方程的应用 • 力平衡微分方程的解法 • 力平衡微分方程的扩展 • 力平衡微分方程的物理意义与展望
01
CATALOGUE
力平衡微分方程的推导
力的定义与性质
力的定义
力是一个物体对另一个物体的作 用，是改变物体运动状态的原因
02
这种方法适用于无法直接求解的问题，但解的精度可能受到近
似条件的影响。
常用的近似解法包括有限差分法、有限元法和边界元法等。
03
数值解法
01
数值解法是通过计算机数值计算方法求解力平衡微 分方程。
02
这种方法适用于各种复杂的问题，且随着计算机技 术的发展，数值解法的精度和效率不断提高。
03
常用的数值解法包括有限差分法、有限元法和有限 体积法等。
微分方程平衡解
微分方程平衡解微分方程平衡解微分方程作为数学中一大重要分支，同样也是掌握了整个数学领域的名词。
在微分方程的解法中，平衡解作为一种特殊的解法，具有很重要的地位。
本文将重点对微分方程平衡解进行详细说明。
一、什么是微分方程平衡解？微分方程可以分为常微分方程和偏微分方程两种类型。
在常微分方程当中，平衡解就是指当方程右边等于零时，方程的解就是平衡解。
以一阶常微分方程为例,$y'+f(x)y=0$当$f(x)y=0$时，该方程的解为平衡解。
也就是说，当函数的导数与函数本身的乘积等于零时，函数的解就是平衡解。
二、如何求微分方程的平衡解？1.求解微分方程的一般解在求解微分方程的平衡解之前，首先要先求解微分方程的一般解。
一般解：由微分方程得出的所以解构成的一组解，包括特解和齐次解。
2.将右端函数置为零平衡解出现的前提是方程的右端函数等于零。
因此，在求解平衡解的时候必须将方程的右端函数置为零，即求解齐次方程。
3.解齐次方程解齐次方程可以得到微分方程的齐次解，然后再通过判断微分方程的特征方程的根的情况，得到平衡解的表达式。
三、平衡解的实例计算以一阶已知函数为例，求出其平衡解：$y'-xy=0$解：因为右端函数为0，所以先将 $y'-xy=0$ 化为 $ y' - xy = f(x)$ 的形式，其中函数 $f(x) = 0$；$\frac{dy}{dx}-xy=0$这是一个一阶线性微分方程，所以解齐次方程得到其通解为：$y=c e^{\frac{x^2}{2}}$其中 $c$ 为任意常数。
特征方程为$0=λ^2 -x$ ，得出两个特征根$λ_1=\sqrt{x}$，$λ_2=-\sqrt{x}$，因此得出平衡解为：$y_1=c_1 e^{\frac{x^2}{2}}$$y_2=c_2 e^{-\frac{x^2}{2}}$四、总结微分方程是数学中一个非常重要的分支，其中平衡解是微分方程中的一种特殊解法。
物质平衡微分方程在油(气)藏水侵计算中的应用
物质平衡微分方程在油(气)藏水侵计算中的应用物质平衡微分方程是一种研究物质变化的数学模型，它可以用来描述物质在油(气)藏中的运动。
它基于物质守恒的原理，即物质在油(气)藏中的总量是不变的，只有它的形态和分布会发生变化。
物质平衡微分方程可以用来描述油(气)藏中物质的变化，以及油(气)藏中物质的流动情况。
它还可以用来研究物质在油(气)藏中的水侵运动，从而更好地了解油(气)藏的物质变化情况。
2. 油(气)藏水侵计算的基本模型油(气)藏水侵计算的基本模型是基于物质平衡微分方程，其中包括了渗流方程、热传导方程和物质平衡方程。
渗流方程用来描述油(气)藏内部的渗流状况，热传导方程用来描述油(气)藏内部的热传导状况，而物质平衡方程则用来描述油(气)藏内部的物质平衡状况。
这三个方程组合起来，可以建立出一个完整的油(气)藏水侵计算模型，用来模拟油(气)藏内部的水侵过程。
物质平衡微分方程可以用来模拟油(气)藏水侵的过程，它可以模拟油层中油水界面的运动，以及油水两相流动的情况。
物质平衡微分方程可以用来求解油水界面的位置，以及水侵的速度和方向。
此外，物质平衡微分方程还可以用来模拟油水两相流动的情况，以及油水界面的运动。
物质平衡微分方程还可以用来求解油水界面的位置，以及油水两相流动的情况。
此外，物质平衡微分方程还可以用来模拟油水界面的运动，以及油水界面的位置变化。
通过对油水界面的位置变化和油水两相流动的情况进行模拟，可以获得有关油(气)藏水侵的结果。
4. 油(气)藏水侵计算的数值解法油(气)藏水侵计算的数值解法主要包括有限差分法、有限元法和蒙特卡罗法。
有限差分法是采用网格结构，将油藏水侵计算的物质平衡微分方程进行离散化，然后求解离散的方程组，从而求解油藏水侵的数值解。
有限元法是将物质平衡微分方程区域化为网格，并将每个网格上的函数用元函数表示，然后求解元函数的系数，从而求解油藏水侵的数值解。
蒙特卡罗法是采用随机算法，将物质平衡微分方程转换为积分方程，然后采用抽样法求解积分方程，从而求解油藏水侵的数值解。
重力场中流体的平衡微分方程
重力场中流体的平衡微分方程
在重力场中，流体的平衡微分方程可以通过质量守恒和动量守恒方程来描述。
1. 质量守恒方程：
质量守恒方程描述了流体质量在空间和时间上的变化。
根据质量守恒原理，流体在单位时间内进入一个控制体的质量应该等于离开该控制体的质量减去在控制体内积累的质量。
在重力场中，质量守恒方程可以表示为：
∂ρ/∂t + ∇·(ρv) = 0
其中，ρ是流体的密度，t是时间，v是流体的速度矢量，∇是梯度算子，·表示向量的点乘。
2. 动量守恒方程：
动量守恒方程描述了流体运动的力学行为。
根据牛顿第二定律，流体在单位时间内受到的外力等于流体动量的变化率。
在重力场中，动量守恒方程可以表示为：
ρ(∂v/∂t + v·∇v) = -∇P + ρg
其中，P是流体的压力，g是重力加速度。
综合以上两个方程，就可以得到重力场中流体的平衡微分方程。
需要注意的是，这是一个非线性偏微分方程组，求解方法较为复杂，通常需要结合适当的边界条件和物质特性方程进行求解。
静止流体平衡微分方程
静止流体平衡微分方程1. 介绍在研究流体力学中，平衡是一个重要的概念。
平衡状态下，流体内部的各个点没有运动，即静止流体。
在静止流体平衡的研究中，微分方程起着关键作用。
本文将介绍静止流体平衡微分方程的概念、原理和应用。
2. 静止流体的性质静止流体的性质可以通过一系列基本概念来描述。
首先是流体的密度，表示流体单位体积的质量。
其次是流体的压强，表示单位面积上的力。
还有流体的重力加速度和外力的作用等。
静止流体中的压强分布可以沿着流体的竖直方向进行研究。
对于一根垂直柱状的静止流体，在竖直方向上，压强随深度的增加而增加。
这是由于上方的流体对下方的流体产生了压力，使得下方的压强更高。
3. 静止流体平衡微分方程的原理静止流体平衡微分方程描述了静止流体内部各点的平衡条件。
该方程是基于流体力学和力学平衡原理推导得出的。
首先，根据传统的力学平衡原理，任意一个静止流体内的点所受到的合外力为零。
这个外力可以分为两部分：流体受到的压力和其他可能作用在流体上的力。
因此，静止流体的平衡方程可以写成以下形式：∑F = ∑P + ∑F_other = 0其中，∑F表示所有作用在流体内各点的合外力，∑P表示流体内压力的合力，∑F_other表示其他可能作用在流体上的力的合力。
根据流体力学的原理，压力作用在过流体内某一点的垂直方向，所以∑P可以写成以下形式：∑P = -∇P其中，∇P表示压力梯度，代表压力沿着任意方向的变化率。
通过解析力学的推导，可以得到静止流体平衡微分方程的一般形式为：∇P + ρg = 0其中，ρ表示流体密度，g表示重力加速度。
这个方程表达了静止流体内部各点压强和重力场之间的关系。
4. 应用静止流体平衡微分方程在很多领域中都有重要应用。
以下是几个常见的应用场景：4.1. 液体静力学静止液体的行为可以通过静止流体平衡微分方程来研究。
通过对方程的求解，可以获得液体内部压强分布的信息，进而了解液体在容器中的分布情况。
这对于设计和优化容器的结构和功能具有重要意义。
欧拉平衡微分方程的物理意义
欧拉平衡微分方程的物理意义
欧拉平衡微分方程在许多物理领域均有着重要的应用，主要用来描述物理系统在动态变化过程中的状态。
这种微分方程形式简洁明了，易于理解和计算。
"欧拉平衡微分方程" 的数学形式通常表示为d^2x/dt^2 = f(x)，其中x代表物理
状态，t代表时间，f(x)是一个关于x的函数。
它可以描述许多复杂的动态系统，如机械振动、电子振荡、量子力学等。
欧拉平衡微分方程其基本的物理意义是描述
有关物理量（如面积、长度、角度）与其对应的变化率之间的关系。
对于实物动态系统，欧拉平衡微分方程可用于近似描述系统的动态行为。
例如，欧拉平衡微分方程可以用于描述摆动、弹跳、振荡等动态现象。
在这些情况下，方程的解就代表了物体的运动轨迹，即其在某一特定时间点的状态。
在量子力学领域，欧拉平衡微分方程常常应用于描述粒子的波动行为。
例如，薛定谔方程就是一个特殊形式的欧拉平衡微分方程，用于描述粒子在量子态下的
运动。
在这种情境下，方程的解给出了粒子的波函数，即其在量子意义上的“位置”。
简言之, 欧拉平衡微分方程的物理意义在于研究物理过程中各物理量之间的变
化关系，尤其适用于描述动态系统。
其解极大地帮助人们理解和预测物理世界的行为。
流体平衡微分方程式
6
Pz
pz
1 dxdy 2
Pn pndAn （dAn为BCD的面积）
除压强外，还有作用在微元四面体流体微团上的质量
力，该质量力分布在流体微团全部体积中。设流体微团的
平均密度为ρ，而微元四面体的体积为dV=dxdydz/6，则微
元四面体流体微团的质量为dm=ρdxdydz/6。假定作用在流 流体上的单位质量力为 f ，它在各坐标轴上的分量分别
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4
其上的力是平衡的
现在来分析作用于微元四面体ABCD上各力的平衡关
系。由于静止流体中没有切应力，所以作用在微元四面体
四个表面上的表面力只有垂直于各个表面的压强。因为所
取微元四面体的各三角形面积都是无限小的，所以可以认
为在无限小表面上的压强是均匀分布的。设作用在ACD、
ABD、ABC和BCD四个面上的流体静压强分别为px、py、
式，即：
z1
p1
g
z2
p2
g
（2-10）
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P0
P2 P1 Z1 Z2
图2-5 推导静力学基本方程式用图
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为了进一步理解流体静力学基本方程式，现在来讨论 流体静力学基本方程的物理意义和几何意义
1.物理意义
从物理学可知，把质量为m的物体从基准面提升z高度 后，该物体就具有位能mgz，则单位重量物体所具有的位 能为z(mgz/mg=z)。所以式(2-9)中z的物理意义表示为单位
（2-4）
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16
此式称为压强差公式。它表明：在静止流体中，空间点的 坐标增量为dx、dy、dz时，相应的流体静压强增加dp， 压强的增量取决于质量力。
5 平衡微分方程
徐徐离海角 袅袅入云衢 此夜一轮满 清光何处无 释如满
露从今夜白 月是故乡明
十 五 的 月 亮 十 六 圆
弹性体的变形
• 弹性体受力之后的变形和位移都很小， 悬臂梁 • 可以用变形之前的位置和尺度表示变形之 can 后的位置和尺度。 t i l e v e r • 对于物体中的每一点，都有确定的空间位 置，用坐标表示。 • 物体受力之后，各点都会产生微小的位置 变化，也就是位移。 • 不同的点位移不同，就会引起变形。
弹性力学的平面问题
平面应力问题： 很薄的等厚薄板
受力情况： 只在板边上受平行 于板面且不沿厚度 变化的面力和约束
弹性力学的平面问题
平面应变问题： 很长的柱形体，截面形状 受力等都不沿长度变化，
注意，每一个截面都是 对称平面
z 0 z 0
虎 克 定 律 平面应变
相似之处
平面应力
弹性力学的平衡微分方程
弹性体的受力：外力和内力
物体内部材料的相互作用力称为内力， 单位面积的内力称为应力( stress ) 。
设想将物体切开，分开两部分
的相互作用可以用力来表示。
力随位置而变化。 取微小面积，将作用力除以面 积，在面积趋于零即趋于一点 时的极限，就是该点处应力。
弹性体的受力：外力和内力
物体内部材料的相互作用力称为内力， 单位面积的内力称为应力(Normal)stress stress 。
N μN T1 T2 R δ
A
θ
R B
F
W
T2 cos
2
T1 cos
2
N
θ
T2 sin
2
T1 sin
[平衡微分方程的适用范围]平衡微分方程
[平衡微分方程的适用范围]平衡微分方程平衡微分方程的适用范围弹性力学、塑性力学、弹塑性力学。
张量:怎样判断？商判则：和任意矢量点积为K-1阶张量的量一定为K 阶张量。
能否满足分量转换规律是判断某个数的集合是否表示一个张量的基本准则。
3、n 维张量的举例标量零阶张量，矢量为一阶张量，应力、应变为二阶张量，应力、应变之间的弹性关系可用四阶张量表示。
4、▽的意义？▽为一个梯度，▽2为调和算子，▽4为重调和算子。
5、柯西应变张量与格林应变张量的区别？柯西应变张量适用于线弹性小变形，格林应变张量适用于任何情况。
6、任意斜面上的应力的本质是？平衡微分方程和转轴公式。
7、如何描述正应变，剪应变，体积应变，应力的球张量，应力的偏张量？对于各向同性材料，正应力引起正应变，引起线元长度变化；剪应力引起剪应变，引起角度的变化；应力的球张量，只引起体积变化，不会引起形状的变化；应力的偏张量，只引起形状变化，不会引起体积的变化。
动力学的平衡微分方程如何表示？根据达朗贝尔原理，把惯性力当作体力来满足力平衡和力矩平衡条件。
9、转轴公式的理论依据:柯西公式。
10、等效应力、等效应变物理意义、公式：等效应力将6个应力分量的对变形体的作用，等效于一个单向拉伸力的作用；等效应变将6个应变分量等效于一个单向拉伸力所产生的应变。
利用实验，就可以直接建立等效应变与等效应力的数值关系11、体积不可压：从体积弹性模量来看，当时，K 趋向于无穷大，也就是说体积变化无限小，即表示体积不可压缩。
12、为什么等值拉压是纯剪切等值拉压时，线元只有角度发生变化，长度有发生变化，故等值拉压是纯剪切。
13、里茨和伽辽金法的物理思想均是利用利用最小势能原理，寻找满足约束边界条件的试验函数。
14、弹性力学为什么可用逆解法、半逆解法：解的唯一性定理表明，无论用什么方法求得的解，只要能满足全部基本方程和边界条件，就一定是问题的真解。
15、叠加原理建立在什么条件下：基本方程和边界条件满足线弹性条件，举例：在线弹性条件下，复杂问题可通过简单叠加处理。
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1、 平衡微分方程的适用范围
弹性力学、塑性力学、弹塑性力学。
2、 张量:怎样判断？
（1）商判则：和任意矢量点积为K-1阶张量的量一定为K 阶张量。
（2）能否满足分量转换规律是判断某个数的集合是否表示一个张量的基本准则。
3、n 维张量的举例
标量零阶张量，矢量为一阶张量，应力、应变为二阶张量，应力、应变之间的弹性关系可用四阶张量表示。
4、▽的意义？
▽为一个梯度，▽2为调和算子（拉普拉斯算子），▽4为重调和算子。
5、柯西应变张量与格林应变张量的区别？
柯西应变张量适用于线弹性小变形，格林应变张量适用于任何情况。
6、任意斜面上的应力的本质是？
平衡微分方程和转轴公式。
7、如何描述正应变，剪应变，体积应变，应力的球张量，应力的偏张量？
对于各向同性材料，正应力引起正应变，引起线元长度变化；剪应力引起剪应变，引起角度的变化；应力的球张量，只引起体积变化，不会引起形状的变化；应力的偏张量，只引起形状变化，不会引起体积的变化。
8、 动力学的平衡微分方程如何表示？（达朗贝尔原理）
根据达朗贝尔原理，把惯性力当作体力来满足力平衡和力矩平衡条件。
9、转轴公式的理论依据:柯西公式。
10、等效应力、等效应变物理意义、公式：
等效应力将6个应力分量的对变形体的作用，等效于一个单向拉伸力的作用；等效应变将6个应变分量等效于一个单向拉伸力所产生的应变。
利用实验，就可以直接建立等效应变与等效应力的数值关系
11、体积不可压（v=1/2）：
从体积弹性模量()
ν213-=E K 来看，当5.0=ν时，K 趋向于无穷大，也就是说体积变化无限小，即表示体积不可压缩。
12、为什么等值拉压是纯剪切
等值拉压时，线元只有角度发生变化，长度有发生变化，故等值拉压是纯剪切。
13、里茨和伽辽金法的物理思想
均是利用利用最小势能原理，寻找满足约束边界条件的试验函数。
14、弹性力学为什么可用逆解法、半逆解法：
解的唯一性定理表明，无论用什么方法求得的解，只要能满足全部基本方程和边界条件，就一定是问题的真解。
15、叠加原理建立在什么条件下：
基本方程和边界条件满足线弹性条件，举例：在线弹性条件下，复杂问题可通过简单叠加处理。
16、圣维南原理的思想：
在物体内，距外加载荷作用处相当远的各点的应力状态，在外载荷的合力和合力矩相同时，与外载荷的具体分布形式关系很小。
17、位移解法、应力解法、应力函数解法：
（1）位移解法：几何方程→本构方程→平衡微分方程
（2）应力解法：平衡微分方程→本构方程→协调方程+（几何方程）
（3）应力函数解法：
引入能自动满足平衡方程的函数（应力函数），求解用这些函数表示的协调方程，应力分量可由其偏导数的组合来确定。
18、复变函数解法优点：
（1）统一了弹性力学中应力、位移、应力函数三种基本解法。
（2）统一了弹性力学中力边界、位移边界、混合边界。
（3）适用于直角坐标、极坐标和任意正交曲线坐标系。
（4）处理复杂问题具有明显优势。
19、保角变换：
设法找一个解析函数，通过保角变换把原物理平面上的复杂几何域映射成像平面上的中心单位圆、半无限平面等简单易解的规则域，把原物理平面上的基本关系也用像平面上的复变量来表示，先在像平面的规则域上找满足这些基本关系的解，然后把结果返回到物理平面就得到实际问题的解。
20、Tresca 、Mises 准则空间曲面：
Tresca 准则的屈服曲面是一个垂直于π平面的正六角柱面体，在π平面上的屈服曲线是一个正六边形，且s r σσ3
2=（纯拉伸屈服）。
Mises 准则的屈服曲面是一个垂直于π平面的圆柱面体，在π平面上的屈服曲线是一个圆，且s r σσ3
2=（纯拉伸屈服）。
21、对于不同加载面塑性机构的比值：p248-254
22、理想塑性材料加载面和屈服面：
理想材料的加载面与初始屈服面是重合的
23、等向强化模型加载面：
加载面在应力空间中做形状相似的扩大，认为材料在塑性变形以后，仍保持各向同性的性质，忽略了由于变形引起的各向异性的影响，只有在变性不大或应力偏量之间的相互比例改变不大时适用（p240）
24、基于Drucker 公设流动法则物理意义：244
1）加载面外凸的（屈服曲面的外凸性）；
2）应变增量垂直于加载面（塑性应变增量向量与加载面的外法线方向一致-正交性法则）
25、普朗特尔-劳埃斯与列维-米塞斯的使用条件：
普朗特尔-劳埃斯用于弹性应变增量不可忽略的。
列维-米塞斯：当塑性应变增量比弹性应变增量大的多时，则弹性应变增量可忽略。
26、全量理论什么时候用：
在简单加载条件下可以使用全量理论，但是在应力路径偏离简单加载路径一定范围内仍能使用全量理论。
（p264）
27、什么叫简单加载：
满足伊留申条件的加载即为简单加载：
1、小变形；
2泊松比等于0.5且材料不可压缩；
3、载荷是按比率增长，如有位移边条件，只能是零位移边条件；
4、材料的应力-应变（平均）曲线具有n
A εσ=的幂函数形式。