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最小势能原理

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所属类别:工程力学

基本信息

中文名称:最小势能原理
外文名称:

以势能形式描述物体平衡规律的变分极值原理,固体力学中基本的能量原理之一。它是固体力学中直接解法和有限元劲度法的理论基础。对于小变形的弹性体,该原理可表达为:在所有可能位移状态下的势能Πp(u*i)中,满足平衡条件的真实位移状态下的弹性体总势能Πp(ui)为最小,即

式中,u*i、ui(i=1~3)分别为可能位移和真实位移。可能位移是满足变形连续条件和位移边界条件的位移。上述弹性体的总势能的表达式为

式中,等号右边第一项是弹性体的应变能(或内力势能);第二项是体积力势能,其中fi(i=1~3)为体力张量;第三项是给定的边界面力的势能,其中

(i=1~3)为面力张量,第二、三项合称为外力势能;V为物体所占的空间;Sσ为给定面力的边界面。

式(1)中的等号只有在可能位移就是真实位移的情况下才成立。

最小势能原理等价于弹性体的平衡条件,即在V内满足平衡微分方程,在Sσ上满足面力边界条件。

对于弹塑性体,若取全量理论的本构关系和沿应变极值路径加载时,最小势能原理仍然成立。应变极值路径是在所有可能的加载路径中,使应变能密度取极小值的加载路径,如简单比例加载等。若取增量理论的本构关系,即每一级增量中的应力应变关系是线性的,其加载路径必是极值路径,因此增量形式的最小势能原理自然成立。

  
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