最小余能原理
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中文名称:最小余能原理
外文名称:
以余能形式描述物体变形协调规律的变分极值原理,固体力学中基本的能量原理之一。它是固体力学直接解法和有限元柔度法的理论基础。对小变形的弹性体,该原理可表述为:在所有可能应力状态下的余能Πc(σ*ij)中,满足变形协调规律的真实应力状态下的弹性体总余能Πc(σij)为最小,即
或
式中,σ*ij、σij(i,j=1~3)分别为可能应力和真实应力。可能应力是满足平衡微分方程和面力边界条件的应力。上述弹性体总余能的表达式为
式中,等号右边第一项是弹性体的应变余能(或内力余能);第二项是位移边界上的外力余能,其中pi、
(i=1~3)分别为位移边界上的面力张量和给定的位移张量,pi=σijnj,nj(j=1~3)为位移边界的法线方向余弦;V为物体所占的空间;Su是给定位移的边界面。式(1)中的等号只有当可能应力就是真实应力的情况下才成立。
最小余能原理等价于弹性体的变形协调条件,即在V内满足几何微分方程,在Su上满足位移边界条件。
对于弹塑性体,若取全量理论的本构关系和沿应力极值路径加载,最小余能原理仍然成立。应力极值路径是在所有可能的加载路径中,使应变余能密度取极大值的加载路径,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余能原理自然成立。