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Thermodynamic Consistency of Plate and Shell Mathematical Models in the Context of Classical and Non-Classical Continuum Mechanics and a Thermodynamically Consistent New Thermoelastic Formulation 被引量:3
1
作者 Karan S. Surana Sri Sai Charan Mathi 《American Journal of Computational Mathematics》 2020年第2期167-220,共54页
Inclusion of dissipation and memory mechanisms, non-classical elasticity and thermal effects in the currently used plate/shell mathematical models require that we establish if these mathematical models can be derived ... Inclusion of dissipation and memory mechanisms, non-classical elasticity and thermal effects in the currently used plate/shell mathematical models require that we establish if these mathematical models can be derived using the conservation and balance laws of continuum mechanics in conjunction with the corresponding kinematic assumptions. This is referred to as thermodynamic consistency of the mathematical models. Thermodynamic consistency ensures thermodynamic equilibrium during the evolution of the deformation. When the mathematical models are thermodynamically consistent, the second law of thermodynamics facilitates consistent derivations of constitutive theories in the presence of dissipation and memory mechanisms. This is the main motivation for the work presented in this paper. In the currently used mathematical models for plates/shells based on the assumed kinematic relations, energy functional is constructed over the volume consisting of kinetic energy, strain energy and the potential energy of the loads. The Euler’s equations derived from the first variation of the energy functional for arbitrary length when set to zero yield the mathematical model(s) for the deforming plates/shells. Alternatively, principle of virtual work can also be used to derive the same mathematical model(s). For linear elastic reversible deformation physics with small deformation and small strain, these two approaches, based on energy functional and the principle of virtual work, yield the same mathematical models. These mathematical models hold for reversible mechanical deformation. In this paper, we examine whether the currently used plate/shell mathematical models with the corresponding kinematic assumptions can be derived using the conservation and balance laws of classical or non-classical continuum mechanics. The mathematical models based on Kirchhoff hypothesis (classical plate theory, CPT) and first order shear deformation theory (FSDT) that are representative of most mathematical models for plates/shells are investigated in this paper for their thermodynamic consistency. This is followed by the details of a general and higher order thermodynamically consistent plate/shell thermoelastic mathematical model that is free of a priori consideration of kinematic assumptions and remains valid for very thin as well as thick plates/shells with comprehensive nonlinear constitutive theories based on integrity. Model problem studies are presented for small deformation behavior of linear elastic plates in the absence of thermal effects and the results are compared with CPT and FSDT mathematical models. 展开更多
关键词 Plate and Shell Mathematical Models Energy Functional thermodynamic Consistency Classical Continuum Mechanics Non-Classical Continuum Mechanics Internal Rotations Cosserat Rotations principle of virtual work
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深圳某300m超高层塔楼结构设计 被引量:2
2
作者 严从志 《建筑结构》 北大核心 2023年第S01期6-11,共6页
深圳某超高层塔楼建筑高度为300m,结构高度为289m,塔冠高度11m。结合建筑体型及结构受力要求,结构体系采用“稀柱框架-混凝土核心筒-环带桁架”结构体系。根据虚功原理,以风荷载下的结构顶点位移为控制目标,对各个环带桁架的敏感性进行... 深圳某超高层塔楼建筑高度为300m,结构高度为289m,塔冠高度11m。结合建筑体型及结构受力要求,结构体系采用“稀柱框架-混凝土核心筒-环带桁架”结构体系。根据虚功原理,以风荷载下的结构顶点位移为控制目标,对各个环带桁架的敏感性进行了分析,确定了环带桁架加强层的最佳布置方案。利用环带桁架的“虚拟伸臂”效应可以有效降低核心筒在水平荷载作用下的倾覆力矩,增大结构的抗侧刚度,减小结构的水平变形,并最大程度减小建筑使用功能的影响。对环带桁架加强层楼板的进行了详细的受力分析,并提出了有效的建议及加强措施。 展开更多
关键词 超高层建筑 稀柱框架-混凝土核心筒-环带桁架 虚功原理 环带桁架 虚拟伸臂
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对称几何非线性三角形平面单元研究
3
作者 王动 邓继华 《交通科学与工程》 2023年第5期102-110,共9页
为克服现有共旋法的几何非线性平面单元切线刚度矩阵的不对称给非线性方程组求解带来的困难,基于共旋坐标法与几何一致性相结合的原则,对三角形平面单元进行了研究。将单元共旋坐标系的原点坐标分量标始终设为三角形的3个顶点坐标分量... 为克服现有共旋法的几何非线性平面单元切线刚度矩阵的不对称给非线性方程组求解带来的困难,基于共旋坐标法与几何一致性相结合的原则,对三角形平面单元进行了研究。将单元共旋坐标系的原点坐标分量标始终设为三角形的3个顶点坐标分量的平均值,合理选择共旋坐标系初始时刻及任意计算时刻的坐标轴方向,基于虚功原理,利用微分方程,建立三角形平面单元在大转动、小应变条件下的几何非线性单元切线刚度矩阵和相应的节点抗力算法。研究结果表明:该切线刚度矩阵是对称的;且将该切线刚度矩阵与一种能将位移增量法与荷载增量法形成统一迭代格式的非线性方程组求解方法进行结合,能大幅简化求解过程,依据推导公式与算法开发了相应的计算程序,并利用该计算程序对柔性立柱和大变形悬臂梁的经典算例进行了计算和比较,验证了该研究理论推导结果的正确性与计算程序的可靠性,且算例2显示该算法的计算精度高于ANSYS商业数值软件的。 展开更多
关键词 共旋法 三角形平面单元 几何非线性 对称切线刚度矩阵 虚功原理
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一种三自由度串并联结构旋转台的动力学分析 被引量:6
4
作者 高征 肖金壮 +1 位作者 王洪瑞 金振林 《中国机械工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2012年第1期18-21,38,共5页
对三自由度旋转台进行了动力学分析。该旋转台只有3个方向的转动自由度,由二自由度球面并联机构和串联在其上的旋转电机构成。根据旋转台的几何和运动特性建立了系统的输入输出速度方程,得出了速度Jacobian矩阵和动能方程。利用拉格朗... 对三自由度旋转台进行了动力学分析。该旋转台只有3个方向的转动自由度,由二自由度球面并联机构和串联在其上的旋转电机构成。根据旋转台的几何和运动特性建立了系统的输入输出速度方程,得出了速度Jacobian矩阵和动能方程。利用拉格朗日法和虚功原理,建立了系统的动力学模型,解决了特定外载荷和速度、加速度条件下如何求解驱动力矩的问题。给出了动力学的仿真运算实例,讨论了在匀速和匀加速情况下,二自由度球面并联机构驱动力矩的变化。最后根据动力学方程,得出了串联在二自由度球面并联机构上的第三个自由度的力矩与输出转角的运动学方程。 展开更多
关键词 串并联机构 旋转台 动力学 拉格朗日法 虚功原理
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杆系结构的几何非线性分析──Ⅰ.平面问题 被引量:11
5
作者 黄文 李明瑞 黄文彬 《计算结构力学及其应用》 CSCD 1995年第1期7-16,共10页
本文以三维连续体的虚功增量方程为基础,采用平动、转角位移分别插值的方法,导出了梁结构大位移、大转动问题内力分析的UL法。本文考虑了轴向、剪切和弯曲效应,提出了新的几何刚度矩阵。算例表明,依本文方法编制的程序具有分析结... 本文以三维连续体的虚功增量方程为基础,采用平动、转角位移分别插值的方法,导出了梁结构大位移、大转动问题内力分析的UL法。本文考虑了轴向、剪切和弯曲效应,提出了新的几何刚度矩阵。算例表明,依本文方法编制的程序具有分析结构强几何非线性行为的能力;在满足本文位移假定(即每次加载增量中转角增量是小量)的条件下,可以描述任意大角度的刚体转动。 展开更多
关键词 杆系结构 几何非线性 有限元 工程动力学
原文传递
杆系结构的几何非线性分析──Ⅱ.三维问题 被引量:15
6
作者 黄文 李明瑞 黄文彬 《计算结构力学及其应用》 CSCD 1995年第2期133-141,共9页
以三维连续体的虚功增量方程为基础,采用平动、转角位移分别插值的方法,导出了空间Timoshenko梁大位移、大转动问题内力分析的UL法(UpdatedLagrangiai1Formulation)。本文考虑了轴向、剪... 以三维连续体的虚功增量方程为基础,采用平动、转角位移分别插值的方法,导出了空间Timoshenko梁大位移、大转动问题内力分析的UL法(UpdatedLagrangiai1Formulation)。本文考虑了轴向、剪切、弯曲和扭转效应,提出了新的几何刚度矩阵,并建立了描述大转动规律的坐标转换矩阵。算例表明,依本文方法编制的程序具有分析结构强几何非线性行为的能力;在满足本文假定(即每次加载增量中转角增量是小量)的条件下,可以描述任意大角度的刚体转动。 展开更多
关键词 杆系结构 有限元 几何非线性 工程动力学
原文传递
框-筒结构截面变化对加强层力学作用的影响 被引量:1
7
作者 张杰 张仲先 +1 位作者 赵文光 朱宏平 《北京工业大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2007年第9期937-942,共6页
为了给高层建筑加强层设计提供可靠的设计依据,根据伸臂结构的简化模型,应用虚功原理和伸臂与核心筒的变形协调条件得到了求解核心筒约束弯矩和侧移折减系数的计算式.对影响核心筒约束弯矩和侧移折减系数的因素(核心筒刚度与外柱刚度之... 为了给高层建筑加强层设计提供可靠的设计依据,根据伸臂结构的简化模型,应用虚功原理和伸臂与核心筒的变形协调条件得到了求解核心筒约束弯矩和侧移折减系数的计算式.对影响核心筒约束弯矩和侧移折减系数的因素(核心筒刚度与外柱刚度之比α、核心筒线刚度与伸臂线刚度之比β和高层建筑沿高度截面的变化等)进行了分析,结合工程分析结果对高层建筑加强层设计提出了参考意见. 展开更多
关键词 高层建筑 框架-核心筒结构 加强层 侧移折减系数 虚功原理
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基于LINGO及虚功原理的框架—核心筒结构优化研究 被引量:1
8
作者 朱杰江 陆佳慧 张磊 《结构工程师》 北大核心 2020年第4期204-209,共6页
以框架-核心筒抗侧构件总造价为优化目标,使用VB语言编写了相应程序,调用LINGO作为优化工具进行数学摸型的优化求解,对框架-核心筒结构进行了优化研究。优化过程中通过虚功原理显式的表达了位移公式,将整体位移约束和强度约束放在同一... 以框架-核心筒抗侧构件总造价为优化目标,使用VB语言编写了相应程序,调用LINGO作为优化工具进行数学摸型的优化求解,对框架-核心筒结构进行了优化研究。优化过程中通过虚功原理显式的表达了位移公式,将整体位移约束和强度约束放在同一层次进行优化以提高优化效率。通过算例验证了优化程序的合理性,研究结果对工程实际具有一定的参考价值。 展开更多
关键词 框架—核心筒结构 Lingo软件 虚功原理 结构优化
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用于大位移情形的杆系结构虚功原理
9
作者 杨德灿 葛耀君 《武汉大学学报(工学版)》 CAS CSCD 北大核心 2005年第1期121-124,共4页
通过典型示例揭示了传统杆系结构虚功原理在“微小位移”假定下,忽略挠度的一阶导数,用二阶导数代替曲率,造成的近似计算的假象,以及引起的概念上的混乱. 论证了虚功原理实质上是一组精确的数学恒等式,只是通过定义“力”和“位移”使... 通过典型示例揭示了传统杆系结构虚功原理在“微小位移”假定下,忽略挠度的一阶导数,用二阶导数代替曲率,造成的近似计算的假象,以及引起的概念上的混乱. 论证了虚功原理实质上是一组精确的数学恒等式,只是通过定义“力”和“位移”使其中每一项都赋予了虚功的物理意义,并不存在近似的问题. 提出了用截面转角的正切值定义截面的转动位移,并将虚功中力和位移的关系描述为力不随位移拖动的模式. 由此澄清了传统虚功原理可能引起的“近似计算,只适用于小位移”的假象,使虚功原理可以抛弃小位移假定,精确地适用于大位移情形. 展开更多
关键词 杆系结构 大位移 虚功原理
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基于虚功原理的一类刚架结构受力分析 被引量:2
10
作者 鲍四元 《常州工学院学报》 2012年第4期10-12,共3页
对由4部分T形杆铰接组成的刚架静力平衡问题,直接求解存在较多的未知约束力,需联立解方程组,过程较繁琐,虚功原理为这类刚架问题的求解提供了新的解法。在虚功原理法中,由于铰链处点属于铰接的2部分,其虚位移有2种表示形式,可得结构各... 对由4部分T形杆铰接组成的刚架静力平衡问题,直接求解存在较多的未知约束力,需联立解方程组,过程较繁琐,虚功原理为这类刚架问题的求解提供了新的解法。在虚功原理法中,由于铰链处点属于铰接的2部分,其虚位移有2种表示形式,可得结构各部分的瞬心位置,并得到各支座力。 展开更多
关键词 铰链 刚架 虚功原理 受力分析
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塑性区法在平面钢框架稳定分析中的应用
11
作者 胡强 《广西工学院学报》 CAS 2006年第1期61-65,共5页
应用结构稳定性分析的塑性区理论对平面钢框架进行平面内稳定性研究。基于塑性区理论建立单元各纤维元与单元位移之间的关系,采用修改的拉格朗日列式法和虚功原理建立结构的刚度矩阵和刚度方程。然后对W illiam s框架进行了分析,获得了... 应用结构稳定性分析的塑性区理论对平面钢框架进行平面内稳定性研究。基于塑性区理论建立单元各纤维元与单元位移之间的关系,采用修改的拉格朗日列式法和虚功原理建立结构的刚度矩阵和刚度方程。然后对W illiam s框架进行了分析,获得了令人满意的结果,与文献中计算结果比较表明塑性区法由于其充分考虑了材料的塑性扩展,因而是比其他稳定性分析方法更为精确的方法。 展开更多
关键词 塑性区法 虚功原理 稳定性 平面刚架
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关于虚功变量的一种典型分析
12
作者 朱峰 林凯颖 《电气电子教学学报》 2015年第5期43-45,共3页
虚功原理是"电磁场"课程教学中的一个重要组成部分,在能量体系确定的条件下,虚位移量的选取是运用该方法的关键。本文通过一个典型问题,采取不同的物理视角,对应了不同的虚位移参量,从而使得到的广义力具有不一样的物理含义... 虚功原理是"电磁场"课程教学中的一个重要组成部分,在能量体系确定的条件下,虚位移量的选取是运用该方法的关键。本文通过一个典型问题,采取不同的物理视角,对应了不同的虚位移参量,从而使得到的广义力具有不一样的物理含义。同时,数据坐标化的方法使得解题过程更加明了。本例题对于学生提高运用数学能力、理解虚功原理(物理本质)及应用具有一定的帮助。 展开更多
关键词 虚功原理 广义力 广义坐标系 载流线框
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功能原理和机械能守恒定律在非惯性参照系中的应用
13
作者 刘飞 《玉溪师范学院学报》 2006年第9期22-24,共3页
讨论了在非惯性参照系中如何应用功能原理和机械能守恒定律.
关键词 非惯性 参照系 功能原理 机械能守恒定律
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杆系结构几何非线性分析的有限元法(一)——平面问题
14
作者 黄文 李明瑞 黄文彬 《北京农业工程大学学报》 1994年第3期8-15,共8页
以三维连续体的虚功增量方程为基础,采用平动和转角位移分别插值的方法,导出了梁结构大位移、大转动问题内力分析的 UL(Updated Lagrangian Formulation)法。考虑了轴向、剪切和弯曲效应,提出了新的几何刚度矩阵。算例表明,依本文方法... 以三维连续体的虚功增量方程为基础,采用平动和转角位移分别插值的方法,导出了梁结构大位移、大转动问题内力分析的 UL(Updated Lagrangian Formulation)法。考虑了轴向、剪切和弯曲效应,提出了新的几何刚度矩阵。算例表明,依本文方法编制的程序具有分析结构强几何非线性行为的能力;在满足本文中位移假定(即每次加载增量中转角增量是小量)的条件下,可以描述任意大角度的刚体转动。 展开更多
关键词 杆系结构 几何非线性 有限元法
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转动参照系中的虚功原理
15
作者 韩修林 《阜阳师范学院学报(自然科学版)》 2008年第1期16-17,共2页
导出了转动参照系中虚功原理的表示式,并结合实例介绍了其应用.
关键词 转动参照系 虚功原理
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无刷双馈电机故障穿越策略 被引量:3
16
作者 王一丁 苏建徽 +1 位作者 汪海宁 于鸿儒 《电机与控制学报》 EI CSCD 北大核心 2021年第2期28-36,共9页
电网电压故障会对电机定、转子的电压电流造成冲击,对电网安全造成影响。为研究无刷双馈发电机在电网故障期间的特性并设计对应的控制策略,本文分析了无刷双馈电机定子控制绕组的等效模型和阻尼特性,提出在电流内环控制器引入虚拟电阻... 电网电压故障会对电机定、转子的电压电流造成冲击,对电网安全造成影响。为研究无刷双馈发电机在电网故障期间的特性并设计对应的控制策略,本文分析了无刷双馈电机定子控制绕组的等效模型和阻尼特性,提出在电流内环控制器引入虚拟电阻的控制策略,该方法能有效抑制控制绕组电压电流瞬态响应的振荡,加快响应时间;对不平衡故障,本文分析了故障时各分量的影响,引入正负序旋转坐标系进行分离控制,消除控制目标中的负序分量,保障机组在故障期间不间断运行。仿真和实验表明,无需撬棒电路即可实现无刷双馈电机在电网对称故障和不平衡故障下的穿越。 展开更多
关键词 无刷双馈电机 电网电压故障 阻尼特性 虚拟电阻 正负序旋转坐标系 故障穿越
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利用虚功原理计算T构悬臂端日照温差位移的方法 被引量:3
17
作者 李小胜 李小鹏 《石河子大学学报(自然科学版)》 CAS 2010年第6期775-780,共6页
通过对某特大连续刚构桥施工监控过程中某些墩位(两边墩)T构两悬臂端在临近合拢时挠度出现反常现象的原因分析,推测日照温差是引起标高误差的主要因素;利用虚功原理推导出了一个简便的公式,用以计算变截面箱梁刚构桥T构悬臂端因桥梁表... 通过对某特大连续刚构桥施工监控过程中某些墩位(两边墩)T构两悬臂端在临近合拢时挠度出现反常现象的原因分析,推测日照温差是引起标高误差的主要因素;利用虚功原理推导出了一个简便的公式,用以计算变截面箱梁刚构桥T构悬臂端因桥梁表面温差引起的相对位移量;将计算结果与实测结果进行对比,验证在夏季热期施工中日照温差对悬臂挠度的影响是引起合拢高差难以控制的主要原因之一;结合现场监控,提出消除或缩小因温度位移而引起的合拢标高误差的建议,取得了明显效果。 展开更多
关键词 虚功原理 日照温差 标高控制 相对位移 T形刚构
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试用暗物质理论解释惯性和惯性力的物理机制(上) 被引量:1
18
作者 白临武 王永平 《航天控制》 CSCD 北大核心 2011年第5期90-95,共6页
基于对暗物质的多年探讨,我们认为宇宙空间是具有质量、相对均匀、连续稳定和有相当弹性暗物质群体(DMG)的空间。自然、宇宙万物终生处于群体引力制约之中,它们因此也获得了相应的惯性。本文立足于上述的宇宙空间,借助宇宙学原理、马赫... 基于对暗物质的多年探讨,我们认为宇宙空间是具有质量、相对均匀、连续稳定和有相当弹性暗物质群体(DMG)的空间。自然、宇宙万物终生处于群体引力制约之中,它们因此也获得了相应的惯性。本文立足于上述的宇宙空间,借助宇宙学原理、马赫原理和爱因斯坦等效原理,提出了物质客体的惯性机制和被称为虚力的惯性力机制。同时本文也解读所有惯性参考系都是等效的这一问题。 展开更多
关键词 宇宙学原理 马赫原理 等效原理 虚力 惯性参考系 暗物质群体
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试用暗物质理论解释惯性和惯性力的物理机制(下)
19
作者 白临武 王永平 《航天控制》 CSCD 北大核心 2011年第6期88-91,共4页
基于对暗物质的多年探讨,我们认为宇宙空间是具有质量、相对均匀、连续稳定和有相当弹性暗物质群体(DMG)的空间。自然、宇宙万物终生处于群体引力制约之中,它们因此也获得了相应的惯性。本文立足于上述的宇宙空间,借助宇宙学原理、马赫... 基于对暗物质的多年探讨,我们认为宇宙空间是具有质量、相对均匀、连续稳定和有相当弹性暗物质群体(DMG)的空间。自然、宇宙万物终生处于群体引力制约之中,它们因此也获得了相应的惯性。本文立足于上述的宇宙空间,借助宇宙学原理、马赫原理和爱因斯坦等效原理,提出了物质客体的惯性机制和被称为虚力的惯性力机制。同时本文也解读所有惯性参考系都是等效的这一问题。 展开更多
关键词 宇宙学原理 马赫原理 等效原理 虚力 惯性参考系 暗物质群体
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基于虚功原理的连续刚构桥悬臂施工三角挂篮变形分析方法 被引量:4
20
作者 吉荡 《公路交通技术》 2017年第2期46-50,共5页
连续刚构桥悬臂施工中三角挂篮变形的控制直接影响到桥梁成桥状态的线形和受力。基于虚功原理,提出连续刚构悬臂施工中三角挂篮变形的分析方法。以云南省某连续刚构桥为依托,根据实际工程所用的挂篮及其预压试验来推算各个阶段的挂篮变... 连续刚构桥悬臂施工中三角挂篮变形的控制直接影响到桥梁成桥状态的线形和受力。基于虚功原理,提出连续刚构悬臂施工中三角挂篮变形的分析方法。以云南省某连续刚构桥为依托,根据实际工程所用的挂篮及其预压试验来推算各个阶段的挂篮变形值,并通过线性回归得出其线性方程。现场挂篮变形实测值表明,该三角挂篮变形分析方法实用、可靠,可为类似连续刚构桥悬臂浇筑法施工的挂篮变形分析提供参考。 展开更多
关键词 连续刚构 虚功原理 挂篮变形 线性回归
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