[科普中国]-能量原理

概念介绍

分析结构在荷载、温差等外因影响下所产生的应力、变形和位移状态的基本原理之一。能量是指结构作功的能力。弹性结构在加载时产生变形，在卸载后又能恢复原状，说明若不计动能和热能的变化，荷载在结构上所作之功，将全部转化成结构的变形势能存储于结构之内，因而在卸载过程中具有恢复原状的能力，这是能量原理的依据。能量原理根据荷载作功过程中变形势能的变化规律,建立起一系列极值条件，作为解题的综合判据,从而避免直接解算大量偏微分方程，以简化解题手续。1

能量物质运动的一般量度，可解释为物质做功的能力，简称能。能的基本形式有机械能(动能与势能的总称)、热能、化学能、电能、核能、光能等。它们分别是机械运动、分子热运动、化学反应、电磁作用、原子核与基本粒子运动所具有的能量。能量的单位与功的单位相同，工程中常用单位有千焦耳(kJ)、千瓦·小时(kW·h)等。

能量可以在物质之间传递，这种传递过程就是做功或传递热量的过程。在传递过程中，若物质运动方式发生变化，能量形式也同时发生转换。例如，物体向上运动时，因克服重力而减慢速度，损失的动能转换为势能;当物体返回地面时，速度加快，势能又转换成动能;河水冲击水轮发电机组做功的过程，就是将河水的势能和动能传递给水轮发电机组并转换为电能的过程;热力发电，则是将燃料的化学能借助热力发电装置先后转换为热能和机械能，并最终将机械能转换为电能的过程。

电能和磁能总是紧密联系的。运动的电荷产生磁场，变化的磁场产生电场，因而可以使机械能和电能相互转换。电能是现代最常用的一种能量。它的传输、转换和利用最为方便、效率很高。因此，电能已成为发展国民经济、改善人民生活、促进社会进步不可缺少的能源。

能量的传递还能以粒子相互作用或以辐射的方式在空间传播(如电磁波的传播)，光是电磁辐射最常见的一种。无线电波、红外线、X射线等都是能的辐射传播。

应用用能量法分析结构,主要是寻求既满足边界条件,又同时满足势能为最小的位移函数或者余能为最小的2。对许多难于求得精确解的工程问题，可用下述各个能量原理以求问题的近似解答。因此，在分析复杂结构的静力和动力问题中，能量原理得到广泛应用。

研究内容能量原理可从虚位移原理、虚力原理两个侧面研究。又根据势能和余能的变化情况,建立相应的极值条件,以解答具体问题，形成最小势能原理和最小余能原理。

虚位移原理也称势能原理、虚功原理。设结构在荷载作用下处于平衡状态。假定由于任何其他原因，使结构从其平衡位置偏离一个任意微小的、为边界约束条件所允许的虚位移（可以看作是真实位移的一个变分），荷载在虚位移上所作的虚功，将等于其内部应力在相应应变上所积累的虚变形势能。故虚位移原理可表述为：弹性结构平衡的必要与充分条件是，对于任意微小的虚位移,荷载所作的总虚功δW等于其内部所积累的虚变形势能δU。即δU-δW=0。

最小势能原理设结构在P力系作用下处于平衡。在某一可能虚位移过程中,与Pi力相应的虚位移设为墹i,则由可能虚位移引起的荷载势能变化为,将使结构增加变形。设由此引起的变形势能的改变为δU,则结构的总势能改变δП可定义为内外两种势能变化之差，即但是,在这个虚位移中，荷载始终保持不变，因而П只是可能虚位移的函数。故此式可改写成泛函 П=U-W代表结构在虚位移中的总势能。当结构处于平衡状态时,已知U=W,从而有δП=0,它说明：在一切满足边界条件的虚位移中，同时满足平衡条件的虚位移对应于结构势能的一个驻值，这就是结构势能驻值原理。对于线弹性结构，势能的二阶变分恒为正，因而使总势能取最小值，所以这个原理又称最小势能原理。它意味着在所有满足边界条件的虚位移中，能使结构势能为最小的虚位移，满足平衡条件，因而就是真实的位移。在这种情况下，结构势能的驻值条件等价于平衡条件。3

虚力原理也称余能原理。设结构在荷载和支承位移影响下处于平衡状态。在位移保持不变的情况下，若让真实应力σ发生微小改变δσ,且使它们满足平衡条件和应力边界条件（称为可能虚应力），则虚力原理可表述为：对一切可能虚应力δσ而言，结构满足变形协调方程的必要和充分条件是，对于任意微小的可能虚应力，其变形余能的一阶变分δU*,等于位移边界上的相应边界反力所作荷载余功的一阶变分δW*。

最小余能原理结构的余能变分可定义为 式中Ri、Ci分别为支承反力和相应的支承位移。在可能应力的变化过程中，应变和位移均保持不变，因而此式可改写为泛函代表结构的总余能，由余能原理，有δП*=0 。它说明：在所有满足平衡条件及边界条件的应力场中，同时满足相容应变场的应力场，对应于余能的一个驻值，这就是余能驻值原理。对于线弹性结构，因有,已知势能U的二阶变分恒为正,故П*将取最小值，因而最小余能原理可表述为：在一切满足平衡方程及边界条件的应力场中，真实的应力场应能使泛函П*成为最小。因而，余能的驻值条件等价于变形协调条件。4