線性與非線性的概念 線性與彈性深度分析

2021-10-18 10:57:29 字數 1952 閱讀 3607

1. 什麼是線性

自然界的現象抽象為數學模型,通過數學模型研究其規律,從而反過來解釋自然,這是科學研究的基本模式。研究的目標量通常叫做函式或者泛函式,我們可以抽象地記作f,對f 有影響的量通常稱為變數,我們抽象地記作x。這裡,f 可以是實數、向量、矩陣、張量等等,x 亦然。這樣,對於自然規律的研究,就歸結於對於f 和x 關係的研究。

所謂線性,表述的就是變數x 與目標量f 之間的一種關係:乙個問題被稱為線性的,如果對於任意給的實數alpha、beta,下式恆成立:

f (alpha*x + beta*y )= alpha*f(x) + beta*f(y)

當然,alpha、beta也可以在實數域以外的域上定義。

上面是比較一般的表述,可以具體舉乙個力學方面的例子來幫助理解:如果讓f 代表結構的位移向量,x 代表結構上的荷載向量,那麼上式所表達的含義就是力學上的疊加原理。線性的概念相當廣闊,在很多領域都有重要的應用,在結構領域當然也有它的具體表現。

2. 什麼是彈

性 與線性不同,彈性的概念直接發源於經典力學。彈性所表述的是可變形體的變形特性。粗略地講,如果在結構物上準靜態施加荷載,結構產生變形,當準靜態卸去該荷載後,結構的變形完全恢復,那麼就稱該結構物在該荷載下是彈性的。在力學中,如果假定所研究的結構物都是彈性的,那麼這樣的力學問題就稱為彈性問題,這樣的結構系統就稱為彈性系統。

進一步從數學上講,彈性系統都是有勢的保守系統,研究的都是有勢的向量場:乙個向量場f 在空間v 上是有勢的,當且僅當f(x) 在v 上的任意閉路積分為零。舉例講,比如彈性體上的平衡力系,在任乙個位移(或應變)迴圈中所做的功為零。

3. 線性和彈性的關係

我們僅從結構的角度來談論二者之間的關係:

(1) 彈性包括線彈性和非線性彈性,彈性簡單說指解除安裝後變形按原路徑返回,沒有殘餘變形。線彈性是應變與應力成比例,符合胡克定律,是直線關係;非線彈性的e 是變化的,應力與應變是曲線。

(2) 在材料力學中,有比例極限與彈性極限兩個概念,比例極限是符合胡克定律的最高限,彈性極限是沒有塑性變形的最高限,那麼在比例極限到彈性極限這一區段內,應力、應變是什麼關係?怎麼理解?是否可以理解為在比例極限到彈性極限區段內,雖然仍是彈性變形,但e 值已非常量。

彈性極限範圍內,構件發生彈性變形,即撤除外力構件沒有塑性變形;比例極限範圍內,構件除了滿足上面的條件,其應力-應變還成線性關係。即,比例極限就是線性彈性極限。

(3) 非線性包括:物理非線性、幾何非線性和狀態非線性。彈性和線性是不同的兩個問題,彈性指材料變形的恢復能力,線性指的是應力-應變幾何形狀關係的描述。

(4) 彈性與幾何非線性的差別是,後者指位移與應變之間的非線性關係,主要是由於大轉動造成的。不管是材料處於線彈性還是非線性彈性狀態,都有可能出現幾何非線性的情況。同時即使材料處於塑性狀態,也不一定出現幾何非線性。所以說兩者是不同的概念,並沒有必然的聯絡。在進行有限元分析的時候,只有材料處於線彈性並且轉動量級很小,約束也是線性的時候,才能進行通常的線性有限元分析,否則都是非線性的。

(5) 當材料的本構模型,即應力--應變曲線為雙折線時,很容易誤認為這是線彈性,但事實上這是非線性。彈性的定義是在應力--應變圖中,一條從原點出發且不發生任何彎折的直線。

(6) 非線性除了材料非線性和幾何非線性外,還包括邊界條件的非線性,最典型的就是接觸問題。還有乙個例子就是所謂的非保守結構系統,例如荷載的方向隨結構的形狀變化而變化(索的風荷載作用),這時的力學分析很難。

(7) 彈性不一定是線性,因為它可以是幾何非線性,通常我們所說的大變形彈性就是這種情況。我們所說的線彈性是指材料是彈性的,變形是小變形。

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