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PDF Variational Principle - Seoul National University

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Academic year: 2024

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(1)

Variational Principle

❖ Vectorial Approach

❖ Energy or Variational Approach - scalars

- governing principle

- correct condition is defined by

- integral 𝐹 = 𝑚 Ԧ Ԧ 𝑎

𝛿(𝑠𝑐𝑎𝑙𝑎𝑟) = 0, 𝑠𝑡𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛𝑎𝑟𝑦

❖ Calculus of variation

- Chap. 2. Lanczos, “Variational Principles of Mechanics”

- Chap. 2. Hildebrand, “Methods of Applied Mathematics”

- Chap. 3. Langhaar , “ Energy Methods in Applied Mechanics”

(2)

Variational Principle

❖ Calculus of variation (continued)

Behavior described by finding condition when certain meaningful quantity is stationary

𝐼 = න

𝑎 𝑏

𝐹 𝑦, 𝑦

, 𝑥 𝑑𝑥

𝛿𝑦 is called “variation in y” , y is a dependent variable.

𝛿𝐼 = න

𝑎 𝑏

𝛿𝐹(𝑦, 𝑦

, 𝑥)𝑑𝑥 𝛿𝐹 𝑦, 𝑦

, 𝑥 = 𝜕𝐹

𝜕𝑦 𝛿𝑦 + 𝜕𝐹

𝜕𝑦

𝛿𝑦

+ 𝜕𝐹

𝜕𝑥 𝛿x = 0

δy δy

δx y

x b

δI=0 correct path a

(3)

Variational Principle

in operations

δ𝑔 𝑦 = 𝑑𝑔(𝑥 )

𝑑𝑦 δ𝑦 = 𝑔

(𝑦)δ𝑦 δ(𝑦

2

) = 2𝑦δ𝑦

δsin𝑦 = cos𝑦δ𝑦 δ 𝑑𝑤

𝑑𝑥 = 𝑑δ𝑤

𝑑𝑥 , δ( 𝑑

𝑛

𝑤

𝑑𝑥

𝑛

) = 𝑑

𝑛

(δ𝑤 ) 𝑑𝑥

𝑛

δ න

𝑎 𝑏

𝐹𝑑𝑥 = න

𝑎 𝑏

δ𝐹𝑑𝑥

consider

𝐼 = න

𝑎 𝑏

𝐹(𝑦, 𝑦

, 𝑥)𝑑𝑥

δ𝐼 = ඳ

𝑎 𝑏

δ𝐹𝑑𝑥 = ඲

𝑎 𝑏

𝜕𝐹

𝜕𝑦 δ𝑦

+ 𝜕𝐹

𝜕𝑦′ δ𝑦

𝑑𝑥

= ඲

𝑎 𝑏

𝜕𝐹

𝜕𝑦 δ𝑦 𝑑𝑥 + 𝜕𝐹

𝜕𝑦 𝛿𝑦

|

𝑎𝑏

− ඲

𝑎 𝑏

𝛿𝑦 𝑑 𝑑𝑥

𝜕𝐹

𝜕𝑦

𝑑𝑥

0

(4)

Variational Principle

If F = T – U + W

x = f(time) ⇒ Lagrange’s Egn.

𝛿𝐼 = − ඲

𝑎 𝑏

𝑑 𝑑𝑥

𝜕𝐹

𝜕𝑦

− 𝜕𝐹

𝜕𝑦 𝛿𝑦𝑑𝑥 = 0 𝛿𝐼 = 0 , 𝑖𝑓 𝑎𝑛𝑑 𝑜𝑛𝑙𝑦 𝑖𝑓

𝑑 𝑑𝑥

𝜕𝐹

𝜕𝑦

− 𝜕𝐹

𝜕𝑦 = 0 : 𝐸𝑢𝑙𝑒𝑟′𝑠 𝐸𝑞𝑢𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛𝑠

(5)

Variational Principle

❖ Structural mechanics - scalars of interest

• Strain Energy Density

• Complementary Strain Energy Density

ഥ )

𝑈 = ഥ 𝑈 (𝑆 𝑚𝑛 𝑈 𝑐 = ഥ 𝑈 𝑇 𝑚𝑛

𝑈 = න ഥ

0 𝜀 𝑚𝑛

𝐹 𝑚𝑛 𝑆 𝑚𝑛 ′ 𝑑𝑆 𝑚𝑛 ′

- For linear system

Tensor Voight

𝑈 = ම ഥ 𝑈 𝑆

𝑚𝑛

𝑑𝑉 = 𝑈 𝑈

𝐶

= න

𝑇𝑚𝑛

𝑆

𝑚𝑛

𝑇

𝑚𝑛

′ 𝑑𝑇

𝑚𝑛

U U C T

mn

d S

mn

1 1

2 2

mn mn T

U = T S = T S

(6)

Variational Principle

❖ Work = Force times distance

consider න

𝑎 𝑏

𝐹 · 𝑑 Ԧ𝑟 Ԧ

𝑊 = න

0 𝑞

𝑄(𝑞

)𝑑𝑞

𝑊

𝑐

= න

0 𝑄

𝑞(𝑄

)𝑑𝑄

❖ Variation of Strain Energy

  ( )

 

mn

mn mn mn

S

mn mn

(S S ) (S )

( ) (S ) S

mn

mn

S

mn mn mn mn

S

mn

U U

T S S U S

T dV

+

+ −

 

= = 

=

 



𝑈 𝑆

𝑚𝑛

= ම න

0 𝑆𝑚𝑛

𝑇

𝑚𝑛

(𝑆

𝑚𝑛

′)𝑑𝑆

𝑚𝑛

′ Q

dq

W W C

q

-perturbation in strain S +

mn

 S

mn
(7)

Variational Principle

ˆ

mn n n n

A V

W T U dA f U dV

 =   +  

❖ Variation in Work

❖ Derivation of Principle of Minimum Total Potential Energy

mn

0

n n

V m

T f U dV

x 

  +  =

  

 



ˆ ( )

cos( ) 0

n mn n

n mn

m

V A

mn m n mn mn n

A V v

B i T U

B T U dV

x

BdV B NdA

T Nx U dA T S dV f UdV

  

=

    

 

=     −        

 =

− + =



 

  

( )

1 :

mn n mn n mn

(

n

) dx

m m m

st term T U dV T U T U

x   x  x  

  =     −    

 

mn mn

ˆ

mn n n n

V

T  S dV =

A

T  U dA + f U dV 

  

) 𝑆

𝑚𝑛

(𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙 𝑠𝑡𝑟𝑎𝑖𝑛

( U W ) 0

 − =

𝛿U 𝛿𝑊 𝐼 = 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 𝑖𝑛𝑑𝑖𝑐𝑎𝑡𝑜𝑟

given loaded body in equilibrium

displacement

ˆ

mn

T

(8)

Variational Principle

❖ Principle of stationary total potential energy of all displacement of a loaded structure satisfying geometric B.C’s – the right

ones(equilibrium) are those that minimize Π

0

( ) 0

( ) d ˆ

Smn

mn mn mn

sn n n n

A V

V W U W

U T S S dV

W T u dA f u dV

 

 = −

 = − =

=

= +

 

 

- Solution by minimization usually considers certain subset.

𝑎𝑝𝑝𝑟𝑜𝑥𝑖𝑚𝑎𝑡𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑖𝑜𝑛

(9)

Variational Principle

❖ V of a typical structure

11 11

11

11 11 2

11 11

2

0 0

1 2

1 ( )

2

V

l l

T ES E T

S du

dx

U T S dV

U ES E TS dAdx

du du

EA dx E T dA dx

dx dx

 

= − 

=

=

 

=  −  

 

 

= −     





  

i) Rod

P P

Z

l

x,u

(10)

Variational Principle

❖ U of a typical structure

11 11

2

11 2

2

11 11

2 2

2

2 2

0 0

0

1 2

1 ( ) ( )

2

( ) ( ) dx

l l

l w

T ES E T

S z d w dx

U ES E TS dAdx

d w d w

U EI dx E TzdA dx

dx dx

W f x w x

= − 

= −

 

=  −  

 

= + 

=



 

ii) Beam in Bending

𝐼 = න𝑧

2

𝑑𝐴

L

x

(11)

Variational Principle

❖ V of a typical structure

2

0 0

,

1 1

( )

2 2

l l

d T d

T GJ

dx GJ dx

d d

U T dx GJ dx

dx dx

 

 

= =

=  = 

iii) Torsion of Bar

(12)

Variational Principle

❖ Rayleigh-Ritz Approach

1

( , , , ) ( ) ( , , )

satisfy only the geometric .C.'s

N

i i

i

U x y z t a t x y z

B

=

=

→ 

For linear elastic problem,

1 2

1 2

1 2

1 2

( ) ( , , , )

,

, 0, .

p p n

p p

p

p p

U W a a a

a a

a a

o etc

a a

  

 = − =  

 

 = + + 

 

 

= = 

 

  K     q = f

𝜑 should be twice differentiable

(13)

Variational Principle

❖ Note on dynamics

I n

f = −  u

- d’Alembert’s Force

( )

2 1

ˆ 0

t

mn mn n n nB n sn n

t V V V A

PSTPE

T  S dV +   u u − f  u − T  u dA dt =

    

2 2 2

1 1 1

2

1

2 2

1 1

1 2

( ) dt 0

( ) dt 0

t t t

n n n n t n n

t V V t V

n n V

t t

t t

t t

u u dV dt u u dt u u dVdt

T u u dV

U T W

T U Wdt

     

  

 

= −

=

− − =

− + =

    



  Hamilton’s principle

0

ሶ𝑢 𝛿 ሶ𝑢 −𝛿𝑇

𝛿 W

(Principle of the stationarity total potential energy)

 U

(14)

Variational Principle

❖ Principle of the minimum complementary energy

 0

 + =

mn

n m

T f

X

- increments in stress field

1

0 2

0

0

ˆ

ˆ cos( ) dA

u n u m

S mn T mn dV

V x m x n

S mn T mn dV

V A U n sn dT sn A

c c

U W

T sn T mn Nx n

 

 

 

 

− + =

 

− =

=

=

   

   

   



 

T

mn

0

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