基于有限元法验证圣维南原理

圣维南方程组求解>>水动力学圣维南方程组的求解发布时间：2012年06月23日分类：水动力学自从Stoker（1953）首次尝试将完整的Saint-Venant方程组用于Ohio河流的洪水计算以来，出现了大量的针对完整的Saint-Venant方程组的数学模型（动力波模型）。

求解圣维南方程组的数值方法很多，按离散的基本原理可分为特征线法、有限差分法、有限元法、有限体积法和有限分析法等。

有限差分法显式方法的先驱是Stoker（1953），其后有Liggett和Woolhiser（1967），Martin和DeFazio(l969)及Strelkoff（1970）等人，Dronkers（1969），Balloffet（1969）及Johnson （1974）将显式方法用于分析河口的潮汐运动，Garrison等(1969)，Johnson(1974)将显式方法用于模拟河道及水库的洪水，Liggett和Cunge(l975)给出了数种显式差分格式的表达式及分析结果。

对于每一计算时刻，关于计算断面的未知量，显式方法可直接从代数方程组中得出结果。

隐式方法的提出是出于显式方法由于计算的稳定性要求而存在时间步长限制的考虑。

隐式方法首先是由Isaacson等(1953)建议的，其后在六、七十年代很多学者在隐式方法进行了大量的研究工作。

隐式方法则要求解代数方程组。

代数方程组又分为线性和非线性两种，前者既可用直接法又可用迭代法求解，而后者要用迭代法求解。

在迭代法中，Newton-Raphson方法以其收敛速度快的特点而较为普遍地用于求解非线性代数方程组中，该方法首先由Amein和Fang(1970)应用于Saint-Venant方程组的数值解中，其后，国内外都有将这一方法用于河网水力数值模拟中。

直接法是用差商代替导数，将微分方程化为代数方程组，再求出区域网点上的解；而特征线法是首先将质量和动量方程进行等价变换，化为由四个常徽分方程构成的方程组，再用有限差分近似来求解。

ANSYS 关于圣维南原理的验证
下图引自->弹性力学--第四版--上册--徐芝纶，关于圣维南原理的说明与举例（第24页），采用ANSYS 对其进行验证以说明圣维南原理的合理及ANSYS 处理问题的强力。

图1 圣维南原理及实例
依据图1（e ），采用plane182单元，材料为钢材，属性：弹性模量E =2.06E5MPa ，泊松比μ=0.29，密度ρ=7.85e-9t/mm 3，板材长L =100mm ，宽W =10mm ，网格尺寸为1mm ，拉力F =100N ，模型示意图见图2。

图2 模型示意简图
F /A
F F /2
L
W 模型1 模型2 模型3
图3为对应模型1的水平应力图，图4为对应模型2的水平应力图，图5为对应模型3的水平应力图，图中大致选取了相关节点显示应力值，由图可知，圣维南原理的正确性、合理性（见图1描述）以及ANSYS处理力学问题的强力。

图3 水平应力（基于模型1）
图4 水平应力（基于模型2）
图5 水平应力（基于模型3）。

圣维南原理应用的正负号引言圣维南原理（Saint-Venant’s Principle）是结构力学中经常应用的原理之一，在工程设计和分析中起着重要的作用。

它主要用来简化复杂结构的力学行为，并且可以通过近似计算来获得结构的响应。

在圣维南原理中，正负号的使用具有重要意义。

本文将介绍圣维南原理的基本概念和应用，并着重讨论正负号的使用。

圣维南原理概述圣维南原理是基于线弹性理论的一个近似原理，它可以用来近似分析结构的应力和应变分布。

根据该原理，当应力和应变小于结构的临界值时，结构的力学行为可以近似为线弹性行为。

这意味着结构在小变形条件下可以看作是一个弹性体。

圣维南原理假设结构的变形局部化主要发生在结构的细长区域内，而在其他区域内则变形较小。

这样，我们只需要关注结构上关键部位的应力和应变分布，即可得到结构的整体响应。

正负号的含义在圣维南原理中，正负号的使用非常重要。

正号表示拉应力或拉应变，而负号表示压应力或压应变。

具体来说，正号表示拉伸或膨胀，而负号表示压缩或收缩。

正负号的选择在于方向的定义。

在力学分析中，一般约定拉伸方向为正，压缩方向为负。

因此，在应用圣维南原理时，需要根据具体情况确定正负号的选择。

正负号的应用在使用圣维南原理进行近似分析时，我们需要注意正负号在以下方面的应用。

1. 弯曲当分析梁的弯曲问题时，正负号的选择与悬臂梁和简支梁的情况有关。

在悬臂梁的上表面，正号表示拉应力或拉应变，而在简支梁的上表面，正号表示压应力或压应变。

2. 剪切在分析剪切问题时，正负号的选择与剪切方向有关。

一般来说，沿着剪切方向的右侧为正号，而左侧为负号。

3. 拉压在考虑拉压问题时，正负号的选择取决于结构所受的外力方向。

如果外力指向结构的内部，正号表示压应力或压应变；如果外力指向结构的外部，正号表示拉应力或拉应变。

4. 扭转在考虑扭转问题时，正负号的选择与结构所受的扭距方向有关。

根据右手定则，将右手的拇指指向扭距的方向，四指的曲线方向为正号。

圣维南原理在有限次元分析中的应用法国力学家圣维南于1855年提出了弹性力学中一个说明局部效应的原理，它是是定性地说明弹性力学中一大批局部效应的第一个原理。

其内容是：分布于弹性体上一小块面积（或体积）内的载荷所引起的物体中的应力，在离载荷作用区稍远的地方，基本上只同载荷的合力和合力矩有关；载荷的具体分布只影响载荷作用区附近的应力分布。

还有一种等价的提法：如果作用在弹性体某一小块面积（或体积）上的载荷的合力和合力矩都等于零，则在远离载荷作用区的地方，应力就小得几乎等于零。

不少学者研究过圣维南原理的正确性，结果发现，它在大部分实际问题中成立。

有限元法是一种高效能、常用的计算方法。

有限元法在早期是以变分原理为基础发展起来的，所以它广泛地应用于以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各类物理场中（这类场与泛函的极值问题有着紧密的联系）。

它的基本原理是将连续的求解域离散为一组单元的组合体，用在每个单元内假设的近似函数来分片的表示求解域上待求的未知场函数，近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表达。

从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。

随着自主创新时代的到来，越来越多的中小型机械设计制造企业开始使用计算机软件来辅助其进行分析，而其中尤以对结构进行力学分析的有限元软件用得最为广泛在使用有限元软件进行分析。

经典的有限元理论以为，只要无限细分网格，就可以得到真实位移解的下界因此，许多研究者基于此提出用二分法来逐渐地减小单元尺寸，当解出现收敛时，就认为此时的网格是所需要的。

用有限个单元将连续体离散化，通过对有限个单元作分片插值求解各种力学、物理问题的一种数值方法。

有限元法把连续体离散成有限个单元：杆系结构的单元是每一个杆件；连续体的单元是各种形状（如三角形、四边形、六面体等）的单元体。

每个单元的场函数是只包含有限个待定节点参量的简单场函数，这些单元场函数的集合就能近似代表整个连续体的场函数。

圣维南原理圣维南原理（Saint-Venant's principle）是固体力学中的一个基本原理，它是由法国工程师Adhémar Jean Claude Barre de Saint-Venant于19世纪提出的。

该原理描述了在弹性体受力作用下，应力和应变在距离载荷作用点很远的地方变化不大，而且在足够远的距离上，应力和应变趋向于稳定。

圣维南原理在工程实践中有着广泛的应用，特别是在结构分析和设计中起着重要的作用。

圣维南原理的提出，为工程力学领域的研究和工程实践带来了重大的影响。

它的核心思想是弹性体受力后，应力和应变会随着距离载荷作用点的增加而逐渐减小，并最终趋于稳定。

这一原理的确立为工程师们提供了一个重要的理论基础，使得他们能够更准确地分析和设计各种结构，确保其在受力作用下的稳定性和安全性。

在工程实践中，圣维南原理被广泛应用于各种结构的分析和设计中。

比如，在桥梁工程中，工程师们可以利用该原理来分析桥梁结构在受力作用下的应力分布情况，从而确定材料的选择和结构的设计方案。

在建筑工程中，该原理也可以帮助工程师们更好地理解建筑结构的受力特性，确保建筑物在各种外部力的作用下能够保持稳定。

此外，圣维南原理还被应用于地基工程、机械设计等领域，为工程实践提供了重要的理论支持。

需要指出的是，圣维南原理虽然在工程实践中有着广泛的应用，但在某些特定情况下也存在一定的局限性。

例如，在材料非线性、应变集中、载荷非均匀等情况下，该原理可能不再适用。

因此，在实际工程中，工程师们需要结合具体的工程情况，综合运用圣维南原理和其他理论知识，进行合理的分析和设计。

总的来说，圣维南原理作为固体力学中的一个基本原理，为工程力学领域的发展和工程实践提供了重要的理论支持。

它的应用不仅帮助工程师们更好地理解和分析结构的受力特性，也为工程设计提供了重要的参考依据。

当然，我们也要意识到，圣维南原理并非适用于所有情况，工程师们需要在实际工程中灵活运用，结合其他理论知识，确保工程设计的科学性和合理性。

圣维南原理并说明它的用途圣维南原理（Saint-Venant's principle）是弹性力学中的一个基本原理，也被称为等效自由力原理或诺特尔对偶原理。

它是由法国数学家和工程师阿道夫·圣维南（Adhémar Jean Claude Barréde Saint-Venant）于19世纪中期提出的。

圣维南原理的基本思想是，当对结构施加作用力并达到平衡状态时，结构内部的应力分布在离作用点足够远的地方将变得无关紧要，只保留结构的整体行为。

具体来说，圣维南原理认为结构在受力下，仅在应力集中的区域附近才会出现显著的变形和应力，而在远离这些集中应力区域的地方，结构的变形和应力将逐渐趋于均匀分布，从而使结构产生一个等效的自由体力或力偶。

这种等效力或力偶可以反映出结构的整体行为和响应，用来简化对结构的分析和计算。

圣维南原理的主要用途如下：1. 结构受力分析：在结构力学中，使用圣维南原理可以简化结构的受力分析。

通过将外部作用力转化为等效的自由力或力偶，并结合结构的边界条件和材料性质，可以有效地求解结构的应力、应变和变形等问题。

这对于设计和优化复杂结构的强度和刚度具有重要意义。

2. 结构变形衡量：通过圣维南原理，可以量化结构的变形情况。

根据等效自由力或力偶的大小和方向，可以确定结构的变形形态和位移分布。

这对于工程师评估和控制结构的变形行为，尤其是在弹性阶段的变形情况，非常有帮助。

3. 结构优化设计：圣维南原理可以在结构优化设计中发挥重要作用。

通过分析结构的等效自由力或力偶，可以直观地了解结构的受力特点和存在的问题，从而指导工程师进行合理的结构调整和优化。

这可以使结构更加经济高效，减轻结构在受力中的应力集中和可能的破坏。

4. 材料选择和设计验证：圣维南原理可以帮助工程师选择合适的材料和验证结构的设计安全性。

通过分析结构的等效自由力或力偶，可以评估结构在不同材料参数下的应力分布和变形行为，从而选择适合的材料，并验证结构的安全性和可靠性。

6圣维南原理解析圣维南 (Saint-Venant) 原理是应用于弹性体力学的一种物理原理，它描述了在应力场中，当载荷施加在物体表面时，这个载荷会沿着物体的体积方向向内传播，引起物体内部的变形和应力分布。

圣维南原理的基本思想是假设物体是连续、均匀且各向同性的，其应变和应力满足弹性力学方程。

圣维南原理可用数学方程表示，假设载荷作用在物体表面的小区域，而物体内部每个小区域都是向外均匀受力的平衡状态。

根据这个原理，我们可以推导出弹性体的位移、应变和应力满足的偏微分方程，称为圣维南方程。

该方程描述了物体内部的变形和应力分布，并能通过求解该方程来获得物体的解析解。

圣维南原理的应用范围广泛，它可以用于解析地基沉降、桥梁和建筑物的变形、材料的弹性行为等问题。

具体应用有：1.地基工程：圣维南原理可用于分析地下水或地震等外部载荷引起的地基沉降。

通过求解圣维南方程，可以预测地基变形，并为工程设计提供依据。

2.结构工程：圣维南原理可用于分析桥梁、建筑物等结构物在受外部荷载作用下的变形情况。

通过求解圣维南方程，可以评估结构物的强度和刚度，并进行结构优化设计。

3.材料工程：圣维南原理可用于研究材料的弹性行为。

通过求解圣维南方程，可以分析材料的应力分布和应变变化，评估材料的机械性能，并为材料疲劳寿命预测提供依据。

需要注意的是，圣维南原理是在弹性条件下成立的，即物体在加载后能恢复到原来的形状。

在实际工程中，弹性体的行为往往与非弹性效应有关，如塑性、粘弹性、破裂等。

因此，在实际应用中，圣维南原理通常与其他力学原理相结合，如塑性力学、粘弹性力学等。

为了更好地应用圣维南原理，我们还需要关注实验测试和数值模拟等方法。

实验测试可以用于验证圣维南原理的适用性，并提供实际数据用于验证数值模拟结果。

数值模拟可以通过有限元法等数值方法求解圣维南方程，从而得到更复杂的物体变形和应力分布情况。

总之，圣维南原理是弹性体力学领域的基本原理之一，广泛应用于地基工程、结构工程和材料工程等领域。

一、题目圣维南原理的理解及其在工程问题中的应用二、涉及到的弹性力学相关概念介绍1855年，圣维南在梁理论研究中提出：若在物体一小部分区域上作用一平衡力系，则此力系对物体内距该力系作用区域较远的部分不产生影响，只在该力系作用的区域附近才引起应力和变形。

这就是著名的圣维南原理。

圣维南原理的一种较为实用的提法是：若作用在物体局部表面上的外力，用一个静力等效的力系（具有相同的主矢和主距）代替，则离此区域较远的部分所受影响可以忽略不计[1]。

三、正文部分1圣维南原理的理解圣维南原理的提出背景求解弹性力学问题就是在给定边界条件下求解偏微分方程。

边界条件不同，问题的解答也不一样。

但是要求出严格满足边界条件的精确解，有时是非常困难的，另外，对于一些实际问题，不能确切的给出面力的分布，只是知道它在某边界上的合理与合力偶的大小。

于是我们会提出一个问题，能不能用一个可解的等效力系来代替它；满足合力、合力偶条件的解是否可以替换它。

这个问题可由圣维南发原理来回答。

凭借生活经验的理解对于圣维南原理的第一种提法：若在物体一小部分区域上作用一平衡力系，则此力系对物体内距该力系作用区域较远的部分不产生影响，只在该力系作用的区域附近才引起应力和变形，可以用一个实例先简单理解。

例如用钳子剪钢丝即使外力大道把钢丝剪断的程度，根据生活经验，钢丝的应力和变形仅局限于潜口附近。

经验表明，这一平衡力系越小，对钢丝其它部分的影响越小[3]。

对于圣维南原理的另一种提法是：若作用在物体局部表面上的外力，用一个静力等效的力系（具有相同的主矢和主距）代替，则离此区域较远的部分所受影响可以忽略不计。

可以这样理解:悬臂梁在端部不沿受集中力作用，基础上增加一对自相平衡的力系。

再减少一对相平衡的力系，根据圣维南原理，仅在小区域那有明显差异，而在该区域之外应力几乎是相同的[1]。

简单应用的理解书上的例子是这样的：如图所示，设有柱形构件，在两端截面的形心受到大小相等而方向相反的拉力F，如图（a），如果把一端或两端的拉力变化为静力等效的力，图（b）或图（c），则只有虚线划出的部分的应力分布有显著的改变，而其余部分所受的影响是可以不计的。

简述圣维南原理及其应用公式
圣维南原理（Saint-Venant's principle）是指当一个外部载荷作用于一根杆件时，如果这个杆件在距离载荷作用点处足够远的地方，其挠度几乎不受载荷位置的影响，即载荷反应在杆件上的分布是近似均匀的。

该原理适用于解决结构力学中的弯曲问题。

圣维南原理还可以用于分析结构的自由振动问题。

在自由振动问题中，需要求解结构的固有频率和振型，而圣维南原理可以用来简化结构的初始条件。

通常情况下，结构的自由振动问题可以分解为多个单独的振动模态，圣维南原理则可以使每个模态的振型分布趋于均匀，从而简化求解过程。

圣维南原理的应用公式为：
Δ = (Ml^2)/(2EI)
其中，Δ表示载荷作用点处的挠度，M表示载荷矩，l表示载荷作用点到杆件固定端的距离，E表示弹性模量，I表示截面惯性矩。

该公式可以用来计算载荷作用点处的挠度。

根据圣维南原理，载荷作用点处的挠度与载荷位置的影响几乎无关，因此可以通过该公式计算出载荷作用点处的挠度，而无需考虑载荷位置的具体情况。

在实际工程中，圣维南原理广泛应用于弯曲问题的分析与设计中。

例如，在桥梁设计中，为了确保桥梁能够承受车辆和行人的重量，
需要对桥梁的弯曲问题进行分析和设计。

圣维南原理可以用来简化桥梁弯曲问题的分析，从而提高设计效率和准确性。

圣维南原理是结构力学中非常重要的原理之一，其应用广泛，可以用于弯曲问题的分析和设计，也可以用于结构的自由振动问题的求解。

掌握圣维南原理和其应用公式，可以提高工程师在结构力学和结构设计领域的能力和水平。

圣维南原理的理解及应用什么是圣维南原理？圣维南原理（St. Venant’s Principle）是强度学说中的一个基本原理，它描述了在一个连续介质中施加力或载荷时，力或载荷在介质内的传递方式。

该原理由法国工程师圣维南（Adhémar Jean Claude Barré de Saint-Venant）在19世纪提出，被广泛应用于材料力学、结构工程、土力学以及其他相关领域。

圣维南原理的基本概念圣维南原理认为，在一个连续介质中施加的力或载荷作用在某一点上时，它会通过介质内的应力场以波的形式传递，直至作用于介质的其他部分。

这种波传递的方式符合弹性波的特征，可以用弹性理论进行描述。

根据圣维南原理，当介质的尺寸足够大，且外力作用点与观察点足够远时，介质的应力场在其它部位的变化可以忽略不计。

这意味着在计算应力和变形时，我们可以将外力仅作用于感兴趣的部位，而不必考虑整个结构的响应。

圣维南原理的应用•结构分析圣维南原理在结构力学的分析中具有广泛的应用。

当我们需要对一个杆件、梁或框架进行受力分析时，可以使用圣维南原理简化结构的计算。

根据原理，我们只需关注关键的力作用点和观察点，而无需考虑结构的整体响应。

这大大简化了结构力学的计算步骤。

圣维南原理的另一个重要应用是在结构的变形分析中。

我们可以使用原理来计算结构在外力作用下的变形情况，从而评估结构的稳定性和安全性。

•土力学分析圣维南原理在土力学中的应用同样重要。

在土体力学中，我们经常需要分析土体受力、稳定性和沉降等问题。

通过应用圣维南原理，我们可以简化土体力学的计算，并准确估计土体内力的分布情况。

这对于土体的设计和工程施工非常重要。

圣维南原理在土力学中的另一个重要应用是地基工程中的基础设计。

通过使用原理，我们可以分析地基受力情况，并设计合适的基础结构，以确保地基的稳定性和承载力。

•材料强度分析圣维南原理在材料力学中也有广泛的应用。

材料强度分析是指评估材料在外力作用下的抗拉、抗压、抗弯等能力。

有限元中, 是怎样处理分布载荷的。

并用圣维南定理解释
（最新版）
目录
1.分布载荷的定义与分类
2.有限元法处理分布载荷的方法
3.圣维南定理及其在有限元法中的应用
4.结论
正文
1.分布载荷的定义与分类
分布载荷是指在结构中的各个部位按照一定规律分布的荷载。

根据荷载的分布形式，可以分为线性分布荷载、面荷载和体荷载。

线性分布荷载是指在一定长度范围内，荷载按照一定规律分布；面荷载是指在一定面积范围内，荷载按照一定规律分布；体荷载是指在一定体积范围内，荷载按照一定规律分布。

2.有限元法处理分布载荷的方法
有限元法是一种求解固体力学问题的数值方法，它通过将结构划分为有限个小的、简单的部分（即单元），然后用节点和单元的刚度矩阵表示结构的刚度特性，最后通过求解线性或非线性方程组得到结构的位移和应力。

在处理分布载荷时，有限元法可以将荷载分解为各个单元上的局部荷载，然后对每个单元应用圣维南定理，求解单元内的应力和应变。

3.圣维南定理及其在有限元法中的应用
圣维南定理是指在给定边界条件和内部荷载条件下，一个弹性体的应力和应变可以用一个线性方程组表示。

在有限元法中，圣维南定理被用来求解单元内的应力和应变。

具体来说，对于每个单元，首先根据边界条件和内部荷载条件列出圣维南方程组，然后求解该方程组，得到单元内的应
力和应变。

4.结论
分布载荷在有限元法中的处理方法主要是将荷载分解为各个单元上的局部荷载，然后应用圣维南定理求解单元内的应力和应变。

用ANSYS证明圣维南原理一、圣维南原理圣维南原理（Saint-V enant’s Principle）：如果把物体的一小部分边界上的面力，变换为分布不同但静力等效的面力（主矢量相同，对于同一点的主矩也相同），那么，近处的应力分布将有显著的改变，但是远处所受的影响可以不计。

它也可以这样来陈述：如果物体一小部分边界上的面力是一个平衡力系（主矢量和主矩都等于零），那么，这个面力就只会使得近处产生显著的应力，远处的应力可以不计。

二、证明思路圣维南原理提出至今已有一百多年的历史，虽然还没有确切的数学表示和严格的理论证明，但无数的实际计算和实验测量都证实了它的正确性。

本文将利用ANSYS软件，通过对实例模型的数值分析计算，证明圣维南原理。

本文选择建立一个横截面积相对较小的混凝土柱体作为研究对象，然后对此矩形截面直杆模型进行数值证明。

分别对直杆两端施加集中力，以及与此集中力静力等效的均布载荷。

比较两种情况下其所受的平均应力分布情况，从而利用此结果证明圣维南原理。

三、ANSYS建模及求解1、创建有限元模型。

选择Solid —10 node 92单元类型，弹性模量EX=2.5E9，泊松比PRXY=0.35。

然后创建一个长、宽、高分别为1m，0.05m，0.05m的长方体，并对其进行自由网格划分。

建模及网格划分结果如下图1所示。

图1 矩形截面直杆模型的ANSYS建模与网格划分2、施加载荷并求解。

（1）在长方体一端加上全自由度位移约束，另一端面中心加上F=10KN的集中力作用，求解。

约束及载荷施加结果如图2所示。

图2 集中力及约束施加结果（2）在长方体一端加上全自由度位移约束，另一端面（与集中力作用端面相同）加上与集中力静力等效的P=4000KN的均布载荷作用，求解。

约束及载荷施加结果如图3所示。

图3 均布载荷及约束施加结果3、查看分析结果。

分别生成在长方体端面施加集中力与等效均布载荷情况下，其平均应力分布图以及各节点处平均应力分布变化曲线。

圣维南原理及其证明.. 圣维南原理及其证明：历史与评述赵建中云南大学资源、环境与地球科学学院地球物理系，昆明650091 摘要圣维南原理（Saint-历史与评述赵建中云南大学资源、环境与地球科学学院地球物理系，昆明650091 摘要圣维南原理（Saint：0343.2 AMS Subject Classifications: 74G50 引言弹性力学的圣维南原理已经有一百多年的历史了。

早期有关原理有重要的文章。

波西涅克（Boussinesq）于1885年、勒夫（Love）于1927 年分别发表了圣维南原理的一般性陈述。

然而Mises 认为勒夫陈述不清楚并提出修改的陈述，其后的论证既可以看作是对一般的Mises 陈述的否证，又可以看作是对具有特殊条件的Mises 陈述的证明。

Sternberg 赞同Mises 的修改，他的论证也可以既看作是对Mises 陈述（Sternberg称为圣维南原理的传统陈述）的一般性的否证，又看作是对附加了条件的Mises 陈述的证明。

Truesdell 于1959年断言，如果关于等效载荷的圣维南原理为真，它“必须是”线性弹性力学“一般方程的数学推论”。

这就从理性力学的角度提出了圣维南原理的证明问题，圣维南原理被视为一个数学命题，其真理性需要证明。

毫无疑问，圣维南原理的数学证明成了一个学术热点。

为了揭示原理隐秘的内涵，或者说破解原理之谜，学者们花费了巨大的努力。

Zanaboni “证明”了一个定理，并称和圣维南原理有关。

图平（Toupin）列举了更多的反例说明波西涅克和勒夫的一般性陈述不真，并建立了一个能量衰减的定理，这个定理被认为是柱体圣维南原理的数学证明，似乎具有里程碑的意义。

Berdichevskii 推广了图平定理。

诸多学者仿效着推导出一些定理来建立图平型衰减，并把原理推广到连续介质物理学的各个领域，诸如流体流动和热传导问题等，发展了许多方法。

Horgan 和Knowles 对原理的进展跟踪作了评论，其后又有不少新的工作。

什么是圣维南原理及如何证明弹塑性力学作业孙嘉粲建筑与土木工程2017级3班学号2170970036Q1：什么是圣维南原理？Q2：为什么需要圣维南原理？Q3：如何证明圣维南原理是正确的？Q1：什么是圣维南原理？答：圣维南原理（Saint Venant’s Principle）是弹性力学的基础性原理，是法国力学家圣维南于1855年提出的。

其内容是：分布于弹性体上一小块面积（或体积）内的荷载所引起的物体中的应力，在离荷载作用区稍远的地方，基本上只同荷载的合力和合力矩有关；荷载的具体分布只影响荷载作用区附近的应力分布。

还有一种等价的提法：如果作用在弹性体某一小块面积（或体积）上的荷载的合力和合力矩都等于零，则在远离荷载作用区的地方，应力就小得几乎等于零。

不少学者研究过圣维南原理的正确性，结果发现，它在大部分实际问题中成立。

因此，圣维南原理中“原理”二字，只是一种习惯提法。

有限元软件的模拟验证了这一点，如图1所示。

==图1 有限元计算得到的柱体在不同应力边界下得到的应力分布图Q2：为什么需要圣维南原理？问题的提出：弹性力学问题的求解是在给定的边界条件下求解基本方程。

使应力分量、应变分量、位移分量完全满足8个基本方程相对容易。

但对于工程实际问题，构件表面面力或者位移是很难满足边界条件要求。

这使得弹性力学解的应用将受到极大的限制。

为了扩大弹性力学解的适用范围，放宽这种限制，圣维南提出了局部影响原理。

圣维南原理的应用：对复杂的力边界，用静力等效的分布面力代替。

有些位移边界不易满足时，也可用静力等效的分布面力代替。

不论在弹性力学中还是在有限元中都广泛灵活的应用圣维南原理来处理和简化边界条件。

值得注意的是：圣维南原理只能适用于一小部分边界（小边界：尺寸相对很小的边界；次要边界：面力分布复杂的小边界）。

对于主要边界，圣维南原理不再适用。

例如对于较长的粱，其端部可以应用圣维南原理，而在粱的侧面，则不能应用。

Q3：如何证明圣维南原理是正确的？见附录1《圣维南原理证明》附录1《圣维南原理证明》1.Boussinesq 的陈述1855年Boussinesq 将圣维南的思想一般化，并冠“Saint-Venant’s Principle ”的名称，其内容为：施于弹性体上的任意平衡力系，如果其作用点限于某个给定的球内，那么该平衡力系在任意一个与球的距离远大于球半径的点上所产生的形变是可以忽略的。

什么是圣维南原理及如何证明圣维南原理（Saint-Venant's principle），也称为圣维南原则或相似性原理，是结构力学中的基本原理之一、该原理表明，对于一个具有局部载荷的结构，结构在远离载荷作用点的位置的变形和应力分布与载荷的具体位置和形状无关，只取决于结构受力的方式。

圣维南原理的核心思想是，当应用一个局部载荷到一个结构上时，由于结构的刚度和强度特性，载荷引起的变形和应力仅会在载荷附近有显著影响。

远离载荷作用点的区域的变形和应力分布主要由结构整体的特性决定。

这个原理是基于结构足够大且足够均匀的前提条件。

圣维南原理的有效性可以通过数学和实验方法进行证明。

首先，数学证明通常基于假设结构具有良好的连续性和线弹性的特性。

数学证明是通过施加部分载荷到结构上，然后采用弹性力学的理论进行分析，推导出结构在远离载荷作用点的位置的应变和应力。

其中，数学模型的建立需要采用适当的假设和边界条件。

其次，实验是验证圣维南原理的重要方法。

实验可以通过在真实结构和模型中施加不同形式的载荷，然后测量结构的变形和应力分布来进行。

对于较大的结构，实验可通过密集的传感器和位移测量设备进行准确的数据采集和分析。

对于较小的模型，实验可以使用物理模型进行。

通过实验的结果，可以直观地验证圣维南原理的有效性。

需要注意的是，圣维南原理适用于大多数实际工程结构，但在一些情况下可能不适用。

对于高度非线性、非均质、非连续或非弹性的材料和结构，圣维南原理可能不适用。

此外，对于具有复杂几何形状或载荷作用方式的结构，也需要进一步考虑边界条件和结构的详细特性。

总之，圣维南原理是结构力学中的一个重要原理，可以帮助工程师在设计和分析结构时简化计算和分析过程。

该原理可以通过数学和实验方法进行证明，但需要注意对一些特殊情况进行额外考虑。

简述圣维南原理的应用条件什么是圣维南原理?圣维南原理（St. Venant’s Principle）是应用于结构力学中的一个基本原理。

该原理描述了在结构力学中，当施加在一个区域的力在该区域内产生变形时，该力对离其施加点足够远的地方产生的影响不大，只有当远离施加点的地方发生较大变形时，该力的影响才会变得显著。

圣维南原理的应用条件要应用圣维南原理，需要满足以下条件：1. 结构具有足够的几何尺寸圣维南原理适用于具有足够大的几何尺寸的结构。

如果结构的尺寸较小，那么远离施加点的区域变形可能会对该结构产生显著影响，此时圣维南原理就不再适用。

2. 结构应具有较高的刚度圣维南原理要求结构具有较高的刚度，即对外力的响应较为刚性。

如果结构本身具有较低的刚度，那么在外力作用下，整个结构可能会发生较大的变形，导致圣维南原理的失效。

3. 结构应具有均匀的材料性质圣维南原理假设结构材料的性质在整个结构中是均匀的。

如果结构材料的性质在不同位置存在较大差异，那么圣维南原理可能无法准确地描述结构的力学行为。

4. 结构应具有平面应力状态或平面应变状态圣维南原理通常应用于具有平面应力状态或平面应变状态的结构。

在这种状态下，结构中的变形主要发生在一个平面上，而在另一个平面上变形较小。

如果结构处于三维应力状态或三维应变状态，圣维南原理可能不再适用。

5. 结构应遵循线弹性假设圣维南原理的应用通常基于线弹性假设。

线弹性假设认为结构材料在弹性阶段的应力-应变关系是线性的。

如果结构材料在加载过程中发生非线性变形，那么圣维南原理可能无法准确地描述结构的力学行为。

6. 考虑边界条件和加载方式在应用圣维南原理时，需要考虑结构的边界条件和加载方式。

边界条件和加载方式会对结构的力学响应产生显著影响，必须在应用圣维南原理时予以考虑。

总结圣维南原理是一种基本的结构力学原理，它描述了在结构中力的传递和变形的行为。

要应用该原理，需要结构具有足够的几何尺寸，较高的刚度，均匀的材料性质，平面应力或平面应变状态，并遵循线弹性假设。

圣维南原理的有限元模拟
滕振超
【期刊名称】《价值工程》
【年(卷),期】2018(037)024
【摘要】圣维南原理至今已有超百年的历史,尽管还未有确切的数学表示和严格的数学证明,然而其存在性早已经过无数的实际计算和实验测量论证.本文将利用ANSYS软件建立一个横截面积相对较小的混凝土柱体模型,通过对实例模型的数值分析计算,证明圣维南原理.此外,本文还运用ABAQUS软件建立了一个工字型钢截面的长梁来进一步验证圣维南原理.
【总页数】3页(P188-190)
【作者】滕振超
【作者单位】东北石油大学土木建筑工程学院,大庆163318
【正文语种】中文
【中图分类】TB115
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1.正交异性板三维高阶渐近分析的圣维南原理表述和应力边界条件 [J], 林逸汉;黎懿增
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