能量是指結構作功的能力。彈性結構在載入時產生變形，在卸載後又能恢復原狀，說明若不計動能和熱能的變化，荷載在結構上所作之功，將全部轉化成結構的變形勢能存儲於結構之內，因而在卸載過程中具有恢復原狀的能力，這是能量原理的依據。
基本介紹
- 中文名：能量原理
- 外文名：energy principle
- 套用學科：物理
- 適用領域範圍：虛位移原理
- 適用領域範圍：用能量法分析結構
- 定義 ：結構作功的能力
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概念介紹
分析結構在荷載、溫差等外因影響下所產生的應力、變形和位移狀態的基本原理之一。能量是指結構作功的能力。彈性結構在載入時產生變形，在卸載後又能恢復原狀，說明若不計動能和熱能的變化，荷載在結構上所作之功，將全部轉化成結構的變形勢能存儲於結構之內，因而在卸載過程中具有恢復原狀的能力，這是能量原理的依據。能量原理根據荷載作功過程中變形勢能的變化規律,建立起一系列極值條件，作為解題的綜合判據,從而避免直接解算大量偏微分方程，以簡化解題手續。
能量
物質運動的一般量度，可解釋為物質做功的能力，簡稱能。能的基本形式有機械能(動能與勢能的總稱)、熱能、化學能、電能、核能、光能等。它們分別是機械運動、分子熱運動、化學反應、電磁作用、原子核與基本粒子運動所具有的能量。能量的單位與功的單位相同，工程中常用單位有千焦耳(kJ)、千瓦·小時(kW·h)等。
能量可以在物質之間傳遞，這種傳遞過程就是做功或傳遞熱量的過程。在傳遞過程中，若物質運動方式發生變化，能量形式也同時發生轉換。例如，物體向上運動時，因克服重力而減慢速度，損失的動能轉換為勢能;當物體返回地面時，速度加快，勢能又轉換成動能;河水衝擊水輪發電機組做功的過程，就是將河水的勢能和動能傳遞給水輪發電機組並轉換為電能的過程;熱力發電，則是將燃料的化學能藉助熱力發電裝置先後轉換為熱能和機械能，並最終將機械能轉換為電能的過程。
電能和磁能總是緊密聯繫的。運動的電荷產生磁場，變化的磁場產生電場，因而可以使機械能和電能相互轉換。電能是現代最常用的一種能量。它的傳輸、轉換和利用最為方便、效率很高。因此，電能已成為發展國民經濟、改善人民生活、促進社會進步不可缺少的能源。
能量的傳遞還能以粒子相互作用或以輻射的方式在空間傳播(如電磁波的傳播)，光是電磁輻射最常見的一種。無線電波、紅外線、X射線等都是能的輻射傳播。
套用
用能量法分析結構,主要是尋求既滿足邊界條件,又同時滿足勢能為最小的位移函式或者余能為最小的。對許多難於求得精確解的工程問題，可用下述各個能量原理以求問題的近似解答。因此，在分析複雜結構的靜力和動力問題中，能量原理得到廣泛套用。
研究內容
虛位移原理
最小勢能原理
設結構在P力系作用下處於平衡。在某一可能虛位移過程中,與Pi力相應的虛位移設為墹i,則由可能虛位移引起的荷載勢能變化為,將使結構增加變形。設由此引起的變形勢能的改變為δU,則結構的總勢能改變δП可定義為內外兩種勢能變化之差，即但是,在這個虛位移中，荷載始終保持不變，因而П只是可能虛位移的函式。故此式可改寫成泛函 П=U-W代表結構在虛位移中的總勢能。當結構處於平衡狀態時,已知U=W,從而有δП=0,它說明：在一切滿足邊界條件的虛位移中，同時滿足平衡條件的虛位移對應於結構勢能的一個駐值，這就是結構勢能駐值原理。對於線彈性結構，勢能的二階變分恆為正，因而使總勢能取最小值，所以這個原理又稱最小勢能原理。它意味著在所有滿足邊界條件的虛位移中，能使結構勢能為最小的虛位移，滿足平衡條件，因而就是真實的位移。在這種情況下，結構勢能的駐值條件等價於平衡條件。
虛力原理
也稱余能原理。設結構在荷載和支承位移影響下處於平衡狀態。在位移保持不變的情況下，若讓真實應力σ發生微小改變δσ,且使它們滿足平衡條件和應力邊界條件（稱為可能虛應力），則虛力原理可表述為：對一切可能虛應力δσ而言，結構滿足變形協調方程的必要和充分條件是，對於任意微小的可能虛應力，其變形余能的一階變分δU*,等於位移邊界上的相應邊界反力所作荷載余功的一階變分δW*。
