能量原理概念介紹

分析結(jié)構(gòu)在荷載、溫差等外因影響下所產(chǎn)生的應(yīng)力、變形和位移狀態(tài)的基本原理之一。能量是指結(jié)構(gòu)作功的能力。彈性結(jié)構(gòu)在加載時(shí)產(chǎn)生變形，在卸載后又能恢復(fù)原狀，說(shuō)明若不計(jì)動(dòng)能和熱能的變化，荷載在結(jié)構(gòu)上所作之功，將全部轉(zhuǎn)化成結(jié)構(gòu)的變形勢(shì)能存儲(chǔ)于結(jié)構(gòu)之內(nèi)，因而在卸載過(guò)程中具有恢復(fù)原狀的能力，這是能量原理的依據(jù)。能量原理根據(jù)荷載作功過(guò)程中變形勢(shì)能的變化規(guī)律,建立起一系列極值條件，作為解題的綜合判據(jù),從而避免直接解算大量偏微分方程，以簡(jiǎn)化解題手續(xù)。

物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一般量度，可解釋為物質(zhì)做功的能力，簡(jiǎn)稱(chēng)能。能的基本形式有機(jī)械能(動(dòng)能與勢(shì)能的總稱(chēng))、熱能、化學(xué)能、電能、核能、光能等。它們分別是機(jī)械運(yùn)動(dòng)、分子熱運(yùn)動(dòng)、化學(xué)反應(yīng)、電磁作用、原子核與基本粒子運(yùn)動(dòng)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(shí)(kW·h)等。

能量可以在物質(zhì)之間傳遞，這種傳遞過(guò)程就是做功或傳遞熱量的過(guò)程。在傳遞過(guò)程中，若物質(zhì)運(yùn)動(dòng)方式發(fā)生變化，能量形式也同時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)換。例如，物體向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，因克服重力而減慢速度，損失的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為勢(shì)能;當(dāng)物體返回地面時(shí)，速度加快，勢(shì)能又轉(zhuǎn)換成動(dòng)能;河水沖擊水輪發(fā)電機(jī)組做功的過(guò)程，就是將河水的勢(shì)能和動(dòng)能傳遞給水輪發(fā)電機(jī)組并轉(zhuǎn)換為電能的過(guò)程;熱力發(fā)電，則是將燃料的化學(xué)能借助熱力發(fā)電裝置先后轉(zhuǎn)換為熱能和機(jī)械能，并最終將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的過(guò)程。

電能和磁能總是緊密聯(lián)系的。運(yùn)動(dòng)的電荷產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，因而可以使機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)換。電能是現(xiàn)代最常用的一種能量。它的傳輸、轉(zhuǎn)換和利用最為方便、效率很高。因此，電能已成為發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)、改善人民生活、促進(jìn)社會(huì)進(jìn)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(jiàn)的一種。無(wú)線電波、紅外線、X射線等都是能的輻射傳播。

用能量法分析結(jié)構(gòu),主要是尋求既滿(mǎn)足邊界條件,又同時(shí)滿(mǎn)足勢(shì)能為最小的位移函數(shù)或者余能為最小的 。對(duì)許多難于求得精確解的工程問(wèn)題，可用下述各個(gè)能量原理以求問(wèn)題的近似解答。因此，在分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)的靜力和動(dòng)力問(wèn)題中，能量原理得到廣泛應(yīng)用。

能量原理可從虛位移原理、虛力原理兩個(gè)側(cè)面研究。又根據(jù)勢(shì)能和余能的變化情況,建立相應(yīng)的極值條件,以解答具體問(wèn)題，形成最小勢(shì)能原理和最小余能原理。

能量原理虛位移原理

也稱(chēng)勢(shì)能原理、虛功原理。設(shè)結(jié)構(gòu)在荷載作用下處于平衡狀態(tài)。假定由于任何其他原因，使結(jié)構(gòu)從其平衡位置偏離一個(gè)任意微小的、為邊界約束條件所允許的虛位移（可以看作是真實(shí)位移的一個(gè)變分），荷載在虛位移上所作的虛功，將等于其內(nèi)部應(yīng)力在相應(yīng)應(yīng)變上所積累的虛變形勢(shì)能。故虛位移原理可表述為：彈性結(jié)構(gòu)平衡的必要與充分條件是，對(duì)于任意微小的虛位移,荷載所作的總虛功δW等于其內(nèi)部所積累的虛變形勢(shì)能δU。即δU-δW=0。

能量原理最小勢(shì)能原理

設(shè)結(jié)構(gòu)在P力系作用下處于平衡。在某一可能虛位移過(guò)程中,與Pi力相應(yīng)的虛位移設(shè)為墹i,則由可能虛位移引起的荷載勢(shì)能變化為,將使結(jié)構(gòu)增加變形。設(shè)由此引起的變形勢(shì)能的改變?yōu)?i>δU,則結(jié)構(gòu)的總勢(shì)能改變δП可定義為內(nèi)外兩種勢(shì)能變化之差，即但是,在這個(gè)虛位移中，荷載始終保持不變，因而П只是可能虛位移的函數(shù)。故此式可改寫(xiě)成泛函 П=U-W代表結(jié)構(gòu)在虛位移中的總勢(shì)能。當(dāng)結(jié)構(gòu)處于平衡狀態(tài)時(shí),已知U=W,從而有δП=0,它說(shuō)明：在一切滿(mǎn)足邊界條件的虛位移中，同時(shí)滿(mǎn)足平衡條件的虛位移對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)勢(shì)能的一個(gè)駐值，這就是結(jié)構(gòu)勢(shì)能駐值原理。對(duì)于線彈性結(jié)構(gòu)，勢(shì)能的二階變分恒為正，因而使總勢(shì)能取最小值，所以這個(gè)原理又稱(chēng)最小勢(shì)能原理。它意味著在所有滿(mǎn)足邊界條件的虛位移中，能使結(jié)構(gòu)勢(shì)能為最小的虛位移，滿(mǎn)足平衡條件，因而就是真實(shí)的位移。在這種情況下，結(jié)構(gòu)勢(shì)能的駐值條件等價(jià)于平衡條件。

能量原理虛力原理

也稱(chēng)余能原理。設(shè)結(jié)構(gòu)在荷載和支承位移影響下處于平衡狀態(tài)。在位移保持不變的情況下，若讓真實(shí)應(yīng)力σ發(fā)生微小改變δσ,且使它們滿(mǎn)足平衡條件和應(yīng)力邊界條件（稱(chēng)為可能虛應(yīng)力），則虛力原理可表述為：對(duì)一切可能虛應(yīng)力δσ而言，結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足變形協(xié)調(diào)方程的必要和充分條件是，對(duì)于任意微小的可能虛應(yīng)力，其變形余能的一階變分δU*,等于位移邊界上的相應(yīng)邊界反力所作荷載余功的一階變分δW*。

能量原理最小余能原理

結(jié)構(gòu)的余能變分可定義為 式中Ri、Ci分別為支承反力和相應(yīng)的支承位移。在可能應(yīng)力的變化過(guò)程中，應(yīng)變和位移均保持不變，因而此式可改寫(xiě)為泛函代表結(jié)構(gòu)的總余能，由余能原理，有δП*=0 。它說(shuō)明：在所有滿(mǎn)足平衡條件及邊界條件的應(yīng)力場(chǎng)中，同時(shí)滿(mǎn)足相容應(yīng)變場(chǎng)的應(yīng)力場(chǎng)，對(duì)應(yīng)于余能的一個(gè)駐值，這就是余能駐值原理。對(duì)于線彈性結(jié)構(gòu)，因有,已知?jiǎng)菽躑的二階變分恒為正,故П*將取最小值，因而最小余能原理可表述為：在一切滿(mǎn)足平衡方程及邊界條件的應(yīng)力場(chǎng)中，真實(shí)的應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)能使泛函П*成為最小。因而，余能的駐值條件等價(jià)于變形協(xié)調(diào)條件。 2100433B

1、 回饋節(jié)能基本原理

將運(yùn)動(dòng)中負(fù)載上的機(jī)械能（位能、動(dòng)能）通過(guò)能量回饋裝置變換成電能（再生電能）并回送給交流電網(wǎng)，供附近其它用電設(shè)備使用，使電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)在單位時(shí)間消耗電網(wǎng)電能下降，從而達(dá)到節(jié)約電能的目的。

2、回饋節(jié)能解決方案

能量回饋裝置的作用就是能有效的將電動(dòng)機(jī)的再生電能高效回送給交流電網(wǎng)，供周邊其它用電設(shè)備使用，節(jié)電效果十分明顯，一般節(jié)電率可達(dá)15%～45%。此外，由于無(wú)電阻發(fā)熱元件，機(jī)房溫度下降，可以節(jié)省機(jī)房空調(diào)的耗電量，在許多場(chǎng)合，節(jié)約空調(diào)耗電量往往帶來(lái)更優(yōu)的節(jié)電效果。

能量衡算的基本依據(jù)是能量守恒定律。而能量守恒定律是以化工過(guò)程的能量衡算結(jié)果為基礎(chǔ)進(jìn)行的。本工藝所需的主要設(shè)備有泵、換熱器、反應(yīng)器、精餾塔等。輸入生產(chǎn)系統(tǒng)的能量主要有電能、熱公用工程帶入的熱量和原料的焓值，輸出的能量主要有冷公用工程帶走的熱量和產(chǎn)物的焓值。

根據(jù)能量守恒定律，對(duì)于連續(xù)系統(tǒng)有：

Q W Q 損 = ΣHout -Σ Hin

Q ——設(shè)備的熱負(fù)荷；Q=ΣHout -Σ Hin

W ——機(jī)械能，輸入為正，輸出為負(fù)；

Q 損——系統(tǒng)損失的熱量，本計(jì)算書(shū)中忽略不計(jì)，即Q 損=0；

ΣHout——進(jìn)料帶入系統(tǒng)的能量之和，本計(jì)算書(shū)中即為物料焓值；

ΣHin——出料帶出系統(tǒng)的能量之和，本計(jì)算書(shū)中即為物料焓值。

利用以上關(guān)系，可以對(duì)整個(gè)工藝系統(tǒng)或子系統(tǒng)進(jìn)行能量衡算 誤差Error：

ΔE= Q W-(ΣHout -Σ Hin)