이방성탄성문제의 혼합형변분원리

A Mixed Variational Principle of Fully Anisotropic Linear Elasticity

본고에서는 Sandhu등에 의해 개발된 다변수경계치문제의 변분모델화 방법을 이용하여 범함수의 독립변수로써 변위와 응력을 동시에 포함하는 이방성탄성문제의 혼합형변분원리(Mixed Variational Principle)를 유도한다. 탄성방정식을 내적공간에서 self-adjoint한 미분연산자매트릭스 방정식으로 표시한 후 다변수 경계치문제의 변분이론을 적용하므로써 일반적 범함수가 구해지며, 이때에 지배방정식의 미분연산자와 경계조건식의 연산자의 일관성 (Consistency)을 유지하므로써 경계조건도 체계적으로 범함수내에 포함시킬 수 있다. 이 일반적 범함수에서 미분연산자의 self-adjointness성질을 이용하여 응력함수의 도함수를 제거하고 탄성방정식중 특정식이 항상, 정확히 만족된다고 가정하므로써 원하는 혼합형변분원리의 범함수를 유도할 수 있다. 여기에서 유도된 변분원리는 최근 Reissner에 의해 개발된 변분원리와 유사한 물리적 의미를 가지나 유도방법이 다를 뿐 아니라 일반적 이방성탄성체에 적용할 때 보다 편리한 형태로 된다. 이 혼합형변분원리는 다양하게 응용될 수 있으나, 복합재료적층판과 같은 이질성, 이방성 평판이론, 또는 쉘이론의 유도에 유용하게 사용할 수 있다.

In this paper, a mixed variational principle applicable to the linear elasticity of inhomogeneous anisotropic materials is presented. For derivation of the general variational principle, a systematic procedure for the variational formulation of linear coupled boundary value problems developed by Sandhu et al. is employed. Consistency condition of the field operators with the boundary operators results in explicit inclusion of boundary conditions in the governing functional. Extensions of admissible state function spaces and specialization to a certain relation in the general governing functional lead to the desired mixed variational principle. In the physical sense, the present variational principle is analogous to the Reissner's recent formulation obtained by applying Lagrange multiplier technique followed by partial Legendre transform to the classical minimum potential energy principle. However, the present one is more advantageous for the application to the general anisotropic materials since Reissner's principle contains an implicit function which is not easily converted to an explicit form.