带静电斥力弹性杆的Cosserat方程及其数值算法

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弹性杆的动力学模型在实际问题中有着广泛的应用背景,如电缆、纤维、头发等,这些生活中常见物体都可以模型化为弹性细杆来进行研究。对于带有静电斥力的弹性杆模型,通常以DNA大分子为实际背景,并在弹性杆的接触和自接触问题的数值算法研究中得到应用。  本文研究带有静电斥力的Cosserat弹性杆的动力学模型。研究内容及所得结果如下:  (1)在刚性截面为圆截面的假设下,根据牛顿动力学定理建立了比较简单的弹性杆的Cosserat动力学方程。并通过变量之间的微分几何关系,进一步推导出该方程的分量表达形式。为了后面便于进行数值模拟,引入欧拉参数,将弹性杆的Cosserat方程转化为欧拉参数形式。  (2)建立了以静电斥力为分布力的弹性细杆模型。在静电荷在杆上的分布近似为连续分布的假设下,再根据库仑定律推导出弹性杆在静电斥力作用下的动力学模型。  (3)将静电斥力作为弹性杆的分布力代入弹性杆的Cosserat动力学方程,由此得到带有静电斥力的弹性杆的Cosserat方程。该方程是一个偏微分方程组,给定初值进行数值计算,得出相应的数值结果及分析。  
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