剪切可变形多孔梯度梁屈曲的解析解

多孔梯度梁具有优异的力学性能,受到研究者的广泛关注．然而,同时考虑轴线可伸长和剪切可变形效应的多孔梁屈曲问题尚未得到充分重视．基于屈曲控制方程和泰勒级数展开方法,推导出四种典型边界约束条件下多孔梁屈曲临界载荷的解析表达式．然后,定义轴线可伸长和剪切可变形作用的影响系数,并分别考虑影响系数,孔隙率和孔隙分布对屈曲临界载荷的影响．结果表明,影响系数会降低梁的屈曲临界载荷;孔隙率越大,临界屈曲载荷越小．此外,合理设计孔隙分布有助于提高多孔梁的稳定性．     

轴向随动分布载荷作用下FGMs Timoshenko梁的后屈曲特性

研究了Timoshenko功能梯度材料梁在随动分布载荷作用下的后屈曲问题。在考虑轴线伸长和一阶横向剪切变形基础上,建立了在轴向分布随动载荷作用下一端简支一端固定Timoshenko功能梯度梁的过屈曲控制方程。其中假设功能梯度材料性质只沿厚度方向变化,并以成分含量的幂指数函数形式变化。采用打靶法求解了所得线性常微分两点边值问题,获得了随动载荷作用下Timoshenko功能梯度梁的过屈曲平衡路径和平衡构形。对比了Timoshenko梁和Euler梁的后屈曲行为,并分析了材料的体积分数指数和长细比对梁屈曲行为的影响。结果表明:考虑剪切变形的Timoshenko梁的后屈曲行为与Euler梁的后屈曲行为明显不同;体积分数指数一定时,随着长细比的增加,梁的临界载荷减小;长细比一定时,随着体积分数指数的增加,梁的临界载荷也减小。     

考虑表面效应的形状记忆合金纳米梁弯曲特性研究

形状记忆合金(Shape Memory Alloys, SMAs)因其具有形状记忆效应和超弹性,在航空航天、生物医疗、微机电系统领域中得到了广泛的应用．当微结构尺度达到微纳米,表面效应对微结构力学性能的影响是十分显著的．本文基于梁弯曲变形理论以及Gurtin-Murdoch表面弹性理论,考虑拉压不对称、温度对于SMA纳米梁的影响,建立了考虑表面效应的SMA纳米梁相变力学模型．分析了弯曲载荷、温度、表面残余应力以及表面弹性模量对SMA纳米梁力学性能的影响规律．研究表明在SMA纳米梁相变阶段,忽略和考虑表面效应所得的截面应力及应变相对误差较为明显;在相同弯矩下,随温度的增加SMA纳米梁的截面应力随之增加,并且表面效应对其影响有减小趋势;表面残余应力对SMA纳米梁的影响显著．该文研究结果为SMA纳米梁在微机电领域的设计以及应用提供了一定基础与依据．     

横向载荷作用下轴向运动梁的屈曲失稳以及非线性振动特性

梁的轴向运动会诱发其产生横向振动并可能导致屈曲失稳,对结构的安全性和可靠性产生重大的影响。本文重点研究了横向载荷作用下轴向运动梁的屈曲失稳及横向非线性振动特性。基于Hamilton变分原理,建立了横向载荷作用下轴向运动梁的动力学方程,获得了梁的后屈曲构型。使用截断Galerkin法,将控制方程改写成Duffing方程的形式。用同伦分析方法确定载荷作用下轴向运动梁的非线性受迫振动的封闭形式的表达式。结果表明,后屈曲构型对轴向速度和初始轴向应力有明显的依赖性。通过同伦分析法得出非线性基频的显式表达式,获得了初始轴向力会影响非线性频率随初始振幅和轴向速度的线性关系。另外,轴向外激励的方向也会改变系统固有频率。     

梯度多孔材料梁的非线性力学行为

基于经典梁理论以及物理中面概念,研究了机械载荷作用下梯度多孔材料梁的非线性弯曲及过屈曲问题。利用能量法导出了梯度多孔材料梁的基本方程,并用打靶法对其进行数值求解。假设梯度多孔材料性质只沿厚度方向变化,利用数值结果研究了两种不同材料模型下梯度多孔材料性质、外载荷、边界条件等因素对梯度多孔材料梁非线性弯曲及过屈曲行为的影响。数值结果表明:随着孔隙率的增大,梯度多孔材料梁的弯曲挠度增大,而且非对称材料模型下的结果高于对称材料模型下的结果;梯度多孔材料梁的临界屈曲载荷随孔隙率的增大而减小,而非对称材料模型下的结果低于对称材料模型下的结果。     

包含表面效应及Casimir力的纳米阵列弯曲变形分析

研究了包含表面效应及Casimir力的纳米阵列弯曲行为。通过表面能模型引入表面效应,基于Euler-Bernoulli梁模型,运用最小势能原理推导了控制纳米阵列弯曲变形的一组基本方程并进行了数值求解,主要计算分析了纳米梁根数N=7、N=20、N=50的纳米阵列。结果表明:在表面效应和Casimir力作用下,纳米阵列的弯曲变形量较小,不足以使纳米阵列相互粘附;与阵列始末两端的纳米梁变形相比,纳米阵列中间部分纳米梁的变形可忽略不计。因此,对于包含数量较多纳米梁的纳米阵列,仅需要关注阵列始末两端的纳米梁变形即可。本研究结果对纳米阵列及以纳米阵列为元件的纳米器件的设计和使用具有一定的指导意义。     

弹塑性梁在轴向应力波下的动态屈曲

本文考虑轴向应力波效应，利用分叉理论研究各种支承半无限长弹塑性梁的动态屈曲问题。在轴向阶梯载荷和脉冲载荷冲击下得到了梁的临界屈曲载荷及初始屈曲模态。其结果与实验现象相一致。同时也为研究结构动态屈曲问题提供了有效途径。     

饱和多孔弹性Timoshenko悬臂梁的拟静力弯曲

在经典单相Timoshenko梁变形和孔隙流体仅沿多孔梁轴向运动的假定下,基于不可压饱和多孔介质的三维理论,本文首先建立了横观各向同性饱和多孔弹性Timoshenko悬臂梁拟静力弯曲的一维数学模型,并给出了相应的边界条件。其次,利用Laplace变换及其数值逆变换,分析了端部不同渗透条件下,饱和多孔弹性Timoshenko悬臂梁在端部梯载荷作用下的拟静力响应,给出了饱和多孔Timoshenko悬臂梁弯曲时挠度、弯矩以及孔隙流体压力等效力偶等随时间的响应曲线,并与饱和多孔Euler-Bernoulli悬臂梁的响应进行了比较,考察了梁长细比对弯曲的影响。数值结果表明：固相骨架与孔隙流体的相互作用具有粘性效应,梁弯曲的拟静态挠度具有蠕变行为,端部渗透条件对梁的弯曲响应有显著的影响,并且,饱和多孔弹性Timoshenko悬臂梁的拟静态响应亦存在Mandel-Cryer现象。     

基于表面效应三维纳米多孔金属力学性能的有限元分析

纳米多孔金属是一类包含大量纳米尺度孔洞的金属材料,孔洞突出的表面效应,使得其具有比传统多孔金属更为优异的力学性能.相对于理论和分子动力学仿真,有限元方法更适用于复杂结构模型,但受限于理论难度,以往研究仍将纳米多孔金属模型简化为较为简单的二维结构,因此无法真实刻画纳米多孔金属的力学性能.为此,基于Gurtin-Murdoch表面理论,成功构建计入纳米表面效应的有限元表面单元,并考虑微观结构非均匀性,发展面向一般三维纳米多孔金属力学行为的有限元计算模型,将计算得到的纳米孔附近应力分布与参考文献进行对比分析,验证了所构建有限元模型的有效性.通过对包含单球孔和随机多球孔的纳米多孔金属进行单轴拉伸和单轴压缩模拟,揭示了孔隙率、孔洞数量和表面参数对纳米多孔金属杨氏模量、压缩屈服强度和吸能性的影响规律.结果表明:所构建的有限元模型可准确捕捉纳米孔附近应力分布,相对于表面拉梅常数,纳米多孔金属的杨氏模量显著依赖于孔洞表面残余应力和加载方向.所构建的有限元模型为纳米多孔金属力学性能预测提供科学依据.     

点间隙约束下弹性梁的湿热后屈曲问题

研究了具有点间隙约束的两端不可移弹性梁在湿热载荷作用下的后屈曲行为.基于轴向可伸长Euler-Bernouli梁的几何非线性理论和线性湿热膨胀假设,建立了湿热环境中工作的弹性梁在点间隙约束下的后屈曲大变形控制方程.其中包含了变形后的轴线弧长、轴线的位移、横截面转角、等效内力和弯等七个基本未知函数.假设点间隙约束位于梁的...     

含脱层损伤复合材料层合梁的冲击动力屈曲

针对含初始缺陷和脱层损伤的复合材料层合梁的轴向冲击动力屈曲问题进行了分析。基于Hamilton原理导出了考虑初始缺陷、轴向和横向惯性、横向剪切变形以及转动惯性影响时含脱层损伤复合材料梁的非线性动力屈曲控制方程;基于B-R准则,采用有限差分方法求解了受轴向冲击载荷作用下含脱层损伤复合材料梁的动力屈曲问题;讨论了冲击速度、初始几何缺陷、铺层角度以及脱层长度等因素对复合材料层合梁动力屈曲的影响。     

非线性弹性地基梁在随动载荷作用下的屈曲和振动

基于可伸长梁的几何非线性理论,建立了非线性弹性地基上梁在随动载荷作用下的屈曲问题和振动问题控制方程,分别采用打靶法分析了弹性地基梁的后屈曲行为以及后屈曲构形上的振动问题。给出了不同非线性弹性地基系数下,梁在随动载荷作用下的过屈曲平衡路径曲线以及过屈曲附近前三阶频率随载荷变化的曲线。研究表明:立方刚度系数K_2对梁的屈曲和振动影响较小,而线性刚度系数K_1对梁的过屈曲性态和固有频率都有影响。     

热载荷作用下梯度多孔材料梁弯曲及过屈曲力学行为的研究

基于Bernoulli-Euler梁理论,引入物理中面解耦了复合材料结构的面内变形与横向弯曲特性,研究了梯度多孔材料矩形截面梁在热载荷作用下的弯曲及过屈曲力学行为．假设沿梁厚度方向材料的性质是连续变化的,利用能量法推导了矩形截面梁的控制微分方程和边界条件,并用打靶法对无量纲化的控制方程进行数值求解．利用计算得到的结果分析了材料的性质、热载荷、边界条件对矩形截面梁非线性力学行为的影响．结果表明,对称材料模型下,固支梁与简支梁均显示出了典型的分支屈曲行为特征,而其临界屈曲热载荷值均会随着孔隙率系数的增加而单调增加．非对称材料模型下,固支梁仍显示出分支屈曲行为特征,但其临界屈曲热载荷不再随着孔隙率系数的变化而单调变化;而对于两端简支梁,发生了弯曲变形,弯曲挠度随载荷的增大而增大．     

非局部应变梯度理论下纳米梁的力学特性研究

基于非局部应变梯度理论,建立了一种具有尺度效应的高阶剪切变形纳米梁的力学模型.其中,考虑了应变场和一阶应变梯度场下的非局部效应.采用哈密顿原理推导了纳米梁的控制方程和边界条件,并给出了简支边界条件下静弯曲、自由振动和线性屈曲问题的纳维级数解.数值结果表明,非局部效应对梁的刚度产生软化作用,应变梯度效应对纳米梁的刚度产生硬化作用,梁的刚度整体呈现软化还是硬化效应依赖于非局部参数与材料特征尺度的比值.梁的厚度与材料特征尺度越接近,非局部应变梯度理论与经典弹性理论所预测结果之间的差异越显著.     

INVESTIGATIONS ON THE MECHANICAL CHARACTERISTICS OF NANOBEAMS BASED ON THE NONLOCAL STRAIN GRADIENT THEORY1)

基于非局部应变梯度理论,建立了一种具有尺度效应的高阶剪切变形纳米梁的力学模型. 其中,考虑了应变场和一阶应变梯度场下的非局部效应. 采用哈密顿原理推导了纳米梁的控制方程和边界条件,并给出了简支边界条件下静弯曲、自由振动和线性屈曲问题的纳维级数解. 数值结果表明,非局部效应对梁的刚度产生软化作用,应变梯度效应对纳米梁的刚度产生硬化作用,梁的刚度整体呈现软化还是硬化效应依赖于非局部参数与材料特征尺度的比值. 梁的厚度与材料特征尺度越接近,非局部应变梯度理论与经典弹性理论所预测结果之间的差异越显著.     

微纳米结构壁面对流场及动压润滑的影响研究

固体边界具有的微纳米结构将影响流体在近壁面处的流动行为,进而由于尺度效应改变流体在整个微间隙的流动或润滑规律.将壁面可渗透微纳米结构等效为多孔介质薄膜,采用Brinkman方程来描述流体在近壁面边界渗透层内的流动,并将其与自由流动区域的不可压缩流体Navier-Stokes控制方程耦合,在界面处的连续边界条件下求解和分析了速度分布规律和压力变化规律.针对恒定法向承载力的油膜润滑条件,进一步讨论了静止表面或运动表面的微纳米结构对近壁面流动行为的影响;并揭示了考虑壁面微纳米结构的流体动压润滑的油膜厚度和摩擦系数的变化规律.论文结果为具有可渗透微结构表面的微间隙流动与润滑提供了理论参考.     

含黏弹性夹芯FG-GRC后屈曲梁的低速冲击响应

研究了含黏弹性夹芯的功能梯度石墨烯增强复合材料(functionally graded graphene reinforced composite, FG-GRC)后屈曲梁在低速跌落冲击下的跳跃振荡行为.采用修正Halpin-Tsai细观模型预测FG-GRC的材料宏观属性.使用赫兹点接触模型确定冲击器和梁之间的接触力.提出了考虑轴向预应力的复合材料层本构关系和阻尼层的Kelvin型黏弹性本构.通过一种广义高阶剪切变形锯齿梁模型建立夹芯梁的非线性位移场. 基于Hamilton 能量变分原理, 推导了动力学控制方程组. 通过两步分析,首先获得弹性后屈曲平衡路径作为冲击问题的初始状态. 随后, 结合四阶龙格库塔法,拓展了两步摄动-伽辽金法计算接触力的时程曲线以及后屈曲梁的位移时程曲线.研究了后屈曲梁在单次和两次撞击下双稳态大幅振荡过程的动力学特征.讨论了轴向载荷、冲击速度、黏弹性阻尼特性、冲击器材料等因素对于碰撞接触力以及后屈曲梁动力响应的影响规律.结果表明, 接触力仅对冲击速度较为敏感,一定的结构碰撞参数设计可以在接触力变化不大的情况下,使得后屈曲梁由单势能阱运动转变为双阱大幅振荡.      

表面效应影响的弹性条带状薄膜非线性尺寸相关屈曲行为

本文在非线性Von Karman板理论基础上,通过引入表面弹性研究了弹性条带状薄膜在简单支撑条件下的非线性尺度相关屈曲行为.按照Mindlin 假设,用Hamilton变分原理导出带有表面效应影响的一般控制方程及非经典边界条件,同时引入了非零的正应力和大变形的影响.得到了平面应变情况下简单支撑薄膜的屈曲行为和准确解,并详细阐明了归因于表面效应的薄膜尺寸相关屈曲行为.     

含黏弹性夹芯FG-GRC后屈曲梁的低速冲击响应

研究了含黏弹性夹芯的功能梯度石墨烯增强复合材料(functionally graded graphene reinforced composite,FG-GRC)后屈曲梁在低速跌落冲击下的跳跃振荡行为.采用修正Halpin-Tsai细观模型预测FG-GRC的材料宏观属性.使用赫兹点接触模型确定冲击器和梁之间的接触力.提出了考虑轴向预应力的复合材料层本构关系和阻尼层的Kelvin型黏弹性本构.通过一种广义高阶剪切变形锯齿梁模型建立夹芯梁的非线性位移场.基于Hamilton能量变分原理,推导了动力学控制方程组.通过两步分析,首先获得弹性后屈曲平衡路径作为冲击问题的初始状态.随后,结合四阶龙格库塔法,拓展了两步摄动-伽辽金法计算接触力的时程曲线以及后屈曲梁的位移时程曲线.研究了后屈曲梁在单次和两次撞击下双稳态大幅振荡过程的动力学特征.讨论了轴向载荷、冲击速度、黏弹性阻尼特性、冲击器材料等因素对于碰撞接触力以及后屈曲梁动力响应的影响规律.结果表明,接触力仅对冲击速度较为敏感,一定的结构碰撞参数设计可以在接触力变化不大的情况下,使得后屈曲梁由单势能阱运动转变为双阱大幅振荡.     

轴向扩散不可压饱和多孔弹性梁的拟静态弯曲

建立了横观各向同性不可压饱和多孔弹性梁拟静态弯曲的数学模型,并给出了一般的求解方法。作为例子,研究了端部不同渗透条件对梁中点承受突加常集中载荷作用的饱和多孔悬臂梁拟静态弯曲的影响,给出了挠度和孔隙流体压力等效力偶沿梁轴线的分布以及随时间的响应曲线。结果表面:端部渗透条件对饱和多孔弹性梁的弯曲行为有显著的影响,梁的弯曲挠度既可随时间单调递增、亦可单调递减,其性态依赖于梁端部的渗透条件。同时发现不同于经典单相弹性梁,由于孔隙流体压力的作用,不承受载荷作用的梁段亦发生弯曲,并且Man-del-Cryer效应亦存在于不可压饱和多孔弹性梁的拟静态响应中,这些结果有助于揭示传热管道、植物根茎等力学行为的机理。