非局部杆纵向振动的特性研究

基于非局部理论，研究弹性杆在任意边界约束条件下的纵向振动特性．根据Chebyshev 谱级数建立非局部弹性杆的纵向位移形式．在杆的两端引入纵向约束弹簧，通过设置弹簧刚度系数，模拟经典边界及弹性边界．建立非局部杆的能量表达式，由瑞利-里兹法得到齐次线性方程组，求解对应的矩阵特征值与特征向量问题获得非局部杆的固有频率和振型．通过数值仿真计算，研究非局部特征系数与边界约束条件对非局部杆振动频率的影响．结果表明本文方法合理简便，具有良好的精度，且适用于任意弹性边界条件．     

薄宽带钢倾斜浪屈曲变形的解析研究

薄宽带钢的倾斜浪是一种产生机理与解决对策都未知的板形缺陷.通过有限元仿真结合现场实测分析提出了一种倾斜浪产生机理的新解释,并且基于Airy应力函数和Timoshenko最小功原理建立了倾斜浪前屈曲变形的力学模型,获得了其前屈曲应力场分布的表达式;运用伽辽金虚位移原理解法获得了其临界屈曲载荷;推导建立了薄宽带钢倾斜浪的后屈曲摄动求解方法,计算获得的后屈曲模态与有限元计算获得的后屈曲模态符合良好.     

局部载荷作用简支板屈曲分析

根据能量原理,引入大挠度Von-Karman方程,求解了应力不连续简支板的屈曲问题,得到了临界载荷和临界应力计算系数.     

冲击载荷作用下矩形薄板的弹性动力屈曲

为了研究冲击载荷作用下考虑应力波效应弹性矩形薄板的动力屈曲,根据动力屈曲发生瞬间的能量转换和守恒准则,导出板的屈曲控制方程和波阵面上的补充约束条件,真实的屈曲位移应同时满足控制方程和波阵面上的附加约束条件。满足上述条件,建立了该问题的完整数值解法,对屈曲过程中冲击载荷、屈曲模态和临界屈曲长度之间的关系进行研究,定量计算了横向惯性效应对提高薄板动力屈曲临界应力的贡献。研究表明:板的厚宽比一定时,临界屈曲长度随冲击载荷的增大而减小;由于屈曲时的横向惯性效应,应力波作用下薄板一阶临界力参数是相应边界板的静力失稳临界力参数的1.5倍;随着边界约束逐渐减弱,板临界力参数逐渐减小,动力特征参数逐渐增大。     

薄宽带钢倾斜浪板形屈曲变形的解析研究

薄宽带钢的倾斜浪是一种产生机理与解决对策都未知的板形缺陷。本文通过有限元仿真结合现场实测分析提出了一种倾斜浪产生机理的新解释,并且基于艾利应力函数和S. Timoshenko最小功原理建立了倾斜浪前屈曲变形的力学模型和计算方法,获得了其前屈曲应力场分布的表达式;运用伽辽金虚位移原理解法获得了其临界屈曲载荷;推导建立了薄宽带钢倾斜浪的后屈曲摄动求解方法,计算获得的后屈曲模态和有限元计算获得的瓢曲模态符合良好。研究结果可为板带材轧制过程中倾斜浪及其倾斜角度的预测和控制提供理论依据。     

轴向瞬间阶梯载荷下圆柱壳动力屈曲的双特征参数分析

对于轴向瞬间阶梯载荷下圆柱壳的弹性非轴对称动力屈曲问题，将临界应力和屈曲惯性项指数参数作为双特征参数求解。由能量转换和守恒准则，导出压缩波阵面上的屈曲变形附加约束条件。失稳控制方程、边界条件和波阵面上的连续条件，连同此附加约束条件构成求解两个特征参数和动力失稳模态的完备定解条件。由伽辽金法得出求解双特征参数问题的数值方法。     

有限元表面应力计算

用有限元[1]通用程序进行结构计算时,最常用的是位移法,因而计算得到的位移有较高的精度。由位移计算应力时,有限元法应用的是应力-应变关系和应变-位移关系,其中应变-位移是微商关系。在数值计算中,微商只能转化为差商等用插值近似处理。这样,虽然位移精度高,但应力的计算精度就被大打折扣。本文应用弹性力学辛体系理论[2],解析求解了位移和应力的影响函数。利用有限元程序计算得到的位移,由功互等定理,不需要微分插值,就可以得到指定点的应力,应力精度大大提高。工程实际中有许多问题的最大应力往往发生在构件表面。针对表面应力问题,本文给出了半平面表面应力的影响函数,进行了数值算例计算。计算结果表明,用本文提出的影响函数法求解一点的应力,其精度明显提高,并且计算结果有很好的稳定性。用本文的影响函数法编制成子程序,可作为有限元软件应力计算的一个模块,可以更好地发挥有限元程序的功效。     

弹性静力问题的无网格弱-强形式结合法

基于改进的移动最小二乘(MLS)二阶导数近似,建立了一种求解弹性静力问题的无网格弱-强形式结合法(MLS-MWS)。该方法采用节点离散求解域,通过MLS构造形函数,将求解域划分为边界域和内部域,并分别使用控制方程的局部弱形式和强形式来建立离散系统方程。对强形式中涉及的近似函数二阶导数计算,提出了一种将其转化为求两次一阶导数的方法,与传统方法相比,该方法计算简单、精度高。MLS-MWS法结合了弱、强形式无网格法的优点,Neumann边界条件容易满足,并且只需在边界区域进行积分。文中应用该方法分析了两个弹性力学平面问题,分析结果表明本文方法具有良好的精度和收敛性。     

弹性力学问题的局部Petrov—Galerkin方法

提出了弹性力学平面问题的局部Petrov-Galerkin方法,这是一种真正的无网格方法。这种方法采和移动最小二乘近似函数作为试函数,并且采用移动最小二乘近似函数的权函数作为加权残值法加权函数;同时这种方法只包含中心在所考虑点处的规则局部区域上以及局部边界上的积分,所得系统矩阵是一个带状稀疏矩阵,该方法可以容易推广到求解非线性问题以及非均匀介质的力学问题。还计算了两个弹性力学平面问题的例子,给出了位移和能量的索波列夫模及其相对误差。所得计算结果证明：该方法是一种具有收敛快、精度高、简便有效的通用方法;在工程中具有广阔的应用前景。     

非奇异应力对中央含V形切口试样断裂性能的影响

采用Williams渐近展开式表达V形切口尖端附近区域的位移场和应力场,将其代入弹性力学基本方程中,应力奇异性指数及其对应的位移和应力角函数由求解常微分方程组获得。由于在远离切口尖端的区域无应力奇异性,将切口尖端应力奇异性区域移出后,应用边界元法分析无应力奇异性的剩余结构;将Williams渐近展开式与弹性力学边界积分方程结合,解出切口尖端附近应力奇异性区域的各应力场渐近展开项系数,从而获得切口尖端附近区域的完整应力场;基于此,研究了非奇异应力项对中央含V形切口试样的表观断裂韧度和临界荷载预测值的影响。结果表明:考虑非奇异应力项时,脆性断裂的表观断裂韧度和临界荷载的预测值要比忽略非奇异应力项时的预测值更接近实验值。     

动力学平衡方程的辛两步求解算法

基于线性多步方法的构造格式和辛变换,给出了动力学方程的两种辛两步法求解格式,它们分别具有四阶精度和二阶精度,但都只有二阶格式的计算量,因此四阶辛两步法具有较大的应用价值。对两种辛两步法和解析解进行了数值比较,证明了二阶精度辛两步格式在一定条件下就是欧拉中点保辛算法,或δ=0.5和α=0.25的Newmark辛格式。     

圆截面杆在曲线井中的屈曲问题

本文研究了线弹性的圆截面压杆在刚性井壁的曲线井中的屈曲问题。压杆两端为铰支，杆和井壁之间的摩擦力忽略不计，失稳前假设压杆位于曲线井的较低侧。分析了压杆屈曲时的几何变形条件，导出了压杆的曲率，变形能和各项外力势的表达式，用最小势能原理导出压杆失稳的微分方程和边界条件。引入梁单元，用有限单元法求得了压杆失稳时的临界压力和杆轴线状态。结果显示，临界压力随着压杆自重和曲线井半径的增加而增加。自重为零时，杆轴线为半个正弦曲线；自重不为零时，杆轴线为振荡的曲线，且振荡主要集中在压杆顶部。     

横向约束槽钢截面柱畸变屈曲分析

提出了用于计算冷弯薄壁槽钢柱畸变屈曲临界应力的加劲板模型。在加劲板模型中,腹板视为板单元,而翼缘和卷边则假设为在腹板两端施加的角加劲肋,因此槽钢截面构件可视为腹板(板)与翼缘-卷边(角加劲)组成的加劲板。通过加劲板模型,可以考虑腹板与翼缘-卷边之间相互约束效应,并基于最小势能原理,推导出构件畸变屈曲临界应力计算公式。为了验证加劲板模型的正确性,以槽钢柱为例,对选用的构件进行畸变屈曲临界应力计算,并与有限条程序计算结果进行比较,平均误差为4.0%,从而验证了本文模型的正确性。     

Buckling of a coating strip of finite width bonded to elastic half-space

A solution for buckling of a stiff strip of finite width bonded to a compliant elastic half-space and subjected to uniform axial compression is presented. Approximate semi-analytical and finite element solutions are obtained and compared with a two-dimensional case of a plate on elastic foundation. The comparison demonstrates that the two-dimensional solution can be applied to predict the buckling wavelength and critical compressive strain when the width of the strip is equal to or larger than the buckling wavelength. For narrow strips, the wavelength is smaller and critical strain is higher than that of a plate on foundation.     

Determination of stress intensity factors by the finite element discretized symplectic method

When rewriting the governing equations in Hamiltonian form, analytical solutions in the form of symplectic series can be obtained by the method of separation of variable satisfying the crack face conditions. In theory, there exists sufficient number of coefficients of the symplectic series to satisfy any outer boundary conditions. In practice, the matrix relating the coefficients to the outer boundary conditions is ill-conditioned unless the boundary is very simple, e.g., circular. In this paper, a new two-level finite element method using the symplectic series as global functions while using the conventional finite element shape functions as local functions is developed. With the available classical finite elements and symplectic series, the main unknowns are no longer the nodal displacements but are the coefficients of the symplectic series. Since the first few coefficients are the stress intensity factors, post-processing is not required. A number of numerical examples as well as convergence studies are given.     

基于物理中面FGM板屈曲的有限元分析

基于物理中面的概念，根据最小势能原理推导了功能梯度材料FGM薄板屈曲的有限元控制方程，求得临界荷载的有限元解。利用FGM板的屈曲方程与参考均匀板的屈曲方程之间的相似性，建立了FGM板的临界荷载与参考均匀板的临界荷载之间的相似转换关系式，从而将FGM板临界荷载的计算转变为参考均匀板的临界荷载和材料不均匀系数的计算，极大地提高了计算效率，为FGM的推广起积极的推动作用。通过数值算例，将由有限元法和转换关系式得到的临界荷载进行了比较，并讨论了边界条件、荷载工况、材料组成和几何尺寸等对FGM板临界荷载的影响。     

VARIATIONAL PRINCIPLES WITH DUAL MIXED VARIABLE AND APPLICATIONS FOR STRAIGHT BEAMS WITH LARGE DEFLECTION

本文在功的互等定理的基础上,利用位移和应力作为变分变量的二类混合变量的最小势能原理和最小势作用量原理来求解大挠度直梁变形稳定问题,将所得结果与有限元模拟结果进行对比分析,验证了给出的方法的可行性和计算结果的准确性。给出的方法简单灵活,结果准确,为解决大挠度直梁问题提供了新的解决途径,不仅具有一定的理论意义,而且可以直接应用于实际工程中。     

复合材料正交加筋板在横向载荷下挠度计算的半解析法

本文采用一种新的半解析法,即独特利用Heaviside函数建立与加筋板等效的变刚度模型来开展复合材料双向正交加筋板在横向载荷下的弯曲挠度分析．此模型可以准确地描述筋条在板面上的分布,以及由于筋条的存在而导致的板面刚度不均匀分布．使用Galerkin加权残值法求解该模型的控制方程,得到不同边界条件和载荷情况下的级数解．对于双向正交加筋板,将此半解析法的结果与传统均匀化方法和使用商业有限元软件ABAQUS建立的有限元模型所得到的弯曲挠度结果比较,验证了此方法的准确性和优越性．不同于传统均匀化方法,本双向正交加筋板的弯曲挠度半解析法可精确、有效地获取加筋间的局部弯曲挠度,可以促进复合材料结构的设计分析与优化的研究进展．     

TRANSVERSE BUCKLING OF STRIP

薄宽带钢的横向瓢曲是一种产生机理与解决对策都未知的板形缺陷。基于艾利应力函数和Timo-shenko 最小功原理建立了横向瓢曲前屈曲变形的力学模型,获得了其前屈曲应力场分布的表达式;运用伽辽金虚位移原理解法获得了其临界屈曲载荷。研究结果可为连退线上板带材生产过程中横向瓢曲的预测和控制提供参考依据。     

On new symplectic elasticity approach for exact bending solutions of rectangular thin plates with two opposite sides simply supported

This paper presents a bridging research between a modeling methodology in quantum mechanics/relativity and elasticity. Using the symplectic method commonly applied in quantum mechanics and relativity, a new symplectic elasticity approach is developed for deriving exact analytical solutions to some basic problems in solid mechanics and elasticity which have long been bottlenecks in the history of elasticity. In specific, it is applied to bending of rectangular thin plates where exact solutions are hitherto unavailable. It employs the Hamiltonian principle with Legendre’s transformation. Analytical bending solutions could be obtained by eigenvalue analysis and expansion of eigenfunctions. Here, bending analysis requires the solving of an eigenvalue equation unlike in classical mechanics where eigenvalue analysis is only required in vibration and buckling problems. Furthermore, unlike the semi-inverse approaches in classical plate analysis employed by Timoshenko and others such as Navier’s solution, Levy’s solution, Rayleigh–Ritz method, etc. where a trial deflection function is pre-determined, this new symplectic plate analysis is completely rational without any guess functions and yet it renders exact solutions beyond the scope of applicability of the semi-inverse approaches. In short, the symplectic plate analysis developed in this paper presents a breakthrough in analytical mechanics in which an area previously unaccountable by Timoshenko’s plate theory and the likes has been trespassed. Here, examples for plates with selected boundary conditions are solved and the exact solutions discussed. Comparison with the classical solutions shows excellent agreement. As the derivation of this new approach is fundamental, further research can be conducted not only on other types of boundary conditions, but also for thick plates as well as vibration, buckling, wave propagation, etc.