无网格方法在平面粘弹性力学问题中的应用

本文综合应用无网格方法(EFGM)、线性粘弹性与弹性力学之间的对应原理,Laplace变换和逆变换等方法求解了拟静态平面弹性和粘弹性力学问题。首先,利用Laplace变换和逆变换推导了平面问题的粘弹性本构关系,建立了拟静态粘弹性平面问题的边值问题;其次,利用粘弹性与弹性力学之间的对应原理得到了Laplace变换域中平面问题的基本方程,在Laplace变换域中建立了相应的泛函,并得到了用无网格方法离散的控制方程;同时,求解了几个拟静态弹性和粘弹性平面问题,给出了它们的表达式和数值结果;最后,采用Laplace逆变换和数值逆变换,得到了粘弹性力学平面问题在物理空间中的解,并比较了由解析解和无网格数值方法所得到的数值结果,可以看到它们是非常吻合的。说明本文方法的正确性和有效性。     

一维流体饱和粘弹性多孔介质层的动力响应

本文研究了不可压流体饱和粘弹性多孔介质层的一维动力响应问题。基于粘弹性理论和多孔介质理论,在流相和固相微观不可压、固相骨架服从粘弹性积分型本构关系和小变形的假定下,建立了不可压流体饱和粘弹性多孔介质层一维动力响应的数学模型,利用Laplace变换,求得了原初边值问题在变换空间中的解析解,并利用Laplace逆变换的Crump数值反演方法,得到原动力响应问题的数值解。数值研究了饱和标准线性粘弹性多孔介质层的动力响应,分析了固相位移、渗流速度、孔隙压力及固相有效应力等的响应特征。结果表明,与不可压流体饱和弹性多孔介质相同,不可压流体饱和粘弹性多孔介质中亦只存在一个纵波,并且固相骨架的粘性对动力行为有显著的影响。     

黏弹性体界面裂纹的冲击响应

研究两半无限大黏弹性体界面Griffith裂纹在反平面剪切突出载荷下,裂纹尖端动应力强度因子的时间响应,首先,运用积分变换方法将黏弹性混合黑社会问题化成变换域上的对偶积分方程,通过引入裂纹位错密度函数进一步化成Cauchy型奇异积分方程,运用分片连续函数法数值求解奇异积分方程,得到变换域内的动应力强度因子,再用Laplace积分变换数值反演方法,将变换域的解反演到时间域内,最终求得动应力强度因子的时间响应,并对黏弹性参数的影响进行分析。     

变边界粘弹性轴对称问题的复变函数法

对边界几何形状、位置随时间变化的变边界结构,给出了用复变函数求解粘弹问题的解析方法。文中用拉普拉斯变换结合平面弹性复变方法,对内外边界变化时粘弹性轴对称问题进行求解。引入两个与时间、空间相关的解析函数,给出了变边界情况下应力、位移以及边界条件与解析函数的关系。当解析函数形式部分确定,则可用边界条件求解其中与时间相关的待定函数。求解待定函数的方程一般情况下为一系列积分方程,特殊情况可求得解析解。对轴对称问题中应力边值问题、位移边值问题以及混合边值问题,分别利用边界条件求得相关系数,从而得到了应力与位移的解析表达。当取Boltzmann粘弹模型时,进行不同边值问题的分析。分析显示,应力、位移的形态与大小均与边界变化过程相关,与固定边界粘弹性问题有较大不同。本文解答可用于粘弹性轴对称问题内外边界任意变化及各种边值问题的力学分析。此外,该法可进一步进行荷载非对称、复杂孔型变边界问题的求解。     

均匀化方法在粘弹性多层复合材料中的应用

主要研究了由各向同性线弹性加强体和各向同性线粘弹性基体组成的多层复合材料的问题,在已有的线弹性多层材料的均匀化方法的基础上,应用弹性一粘弹性对应原理,在Carson域中求解粘弹性多层材料的问题。通过Burgers模型表示线粘弹性基体材料,反演得到了多层材料的有效松弛模量和有效泊松比在时间域中的表达式,并且与实验结果和其他结果进行了比较。     

饱和多孔地基与矩形板动力相互作用的非轴对称混合边值问题

在同一界面的不同区域具有多种边界条件, 称之为混合边界, 这是一个熟知的力学问题. 对这类问题进行精确分析时, 必须要进行混合边值问题的求解. 而对于一般的三维非轴对称情形, 混合边值问题的求解往往存在数学困难. 本文利用Hilbert定理和双重Fourier变换, 给出了一种求解三维非轴对称混合边值问题的解析方法, 利用该方法对具有混合透水边界的饱和多孔地基上矩形板的振动弯曲进行了解析研究(板与地基接触面为不透水边界, 其余为透水边界). 首先, 基于Kirchhoff理论和Biot多孔介质理论建立矩形板与饱和多孔地基的动力控制方程, 进行耦合求解. 针对板土接触面和非接触面的混合边值问题, 采用双重Fourier变换构造出两对二维对偶积分方程, 以接触应力和接触面孔隙压力为基本未知量, 用Jacobi正交多项式将未知量展开, 再利用Schmidt法对二维对偶积分方程完成求解, 最终推导出板土系统在动力作用下的位移和应力解析式. 通过将本文计算模型退化为单一弹性地基, 与已有研究结果进行对比, 验证了本文方法的正确性和有效性. 最后, 通过数值算例, 对饱和多孔地基上矩形板的动力响应及参数影响做出分析和讨论. 此外, 本文提出的解析法具有一般性, 可广泛应用于复杂接触问题和多场耦合问题的求解.      

NON-AXISYMMETRIC MIXED BOUNDARY VALUE PROBLEM FOR DYNAMIC INTERACTION BETWEEN SATURATED POROUS FOUNDATION AND RECTANGULAR PLATE$^{\bf 1)}$

在同一界面的不同区域具有多种边界条件, 称之为混合边界, 这是一个熟知的力学问题. 对这类问题进行精确分析时, 必须要进行混合边值问题的求解. 而对于一般的三维非轴对称情形, 混合边值问题的求解往往存在数学困难. 本文利用Hilbert定理和双重Fourier变换, 给出了一种求解三维非轴对称混合边值问题的解析方法, 利用该方法对具有混合透水边界的饱和多孔地基上矩形板的振动弯曲进行了解析研究(板与地基接触面为不透水边界, 其余为透水边界). 首先, 基于Kirchhoff理论和Biot多孔介质理论建立矩形板与饱和多孔地基的动力控制方程, 进行耦合求解. 针对板土接触面和非接触面的混合边值问题, 采用双重Fourier变换构造出两对二维对偶积分方程, 以接触应力和接触面孔隙压力为基本未知量, 用Jacobi正交多项式将未知量展开, 再利用Schmidt法对二维对偶积分方程完成求解, 最终推导出板土系统在动力作用下的位移和应力解析式. 通过将本文计算模型退化为单一弹性地基, 与已有研究结果进行对比, 验证了本文方法的正确性和有效性. 最后, 通过数值算例, 对饱和多孔地基上矩形板的动力响应及参数影响做出分析和讨论. 此外, 本文提出的解析法具有一般性, 可广泛应用于复杂接触问题和多场耦合问题的求解.     

结构粘弹性分析的线法

本文将以现代常微分方程求解器为支撑软件的线法推广应用于含时间变量的粘弹性力学问题。基基本思想是先用拦普拉斯积分变换把问题的控制偏微分方程组和定解条件进行交换,得到拉氏变换空间中的定常问题,然后用传统的线法借助于常微分方程求解器得到该变换空间中的数值解,再应用拉氏数值逆变换求得原时空域中的数值解。文中还给出方法的基本原理和实施过程。算例表明,采用拉普拉斯积分变换于线法分析结构粘弹性力学等含时间变量的     

多相粘弹性结构的动力响应边界元分析

本文研究了二维多相材料结构的动力响应边界单元法。多相结构的每个子结构的材料特性可以是粘弹性的或线弹性的。应用Laplace变换和加权残数法,对每个子结构可以建立起在Laplace区域中的边界积分方程式,不同材料相的结合面上的连续条件引起了一个分块带状的总体刚度系数矩阵,再应用改进的Durbin数值反演技术可将在Laplace区域中的数值解变换到时间区域中。最后,给出了几个数值计算实例。     

各向异性平面含斜裂纹的奇异积分方程方法

本文应用平面弹性复变方法，将无限各向异性平面中的任意斜裂纹问题归结为求解一组解析函数边值问题，通过构造适当的积分变换将边值问题转化为奇异积分方程，进而应用Lobotto-Chebyshev数值求积公式，求出该奇异积分方程的数值解，并得到了应力强度因子的近似表达式，最后，给出了一些实例的数值结果，对特例的数值结果与精确结果进行比较，吻合的很好。     

粘弹性Timoshenko梁的变分原理和静动力学行为分析

从线性，各向同性，均匀粘弹性材料的Boltzmann本构定律出发，通过Laplace变换及其反变换，由三维积分型本构关系给出了Timoshenko梁的本构关系，并由此建立了小挠度情况下粘弹性Timoshenko梁的静动力学行为分析的数学模型，一个积分－偏微分方程组的初边值问题。同时，采用卷积，建立了相应的简化Gurtin型变分原理。给出了两个算例，考查了梁的厚度h与梁的长度l之比β对梁的力学行为的影响。     

粘弹性界面裂纹奇异场

对于许多粘弹性问题,通常可以利用对应性原理,即由弹性问题的结果得到对应的粘弹性问题在拉普拉斯变换域内的解,再通过反演变换求得最终时域中的解.但是,由于界面裂纹场存在着振荡奇异性,弹性问题解的形式就已经非常复杂,对应的粘弹性问题要通过反演变换直接求得准确的解析解几乎是不可能的.本文在利用对应性原理时做了更简单的准静态处理,即将弹性结果中的材料参数用粘弹性材料参数做对应替代,得到了粘弹性界面裂纹场近似的经典解,并与有限元分析结果作了比较.同时,利用Comninou接触模型,对粘弹性界面裂纹在远场拉剪混合加载情况下的裂尖应力场和接触区做了考察,并与经典解作了比较.     

求解动荷载作用下多层粘弹性半空间轴对称问题的精确刚度矩阵法

利用Laplace—Hankel联合积分变换，推导出了单层粘弹性半空间轴对称问题在动荷载作用下，层间完全接触情况的刚度矩阵，然后按传统的有限元方法组成总体刚度矩阵。通过求解由总体刚度矩阵所构成的代数方程就可解出动荷载作用下多层粘弹性半空间轴对称问题的矩阵。由于刚度矩阵的元素中只含有负指数项，计算时不会出现溢出的现象。本文还成功地应用了Durbin的Laplace逆变换的数值方法，求解出了多层粘弹性体的时域解。最后，文中还给出了路面动弯沉的计算结果与实测结果的对比来证明推导结果的准确性。     

求解多层弹性半空间轴对称问题的精确刚度矩阵法

本文首先从弹性力学的基本方程出发，利用Hankel积分变换等数学手段，推导出了单层弹性半空问轴对称问题的刚度矩阵，然后按传统的有限元方法组成总体刚度矩阵。通过求解由总体刚度矩阵所构成的代数方程和Hankel积分逆变换就可解出静荷载作用下多层弹性半空间轴对称问题的精确解。由于刚度矩阵的元素中不含有正指数项，计算时不会出现溢出的现象，从而克服了传递矩阵法的缺点。由于在推导过程中摒弃了应力函数的选择，使得问题的求解更加理论化和合理化，同时也为进一步研究这类问题如温度场，动力学等方向奠定了理论基础。最后，文中还给出了计算实例来证明推导结果的准确性。     

The elastic–viscoelastic correspondence principle for non-homogeneous materials with time translation non-invariant properties

This paper revisits the elastic–viscoelastic correspondence principle for non-homogeneous materials. Several recent publications discussed this principle for functionally graded materials (FGMs) with time translation invariant viscoelastic properties. It was demonstrated that the correspondence principle is valid only for the FGMs with separable relaxation moduli (moduli in separable form in space and time). This paper reconsiders this issue. It shows that the correspondence principle is valid even for non-homogeneous materials with separable relaxation moduli even if the time-dependences of the relaxation moduli in shear and dilatation are not necessarily time translation invariant. The property of similarity of Volterra operators is used to obtain the corresponding elastic solution. The correspondence is established between the elastic solution and the operator-transformed viscoelastic solution. The transformation operators are combinations of the Laplace transform operator and additional integral operators.     

正交各向异性弹性问题的规则化边界元法

本文致力于平面正交各向异性弹性问题的规则化边界元法研究,提出了新的规则化边界元法的理论和方法。对问题的基本解的特性进行了研究,确立基本解的积分恒等式,提出一种基本解的分解技术,在此基础上,结合转化域积分方程为边界积分方程的极限定理,建立了新颖的规则化边界积分方程。和现有方法比,本文不必将问题变换为各向同性的去处理,从而不含反演运算,也有别于Galerkin方法,无需计算重积分,因此所提方法不仅效率高,而且程序设计简单。特别是,所建方程可计算任何边界位移梯度,进而可计算任意边界应力,而不仅限于面力。数值实施时,采用二次单元和椭圆弧精确单元来描述边界几何,使用不连续插值逼近边界函数。数值算例表明,本文算法稳定、效率高,所取得的边界量数值结果与精确解相当接近。     

Numerical-analytic investigation of the dynamics of viscoelastic and porous elastic bodies

This paper presents the results of mathematical and discrete modeling of linear dynamics problems for three-dimensional viscoelastic and porous elastic bodies. The employed methods and approaches are based on formulating boundary integral equations solved using boundary elements. The model of a standard viscoelastic body is employed as the viscoelastic model. The properties of porous elastic materials are described using the full Biot model with four basic functions. Examples of numerical solutions of the problems are compared with known results of solutions.