二维弹性平面问题中任意边界条件下应力分布的封闭解

应用辛方法研究了正交各向异性二维平面（x,z）弹性问题,在任意边界和不考虑梁假设条件下的解析应力分布解．辛方法通过将位移和应力作为对偶量推导得到一组辛的偏微分方程组,并且应用变量分离法对方程组进行了求解．同动力学中的问题比较,将弹性问题中的x轴模拟成时间轴,这样z轴成为唯一一个独立的坐标轴．问题中的Hamilton矩阵的指数展开具有辛的特征．在齐次问题求解中,通过边界条件和边界上的积分求得级数中的未知数．齐次解中包括减阶的零特征值的特征向量（零本征向量）和完好的非零本征值的特征向量（非零本征向量）．零本征值的Jordan链给出了经典的Saint Venant解,反映了平均的整体行为像刚体位移、刚体旋转和弯曲等．另外,非零本征向量反映的是指数衰减的局部解,它们通常在Saint Venant原理下被忽略．文中给出了完整的算例,并且和已有结果进行了对比．     

平面电磁弹性固体的辛对偶体系

从电磁弹性固体广义变分原理出发,将平面电磁弹性固体问题导入Hamilton体系．于是在由原变量——位移、电势和磁势以及它们的对偶变量——纵向应力、电位移和磁感应强度组成的辛几何空间,形成有效的分离变量及辛本征函数向量展开解法．求解出辛本征问题中特殊的零本征值所有本征解及其Jordan型本征解,并给出其具体的物理意义．最后求出在矩形域的两侧作用均布载荷、常电位移和常磁感应强度时的非齐次特解．     

指数型功能梯度材料平面问题热应力通解

研究了功能梯度材料平面问题的热应力场,首先引入热弹性位移势函数,得到温度场的应力解;然后引入Airy应力函数,通过求解功能梯度材料平面问题的基本方程,得到不考虑温度时的应力,叠加后得到平面问题的热应力通解.     

双功能梯度纳米梁系统振动分析的辛方法

在辛力学与非局部Timoshenko(铁木辛柯)梁理论的基础上,针对黏弹性介质中的双功能梯度纳米梁系统的自由振动问题,提出了一种全新的解析求解方法.在Hamilton(哈密顿)体系下,位移与广义剪力、转角与广义弯矩互为对偶变量.以对偶变量为基本未知量,Lagrange(拉格朗日)体系下的高阶偏微分控制方程简化为一系列常微分方程.该纳米梁系统的振动问题归结为辛空间下的本征问题,解析频率方程和振动模态可以通过辛本征解和边界条件直接获得.数值结果验证了该方法的正确性与有效性,并针对纳米梁系统的小尺度效应、纳米梁间的相互作用以及黏弹性地基的影响进行了系统的参数分析.     

Reissner板弯曲的辛求解体系

基于Reissner板弯曲问题的Hellinger-Reissner变分原理,通过引入对偶变量,导出Reissner板弯曲的Hamilton对偶方程组．从而将该问题导入到哈密顿体系,实现从欧几里德空间向辛几何空间,拉格朗日体系向哈密顿体系的过渡．于是在由原变量及其对偶变量组成的辛几何空间内,许多有效的数学物理方法如分离变量法和本征函数向量展开法等均可直接应用于Reissner板弯曲问题的求解．这里详细求解出Hamilton算子矩阵零本征值的所有本征解及其约当型本征解,给出其具体的物理意义．形成了零本征值本征向量之间的共轭辛正交关系．可以看到,这些零本征值的本征解是Saint-Venant问题所有的基本解,这些解可以张成一个完备的零本征值辛子空间．而非零本征值的本征解是圣维南原理所覆盖的部分．新方法突破了传统半逆解法的限制,有广阔的应用前景．     

线性分布载荷作用下功能梯度各向异性悬臂梁的解析解

对功能梯度各向异性弹性悬臂梁在线性分布载荷作用下的弯曲问题进行了研究．从平面应力问题的基本方程出发,假定应力函数为梁长度方向的多项式形式,由应力函数求导给出应力,利用协调方程和边界条件可完全确定应力函数．将解析解与有限元数值方法的结果进行了对比,两者吻合良好．     

两种材料组成的弹性楔的佯谬解

从Hellinger-Reissner变分原理出发,通过引入适当的变换可以将两种材料组成的弹性楔问题导入极坐标哈密顿体系,从而可以在由原变量和其对偶变量组成的辛几何空间,利用分离变量法和辛本征向量展开法求解该问题的解。在极坐标哈密顿体系下的所有辛本征值中,本征值-1是一个特殊的本征值。一般情况下本征值-1为单本征值,求解其对应的基本本征函数向量就直接给出了顶端受有集中力偶的经典弹性力学解。但当两种材料的顶角和弹性模量满足特殊关系时,本征值-1成为重本征值,同时经典弹性力学解的应力分量变成无穷大,即出现佯谬。此时重本征值-1存在约当型本征解,通过对该特殊约当型本征解的直接求解就给出了两种材料组成的弹性楔顶端受有集中力偶的佯谬问题的解。结果进一步表明经典弹性力学中弹性楔的佯谬解对应的就是极坐标哈密顿体系的约当型解。     

复合材料力学的Hamilton体系和辛几何方法(Ⅱ)——平面问题

把在本文第(Ⅰ)部分[8]中讲述的基本原理和方法用于求解各向异性平面问题.先建立可进入Hamilton体系的广义变分原理,求出Hamilton微分算子矩阵,再求解横向本征解,可得到矩形域各向异性线性弹性平面问题的级数解和半解析解.     

变厚度非均匀粘弹性复合圆柱体的旋转应力

在平面应变的假设下,给出了两个复合弹性圆柱体旋转时的解析解．外柱是由厚度按公式变化的正交各向异性材料所组成,它包裹着一个等厚度纤维增强粘弹性均匀各向同性的实心圆柱体．外圆柱体的厚度和弹性性质按半径方向的幂函数变化．应用边界和连续条件,确定复合圆柱体旋转时的径向位移和应力,应用等效模量和Illyushin逼近法,得到问题的粘弹性解．讨论了各向异性、厚度变化、本构参数以及时间参数,对径向位移和应力的影响．     

均布载荷作用下各向异性固支梁的解析解

针对均布载荷作用下的各向异性梁在两端固支条件下的平面应力问题,给出了一个求解应力和位移解析解的方法．该方法构造了一个含待定系数的应力函数,通过Airy应力函数解法,给出了含待定系数的应力和位移通式．对固支端边界条件采用两种处理办法．利用应力和位移边界条件,确定应力函数中的待定系数,得到了应力和位移的解析表达式．结果表明,该解析解与有限元数值结果相比,两者较为吻合．该解析解是对弹性理论中相关经典例题的补充．     

ADirect Method for the Problem of the Solid Cylinder in Elasticity

§１．　ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｈｅＳａｉｎｔＶｅｎａｎｔｐｒｏｐｏｓｅｄｔｈｅｆａｍｏｕｓｓｅｍｉ－ｉｎｖｅｒｓｅｓｏｌｕｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ［１］，ｔｈａｔｓｏｍｅａｐｐｒｏ－ｐｒｉａｔｅａｓｓｕｍｐｔｉｏｎｓｔｏｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｈｏｕｌｄｂｅｍａｄｅｂｅｆｏｒｅｈａｎｄｔｏｆｉｎｄｔｈｅｓｏｌｕｔｉｏｎ，ａｆｔｅｒ－ｗａｒｄｓｃｈｅｃｋｉｎｇｔｈｅａｓｓｕｍｐｔｉｏｎｓｂｅｉｎｇｖａｌｉｄ．Ｔｈｅｒｅａｆｔｅｒ，ｔｈｅｓｅｍｉ－ｉｎｖｅｒｓｅｓｏｌｕｔｉｏｎｂｅｃｏｍｅｓｔ…     

吸湿老化影响下天然纤维增强复合圆柱壳屈曲分析的辛方法

针对一类天然纤维增强复合(natural fiber reinforced composite, NFRC)圆柱壳的屈曲问题展开研究,基于Reissner壳体理论和辛方法,建立了轴压NFRC圆柱壳在Hamilton体系下的屈曲控制方程。将原问题归结为辛空间下的辛本征问题,通过求解辛本征值和本征解可以直接获得高精度的临界载荷和解析的屈曲模态。数值算例分析了NFRC材料的吸湿老化过程对辛本征解表达式的影响,并详细讨论了老化时间、纤维含量和几何参数对NFRC圆柱壳屈曲行为的影响。     

Saint–Venant torsion of a circular bar with radial cracks incorporating surface elasticity

The Saint–Venant torsion problem of a circular cylinder containing a radial crack with surface elasticity is studied. The surface elasticity is incorporated into the crack faces by using the continuum-based surface/interface model of Gurtin and Murdoch. Both an internal crack and an edge crack are considered. By using the Green’s function method, the boundary value problem is reduced to a Cauchy singular integro-differential equation of the first order, which can be numerically solved by using the Gauss–Chebyshev integration formula, the Chebyshev polynomials and the collocation method. Due to the incorporation of surface elasticity, the stresses exhibit the logarithmic singularity at the crack tips. The torsion problem of a circular cylinder containing two symmetric collinear radial cracks of equal length with surface elasticity is also solved by using a similar method. The strengths of the logarithmic singularity and the size-dependent torsional rigidity are calculated.     

二维矩形域内Stokes流问题的辛解析和数值方法

给出了一种新的解析求解二维矩形域中的Stokes流动问题的方法——辛体系方法（Hamilton体系方法）．在辛体系下,基本问题归结为本征值和本征解的问题．由于辛本征解之间存在辛正交共轭关系,问题的解和边界条件均可以由本征解描述和表示．利用辛本征解空间的完备性,建立一套封闭的求解问题方法．研究结果表明零本征值本征解描述了基本流动,而非零本征值本征解则表示问题的局部效应．数值结果给出了几种有代表性的流动情况,显示了该求解方法对求解许多问题的有效性．同时,这种方法也为研究其他问题提供了一条思路．     

Stability of Surface Rayleigh Waves in an Elastic Half‐Space

This paper is concerned with nonlinear analysis for the propagation of Rayleigh surface waves on a homogeneous, elastic half‐space of general anisotropy. We show how to derive an asymptotic equation for the displacement by applying the second‐order elasticity theory. The evolution equation obtained is a nonlocal generalization of Burgers' equation, for which an explicit stability condition is exhibited. Finally, we investigate examples of interest, namely, isotropic materials, Ogden's materials, compressible Mooney–Rivlin materials, compressible neo‐Hookean materials, Simpson–Spector materials, St Venant–Kirchhoff materials, and Hadamard–Green materials.     

对偶变量块体混合元及其位移元的收敛性和精度分析

弹性力学Hamilton正则方程和Hamilton混合元的等效刚度系数矩阵,均具有直观的辛特性.基于H R变分原理和弹性力学保辛理论建立的对偶变量块体混合元,其等效刚度系数矩阵同样具有直观的辛特性.根据对偶变量块体混合元列式,可直接建立问题的控制方程,进行混合法求解.同时,通过对偶变量块体混合元列式可以导出对偶变量块体位移元列式,建立问题的控制方程后,可先求位移的解.数值实例表明:线性8结点对偶变量块体位移减缩积分元的各力学量的收敛速度均衡、收敛过程稳定、结果精度高,其应力变量的收敛速度与传统的20结点位移协调减缩积分元接近.对偶变量块体位移元具有普适性.     

Solutions of half-space and half-plane contact problems based on surface elasticity

Analytical solutions for the problems of an elastic half-space and an elastic half-plane subjected to a distributed normal force are derived in a unified manner using the general form of the linearized surface elasticity theory of Gurtin and Murdoch. The Papkovitch–Neuber potential functions, Fourier transforms and Bessel functions are utilized in the formulation. The newly obtained solutions are general and reduce to the solutions for the half-space and half-plane contact problems based on classical linear elasticity when the surface effects are not considered. Also, existing solutions for the half-space and half-plane contact problems based on simplified versions of Gurtin and Murdoch’s surface elasticity theory are recovered as special cases of the current solutions. By applying the new solutions directly, Boussinesq’s flat-ended punch problem, Hertz’s spherical punch problem and a conical punch problem are solved, which lead to depth-dependent hardness formulas different from those based on classical elasticity. The numerical results reveal that smoother elastic fields and smaller displacements are predicted by the current solutions than those given by the classical elasticity-based solutions. Also, it is shown that the out-of-plane displacement and stress components strongly depend on the residual surface stress. In addition, it is found that the new solutions based on the surface elasticity theory predict larger values of the indentation hardness than the solutions based on classical elasticity.     

Analytical and numerical Riemann solutions of the Saint Venant equations for forward- and backward-facing step flows

Analytical solutions of the Saint Venant equations for five typical Riemann problems over a forward- or backward-facing step are constructed. These analytical solutions are used as reference ones to estimate the accuracy of simulated discontinuous solutions based on the regularized shallow water equations.