高温作用下混凝土热-水-力耦合损伤分析模型

以混合物理论为基础建立了高温作用下混凝土的热-水-力耦合损伤分析模型．将混凝土视为由固体骨架、液态水、水蒸气、干燥气体和溶解气体共5种组分构成的混合物,模型的宏观平衡方程包括各组分的质量守恒方程、整体的能量守恒方程及动量守恒方程,模型所需的状态方程及本构关系全部给出,最后给出基于4个主要参数（固体骨架位移、气压力、毛细压力和温度）的控制方程．模型考虑了混凝土在高温作用下,水分的蒸发与冷凝、胶结材料的水化及脱水、溶解气的溶解与挥发等相变过程;从材料变形破坏过程中能量耗散特征入手,基于Lemaitre应变等价性假说和能量守恒原理得到力学损伤演化方程,并考虑了高温引起的热损伤对材料力学性能及力学损伤演化规律的影响,建立了热-力耦合损伤本构模型．     

非饱和土本构关系的混合物理论(Ⅰ)——非线性本构方程和场方程

以混合物理论为基础建立了非饱和土非线性本构方程和场方程.把非饱和土作为3种组分构成的饱和混合物来研究.首先根据土力学成果提出了非饱和土混合物的基本假设,推导出适用于非饱和土混合物的熵不等式;然后采用混合物理论处理本构问题的常规方法得出了非饱和土非线性本构方程;最后把非线性本构方程代入混合物组分动量守恒定律,获得了非饱和土各组分运动的非线性场方程;并且给出了非饱和土混合物的能量守恒方程,从而形成了解决非饱和土混合物热力学过程的完备方程组.     

非饱和土本构关系的混合物理论（I）——非线性本构方程和场方程

以混合物理论为基础建立了非饱和土非线性本构方程和场方程，把非饱和土作为3种组分构成的饱和混合物来研究，首先根据土力学成果提出了非饱和土混合物的基本假设，推导出适用于非饱和土混合物的熵不等式；然后采用混合物理论处理本构问题的常规方法得出了非饱和土非线性本构方程；最后把非线性本构方程代入混合物组分动量守恒定律，获得了非饱和土各组分运动的非线性场方程；并且给出了非饱和土混合物的能量守恒方程，从而形成了解决非饱和土混合物热力学过程的完备方程组。     

非饱和土固结的混合物理论（Ⅰ）

非饱和土是由土粒、水、气组成的三相介质，本以混合物理论为基础研究了非饱和土的固结问题。中导出了各向异性多孔介质及非饱和土 的有效应力的理论公式，把有效应力原理和Curie对称原理作为非饱和土的两个重要的本构原理，建立了非饱和 土固结的数学模型：由25个方程求解25个未知量。在增量线性化的情况下，本模型简化为5个控制方程求解5个未知量：3个固相位移、孔隙水压力和孔隙气压力。模型中包含7个材料参数，都可由试验测定，便于工程应用，Biot理论是本模型的特例。     

考虑热-水-力耦合效应的饱和多孔地基动力响应分析

基于广义热弹性理论,结合Darcy(达西)定律,对Biot波动方程进行了修正,研究了一个受到椭圆余弦波作用的,均质各向同性半无限大饱和多孔地基的热-水-力多场耦合动态响应问题.建立了饱和多孔弹性地基的热-水-力耦合动力响应模型及控制方程,采用正则模态法求解,得到了问题的解析解,分析了地基中渗透系数变化和椭圆余弦波频率变化对饱和多孔地基中各物理量的影响.最终,给出了无量纲的竖向位移、超孔隙水压力、竖向应力和温度等物理量的分布规律.     

定荷载和双面排水条件下非饱和土一维固结的解析解

基于多孔介质弹性理论,结合粒间吸应力表示的有效应力原理,建立了非饱和土固结的耦合偏微分控制方程.考虑一维问题,采用Laplace积分变换,得到了定荷载和双面排水条件下非饱和土固结的解析解答.通过数值算例,分析了土体饱和度对超孔隙水压力、有效应力以及土层沉降的影响规律.结果表明,土体的初始饱和度越高,则孔隙水压力消散得越快,有效应力增加越快.     

理想传导弹性体中能量耗散的磁-热-弹性波

广义能量耗散弹性理论(TEWED,G-NⅢ理论)广泛应用于均匀磁场作用下的时谐平面波在无限大的理想导电弹性体中传播的研究.提出了更普遍的有复杂参数的色散方程,通过运用Ieguerre 方法解决复杂条件下耦合磁-热-弹性波的问题,表明耦合磁-热-弹性波问题相当于改进的膨胀波及通过有限热波速度、热弹性耦合、热扩散率及外加磁场修正的、有限速度热波的传播问题.在G-NⅢ模型(TEWED)中,耦合磁-热-弹性波传播时发生衰减和色散,扩散的热量由热传播方程中的阻尼项考虑,而在G-N Ⅱ模型没有发生衰减和耗散.最后给出了类铜材料的数值结果.     

含液体非弹性多孔介质中波传播过程的失稳与逸散性

在基于Biot理论的饱和-非饱和多孔介质的动力-渗流模型中计及流固惯性耦合效应。对单轴应变的一维情况讨论了饱和和非饱和多孔介质中波传播过程的驻值失稳和逸散性,分析了流固粘性耦合,流固惯性耦合,流固混合体的压缩性,孔隙水饱和度,及固体骨架在高应变速率下材料粘弹塑性本构行为等因素的影响。该工作将对克服饱和与非饱和多孔介质在强动荷载下波传播过程的数值求解困难提供理论上的依据和启示。     

热-力耦合原子-连续关联模型的框架及其算法

对热-力耦合的原子-连续关联模型进行了系统研究,给出了计及热-力耦合行为的金属微-纳米构件内材料的瞬态弹性常数,应力、应变、比热容等物理量的具体计算公式及其算法.利用原子运动中的“结构形变”部分来研究微-纳米尺度下多晶原子团簇的非均匀结构变形.将原子团簇晶格结构的变形与连续体的变形关联起来,在准简谐近似假设下,推导出依赖于微观结构变形和热振动的自由能密度、熵密度、内能密度表达式,从而给出了微-纳米尺度下的瞬态热-力学参数.     

土壤水流与溶质耦合运移问题的混合元-迎风广义差分法研究

本文研究了一维非饱和土壤水流与溶质耦合运移问题的数学模型, 建立了求其数值解的守恒混合元-迎风广义差分格式. 对非线性土壤水分入渗方程, 采用守恒混合元法进行离散模拟, 同时得到了土壤含水量和水分通量; 而对对流-扩散形式的溶质运移方程, 利用迎风的广义差分法离散求解. 且分析了解的存在唯一性, 并讨论了误差估计. 最后给出数值算例, 模拟结果表明利用本文格式来求解非饱和土壤水流与溶质耦合运移问题是可靠的, 且该格式具有稳定性和可实用性.     

非饱和膨胀土的结构损伤模型及其在土坡多场耦合分析中的应用

针对原状膨胀土对气候变化反映敏感的特点和其具有胀缩性、裂隙性、超固结性等力学特性,以非饱和土力学和损伤力学为基础,建立了一个非饱和膨胀土的弹塑性损伤本构模型及相应的固结模型．把原状膨胀土看成是由未损部分和损伤部分的复合体,未损部分用非饱和土的非线性本构关系描述,损伤部分用损伤演化方程和两个屈服面（即,加载屈服面和剪切屈服面）描述．其中的损伤演化方程包括加载引起的损伤和干湿循环引起的损伤两个方面,用作者研制的CT-三轴试验确定．设计了相应的有限元程序UESEPDC;对非饱和膨胀土边坡进行了三相多场耦合问题的数值分析．分析分为4个阶段,得到了边坡在每一分析阶段的应力场、位移场、孔隙水压力场、孔隙气压力场、含水量场、基质吸力场、结构损伤演化场和塑性区扩展的动态图,较好地揭示了膨胀土边坡在开挖和气候变化条件下逐渐发生失稳滑动的现象及其机理．     

微极性多组分多孔介质材料的混合物理论

将描述多组分系统的复合混合物理论与微极性连续介质力学理论相结合,建立了描述微极性多组分多孔介质材料的混合物理论.假定系统由多组分的微极性弹性固体和多组分微极性粘性流体组成.给出由混合物理论建立的系统的平衡方程.依据热力学第二定律以及本构假设建立了系统的本构方程,并使场方程闭合.为考虑固相的压缩性,在液相自由能函数中引入液相体积分数作为内变量,得到动力相容条件,用以限制固、液两相界面压力差的变化.最后,基于线性化理论得到线性化的本构方程和场方程,建立了考虑介质微极性的热-水力-力学组分输运模型.此理论框架可以运用到可变形多孔介质中污染物、药物以及农药输运等问题中,所得到的微极性多组分多孔介质系统的闭合场方程经退化后,可变为固、流相都为单一组分的多孔介质系统场方程,它与Eringen得到的结果一致.     

非饱和黄土中椭球形扩孔问题弹塑性解析

在非饱和土统一强度准则中引入非饱和原状黄土黏聚力与基质吸力拟合公式,采用改变孔型系数k的方法并结合边界条件、平衡方程及应力协调方程,推导了排水与不排水条件下椭球形扩孔在ξ平面内的弹性区与塑性区应力-应变场、塑性区半径及极限扩孔压力的解析解,并利用MATLAB软件分析了基质吸力、强度准则和剪胀对解析解的影响.结果表明:不同排水条件下非饱和黄土有效应力均随孔型系数k及基质吸力的增大而增大;当参数r/r_p一定时,在排水条件下,有效应变随剪胀系数h及基质吸力的增大而增大,且后者的影响程度更大;在同等条件下,b=1时双剪应力强度准则下的有效应力-应变均大于b=0时的Mohr-Coulomb强度准则.     

论非线性连续介质热-力耦合系统中的动力裂纹传播

在许多工程问题中,热-力耦合是重要的,而不能加以忽略.核反应堆工程就是这样的一个例子.本文讨论非线性连续介质的热-力耦合系统中的裂纹传播问题.各种的非线性介质,包括非线性弹性、弹塑性介质,被加以考虑,并且给出了相应情况下的各种路径无关积分.为了解释这些积分的物理含义,通过考虑一个缺口试件的裂纹传播,证明热-力耦合系统中的动力裂纹扩展力就等于这一路径无关积分.因此,就可利用这些积分来构作热-力耦合系统断裂动力学的非线性断裂准则.     

跨海特大型桥梁风-浪耦合作用的随机振动分析

考虑风-浪耦合场中风和波浪特征参数的相关性,建立了基于有限元法与边界元法联合分析的特大型桥梁风-浪耦合作用运动方程.其中,作用在大型深水基础上的波浪力采用势流理论和边界元法进行计算,并建立有限单元与边界元单元组的映射关系,将边界单元组上的波浪力映射到结构有限单元上;作用在桥梁上的气动力通过有限元法进行计算,包括由脉动风激发的非定常抖振力和由气弹相互作用产生的自激力.在此基础上,基于随机振动分析的高效算法——虚拟激励法,建立了计算桥梁风-浪耦合作用响应的分析方法.最后,针对某跨海超大跨桥梁方案进行研究,结果表明:与风致响应相比,风-浪耦合作用下桥梁深水基础内力显著增大,其中波浪激发的侧向剪力占主导地位,波浪激发的侧向弯矩在海床附近与风致响应基本相当,但在海床以下更大;斜风-波浪耦合作用下的主梁内力响应和深水基础内力响应比正交风-波浪耦合作用下的结果更大.因此,在跨海桥梁设计中,必须考虑风-浪耦合作用效应.     

可变形孔隙介质中热、水耦合力学问题的代数多格子分析方法

研究了孔隙介质中包括热和质量传递的全耦合多相流问题的代数多格子分析方法。数学模型包括质量、线性矩、能量平衡方程和本构方程,以位移、毛细压力、汽压和温度为基本变量,模型中采用了考虑毛细压力关系的修正有效应力概念,并考虑相变、热传导、对流和潜热交换(汽化-冷凝),气相是由易混合的干空气和水蒸气组成,视为理想气体。考题显示出较高的计算效率。     

非饱和土一维固结的半解析解

首先对Fredlund的非饱和土一维固结理论进行简化,由得到的液相及气相的控制方程、Darcy定律及Fick定律,经Laplace变换及Cayley-Hamilton定理构造了顶面状态向量与任意深度处状态向量间的传递关系;通过引入边界条件,得到了大面积瞬时加荷情况多种边界条件下Laplace变换域内的超孔隙水压力、 超孔隙气压力及土层沉降的解;采用Crump方法编制程序实现Laplace逆转换,得到了时间域内的超孔隙水压力、超孔隙气压力、土层沉降的半解析解;引用典型算例,对单面排水排气情况,与已有的解析解进行对比,验证其正确性;对单面排气不排水情况,与差分法结果进行对比进一步证明半解析解的正确性,并进行固结特性分析．该研究对非饱和土一维固结的研究具有重要的意义．     

含湿相变粗糙多孔材质的热质耦合分形研究

多孔材质复杂的内部结构和含湿状态对传热和传质特性有着重要意义,其热质耦合传递过程广泛存在于能源开发和工程隔热等领域。不同于在多孔材质理想状态下对传热和传质特性的单方面分析,该文将孔道的分布参数、粗糙表面、含湿状态和相变等因素考虑进去,运用分形理论推导出了含湿相变粗糙表面多孔材质的渗流系数和耦合等效导热系数的表达式。结果表明,渗流系数与面积分形维数、含湿饱和度呈正相关,与相对粗糙度、迂曲分形维数呈负相关;耦合等效导热系数与渗流系数、相变量呈正相关,与相对粗糙度呈负相关。此外,结果还表明,相变量以及相变引起的气体膨胀压强差对热质耦合传递也有着重要影响。     

Numerical Analysis of Time Fractional-Order Unsaturated Flow and Its Application北大核心CSCD

非饱和渗流过程的数值模拟对土质边坡稳定性分析、地下污染物迁移模拟等众多领域有着重要的意义。Richards方程由于其普遍适用性被广泛地应用,然而Richards方程所描述的渗流过程并未考虑在自然环境和实验中存在的反常扩散现象。针对这一问题,该文结合Caputo导数得到了具有更广泛渗流意义的时间分数阶Richards方程,采用有限差分法得到其离散格式并采用Picard法迭代求解,以及对分数阶参数和土水特征曲线进行了敏感性分析。最后,结合土柱入渗实验数据,比较了不同土水特征曲线下时间分数阶Richards方程得到的数值解。结果表明,VGM模型的时间分数阶Richards方程与实测数据具有更好的拟合效果,能够更好地描述地下水在非饱和土中的渗流过程。     

多相固体弹塑性本构方程的同类性

本文以复合材料为背景,讨论多相固体即混合物的等效弹塑性本构方程.按照所提出的等效本构方程的定义,文章证明,由服从广义正交法则的多种均匀的弹塑性介质组成的混合物具有与它的组分介质同类的、也服从广义正交法则的等效本构方程.