圆形均布荷载作用下分数导数型黏弹性土基变形分析

土体的蠕变特性是影响工后沉降和工程安全的重要因素.基于半空间弹性土基受圆形均布荷载作用弹性理论解,根据弹性与黏弹性理论的对应原理,建立了分数导数型黏弹性土基在竖向圆形均布荷载作用下的地表位移与分数阶导数等参数的关系,并分析了不同分数阶下地表变形的时效特性.结果表明,与经典黏弹性本构模型相比,分数导数黏弹性模型能够在较宽的范围内描述黏弹性土基变形的特性,采用分数导数Kelvin黏弹性本构模型计算的地表沉降较经典的Kelvin黏弹性模型小,土基的蠕变特性与分数导数的阶数有关,具有更为广泛的适用性和应用前景.     

深埋隧洞围岩应力的精确解与近似解的对比分析

对不同断面形状的深埋隧洞进行了分析,比较了隧洞围岩应力解析解与通过当量半径方法得到的近似解之间的差别.首先,应用复变函数的基本理论,给出圆形、椭圆、矩形、直墙拱形等几种常见深埋隧洞围岩应力的解析表达式.其次,应用当量半径的折算形式,将其任意形状的边界转化为标准圆形断面,利用Lamé解答得到了各围岩应力分量.最后,考虑隧洞断面形状参数的变化,通过数值算例对精确解和近似解进行了比较,分析了当量半径折算形式的精确度.在此基础上,应用有限元方法验证了复变函数解析解的精确性,以椭圆、矩形和直墙拱形的复变函数解验证当量半径精确度.结果表明,当量半径的折算形式解答与精确解答之间相似程度与隧洞的断面形状和几何参数之间有着密切的关系.     

双筒流变仪中广义二阶流体运动分析

将分数阶导数运算引入二阶流体本构方程,研究双筒流交仪中的流动特征.先求山了1/2阶导数情况下的解析解.用以验证Laplace数值反演的Crump方法的有效性,然后用Crump方法分析这种环管旋转流动 结果表明粘弹性特征越明显的流体,其速度与应力对分数导数的阶数越具有敏感性.另外,引入Crump数值反演法,成功地分析了所提出的问题.给二阶流体的实验测试工作提供了解析模型和分析手段.     

广义二阶流体管内轴向流动

在流体的本构关系中引入分数阶导数运算，对于介于粘性与弹性之间的流体的描述更具有合理性。本文将这种关系引入二阶流体，研究其管内轴向流动。我们先求出了１／２阶导数的解析解，用以验证Ｌａｐｌａｃｅ数值反演的ＣＲＵＭＰ方法的有效性。然后用ＣＲＵＭＰ法分析二阶流体管内轴向流动的特征。分析表明粘弹性特征越明显的流体，其速度与应力对分数导数的阶数越具有敏感性。     

广义的二维微分变换法在分数阶偏微分方程中的应用

分数阶偏微分方程的解析近似解是近年来国内外重要的研究工作之一.借助于符号计算软件Maple,应用广义的二维微分变换法求解Caputo型分数阶导数定义下的时间分数阶偏微分方程、空间分数阶偏微分方程和时空分数阶偏微分方程.在获得三种分数阶偏微分方程解析近似解的同时,验证广义的二维微分变换法的可行性和有效性,说明此解析技术可以用于求解复杂的分数阶偏微分方程系统.     

深埋公路隧洞围岩应力和位移分布的复变函数解

为了优化公路隧道的设计和确保施工安全,必须明确公路隧洞开挖时围岩的力学行为.利用复变函数方法,通过保角映射函数把隧洞外域变换为单位圆外域.利用Cauchy(柯西)积分和留数定理求出两个应力函数,从而得到围岩的应力与位移的平面应变问题的解析解.结合曲墙马蹄形断面,通过数学软件MATLAB编程计算,分别给出了应力和仅考虑开挖引起的位移沿隧洞边和坐标轴方向的分布.利用有限元软件ANSYS建立二维平面应变模型,对理论推导得到的应力和位移的分布进行验证,数值解结果与近似解析解结果吻合性很好.研究结果表明:最大的环向应力发生在隧洞拱脚处,最大水平位移发生在拱腰处,最大的沉降和隆起分别发生在拱顶和仰拱中心处.沿坐标轴的正应力在隧洞附近变化较大,不一定在洞边取得最大值,离洞边不到10 m的距离,便分别趋于所加外荷载.位移值在洞边最大,随着离洞边距离的增大,逐渐单调趋于0.     

非圆形水工衬砌隧洞与横观各向同性岩体在光滑接触下的解析分析

提出了横观各向同性岩体中的非圆形水工衬砌隧洞在各向同性衬砌与岩体处于光滑接触条件下的解析方法.基于复变函数理论,通过建立两种介质在光滑接触边界上的力和位移连续关系以及衬砌自由边界的水压力边界条件,考虑衬砌支护滞后效应并使用幂级数解法获得解析解.针对倾斜结构面岩体中的马蹄形水工衬砌隧洞,使用解析和数值方法验证了解析解的正确性,获得了岩体各向异性和不同洞内水压力对衬砌和围岩接触边界,以及衬砌自由边界上应力和位移分布的影响规律.     

计及相变与塑性的NiTi形状记忆合金循环伪弹性特性描述

结合NiTi形状记忆合金单轴循环变形试验研究结果,采用基于混合物理论的计及相变、重取向与塑性变形的形状记忆合金本构模型发展了相应的算法和程序.对NiTi形状记忆合金单轴循环变形行为进行了描述.通过试验结果与模拟结果的比较,验证了本构模型与算法的有效性.     

随机激励下一类含分数阶阻尼的轮胎的振动响应

基于随机平均法研究了Kanai-Tajimi噪声激励下含分数阶阻尼的轮胎动力学系统的响应.首先将地震波近似为Kanai-Tajimi噪声,结合点接触模型和分数阶导数模型,建立轮胎的动力学方程,然后运用随机平均法求解振动位移的稳态概率密度函数的解析解,最后通过Monte-Carlo数值模拟验证了该方法的有效性.利用振动位移的概率密度求解聚丁二烯橡胶、丁基B252橡胶轮胎振动位移的均值与方差,并以此为依据考察这两类橡胶的减振性能.研究结果表明,轮胎振动位移的均值和方差随橡胶的储能模量的增大而增大,随耗散模量的增大而减小,这说明减小橡胶的储能模量或增大耗散模量可有效改善轮胎的减振性能.所得结果可为轮胎的设计与制造提供一定的理论基础.     

黏弹性材料本构方程的广义分数阶单元网络表述及其广义解

提出广义分数阶单元网络, 取消了Schiessel等人所提出的分数阶单元法对参数的限制, 增加了"协调方程", 将模型解的构造扩充到广义函数空间, 使其包含更多的具有明显物理意义的解. 应用并发展了离散求逆Laplace变换的方法, 给出了模型方程的广义解. 讨论了广义分数阶单元网络Zener, Poyinting-Thomson模型. 结果表明, 有关黏弹性材料本构方程前人所得的经典整数阶和分数阶单参数模型的所有结果均可作为本文的特例而被包括.     

分数阶振子方程基于变分迭代的近似解析解序列

在粘弹性介质中的阻尼振动中引入分数阶微分算子,建立分数阶非线性振动方程.使用了分数阶变分迭代法（FVIM）,推导了Lagrange乘子的若干种形式.对线性分数阶阻尼方程,分别对齐次方程和正弦激励力的非齐次方程应用FVIM得到近似解析解序列.以含激励的Bagley-Torvik方程为例,给出不同分数阶次的位移变化曲线.研究了振子运动与方程中分数阶导数阶次的关系,这可由不同分数阶次下记忆性的强弱来解释.计算方法上,与常规的FVIM相比,引入小参数的改进变分迭代法能够大大扩展问题的收敛区段.最后,以一个含分数导数的Van der Pol方程为例说明了FVIM方法解决非线性分数阶微分问题的有效性和便利性.     

黏弹性材料本构方程的广义分数阶单元

提出广义分数阶单元网络, 取消了Schiessel等人所提出的分数阶单元法对参数的限制, 增加了“协调方程”, 将模型解的构造扩充到广义函数空间, 使其包含更多的具有明显物理意义的解. 应用并发展了离散求逆Laplace变换的方法, 给出了模型方程的广义解. 讨论了广义分数阶单元网络Zener, Poyinting-Thomson模型. 结果表明, 有关黏弹性材料本构方程经典的和前人所得的经典整数阶和分数阶单参数模型的所有结果均可作为本文的特例而被包括.     

关于损伤张量的阶次

本文首先讨论了较为广泛的连续介质材料的应力变形本构关系,得到了通常以泛函表示的应力变形本构关系的张量表达式.以此为基础,研究了各向异性材料各向异性损伤时,无论从连续介质力学模型出发还是从缺陷模型出发,描述损伤的张量都存在最高阶次的限制;指出了在什么条件下,损伤变量可用低于最高阶次的张量来描述.     

反映混凝土单边效应的弹塑性损伤本构模型及应用

为了尽可能有效和准确地描述混凝土材料的非线性力学特性,在研究国内外混凝土损伤本构模型的基础上,基于连续介质损伤力学和不可逆热力学的理论框架,采用统一强度理论作为屈服破坏准则,分别定义拉、压双标量损伤来考虑材料的拉、压迥异特性,同时引入反向加载影响因子以修正拉压交替循环加载时材料的单边效应,以及多轴应力状态下拉、压损伤累积的相互影响,最终采用显式积分算法建立了一种改进的混凝土弹塑性损伤本构模型.不同素混凝土加载试验模拟结果初步验证了建议模型的有效性,而通过对含I型裂缝的混凝土简支梁试验进行数值分析,结果表明,所得的荷载 挠度曲线与试验结果吻合良好,进一步检验了模型应用于结构非线性分析的有效性.     

分数阶SEIR传染病模型的残差幂级数解法

SEIR传染病模型在研究传染病和社交网络的信息传播等方面具有重要的应用背景,分数阶SEIR传染病模型对于这些动态系统的传播过程描述更加确切,但是分数阶SEIR模型难于求解.给出一种求解该模型的残差幂级数方法.首先,将分数阶SEIR模型中的S(t)、E(t)、I(t)和R(t)分别用广义泰勒级数展开至k项;再将展开后的表达式带入到分数阶SEIR模型中;利用残差为0来求解未知的系数a_k、b_k、c_k、d_k,得到分数阶SEIR模型的一种级数形式的近似解析解.通过与同伦分析变换法得到的解进行对比,结果表明,残差幂级数法在求解分数阶SEIR模型更有效,其误差更小.     

分数阶广义扰动热波方程

研究了一类分数阶广义非线性扰动热波方程.首先用奇异慑动方法,求出了分数阶广义非线性扰动热波方程初始边值问题的任意次近似解析解.然后利用泛函分析不动点定理证明了它的一致有效性,最后简述了它的物理意义.求得的近似解析解,弥补了单纯用数值方法求模拟解的不足.     

空间分数阶非Newton流体本构及圆管流动规律研究

对非Newton流体的本构及流动规律进行研究是分析、预测和控制非Newton流体在管道中流动的关键.实验表明非Newton流体在流动过程中具有历史记忆性,基于空间分数阶微积分方法,建立了分数阶非Newton流体本构模型;并推导了该模型在圆管中的流速分布、流量、平均流速、压降、平均Reynolds数等管道流动参数;提出了分数阶非Newton流体圆管流态判别准则.研究表明非Newton流体的圆管流层间的切应力可以通过流速的轴向分布大小来描述.对于不含屈服切应力的分数阶非Newton流体,分数阶的阶数越大,断面流速分布越均匀,记忆能力越强.分数阶的阶数大小反映了流体对全域空间的记忆性强弱;而对于含有屈服切应力的分数阶非Newton流体,分数阶的阶数越大,速梯区流速分布越均匀,流核区速度越小.分数阶的阶数大小反映了局部空间记忆性强弱.该研究为非Newton流体的记忆特征提供了一种新的建模方法.     

基于分数阶热传导方程激光加热瞬态温度场研究

基于分数阶Taylor(泰勒)级数展开原理,建立单相延迟一阶分数阶近似方程,获得分数阶热传导方程.针对短脉冲激光加热问题建立分数阶热传导方程组,并运用Laplace(拉普拉斯)变换方法进行求解,给出非Gauss(高斯)时间分布的激光内热源温度场解析解.针对具体算例数值研究温度波传播特性.结果表明热传播速度与分数阶阶次有关,分数阶阶次增加,热传播速度减小,温度变化幅度增加.分数阶方程可以用于描述介于扩散方程和热波方程间的热传输过程,且对热传播机制与分数阶热传导方程中分数阶项的关系做了深入剖析.     

一致分数阶非线性微分方程的精确解

同时考虑了Kudryashov方法和Khalil一致分数阶变换,构造了求解一致分数阶非线性微分方程精确解的新方法,并将其用于求解时间-空间一致分数阶Whitham-Boroer-Kaup方程,得到了Whitham-Boroer-Kaup方程新的精确解,验证了该方法的有效性和可行性.     

单位圆外域-洞室外域共形映射下任意开挖断面隧洞围岩应力解析解

以地下任意开挖断面隧洞为研究对象,将原岩应力场归化为无穷远处与水平轴呈一角度的均匀应力场,引入单位圆外域-洞室外域的共形映射函数,把目标域中以变量z表示的围岩应力函数转化为映射域中的变量ζ表示.将洞壁的应力边界条件方程转化成Cauchy积分方程,利用被积函数的解析性和留数理论,获得了任意开挖断面隧洞围岩应力函数解析通式和围岩应力解析解.将椭圆形隧洞应力边界条件代入应力函数解析通式,求得的φ(z)和ψ(z)与文献结果一致;以公路两车道隧道为研究对象,利用围岩应力解析解开展围岩应力计算和分析,所获结果符合工程规律;利用ABAQUS软件对隧道洞壁应力进行对比分析,分布规律与解析解结果一致.研究表明,只要给出任意开挖断面隧洞的单位圆外-洞室外域共形映射函数,利用研究成果可方便地开展围岩应力解析计算分析.