二维Nonlocal线弹性理论的变分原理与对偶方程

基于Eringen提出的Nonlocal线弹性理论的微分形式本构关系,导出了相应的能量密度表达式,进而得到二维Nonlocal线弹性理论的变分原理.利用变分原理导出了对偶平衡方程和相应的边界条件.进而给出了非局部动力问题的Lagrange函数,并引入对偶变量和Hamilton函数,得到了对偶体系下的变分方程.在Hamilton体系下,通过变分得到了二维Nonlocal线弹性理论的对偶平衡方程和相应的边界条件.     

一维声子晶体带隙的非局部辛分析

周期性弹性复合结构(声子晶体)中传播的弹性波存在特殊的色散关系:弹性波只能在某段频率范围内无损耗的传播,该频率范围称为通带.一维声子晶体的色散问题可以看作分层介质中弹性波的传播问题,利用二维弹性理论予以分析.为了研究非局部效应对声子晶体带隙特性的影响,将Eringen的二维非局部弹性理论引入到Hamilton体系下,利用精细积分与扩展的Wittrick Williams算法可获取任意频率范围内的本征解.通过对不同算例的数值计算,分析和对比了非局部理论方法与传统局部理论方法的差别.并进一步指出了该套算法的适用性和优势所在.     

二维边界层方程的迭代求解

针对二维边界层方程,提出了分析积分迭代法.首先将该方法应用于Blasius方程和Falkner-Skan方程的求解,数值计算结果稳定,计算精度高;然后对外部有势流不能达到自相似要求、必须二维求解的二维层流边界层问题,在分析积分迭代法中加上计算力学的松弛迭代法,形成了一套有效的算法.数值结果表明该方法用于层流边界层的计算是很有效的.     

线弹簧模型法在含表面裂纹球壳中的应用

本文应用线弹簧模型法,基于Sih.G.C.含二维裂纹球壳理论建立了含表面裂纹球壳的控制方程,采用数值方法选取位移试函数及合理地处理了对偶奇异积分方程使计算大为简化,通过电算实现了计算求解过程,从而获得了球壳表面裂纹前沿各点的应力强度因子之值。 最后将计算结果与考虑“膨胀效应”后的Ncwoun-Raju 解进行了比较,同时研究了曲率因素对表面裂纹线弹性断裂性态的影响。     

电磁对偶有限元及在波导计算中的应用

力学中的Hamilton体系采用对偶变量描述问题。电磁场采用电场和磁场两类变量描述问题。将力学中的Hamilton体系引入到电磁场问题中，电场变量和磁场变量构成对偶变量，把频域电磁场的基本方程导向对偶方程形式，建立电磁场有限元所需的对偶变量变分原理，由此推导出电磁对偶有限元。将电磁对偶有限元应用于电磁波导计算中，可确定电磁波导的传播常数。文中给出了用电磁对偶有限元方法，计算矩形波导不同模式对应的传播常数的数值计算结果。     

径向辛体系一种新的差分格式

通过对Hellinger-Reissner变分原理进行坐标变换,将径向模拟为时间,导向辛体系,得到Hamilton对偶方程组.将微分形式的有限差分法引入弹性力学极坐标系下径向辛体系,把对偶方程组中的微分方程直接改用差分方程代替,推导出极坐标系下问题的辛差分方程,从而得到一种全新的径向辛体系差分格式.求解方程组,可直接得到位移和应力.编程计算曲梁等算例,结果表明该辛差分格式是有效的,丰富了弹性力学辛体系差分法的内容.     

输入受限LQ控制的参变量变分原理和算法

在最优控制理论中根据模拟理论思想发展了塑性力学和接触力学中的参变量变分原理, 并建立了控制输入受限的线性二次(linear quadratic, LQ)最优控制问题的求解新方程---耦合的Hamilton正则方程与线性互补方程. 通过将连续时间离散成一系列等间距时间区段, 在离散时域内采用参数二次规划方法给出数值求解输入受限的LQ最优控制问题的新算法. 数值仿真验证了该算法在求解控制输入受限的LQ最优控制问题中的有效性, 并且该算法具有较快的收敛性, 在大步长下具有较高的计算精度.      

弹性动力学的双互易杂交边界点法

将双互易法同杂交边界点法相结合,提出了求解弹性动力问题的新型数值方法------双互易杂交边界点方法. 该算法在求解弹性动力问题时,将控制方程非齐次项的域内积分转化为边界积分. 该方法将问题的解分为通解和特解两部分,通解使用杂交边界点法求得,特解则使用局部径向基函数插值得到,从而实现了使用静力问题的基本解来求解动力问题. 计算时仅仅需要边界上离散点的信息,无论积分还是插值都不需要网格,域内节点仅用来插值非齐次项,因此该算法仍是一种边界类型的无网格方法. 数值算例表明,该方法后处理简单,计算精度高,适合于求解弹性动力问题.      

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.     

Correction of local elasticity for nonlocal residuals: application to Euler–Bernoulli beams

Complications exist when solving the field equation in the nonlocal field. This has been attributed to the complexity of deriving explicit forms of the nonlocal boundary conditions. Thus, the paradoxes in the existing solutions of the nonlocal field equation have been revealed in recent studies. In the present study, a new methodology is proposed to easily determine the elastic nonlocal fields from their local counterparts without solving the field equation. This methodology depends on the iterative-nonlocal residual approach in which the sum of the nonlocal fields is treaded as a residual field. Thus, in this study the corrections of the local linear and nonlinear elastic fields for the nonlocal residuals in materials are presented. These corrections are formed based on the general nonlocal theory. In the context of the general nonlocal theory, two distinct nonlocal parameters are introduced to form the constitutive equations of isotropic elastic continua. In this study, it is demonstrated that the general nonlocal theory outperforms Eringen’s nonlocal theory in accounting for the impacts of the material’s Poisson’s ratio on its mechanics. To demonstrate the effectiveness of the proposed approach, the corrections of the local static bending, vibration, and buckling characteristics of Euler–Bernoulli beams are derived. Via these corrections, bending, vibration, and buckling behaviors of simple-supported nonlocal Euler–Bernoulli beams are determined without solving the beam’s equation of motion.     

基于Hamilton体系的辛半解析法在各向异性电磁波导中的应用

力学中的Hamilton体系使用对偶变量来描述问题，而电磁场正好有电场和磁场这一对对偶变量。本文将力学中的Hamilton体系应用到电磁波导问题。根据电磁波导的Hamilton体系理论，辛几何可用于任意各向异性材料。将横向的电场和磁场构成对偶向量，基于Hamilton变分原理做半解析横向离散，并保持结构辛体系。本文以各向异性材料电磁波导为例，求解了问题的辛本征值，得到了镜像线的色散曲线。     

温度场下岛-桥结构屈曲薄膜的动力学分析

基于岛-桥结构的柔性电子器件已被用于健康监测和皮肤电子等领域。但是柔性电子器件在工作中极易受工作温度变化等激励产生振动,进而影响器件的灵敏度与可靠性。因此本文研究在温度场作用下岛-桥结构屈曲薄膜的动力学问题。首先,基于Euler-Bernoulli梁理论,建立温度场作用下岛-桥结构屈曲薄膜的动力学控制方程。其次,通过引入新变量,将原动力学方程引入Hamilton体系中,得到相应的Hamilton正则方程。随后,采用辛Runge-Kutta方法求解该Hamilton正则方程,并与经典Runge-Kutta方法对比,数值结果显示了辛算法在求解非线性动力学方程时高精度、高数值稳定性的优势,进一步讨论了温度变化量、预应变、阻尼系数等对屈曲薄膜动力学响应的影响。本文研究为柔性电子器件动力学设计提供了理论参考。     

电磁波导的半解析辛分析

根据电磁波导的Hamilton体系，辛几何可用于任意各向异性材料，而且便于处理不同区段的界面条件，横向的电场和磁场构成了对偶向量．基于Hamilton变分原理用半解析法进行横向离散应当保持体系的辛结构．离散后可以运用应用力学的有效算法，求解其辛本征值问题．每段波导可以引入两端Riccati矩阵，用精细积分法求解其方程组．     

薄板理论的正交关系及其变分原理

利用平面弹性与板弯曲的相似性理论，将弹性力学新正交关系中构造对偶向量的思路推广到 各向同性薄板弹性弯曲问题，由混合变量求解法直接得到对偶微分方程并推导了对应的变分 原理. 所导出的对偶微分矩阵具有主对角子矩阵为零矩阵的特点. 发现了两个独立的、对称 的正交关系，利用薄板弹性弯曲理论的积分形式证明了这种正交关系的成立. 在恰当选择对 偶向量后，弹性力学的新正交关系可以推广到各向同性薄板弹性弯曲理论.     

Hamilton体系下介电弹性体圆形薄膜的动力学建模与辛求解

采用辛算法研究了Hamilton体系下介电弹性体圆形薄膜的动力学响应。首先，将该问题引入Hamilton对偶变量体系，借助Legendre变换，给出系统的广义动量和Hamilton函数，通过对Hamilton函数作用量的变分，得到Hamilton体系下的正则方程。其次，对于得到的正则方程给出了辛Runge-Kutta的计算格式。最后，采用二级四阶辛Runge-Kutta算法对动力学系统进行了数值求解，和四级四阶经典Runge-Kutta算法进行对比，结果表明，二级四阶辛Runge-Kutta算法具有保能量以及长时间数值稳定的优势，同时说明四级四阶经典Runge-Kutta算法对于步长依赖的局限性。     

含裂纹纳米板振动问题的哈密顿体系方法

基于裂纹处范德华力效应,采用非局部弹性理论构造纳米板模型,并通过导入哈密顿体系建立含裂纹纳米板振动问题的对偶正则控制方程组。在全状态向量表示的哈密顿体系下,将含裂纹纳米板的固有频率和振型问题归结为广义辛本征值和本征解问题。利用哈密顿体系具有的辛共轭正交关系,得到问题解的级数解析表达式。结合边界条件,得到固有频率与辛本征值的代数方程关系式,进而直接给出固有频率的表达式。数值结果表明,非局部尺寸参数和裂纹长度对纳米板振动的各阶固有频率有直接的影响。对比表明,辛方法是准确且可靠的,可为工程应用提供依据。     

NUMERICAL METHOD BASED ON HAMILTON SYSTEM AND SYMPLECTIC ALGORITHM TO DIFFERENTIAL GAMES

The resolution of differential games often concerns the difficult problem of two points border value (TPBV), then ascribe linear quadratic differential game to Hamilton system. To Hamilton system, the algorithm of symplectic geometry has the merits of being able to copy the dynamic structure of Hamilton system and keep the measure of phase plane. From the viewpoint of Hamilton system, the symplectic characters of linear quadratic differential game were probed; as a try, Symplectic-Runge-Kutta algorithm was presented for the resolution of infinite horizon linear quadratic differential game. An example of numerical calculation was given, and the result can illuminate the feasibility of this method. At the same time, it embodies the fine conservation characteristics of symplectic algorithm to system energy.