无限粘弹介质中圆孔时变问题的解析分析

本文推导粘弹介质中圆孔孔径时变时的应力和位移.由粘弹解与弹性解的对应关系得到粘弹时变应力解.用直接解方程法求径向位移,最终归结为求解关于待定函数的l阶非齐次微分方程.将半径时变函数泰勒展开,用幂级数解法得到一般情况下的解.在寻找定解条件时,采用了对待定函数的光滑化处理,认为在t=0的微小邻域内函数仍满足微分方程,通过积分得到与待定系数数目相同的定解条件,从而获得本问题径向位移解析解.对Maxwell粘弹模型的求解证明了该法的可靠性.文中解适用于任意粘弹模型和孔径任意时变的情况.     

用具有负定矩阵的梯度系统构造稳定的变质量力学系统

随着科学技术的发展,对喷气飞机、火箭等变质量系统动力学的研究显得越来越重要,并且总是希望变质量系统的解是稳定的或渐近稳定的.而通用的研究稳定性的Lyapunov直接法有很大难度,因为直接从微分方程出发构造Lyapunov函数往往很难实现.本文给出一种研究稳定性的间接方法,即梯度系统方法.该方法不但能揭示动力学系统的内在结构,而且有助于探索系统的稳定性、渐进性和分岔等动力学行为.梯度系统的函数V通常取为Lyapunov函数,因此梯度系统比较适合用Lyapunov函数来研究.列写出变质量完整力学系统的运动方程,在系统非奇异情形下,求得所有广义加速度.提出一类具有负定矩阵的梯度系统,并研究该梯度系统解的稳定性.把这类梯度系统和变质量力学系统有机结合,给出变质量力学系统的解可以是稳定的或渐近稳定的条件,进一步利用矩阵为负定非对称的梯度系统构造出一些解为稳定或渐近稳定的变质量力学系统.通过具体例子,研究了变质量系统的单自由度运动,在怎样的质量变化规律、微粒分离速度和加力下,其解是稳定的或渐近稳定的.本文的构造方法也适合其他类型的动力学系统.     

用具有负定矩阵的梯度系统构造稳定的变质量力学系统

随着科学技术的发展,对喷气飞机、火箭等变质量系统动力学的研究显得越来越重要, 并且总是希望变质量系统的解是稳定的或渐近稳定的. 而通用的研究稳定性的Lyapunov直接法有很大难度, 因为直接从微分方程出发构造Lyapunov函数往往很难实现. 本文给出一种研究稳定性的间接方法, 即梯度系统方法. 该方法不但能揭示动力学系统的内在结构, 而且有助于探索系统的稳定性、渐进性和分岔等动力学行为. 梯度系统的函数V通常取为Lyapunov函数, 因此梯度系统比较适合用Lyapunov函数来研究. 列写出变质量完整力学系统的运动方程,在系统非奇异情形下,求得所有广义加速度. 提出一类具有负定矩阵的梯度系统, 并研究该梯度系统解的稳定性. 把这类梯度系统和变质量力学系统有机结合,给出变质量力学系统的解可以是稳定的或渐近稳定的条件, 进一步利用矩阵为负定非对称的梯度系统构造出一些解为稳定或渐近稳定的变质量力学系统. 通过具体例子,研究了变质量系统的单自由度运动,在怎样的质量变化规律、微粒分离速度和加力下,其解是稳定的或渐近稳定的. 本文的构造方法也适合其它类型的动力学系统.      

集中力作用下的两相饱和介质位移场Green函数

以复模两相饱和介质Biot动力学方程为基础,根据该方程D'Alembert解的Fourier变换所属的Homholtz方程特性,由Biot方程解的相容性条件及δ函数性质较好地解决了快、慢纵波位势的耦合问题.较为简便地得到了两相饱和介质在集中力作用下低频(ω＜ωc)时的频域和时域的Green函数.     

圆柱壳在两种非轴对称同步移动载荷作用下的动力响应

本文根据工程实例计算的需要,研究了有限长弹性圆柱薄壳在两种非轴对称同步移动载荷作用下的动力响应问题。两种非轴对称同步移动载荷作用是指非轴对称移动的集中载荷,以及同步移动且作用范围随移动位置增加的均布载荷的共同作用。建立了在上述两种不同类型载荷作用下的具有对称形式的动力学微分方程组;分别采用Dirac函数与Heaviside函数表示移动的均布载荷与集中载荷,设定位移函数的基础上,应用Galerkin法及Laplace变换,求得了圆柱薄壳应力与位移动态响应的解析解;通过具体算例,将所得到解析解的计算结果与ANSYS数值解进行了对比分析,验证了解析解的可靠性。     

基于高斯原理的非理想系统动力学建模

高斯原理给出了通过求函数极值、从可能运动中鉴别出真实运动的规则, 它可以使得多体系统动力学问题不需通过求解微分(代数)方程, 而是采用求解最小值的优化方法来解决, 从而提供了一种适用于优化算法的建模思路, 因此, 如何定义恰当的高斯拘束函数是动力学优化方法得以实现的前提. 对于理想系统而言, 约束对系统的作用可以通过约束方程来体现, 故高斯拘束可表达为系统质点加速度的函数, 系统的动力学问题因此可以描述为目标函数为高斯拘束函数、优化变量为质点加速度的约束最优化问题; 当系统中需要考虑干摩擦等非理想因素时, 部分相互作用不能被所定义的约束方程所涵盖而需要采用额外的物理规律来描述, 这种相互作用破坏了原有的针对理想系统的高斯拘束函数的极值特性. 基于变分类的高斯原理, 推导并证明了目标函数以理想约束力所表达的非理想系统的极值原理, 针对目前文献中用于非理想系统的高斯原理进行了讨论, 指出其实际为文中的极值原理在非理想约束力与理想约束力无明显关联时的一种特殊表达形式, 当非理想约束力与理想约束力有明显的函数关系(如库仑摩擦定律中滑动摩擦力与法向约束力间的线性关系)时, 该形式失效; 同时根据文中的极值原理, 得到了考虑库仑摩擦时非理想的多体系统动力学问题的优化模型. 例子中分析了优化模型及相应的线性互补性模型的关系, 分析发现在满足刚体滑动问题的唯一性条件下二者互为充分必要条件, 从而证明了文中优化模型的可靠性; 并采用优化计算方法进行了动力学模拟, 模拟结果显示了将高斯原理与优化算法相结合的可行性及有效性.      

球面各向同性功能梯度球壳的自由振动

通过引入位移函数和应力函数,针对沿径向非均匀的球面各向同性弹性动力学的基本方程建立了两个解耦的变系数状态方程。利用层合近似理论,将变系数状态方程转化为常系数状态方程,并给出了相应的解。进而利用层间连续条件,得到关于内外球壳表面边界量的相应线性方程。由自由表面条件导出对应两类独立振动的频率方程。最后给出了算例,并讨论了材料梯度指标对球壳两类固有频率的影响。在地球动力学分析中有一定的应用前景。     

DYNAMIC MODELING OF NONIDEAL SYSTEM BASED ON GAUSS'S PRINCIPLE$^{\bf 1)}$

高斯原理给出了通过求函数极值、从可能运动中鉴别出真实运动的规则, 它可以使得多体系统动力学问题不需通过求解微分(代数)方程, 而是采用求解最小值的优化方法来解决, 从而提供了一种适用于优化算法的建模思路, 因此, 如何定义恰当的高斯拘束函数是动力学优化方法得以实现的前提. 对于理想系统而言, 约束对系统的作用可以通过约束方程来体现, 故高斯拘束可表达为系统质点加速度的函数, 系统的动力学问题因此可以描述为目标函数为高斯拘束函数、优化变量为质点加速度的约束最优化问题; 当系统中需要考虑干摩擦等非理想因素时, 部分相互作用不能被所定义的约束方程所涵盖而需要采用额外的物理规律来描述, 这种相互作用破坏了原有的针对理想系统的高斯拘束函数的极值特性. 基于变分类的高斯原理, 推导并证明了目标函数以理想约束力所表达的非理想系统的极值原理, 针对目前文献中用于非理想系统的高斯原理进行了讨论, 指出其实际为文中的极值原理在非理想约束力与理想约束力无明显关联时的一种特殊表达形式, 当非理想约束力与理想约束力有明显的函数关系(如库仑摩擦定律中滑动摩擦力与法向约束力间的线性关系)时, 该形式失效; 同时根据文中的极值原理, 得到了考虑库仑摩擦时非理想的多体系统动力学问题的优化模型. 例子中分析了优化模型及相应的线性互补性模型的关系, 分析发现在满足刚体滑动问题的唯一性条件下二者互为充分必要条件, 从而证明了文中优化模型的可靠性; 并采用优化计算方法进行了动力学模拟, 模拟结果显示了将高斯原理与优化算法相结合的可行性及有效性.     

一维六方压电准晶中唇形匀速移动裂纹问题的解析解

运用复变函数方法,通过构造保角映射,研究了在电非渗透型边界条件下一维六方压电准晶中唇形快速传播裂纹问题的反平面剪切问题,获得了III型裂纹动态的应力强度因子和电位移强度因子的解析解．研究结果表示,当裂纹传播速度趋于零时,动力学问题就还原为了静力学问题的解．当唇形裂纹的高度趋于零时,所得结果可以退化为Griffth裂纹问题．     

弹性半空间动力问题的基本解

近年来,以Lamb解为基本解用边界元法求解了大量的弹性半空间表面基础的动力响应问题,但是,Lamb解却无助于用边界元法处理弹性半空间的内部问题。本文根据文献[1]所提出的弹性动力学的完备解,应用叠加原理导出了弹性半空间在内部集中动载作用下的基本解。从而为用边界元方法求解基础埋入和地下工程等弹性半空间内部问题开拓了一条新的途径。1.弹性半空间在非轴对称表面动载作用下的一般解当弹性半空间仅受到零初始条件的非轴对称表面动载作用时,总可以将表面载荷     

直升机旋翼气弹动力学优化策略(Ⅱ)——多目标优化解法研究

在旋翼气弹动力学模型基础上进行了多目标优化问题的描述和分类,定义了多目标优化问题及其解,讨论了多目标优化问题的解法,提出了直升机旋翼气弹动力学多目标优化问题的解法.使用改进的遗传模拟退火算法、加权系数法、全局准则法相结合的混合式解法进行旋翼气弹动力学多目标优化问题的求解.算例结果表明:使用混合法的多目标优化解法设计变量变化平缓;同时设计目标函数的3次/转、4次/转、5次/转谐波振动载荷和桨叶总质量分别比初始设计减少13.4%、31.5%、20.9%和7.36%,优化效果明显.由本文的研究可知,在直升机旋翼气弹动力学多目标优化问题中,使用混合式多目标优化问题解法能使旋翼气弹动力学多目标优化收敛到Pareto最优解,同时可提高多目标优化问题解质量和结果的鲁棒性.     

一维六方准晶中椭圆孔边裂纹的静态与动态分析

通过构造保角映射函数,借助复变函数方法,研究了一维六方准晶中椭圆孔边裂纹的反平面剪切问题,给出了Ⅲ型裂纹问题的应力强度因子的解析解.当椭圆的长、短半轴以及裂纹长度变化时,所得结果不仅可以还原为Griffith裂纹的情形,而且得到孔边裂纹问题、T型裂纹问题和半无限平面边界裂纹问题的应力强度因子的解析解.就声子场而言,这些解与经典弹性的结果完全一致.接着对椭圆孔边裂纹的动力学问题进行了研究,并得到了Ⅲ型动态应力强度因子的解析解.当裂纹速度V→0时,动力学解还原为静力学解.这些解在科学与工程断裂中有着潜在的应用价值.     

基于变权优化的结构损伤识别方法

许多结构损伤识别方法通常归结为一个基于模态参数匹配的优化问题,测试信息的非完整性及测试噪音的影响经常导致解的非唯一性、解的高散性这样一些问题.基于这类目标函数构造格式的可变性,本文提出了基于变权优化的结构损伤识别方法,对不同误差函数分量进行变权综合,采用渐变的权重系数依次重构优化问题的目标函数,以顺序更新的初值进行优化问题求解,通过随机初值方法和最优灵敏度方法分析不同权重系数下解的不确定性特征,以降低特定误差函数可能存在的初值依赖性并改进识别精度,数值模拟算例显示这种方法的有效性.     

刚体动力学的拟变分原理及其应用

为了适应航天事业发展的需要,极有必要开展多柔体系统的理论分析.作为应用非保守系统的拟变分原理进行多柔体动力学的理论分析的组成部分,研究了刚体动力学的拟变分原理及其应用:建立了刚体动力学的拟变分原理,推导出刚体动力学的拟变分原理的拟驻值条件; 建立了刚体动力学的广义拟变分原理,说明了应用广义拟变分原理求得问题的解析解和数值解的途径; 最后,借助算例说明了应用变分方法来研究刚体动力学问题的优越性.      

刚粘塑性强化体结构有限变形动力学问题的近似解

1.引言 由于弹塑性材料在高速变形条件下的一系列特殊性质,使得塑性动力学问题的数学模型变得非常复杂.在考虑了有限变形后,数学问题的处理将更加困难.故一般只能设法用近似方法求得数值解.只有在极少数特殊情况下才有希望得到封闭解或渐近解.     

寒区非圆形隧道冻胀力的解析解

利用复变函数相应理论引入一种求解考虑衬砌结构的季节性冻土地区非圆形隧道冻胀力和冻胀变形的方法.方法克服了隧道断面形状为非圆形状并且同时考虑非圆形隧道支护、冻胀圈、未冻围岩时,经典的复变函数理论不能直接应用求解非圆形隧道应力和位移的问题.方法通过将经典复变函数理论与连续性条件结合,导出了非圆形隧道衬砌-冻胀圈-未冻围岩系统在正交曲线坐标系ζ平面内的解析式,然后通过保角变换求得直角坐标系Z平面上考虑衬砌支护的寒区非圆形隧道冻胀力和冻胀变形.将推导的解析式应用于鹧鸪山隧道洞口段研究中,得到鹧鸪山隧道洞口段冻胀应力和冻胀位移解析解,并将解析解与数值解进行对比,验证解析解的正确性.由结果可知:围岩冻胀力对衬砌影响明显,在拱顶、拱脚、拱底处因冻胀造成的环向附加应力显著增大;在拱脚及两侧拱肩处会受到较大的法向附加应力;由于衬砌几何形状的原因,造成了衬砌冻胀变形的不均匀,进而造成冻胀力分布不均.应用复变函数理论将冻胀圈考虑为马蹄形、直墙拱形等非圆形状较以往将冻胀圈考虑为单一圆环的冻胀力研究更符合实际,较以往研究更能反映实际工况.研究结果为季节性冻土地区非圆形隧道冻胀力的弹塑性分析奠定了基础.     

寒区非圆形隧道冻胀力的解析解

利用复变函数相应理论引入一种求解考虑衬砌结构的季节性冻土地区非圆形隧道冻胀力和冻胀变形的方法. 方法克服了隧道断面形状为非圆形状并且同时考虑非圆形隧道支护、冻胀圈、未冻围岩时, 经典的复变函数理论不能直接应用求解非圆形隧道应力和位移的问题. 方法通过将经典复变函数理论与连续性条件结合, 导出了非圆形隧道衬砌-冻胀圈-未冻围岩系统在正交曲线坐标系$\zeta $平面内的解析式, 然后通过保角变换求得直角坐标系$Z$平面上考虑衬砌支护的寒区非圆形隧道冻胀力和冻胀变形. 将推导的解析式应用于鹧鸪山隧道洞口段研究中, 得到鹧鸪山隧道洞口段冻胀应力和冻胀位移解析解, 并将解析解与数值解进行对比,验证解析解的正确性. 由结果可知: 围岩冻胀力对衬砌影响明显, 在拱顶、拱脚、拱底处因冻胀造成的环向附加应力显著增大; 在拱脚及两侧拱肩处会受到较大的法向附加应力; 由于衬砌几何形状的原因, 造成了衬砌冻胀变形的不均匀, 进而造成冻胀力分布不均.应用复变函数理论将冻胀圈考虑为马蹄形、直墙拱形等非圆形状较以往将冻胀圈考虑为单一圆环的冻胀力研究更符合实际, 较以往研究更能反映实际工况. 研究结果为季节性冻土地区非圆形隧道冻胀力的弹塑性分析奠定了基础.      

按位移求解弹性力学平面问题的解析构造解研究

针对弹性力学平面问题偏微分方程组的位移法,引入多指数函数,提出了含未知参量的指数函数、三角函数和线性函数组合形式的位移函数解析构造解。建立了任意边界条件与未知参量之间所满足的非线性代数方程组,确定了边界节点条件和未知参量的数量关系。推导了具有对称位移边界的位移函数解析构造解。构建了位移函数构造解的精度判定方法。求解了具有对称位移边界条件的矩形板算例的位移解与误差分析。研究结果可为位移法理论和实际工程应用提供参考。     

基于三角网格的四阶Hermite型对流守恒格式

提出一种基于三角网格的求解双曲对流方程的高阶守恒型格式.该格式首先在每个三角单元上重构二元三次Hermite插值多项式,以当前时刻单元节点处解的函数值、一阶空间导数值和该单元的积分平均值为插值条件.然后,利用Semi-Lagrange方法得到单元节点处的下一时刻解的函数值及导数值,而下一时刻的解的单元积分平均值由有限体积方法得到.本文所提出的格式将原始CIP方法从结构网格推广到非结构网格上,使得CIP方法能灵活地用于处理复杂边界问题.该格式为显式紧致格式,计算简单且易于实现.数值实验表明,该格式对于光滑解问题能达到四阶空间精度,而对于非光滑解问题能准确地捕捉激波的位置,改进了原始CIP格式的不守恒性.     

一维正方准晶非周期平面弹性有限摩擦接触问题

利用平面弹性复变方法和解析函数边值理论,讨论了一维正方准晶材料非周期平面上的有限摩擦接触问题.基于一维正方准晶非周期平面内应力和位移分量的广义复变函数表示,有限摩擦接触问题被转换为Riemann-Hilbert边值问题.对于平底压头,得到了压头下方接触应力的显式表达式,并用数值算例分析了摩擦系数和声子场-相位子场耦合系数对压头下方接触应力分布的影响.结果表明:(1)摩擦系数对接触应力大小和分布规律的影响几乎可以忽略;(2)耦合系数对接触应力的分布规律无影响,对声子场接触应力值的影响微乎其微,对相位子场接触应力大小的影响比较明显.特殊条件下,本文所得结论可退化为一维四方准晶和一维六方准晶非周期平面内有限摩擦接触问题的解.当摩擦系数等于0时,还可以得到对应无摩擦接触问题的解.