STUDY OF PARAMETRIC VIBRATION OF GYROSCOPIC CONTINUA BASED ON NONLINEAR NORMAL MODES AND A NUMERICAL ITERATIVE APPROACH

以脉动流输流管为例,利用非线性模态技术和一种数值迭代法研究陀螺连续体的非线性参数振动响应问题. 通过谐波平衡法将系统非线性非自治控制方程转化为拟自治方程,并在状态空间上利用不变流形法构造系统的非线性模态. 以对应自治系统的解为初值,采用一种数值迭代法来求解拟自治控制方程的模态系数,结果证明了该迭代法的快速收敛性. 在频域分析中得到了幅频响应和相空间上的不变流形,而在时域复模态分析中则发现了参激陀螺系统的正交相位差和行波振动现象.     

A mixture differential quadrature method for solving two-dimensional incompressible Navier-Stokes equations

Ｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｑｕａｄｒａｔｕｒｅｍｅｔｈｏｄ（ＤＱＭ）ｐｒｏｐｏｓｅｄｂｙＲ．Ｂｅｌｌｍａｎ［１,２］ｈａｓｂｅｅｎｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｅｍｐｌｏｙｅｄｉｎｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｓｏｆｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄｐｈｙｓｉｃａｌｓｃｉｅｎｃｅ．ＢｅｃａｕｓｅｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｎａｌｌｇｒｉｄｐｏｉｎｔｓｉｓｕｓｅｄｔｏｆｉｔｔｈｅｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓａｔｇｒｉｄｐｏｉｎｔｓｉｎｔｈｅＤＱＭ,ｉｔｉｓｅｎｏｕｇｈｔｏｏｂｔａ…     

环壳弹性静力及自由振动问题的弱形式求积元分析

基于旋转薄壳理论, 采用求积元法, 建立了求积元法求解环壳问题的单元列式, 并对圆环壳、椭圆环壳的静力及自由振动问题进行了分析. 数值算例与精确解及有限元结果相对比, 证明了求积元法分析此类连续环壳问题的准确和高效性. 同时, 分析结果表明, 椭圆环壳长短轴的比值k对壳体的受力特性及求积元法的收敛率有显著的影响.     

压缩双裂纹和单裂纹圆孔板应力强度因子公式

从理论模型和数值分析上澄清了国外文献关于压缩双裂纹圆孔板(double cleavage drilled compression,DCDC) 的应力强度因子不同的公式引起的混淆. 证明Plaisted 等用修正压缩无限大板中圆孔双边裂纹的解和欧拉-伯努利梁理论得到的DCDC 应力强度因子公式都存在推导和原理性的失误. 指出Jenne 等推导的公式形式过于复杂不便使用, 而He 等的公式适用范围偏小. 通过拟合有限元法宽范围数值计算结果导出DCDC 的应力强度因子的新公式, 该公式形式简单, 对无量纲裂纹长度和无量纲板宽度适用范围较大, 最大误差是7%. 此外, 还对新提出的压缩单裂纹圆孔板(single cleavage drilled compression, SCDC)做了分析, 首次得到的SCDC应力强度因子公式的最大误差是5%. 给出的2 个公式可分别用于脆性材料DCDC 或SCDC 试样的断裂韧度测试.     

三维体内含垂直于双材料界面混合型裂纹的超奇异积分解法

利用双材料位移基本解和Somigliana公式,将三维体内含垂直于双材料界面混合型裂纹问题归结为求解一组超奇异积分方程。使用主部分析法,通过对裂纹前沿应力奇性的分析,得到用裂纹面位移间断表示的应力强度因子的计算公式,进而利用超奇异积分方程未知解的理论分析结果和有限部积分理论,给出了超奇异积分方程的数值求解方法。最后,对典型算例的应力强度因子做了计算,并讨论了应力强度因子数值结果的收敛性及其随各参数变化的规律。     

FREE VIBRATION OF A SIMPLY SUPPORTED BEAM UNDER A NON-CONSERVATIVE DISTRIBUTED LOAD

对受非保守载荷的简支梁在后屈曲附近的自由振动进行了研究. 基于可伸长梁的大变形理论,建立了受沿轴线分布切向非保守力作用的简支梁后屈曲附近自由振动的几何非线性模型. 在小振幅和谐振动假设下,简化得到后屈曲梁线性振动的控制方程. 采用打靶法求解振动问题的控制方程,给出了前三阶固有频率与载荷之间的特征关系曲线. 结果表明：非保守载荷作用下梁的振动响应与保守载荷作用下梁的振动响应有着明显不同.     

一种XFEM断裂分析的裂尖单元新型改进函数

提出了一种适用于裂尖改进单元的新型改进函数, 基于三角变换的方法, 保留裂纹尖端场的应力奇异性和裂纹上、下表面的位移不连续性, 将常规扩展有限元法裂尖改进单元的4 项改进函数缩减为2 项, 裂尖改进单元的结点由常规的8 个改进自由度减少为4 个. 采用2 个正交的水平集函数表征材料内部裂纹面, 详细阐述了改进单元类型的判别方法, 给出一种改进单元的分区域积分方案. 最后, 若干断裂力学问题经典算例的数值计算结果表明:建议的裂尖改进函数具有较高的数值精度, 该方法是十分有效的.     

改进型扩展比例边界有限元法

结合了扩展有限元法(extended finite elementmethods,XFEM)和比例边界有限元法(scaled boundary finite elementmethods,SBFEM)的主要优点,提出了一种改进型扩展比例边界有限元法(improvedextended scaled boundary finite elementmethods,$i$XSBFEM),为断裂问题模拟提供了一条新的途径.类似XFEM,采用两个正交的水平集函数表征材料内部裂纹面,并基于水平集函数判断单元切割类型;将被裂纹切割的单元作为SBFE的子域处理,采用SBFEM求解单元刚度矩阵,从而避免了XFEM中求解不连续单元刚度矩阵需要进一步进行单元子划分的缺陷;同时,借助XFEM的主要思想,将裂纹与单元边界交点的真实位移作为单元结点的附加自由度考虑,赋予了单元结点附加自由度明确的物理意义,可以直接根据位移求解结果得出裂纹与单元边界交点的位移;对于含有裂尖的单元,选取围绕裂尖单元一圈的若干层单元作为超级单元,并将此超级单元作为SBFE的一个子域求解刚度矩阵,超级单元内部的结点位移可通过SBFE的位移模式求解得到,应力强度因子可基于裂尖处的奇异位移(应力)直接获得,无需借助其他的数值方法.最后,通过若干数值算例验证了建议的$i$XSBFEM的有效性,相比于常规XFEM,$i$XSBFEM的基于位移范数的相对误差收敛性较好;采用$i$XSBFEM通过应力法和位移法直接计算得到的裂尖应力强度因子均与解析解吻合\较好.      

轴对称压—弯下圆板中圆脱层的后屈曲扩展

本文分析了周边承受轴对称压一弯载荷的圆板中薄圆脱层的后屈曲扩展.运用基于四阶龙格-库塔积分公式的打靶法得到无量纲形式Von Karman非线性方程组的单参数解族.利用与路径无关的M积分导出能量释放率表达式并给出相应的数值解.文中还探讨了分叉、跳跃及扩展的可能性.     

横观各向同性压电材料中裂纹问题的边界元法

采用Somigiliana公式给出了三维横观各向同性压电材料中的非渗漏裂纹问题的一般解和超奇异积分方程,其中未知函数为裂纹面上的位移间断和电势间断．在此基础上,使用有限部积分和边界元结合的方法,建立了超奇异积分方程的数值求解方法,并给出了一些典型数值算例的应力强度因子和电位移强度因子的数值结果,结果令人满意．     

CRACK INTERACTING WITH AN INDIVIDUAL INCLUSION BY THE FRACTURE CRITERION OF CONFIGURATIONAL FORCE

基于构型力概念提出一种可判断裂纹起裂以及裂纹扩展方向的新断裂准则.该准则假设当构型合力值达到一个临界值时裂纹开始扩展,而裂纹扩展的方向则为构型合力的矢量方向.基于此断裂准则,本文开发构型力的有限元计算方法,实现对裂纹扩展的数值模拟,并着重对工程中常见的含孔洞/夹杂结构的裂纹扩展问题展开研究.研究结果表明,基于构型力的裂纹扩展准则可以很好地预测裂纹与孔/夹杂的干涉作用,其数值模拟结果与实验结果相符,从而验证了该裂纹扩展模拟方法的有效性.通过对裂纹和夹杂（圆孔、软夹杂、硬夹杂）干涉问题的数值模拟表明,裂纹前端夹杂对裂纹的扩展具有重要影响.裂纹的扩展方向与裂纹和夹杂的相对位置、以及夹杂类型密切相关.软夹杂和圆孔会吸引裂纹向其扩展,而硬夹杂会排斥裂纹扩展,裂纹在扩展过程中会绕开硬夹杂.当裂纹与夹杂夹角较小时,夹杂对裂纹扩展的影响作用明显,当夹角较大时,夹杂对裂纹扩展的影响较小;特别当裂纹与夹杂夹角为45°时,软夹杂和圆孔可能会抑制裂纹的扩展,使裂纹扩展发生止裂.研究结果有助于认清含孔洞/夹杂结构中的裂纹扩展或止裂问题,对于工程中的断裂问题具有重要指导意义.     

FRICTION MECHANISMS OF OVERLAPPED SHEETS OF TWO BOOKS UNDER HORIZONTAL UNIAXIAL TENSION

将两本书以一页搭一页的方式联接在一起,然后向水平方向两侧拉伸,纸张间会产生机理复杂的摩擦力,摩擦力的总和可以使搭接结构的极限拉力达到很大.本文在不同搭接长度及不同搭接页数的条件下,对极限拉力进行了实测,得到了搭接长度与搭接页数对极限拉力的影响关系.对摩擦力产生机理进行了分析,给出了理论模型的公式,并通过MATLAB对相关系数进行了与实测数据的最小二乘法拟合,得到了半理论半经验的摩擦力计算公式.计算公式可以为这种特殊联接工艺的最大承载拉力计算提供参考.     

A NEW SPATIAL THIN-WALLED BEAM ELEMENT INCLUDING TRANSVERSE AND TORSIONAL SHEAR DEFORMATION

基于Timoshenko梁及Benscoter薄壁杆件理论,建立了考虑剪切变形、弯扭耦合以及翘曲剪应力影响的空间任意开闭口薄壁截面梁单元. 通过引入单元内部结点,对弯曲转角和翘曲角采用三节点Lagrange独立插值的方法,考虑了剪切变形和翘曲剪应力的影响并避免了横向剪切锁死问题;借助载荷作用下薄壁梁的截面运动分析,在位移和应变方程中考虑了弯扭耦合的影响. 通过数值算例将该单元的计算结果与理论解以及商用有限元软件和其他文献中的数值解进行对比和验证,结果对比表明该薄壁梁单元具有良好的精度和收敛性.     

Creep crack-tip constraint effect in high temperature structures

如何对蠕变裂纹扩展寿命进行准确预测和评价是高温结构完整性评定、寿命设计和运行维护中需要解决的核心问题.基于宏观单参数C^*的蠕变断裂行为的评价方法,未有效纳入裂尖拘束效应的影响,因而其评价结果过于保守或非保守.目前国内外还未建立起有效纳入裂尖拘束效应的高温结构蠕变寿命评价的理论体系和技术方法,还没有纳入蠕变拘束效应的高温结构完整性评定规范.本文综述了作者近年来在高温蠕变断裂拘束效应方面的研究工作.主要包括：裂尖拘束对材料蠕变裂纹扩展行为的影响及机理;蠕变裂尖场和拘束参数R的定义和影响因素;载荷无关的蠕变拘束参数R^*的提出及其应用基础;承压管道表面裂纹的拘束参数R^*解及纳入裂尖拘束的蠕变寿命评价方法;试样与管道轴向裂纹蠕变裂尖拘束的关联;基于裂尖等效蠕变应变的面内与面外蠕变裂尖拘束的统一表征参数A_c的研究;材料拘束相关的蠕变裂纹扩展速率的建立;宽范围C^*区蠕变裂纹扩展速率及其拘束效应的数值预测;材料拘束对焊接接头蠕变裂纹扩展行为的影响及机理等.这些研究为建立纳入裂尖拘束效应的高温部件的蠕变裂纹扩展寿命评价方法奠定了理论和技术基础.论文对后续拟开展的工作也进行了展望.     

非齐次边界条件下轴向运动梁的非线性振动

轴向运动系统的横向非线性振动一直是国内外研究的热点课题之一.目前相关研究大都是针对齐次边界条件的.但是在工程实际中,非齐次边界条件更为常见,而针对非齐次边界条件的研究相对较少.为深入研究非齐次边界条件对轴向运动系统横向非线性振动的影响,本文以轴向变速运动黏弹性Euler梁为例,引入由黏弹性引起的非齐次边界条件,同时还引入由轴向加速度引起的径向变化张力,建立梁横向振动的积分-偏微分型运动方程,并导出了相应的非齐次边界条件.采用直接多尺度法分析了梁的次谐波参数共振.由可解性条件得到了梁的稳态响应,并根据Routh-Hurvitz判据确定了系统稳态响应的稳定性.通过数值例子讨论了黏弹性系数,轴向运动速度,轴向速度脉动幅值和非线性系数对幅频响应的影响,并详细对比分析了非齐次边界条件和齐次边界条件对幅频响应的影响.结果表明:随着黏弹性系数的增大,非齐次边界条件下的零解失稳区域和稳态响应幅值比齐次边界条件下的失稳区域和幅值大,非齐次边界条件对高阶次谐波参数共振的影响更加显著.最后,引入微分求积法来验证直接多尺度法的近似解结果.      

垂直磁压电材料界面三维裂纹的超奇异积分法

应用有限部积分概念和广义位移基本解，垂直于磁压电双材料界面三维复合型裂纹问题被转 化为求解一组以裂纹表面广义位移间断为未知函数的超奇异积分方程问题. 进而，通过主部 分析法精确地求得裂纹尖端光滑点附近的奇性应力场解析表达式. 然后，通过将裂纹表面 位移间断未知函数表达为位移间断基本密度函数与多项式之积，使用有限部积分法对超奇异 积分方程组建立了数值方法. 最后，通过典型算例计算，讨论了广义应力强度因子的变化规 律.     

A numerical approach for a crack problem by Gauss–Chebyshev quadrature

In this paper, a problem of a crack in an orthotropic strip is studied under plane strain conditions. It is assumed that normal displacements and shear stresses do not act on neither of the boundaries of the strip. Cauchy-type singular integral equation for the crack problem is derived by using the theory of plane elasticity and the Fourier transformation technique. A quadrature collocation approach is adopted for the numerical solutions of the singular integral equation. The effect of relative thickness and mechanical properties of strip on Mode I stress intensity factors (SIFs) are examined under different loading conditions. Some sample results are given for SIFs; also, material orthotropy and geometrical effects are discussed in detail.     

GAS-KINETIC UNIFIED ALGORITHM FOR BOLTZMANN MODEL EQUATION IN ROTATIONAL NONEQUILIBRIUM AND ITS APPLICATION TO THE WHOLE RANGE FLOW REGIMES

基于过去开展稀薄自由分子流到连续流气体运动论统一算法框架,采用转动惯量描述气体分子自旋运动,确立含转动非平衡效应各流域统一玻尔兹曼模型方程.基于转动能量对分布函数守恒积分,得到计及转动非平衡效应气体分子速度分布函数方程组,使用离散速度坐标法对分布函数方程所依赖速度空间离散降维;应用拓展计算流体力学有限差分方法,构造直接求解分子速度分布函数的气体动理论数值格式;基于物面质量流量通量守恒与能量平衡关系,发展计及转动非平衡气体动理论边界条件数学模型及数值处理方法,提出模拟各流域转动非平衡效应玻尔兹曼模型方程统一算法.通过高、低不同马赫数1：5～25氮气激波结构与自由分子流到连续流全飞行流域不同克努森数（9×10^-4～10）Ramp制动器、圆球、尖双锥飞行器、飞船返回舱外形体再入跨流域绕流模拟研究,将计算结果与有关实验数据、稀薄流DSMC模拟值等结果对比分析,验证统一算法模拟自由分子流到连续流再入过程高超声速绕流问题的可靠性与精度.     

An analytically-numerical approach for the analysis of an interface crack with a contact zone in a piezoelectric bimaterial compound

An interface crack with an artificial contact zone at the right-hand side crack tip between two dissimilar finite-sized piezoelectric materials is considered under remote mixed-mode loading. To find the singular electromechanical field at the crack tip, an asymptotic solution is derived in connection with the conventional finite element method. For mechanical loads, the stress intensity factors at the singular points are obtained. As a particular case of this solution, the contact zone model (in Comninou’s sense) is derived. A simple transcendental equation and an asymptotic formula for the determination of the real contact zone length are derived. The dependencies of the contact zone lengths on external load coefficients are illustrated in graphical form. For a particular case of a short crack with respect to the dimensions of the bimaterial compound, the numerical results are compared to the exact analytical solutions, obtained for a piezoelectric bimaterial plane with an interface crack.     

THE PERFORATION PARAMETER OPTIMIZATION FOR MULTI FRACTURE INITIATION IN HYDRAULIC FRACTURING

针对复杂地质近井筒多裂缝起裂的难题, 结合岩体力学与损伤力学相关理论, 建立了近井筒地层流固——损伤力学模型, 采用数值求解获得了射孔壁面的应力及损伤状态, 计算表明:初始地应力最小值越小, 地层的起裂压力越低;射孔方位角越小, 起裂压力越低. 随着射孔方位角增大, 近井筒微裂缝为45° 夹角的拐折裂缝, 起裂压力增大, 基于此, 对于正断层及顺滑断层地应力类型, 取射孔方位角小于30°, 螺旋射孔夹角30°或45°, 对于逆断层地应力类型, 螺旋射孔夹角取45°, 可有效地实现多裂缝起裂.