不可压饱和粘弹性多孔介质固结问题的Gurtin型变分原理

基于多孔介质理论,在固相骨架和孔隙流体微观不可压,固相骨架小变形且满足线性粘弹性积分型本构关系的假定下,利用卷积积分的性质,本文首先建立了以固相骨架位移、孔隙流体相对速度和孔隙流体压力为宗量的流体饱和粘弹性多孔介质固结问题的一个Gurtin型变分原理.其次,利用Lagrange乘子法解除相关的变分约束条件,建立了流体饱和粘弹性多孔介质固结问题的若干广义Gurtin型变分原理,包括第三类的Hu-Washizu型变分原理.最后,简单讨论了等价初边值问题的相应变分原理.这些Gurtin型变分原理的建立不仅丰富了饱和粘弹性多孔介质的相关理论,而且为相关数值模拟方法,如有限元法、无网格法等的建立奠定了理论基础.     

一维流体饱和粘弹性多孔介质层的动力响应

本文研究了不可压流体饱和粘弹性多孔介质层的一维动力响应问题。基于粘弹性理论和多孔介质理论，在流相和固相微观不可压、固相骨架服从粘弹性积分型本构关系和小变形的假定下，建立了不可压流体饱和粘弹性多孔介质层一维动力响应的数学模型，利用Laplace变换，求得了原初边值问题在变换空间中的解析解，并利用Laplace逆变换的Crump数值反演方法，得到原动力响应问题的数值解。数值研究了饱和标准线性粘弹性多孔介质层的动力响应，分析了固相位移、渗流速度、孔隙压力及固相有效应力等的响应特征。结果表明，与不可压流体饱和弹性多孔介质相同，不可压流体饱和粘弹性多孔介质中亦只存在一个纵波，并且固相骨架的粘性对动力行为有显著的影响。     

不可压流体饱和多孔弹性梁的变分原理及有限元方法

基于不可压饱和多孔弹性梁动力弯曲的数学模型,建立了以多孔弹性梁挠度和孔隙流体压力等效力偶为宗量的Gurtin型变分原理,并给出了特殊边界条件下解耦时的仅以挠度为宗量的变分原理.同时,作为动力响应的退化情形,讨论了拟静态情形下的相应变分原理.根据所建立的变分原理,导出了一个有限元离散公式.由于Gurtin型变分原理是关于时间的卷积型的泛函,空间的有限元离散导致一个关于时间的对称微分一积分方程组,此方程组可进一步转化为常微分方程组.利用隐式Euler法,给出了时间区域的计算格式.作为一个数值例子,分析了饱和多孔弹性悬臂梁在自由端简谐载荷作用下的动力响应,分析了流相与固相相互作用对饱和多孔弹性悬臂梁动力响应的影响.     

流体饱和多孔介质的动力学Gurtin型变分原理和有限元模拟

基于多孔介质理论。在两相不可压和小变形的假设下，建立了流体饱和弹性多孔介质的动力学Gurtin型变分原理，并导出了以此变分原理为基础的有限元离散公式，由于Gurtin型变分原理是卷积型的空间积分泛函，空间的有限元离散导致一个关于时间的对称微分—积分方程组，在一般条件下。该积分—微分方程组可转化为对称的微分方程组，这组方程有别于标准Galerkin有限元的非对称离散方程组，作为数值例子，分析了流体饱和弹性多孔介质中一维纵向波的传播和反射，其结果进一步揭示了饱和多孔介质中波的传播特性。     

流体饱和标准线性粘弹性多孔介质中的平面波

研究了流体饱和不可压标准线性粘弹性多孔介质中平面波的传播和反射问题．在固相骨架小变形的假定下,得到了粘弹性多孔介质中波动方程的一般解,讨论了弥散关系和波的衰减特性．结果表明：在流体饱和不可压粘弹性多孔介质中,仅存在一个耦合纵波和一个耦合横波,纵波和横波的波速、衰减率等取决于孔隙流体与固相骨架间的相互作用以及固相骨架本身的粘性．同时,研究了半空间自由边界上入射波(纵波、横波)的反射问题。得到了非均匀反射波的波速、反射系数、衰减率等的表达式及其相关的数值结果．     

不可压饱和多孔弹性简支梁的动力响应

在杆件弯曲小变形的假定下,考虑杆件的侧向变形因素,根据多孔介质理论,本文首先建立了不可压饱和多孔弹性梁弯曲变形时动力响应的控制方程。其次,基于所建立的控制微分方程,利用变量分离法,研究了两端可渗透的饱和多孔弹性简支梁在梁中间集中载荷作用下的动力响应,得到了不同物性参数下简支梁动态弯曲时挠度和孔隙流体压力等效力偶等随时间的响应曲线。研究发现由于孔隙流体和固相骨架的相互作用,不可压饱和多孔弹性梁挠度的动力响应具有粘性特征,同时,随着时间的增加,饱和多孔弹性梁的挠度、弯矩等最终趋于经典弹性梁的静挠度、弯矩,此时,孔隙流体压力为零,梁的固相骨架承担所有的外载荷。     

流体饱和多孔弹性柱体动力响应的微分求积法

基于多孔介质混合物理论,在小变形的假设下,建立了两相不可压流体饱和多孔介质弹性空间轴对称问题的控制方程。在空间域和时间域内分别采用微分求积方法和二阶向后差分格式来离散控制方程,给出了处理对称轴处奇异性条件的方法,并在空间离散后采用消元法来缩减未知量,提高计算速度。作为应用,分析了流体饱和弹性多孔介质圆柱体的动力响应,考察了所布节点数对数值结果的影响。     

饱和不可压正交各向异性多孔弹性板的动力弯曲分析

基于多孔介质理论,在Kirchhoff直法线假定以及小变形和线性本构关系前提下,建立了饱和不可压正交各向异性多孔弹性板的线性动力分析模型.针对流体的面内扩散问题,在忽略面内惯性项的影响下,进一步简化了分析模型,给出了相应的基本控制方程以及初始和边界条件的一般描述.根据所建立的模型,采用Fourier级数展开法研究了四边简支透水正交各向异性矩形多孔弹性板在冲击载荷作用下的拟静态和动力弯曲响应,数值分析了不同参数下孔隙流体压力等效弯矩、固相有效应力等效弯矩以及挠度的变化规律和动力特征.研究表明在外载荷作用初始阶段,孔隙流体对板弯曲变形的影响不可忽视.     

直角坐标下横观各向同性饱和半空间体动力响应问题的解析解

基于双重Fourier变换技术，成功求解了直角坐标系下，横观各向同性弹性饱和多孔介质的三维Biot动力方程，得到了以固体骨架位移分量和孔隙流体压力为基本未知量的积分形式一般解．进而，用一般解给出了饱和介质的总应力分量表达式。在此基础上，研究了在任意分布的表面竖向和水平谐振力作用下，横观各向同性饱和半空间体的动力响应问题。数值结果表明，采用各向同性饱和介质的动力学模型，不能准确描述具有明显各向异性特性的饱和土地基的动力性能。     

饱和黏弹性多孔介质中的平面波及能量耗散

研究了流体饱和不可压黏弹性多孔介质中的非均匀平面波及其能量流和能量耗散规律. 在流 相和固相物质微观不可压、固相骨架宏观服从积分型本构关系和小变形的假定下，利用 Helmholtz分解，得到了饱和黏弹性多孔介质中非均匀平面波的一般解以及纵波、横波相速 度和衰减率等的解析表达式，分析了平面波传播矢量和衰减矢量之间的关系. 数值结果表明 孔隙流体与固相骨架间的相互作用以及固相骨架的黏性对波的相速度、衰减率等有着显著的 影响. 同时，得到了饱和黏弹性多孔介质的能量方程，给出了能量流矢量和能量耗散率. 对 非均匀平面纵波和横波，推导了平均能量流矢量和平均能量耗散率的解析表达式.     

GURTIN VARIATIONAL PRINCIPLE AND FINITE ELEMENT SIMULATION FOR DYNAMICAL PROBLEMS OF FLUID-SATURATED POROUS MEDIA

Based on the theory of porous media,a general Gurtin variational principle for theinitial boundary value problem of dynamical response of fluid-saturated elastic porous media isdeveloped by assuming infinitesimal deformation and incompressible constituents of the solid andfluid phase.The finite element formulation based on this variational principle is also derived.Asthe functional of the variational principle is a spatial integral of the convolution formulation,thegeneral finite element discretization in space results in symmetrical differential-integral equationsin the time domain.In some situations,the differential-integral equations can be reduced to sym-metrical differential equations and,as a numerical example,it is employed to analyze the reflectionof one-dimensional longitudinal wave in a fluid-saturated porous solid.The numerical results canprovide further understanding of the wave propagation in porous media.     

DQM for dynamic response of fluid-saturated visco-elastic porous media

Based on the Porous Media Theory (PMT), a mathematical model of space-axisymmetrical problems for incompressible fluid-saturated visco-elastic porous media is presented in the case of small deformation, in which the differential-type constitutive relation is applied to describe the mechanical characteristics of solid skeleton. The differential quadrature method (DQM) and the second-order backward difference scheme are used to discretize the governing equations on the spatial and temporal domains, respectively, and a method is proposed to deal with the singularity conditions at points located on the symmetry axis. As application, the dynamic behavior of a column of fluid-saturated elastic porous media is analyzed firstly. The obtained results are compared with the analytical results in the existing literature, they are comparatively accordant, which means that the model and method presented in this paper are correct, and the obtained results are reliable. Further, the dynamic response of a space-axisymmetrical body of fluid-saturated visco-elastic porous media is analyzed, in which the material characteristic of the solid skeleton is described by Burgers model with four parameters.     

具有广义力场损伤粘弹性梁-柱的广义变分原理及应用

本文从考虑损伤的粘弹性材料的卷积型本构关系出发,建立了在小变形下损伤粘弹性梁-柱的控制方程。提出了以卷积形式表示的梁-柱弯曲问题的泛函,并给出了损伤粘弹性梁-柱的广义变分原理。应用这个广义变分原理,可分别给出梁-柱位移和损伤满足的基本方程,以及相应的初始条件和边界条件。应用Galerkin截断和非线性动力学的数值分析方法,分析了两端简支损伤粘弹性梁柱的动力学行为,给出了不同的材料参数对系统响应的影响。     

流体饱和多孔介质动力问题的显式时域解法

为了简化分析,Zienkiewicz等基于Biot理论,在忽略流体相对于土骨架运动的加速度条件下,建立了以土骨架位移u和孔隙流体压力p为基本变量的u-p格式饱和两相介质动力方程。针对该u-p方程,在空间上,采用伽辽金法有限元离散,并结合对角化形式的质量矩阵和流体压缩矩阵,忽略相邻结点间的惯性和流体压缩量间的耦合作用。在时域内,基于杜修力等提出的显式算法和Euler预估-校正法,建立了一种具有二阶精度的全显式时域积分法。采用一维饱和土模型,对比提出算法的数值解与Simon方法的解析解,发现两者吻合良好,验证了本文方法的正确性。并分析了饱和土二维动力问题,以及渗透系数和排水条件对饱和土动力响应的影响。     

Gradient-dependent plasticity model and dynamic strain localisation analysis of saturated and partially saturated porous media: one dimensional model

Dynamic strain localisation in saturated and partially saturated porous media is investigated with a one-dimensional model in this paper. The porous medium is treated as a multiphase continuum, with the pores filled by water and air, this last one at atmospheric pressure. A gradient-dependent plasticity model is introduced to describe the plastic behaviour of the solid skeleton. Material instability due to the softening behaviour of the solid skeleton and the well-posedness of the initial value problem are studied. The advantages of the enhanced model are that the governing equations remain hyperbolic even in the softening regime and convergent solutions with mesh refinements are obtained. Moreover, the influence of permeability in the seepage process for the development of the localised zones is discussed. We find that the permeability plays an important part in the compressive wave propagation, but not in the shear wave cases. For numerical implementation of the present method, a parametric variational principle is introduced by which the original problem is reduced to a standard linear complementary problem in mathematical programming. The results of a one dimensional example are given to illustrate the efficiency of the techniques presented here.     

饱和土地基在简谐荷载作用下的解析分析

基于多孔介质混合物理论,用解析的方法研究了不可压饱和土地基受到简谐荷载作用下的动力响应问题。利用Fourier积分变换求解耦合方程组,得到了二维饱和土介质在简谐荷载作用下的通解。针对表面透水的具有下卧基岩的饱和土层以及半无限饱和土地基的边界条件,获得了固体骨架位移、孔隙流体位移、固体骨架有效应力以及孔隙流体压力的积分形式解答,并通过数值算例分析了饱和土地基在简谐荷载作用下的响应。