饱和颗粒土-维冰分凝模型及数值模拟

基于相平衡和力甲衡提出了一个关于饱和颗粒土的冰分凝模型，引入了冰分凝时未冻水迁移的驱动势，基于Clapeyron方程和吸附膜的观点简要叙述了相变区内未冻水含量与温度及孔隙水压的关系，数值模拟了饱和颗粒士的一维冻结过程，得到了冰分层分凝的计算结果，与已有实验所观测到的现象较为吻合，计算所得的冻胀量的变化趋势与已有实验所测结果是相符的．     

梯度饱和土瞬态响应分析

基于Biot多孔介质理论,建立了饱和土体在动载荷作用下的一维回传射线矩阵法的计算列式,其中考虑了土体的非均匀性、惯性、黏滞以及固体颗粒和流体的可压缩性.利用计算结果与已有结果相比较,二者相吻合,验证了算法的正确性.作为数值算例,考虑饱和土的物理力学性质沿深度方向按幂函数连续变化,利用数值Laplace逆变换求解了在冲击性载荷作用下的位移,应力和孔隙压力等物理量的瞬态响应,重点分析讨论了材料非均匀性对饱和土介质动力特性的影响.      

一种三维饱和土-基础-结构动力相互作用分析方法

地震波入射时土与结构动力相互作用分析是地震工程领域的重要问题.由于问题的复杂性,以往的研究大多考虑地基土为干土情形.而实际工程中,土体中经常充满孔隙水,土层往往是含水层或部分含水层.孔隙水对土层的地震反应影响较大,进而影响支撑于其上的基础和上部结构的响应.因此,有必要考虑饱和土-基础-结构动力相互作用问题.基于此,土体采用Biot模型,利用集中质量显式有限元方法并结合多次透射人工边界进行模拟;结构经有限元离散后,采用Newmark隐式时步积分方法进行分析,可通过ANSYS等有限元软件实现;基础假定为刚性,采用显式时步积分进行求解;土体和结构(及基础)可分别采用不同的时间步距;通过FORTRAN程序实现了三维饱和土-基础-结构系统在地震作用下的整体分析.从饱和多孔介质动力微分方程出发可知,干土是饱和土的特殊情形,通过将流体体积模量及孔隙率置为零,可将饱和土退化到干土,从而将干土统一到饱和土的计算框架中,通过土-结构相互作用算例对此进行了验证,进一步实现了干土与饱和土混合情形时的土-结构动力相互作用分析,使得问题的模拟更贴近实际工程(如考虑地下水位情形).通过算例对比了饱和土地基、干土地基、干土覆盖饱和土地基(考虑地下水位)情形时,土-结构相互作用对基础和结构响应的影响,结果表明地下水位对基础和结构响应的影响较大.     

三相介质饱和土自由场中爆炸波的传播规律

饱和土是由固体上颗粒、水和少量封闭的空气组成的三相介质。介绍了爆炸波作用下三相介质饱和土有限元基本方程的建立过程，推导了引进人工粘性项的动力有限元方程，得到在饱和土自由场中爆炸波的传播规律；不同空气含量饱和土中爆炸波随深度的衰减规律。文中还给出了有限元与有限差分间断分解结果的比较，以说明本文理论方法的有效性。     

有限厚度砂床对波浪载荷的响应

本文采用水-土两相介质混合物的连续介质力学理论分析了有限厚度砂床对波浪载荷的响应。土床看作饱和孔隙弹性介质,用Biot理论来描述流动和变形的耦合效应,波浪用线性水波描述。在上述假设下得到了描述土床对波浪载荷响应的基本方程。用解沂-数值方法给出了土床中位移、应力和孔隙水压力的分布并将理沦计算结果与波浪-砂床模型试验的实验资料进行了比较。文章还对影响土床对波浪响应的参量特性进行了分析和讨论。根据参量研究、理论计算与实验资料比较的结果,可以得出结论:本文所提供的理论模型和计算方法能用来估算海床对波浪载荷的影响。     

非饱和土-隧道系统动力响应计算的波函数法

针对非饱和地基土中埋置隧道的三维动力响应计算问题, 提出了波函数法.采用无限长的Flügge薄壁圆柱壳模拟圆形隧道衬砌,采用流、固、气组成的三相介质模拟非饱和地基土体.分别采用分离变量法以及Helmholtz矢量分解定理求解薄壁圆柱壳的振动控制方程与非饱和土的波动方程.根据隧-土交界面与地表面处的应力、位移以及孔隙流体压力等边界条件,利用平面波与柱面波的转换性质,实现了隧道内作用单位简谐载荷时隧道衬砌与土体系统动力响应的耦合求解.通过与既有单相弹性介质2.5维有限元-边界元法、两相饱和多孔介质2.5维有限元-边界元法以及三相非饱和介质Pip in Pip半解析法的计算结果进行对比, 验证了本文计算方法的可靠性. 最后,基于该方法, 通过算例分析了不同饱和度下非饱和土-隧道系统的动力响应特征.结果表明, 饱和度对土体动位移与超孔隙水压力的幅值响应有较大影响.该方法的非饱和地基土参数退化后,也可用来计算和分析饱和地基土或单相弹性地基土与隧道系统的动力响应.      

正常固结饱和黏性土三剪有限变形弹塑性本构模型研究

基于三剪统一强度准则,利用等量代换法和坐标平移法分别推导出正常固结饱和黏性土的三剪破坏应力比,并将其与修正剑桥模型相结合,得到三剪统一屈服面方程。为反映饱和黏性土的变形非线性及大变形特性,基于有限变形理论,建立了正常固结饱和黏性土的三剪统一有限变形等量代换法和坐标平移法2种弹塑性本构模型。为验证模型的适用性,取江西红黏土制备三种不同压实度的试样,在不同围压下进行常规三轴固结不排水和固结排水压缩试验。将试验数据与本文所提2种有限变形模型及相应的2种小变形模型计算结果进行了对比分析,结果表明,随着变形的发展,有限变形模型相对于小变形模型更接近试验结果,能较好地反映黏性土因高孔隙率（低初始压实度、小围压及压缩变形前期）而产生的大变形特性,虽然小变形模型的计算偏差会随着土样初始压实度和所施加围压的增大而减小,但有限变形模型对不同压实度和围压的计算偏差均相对较小,其中,等量代换法有限变形模型在初始压实度较大或者围压较高时所得计算偏差相对最小。对所提本构模型所做真三轴分析表明,中间主应力影响系数b和初始压实度对土体的强度和变形特性具有一定的影响。主应力差、孔隙水压力和体应变与b值呈正相关性,主应力差与初始压实度呈正相关性,孔隙水压力和体应变与初始压实度呈负相关性。     

基于文克勒模型的饱和土中单桩对瑞利波动力响应研究

基于Boit饱和多孔介质理论,采用文克勒地基梁模型,研究了表面透水的饱和土介质中顶部固接的桩对瑞利波的横向响应。分别计算了软土和硬土两种情况下不同深度桩的响应、饱和土的孔隙率对桩响应的影响、土介质相对刚度对桩响应的影响、fc-z空间桩响应的分布、桩顶约束条件的影响,并与桩顶自由的结果进行了比较。结果表明,饱和土介质中桩对瑞利波的横向响应受波的频率、土介质性质、桩土刚度比、桩顶约束条件等因素的影响。整体来看,瑞利波对桩的横向影响自上而下大致呈衰减趋势,在地表处影响最大;瑞利波对桩的影响深度随频率的降低而扩大;桩、土之间的水平相对位移幅度与土的孔隙率、相对刚度比均呈正相关关系;同频率下,相对软土地基来说硬土地基中桩受瑞利波的影响较深;顶部固接比顶部自由的桩对瑞利波的响应小。计算结果对工程抗震设计具有参考价值。     

考虑刀盘影响的饱和土盾构对地层干扰分析

为深入研究盾构施工过程中饱和土所受扰动问题，在已有研究的基础上，使用Biot固结方程变换求解得出的土体初始位移解和超孔隙水压力解，经坐标变换，推导了包括面板式刀盘与辐条式刀盘在内的，刀盘正面摩擦力和刀盘侧面摩擦力引起饱和土体竖向变形与孔隙水压力值解析式，对引起土体变形各因素进行模拟，并给出了盾构施工引起饱和土竖向总变形与总超静孔隙水压力的表达式。结合工程算例进行计算模拟，切口附加推力、盾壳摩擦力、土体损失的沉降曲线在垂直于盾构推进方向上对称分布，最大值集中在盾构轴线正上方。盾构刀盘正面与侧面摩擦力对地表盾构轴线两侧产生非对称变形，在盾构轴线正上方的地表处刀盘因素对地表变形基本无影响。两类刀盘对地表变形影响区别不大，辐条式刀盘在刀盘所处断面处引起隧道周围孔隙水压力的响应较为明显，沿盾构方向衰减也较快。     

粗粒土离散元非球趋真颗粒模型

颗粒形状对粗粒土的物理力学特性有着显著的影响。离散元法广泛应用于粗粒土宏观物理力学特性的细观机理研究。为了考虑颗粒形状的影响,亟待发展计算高效的离散元非球趋真颗粒模型。本文基于X射线CT扫描技术并结合数字图像处理技术,对光滑和棱角性两类典型粗粒土(鹅卵石与碎石)进行三维重构,并提出了两类趋真颗粒模型,分别采用扩展超椭球模型和球多面体模型进行趋真逼近;开展了两类颗粒试样的3D打印和单轴压缩试验,分析了配位数和局部孔隙率分布等细观特性;基于离散元开源程序SudoDEM开展了两类试样的离散元模拟,并将模拟细观分析结果与物理试验进行了对比。结果表明,提出的两类趋真颗粒模型能够较好地对粗粒土颗粒进行离散元建模。     

金属剪切过程力学研究进展

本文综述了剪切加工过程中力学研究的发展概况.介绍了理论分析、数值计算和实验研究方面的进展.阐述了剪切塑性加工过程中急需开展的研究工作.     

黄河李家峡典型岩坡变形破坏的水效应研究

黄河上游李家峡段高陡岩坡变形破坏受多种因素控制, 其中水的影响十分明显, 主要包括水的静态效应和动态效应两方面。本文从地下水的软化作用、库岸水压力或静水压力、孔隙水压力, 以及河流冲蚀、边岸再造、降雨引起的动水压力作用和水库泄水引起的动水压力作用等方面, 结合数值模拟手段分别研究了它们对岩坡变形破坏的影响程度和方式。     

漂浮载体上机械臂的工作空间

本文讨论载于航天器的机械臂的工作空间问题，导出机械臂位形计算的普遍公式。对不同载体控制方案的机械臂工作空间进行分析和对比，并提出了为扩大工作空间的机械设计原则，最后讨论了负载对工作空间的影响。     

曲面曲率对Rayleigh波传播特性的影响

对任意形状的均匀各向同性线弹性曲面物体,用 WKB～（1）方法求解了沿曲面传播的Rayleigh表面波的运动微分方程,同时考虑了波传播方向及其垂直方向曲面曲率对波的穿透性的影, 所获波动方程的势函数解答表明,在一般情况下垂直波传播方向的曲面曲率对波的穿透深度的影响是不容忽视的.进而以同种介质平面表面情况下的Rayleigh面波的传播特性为基准,给出了曲面曲率引起波数或波速变化的解析表达式.通过理论分析和数值算例,描述了曲面上Rayleigh面波传播行为的一些基本特征.     

地基沉降计算新方法的探索

目前地基沉降理论计算方法基本上把沉降分段计算,事实上,主、次固结沉降是同时发生的。本文在实践基础上提出用静力触探法和瞬态R波法进行地基沉降计算,通过理论推导并与实测资料进行对比,论证了这两种方法都是快捷有效且具有发展前途的方法。     

基于近场动力学数值方法的冰-吊舱推进器接触判断研究

吊舱推进器在极地船舶中的应用, 可避免冰区航行中转向、调头困难等操纵问题, 是极地船舶广泛采用的推进形式. 在冰-吊舱推进器切削过程中, 吊舱推进器受到了极端冰载荷的作用, 对吊舱推进器结构强度和极地船舶的安全性带来严重的危害. 为了研究不同操纵状态的吊舱推进器与冰切削时冰载荷的变化规律, 首先, 详细介绍了近场动力学方法研究物体断裂问题的理论基础, 分析该方法模拟冰材料的可行性. 基于近场动力学方法和面元法耦合推导了适用于冰破碎问题模拟的材料破坏准则和冰载荷计算方法. 其次, 提出了不同操纵状态的吊舱推进器与冰的接触判断方法, 建立了冰-吊舱推进器切削状态的数值计算模型, 实现了冰-吊舱推进器切削动态变化过程的数值仿真. 最后, 分析了吊舱推进器在直航、斜航以及操舵状态与冰切削时冰块破碎、螺旋桨和桨叶冰载荷以及吊舱单元整体扭矩的变化情况. 计算结果表明: 本文提出的不同操纵状态的吊舱推进器与冰切削时的接触判断方法能够真实地模拟冰-吊舱推进器的切削过程, 并能获得该过程中冰块的破坏现象和冰载荷变化特性, 可为冰区海洋结构冰载荷数值预报技术的发展、冰区吊舱推进器结构的优化设计和运营提供指导.      

蒸汽参数对管路系统动力特性的影响研究

考虑压力及流速等流体参数对管路弯曲运动的影响,改进了输流直管与弯管结构12方程模型,并利用算例进行了验证。基于此模型,应用传递矩阵方法进行复杂系统的动力学研究简便可行,与有限元等求解方法相比具有较大的优越性。论文通过多种压力或流速的计算对比,研究了蒸汽参数对于蒸汽管路系统固有特性的影响,发现蒸汽压力对于管路系统固有频率的影响程度主要与管截面参数有关,而流速的影响相对不大,论文结论对于工程实践具有一定的参考价值。     

ON THE CULTIVATION OF UNDERGRADUATE STUDENTS MAJORING MECHANICS BASED ON THE IDEA OF UNIVERSITY

21世纪信息技术、微纳米技术和生物技术等新兴领域的高速发展给力学专业的人才培养带来了机遇与挑战。本文简单介绍了高等教育的基本理念与发展及其在中国的演变。通过分析现阶段社会发展的需求和力学发展的趋势,阐述了力学本科的培养目标应该是具有宽广的人文素养和深厚的专业知识的创新型人才。本文结合上海大学二十余年来理论与应用力学本科人才培养的实际情况,对实现这一目标提出了几点参考建议。     

双模态振幅调制原子力显微术对比度反转研究

双模态振幅调制原子力显微术广泛应用于微纳米力学成像,然而成像过程中可能存在的对比度反转问题会造成成像结果的难以理解和解释。将有限差分法和同相正交法相结合,采用数值方法研究了不同力常数探针、样品组分力学性能以及成像参数设置对双模态振幅调制原子力显微术二阶模态振幅和相位对比度反转的影响。研究结果显示,对于硬探针,不同粘度系数组分上二阶模态振幅和相位对比度随弹性模量增加无反转产生。探针在不同弹性模量组分上二阶模态振幅对比度随粘度系数增加会产生反转,而二阶模态相位对比度则无反转产生。对于软探针,组分弹性模量或粘度系数增加会造成相互作用区转变,使探针响应产生跳变。软探针在组分弹性模量较高时二阶模态相位对不同粘度系数的对比度以及在粘度系数较小时对不同弹性模量组分的对比度均较硬探针更低。两种探针在不同弹性模量组分上二阶模态振幅对比度随着二阶模态自由振幅的增加会发生反转,而不同粘度系数下的对比度则未出现反转。此外,二阶模态自由振幅越小,则二阶模态相位对不同弹性模量或粘度系数组分的对比度越高。二阶模态振幅或相位对比度在不同相互作用区可能会发生反转,成像时应使相互作用区处于排斥区,可提高对比度。     

基于框架优选的钻机底座结构动态设计研究

建立底座的三维有限元模型，通过对底座进行结构有限元动力分析，了解到底座的动态特征．在对底座进行有限元动力分析的基础上，研究了各个基本框架对底座的动力特性的影响规律．按照分析结果，可通过框架优选对钻机底座进行结构动态设计或动力修改，所提方法有一定的实用价值，可用于指导底座的结构动态设计或动力修改．