改进的PNC方法及其在非线性偏微分方程多解问题中的应用

2017年，李昭祥等提出了一种偏牛顿-校正法（Partial Newton-Correction Method，简记为PNC方法），并利用它成功地计算出了三类非线性偏微分方程的多重不稳定解.本文在PNC方法的基础上，提出并发展了一种改进的PNC方法.首先，利用Nehari流形$\mathcal{N}$与零平凡解的可分离性，建立并证明了$\mathcal{N}$的某特殊子流形$\mathcal{M}$上的全局分离定理及其推广（即局部分离定理）.全局分离定理只跟非线性偏微分算子或相应的非线性泛函本身有关，而与具体的计算方法无关.对一些典型的非线性偏微分方程多解问题（比如，Henon方程问题），该全局分离定理的分离条件，经验证是成立的.另一个方面，通过修改或补充原辅助变换的定义，去掉了原辅助变换的奇异性；接着建立并证明了某些非线性偏微分方程问题的新未知解与该非线性偏微分算子零核空间的密切关系；在证明中，去掉了在原奇异变换下所需的标准收敛（standard convergence）假设.最后，计算实例与数值结果验证了改进的PNC方法的可行性和有效性；同时表明子流形$\mathcal{M}$与已知解的可分离性是PNC方法和本文新方法能成功找到多解的关键.     

利用空间位阻和氢溢流协同作用促进5-羟甲基糠醛选择性加氢制备5-甲基糠醛

化学工业生产中，用氢气为还原剂，通过选择性加氢可以制备多种重要化学品。5-羟甲基糠醛是重要的生物质基平台化合物，而5-甲基糠醛是用途广泛的化学品。由5-羟甲基糠醛加氢得到5-甲基糠醛是一条非常理想的路径，但是选择性活化C-OH非常困难。本文设计并制备了Pt@PVP/Nb₂O₅(PVP: 聚乙烯吡咯烷酮)催化剂，该催化体系巧妙地结合了位阻效应、氢溢流和催化剂界面的电子效应，系统研究了该催化剂对5-羟甲基糠醛选择性加氢制备5-甲基糠醛催化性能，在最优条件下，5-甲基糠醛的选择性可达92%。利用密度泛函理论计算研究了5-羟甲基糠醛选择性加氢制备5-甲基糠醛反应路径。     

一种经验型疲劳小裂纹扩展模型

金属材料疲劳寿命由裂纹萌生和裂纹扩展寿命两部分组成，其中对于萌生寿命中的小裂纹分析是精确描述裂纹萌生寿命的关键．而小裂纹在扩展过程中由于尺寸相对较小，导致传统线弹性断裂力学预测方法失效，需要对其进行改进，考虑裂纹尖端塑性区引起的残余压应力对小裂纹扩展速度的影响．本文针对此问题进行了初步分析，通过对塑性区引起的残余应力的量化，结合小裂纹门槛值特性，提出了一种经验型修正的小裂纹扩展模型，用于定量预测裂纹的萌生寿命．使用铝合金6082-T6缺口试样进行了疲劳实验，并与理论结果进行了对比，验证了所提模型的有效性．     

基于能量变化的微尺度金属应变突变准则研究

微尺度金属在塑性变形过程中呈现出显著的应变突变特性。本文以力加载条件下单晶Ni微米柱体和位移加载下Au纳米柱体为对象，探讨应变突变的判定准则与不同特征阶段的判别条件。首先从经典塑性理论Hill稳定性条件出发，分析微柱体变形过程中的动能变化，提出了应变突变发生与结束的判定准则。进一步分析柱体变形过程中的内能变化，结合动能变化的分析结果，给出了微尺度金属不同变形阶段的判别条件。通过与文献中实验与理论结果对比发现，基于动能变化的应变突变判定准则能够判断应变突变的发生与结束，基于能量变化的判别条件可以有效区分微柱体的不同变形阶段。最后对新理论准则的可靠性与适用性进行了讨论。     

黏弹性接触界面端附近的奇异应力场

研究蠕变加载条件下线黏弹性材料接触界面端附近的奇异应力场问题.考虑接触界面的摩擦,假设界面端的滑移方向不改变,相对滑移量微小,且其与位移同量级,由此线性化局部边界条件,根据对应原理得到Laplace变换域中的界面端应力场,导出时域中奇异应力场的卷积积分表达式.对卷积积分核函数进行数值反演,考虑接触材料的两类组合,一是持久模量具有量级上的差异,另一是持久模量接近相同.算例结果证实核函数可以用准弹性法求得的解析式较准确地近似.在此基础上,利用积分中值定理,并引入各应力分量的修正系数,得到黏弹性奇异应力场的简化式.结合核函数的数值反演结果分析修正系数表达式的取值范围,得到如下结论,若两相接触材料的持久模量相差很大,可以采用准弹性解的解析式较准确地描述界面端的奇异应力场;一般情况下,应力场不存在统一的奇异值和应力强度系数,当采用类似于准弹性解的表达式近似给出黏弹性应力场时,可以估计此近似描述的误差限.文中最后采用有限元分析黏弹性板端部嵌入部位的应力场,算例包括了黏弹性板与弹性金属支承、黏弹性板与黏弹性垫层所形成的滑移接触界面端,利用黏弹性有限元的数值结果验证理论分析所得结论的有效性.      

颗粒材料三维应力路径下的接触组构特性

颗粒材料的宏观应力变形特征与其微观接触力、组构等紧密相关.一般而言,强接触系统属于颗粒内部体系的传力结构,其对应的组构张量是影响宏观应力性质的重要因素.细观数值方法(如离散单元法)能够反映物理试验的基本规律,并且可以方便地提取宏微观数据来研究颗粒体系的应力变形机制.采用离散单元法(discrete element method,DEM)进行一系列等$p$等$b$应力路径下颗粒材料的真三轴试验,在此基础上研究了三维应力路径下颗粒材料的宏微观力学参数的演化过程、三维组构张量与应力张量多重联系以及强接触体系反映的宏观应力特征.研究表明:颗粒体系偏应力峰值状态和临界状态均存在与加载路径无关的宏微观特征;三维应力路径下组构张量与应力张量存在非共轴性,但其联合不变量演化过程表现出加载路径无关的特征;与弱接触系统的组构张量相比,强接触系统的组构张量更能反映宏观应力张量的特征;强弱接触体系的组构张量对颗粒体系宏观响应的贡献不同,其分界点存在一定取值范围,但采用平均接触力较为简单合理.      

高饱和黏土中爆炸波作用下直埋聚乙烯管的动力响应

为了解决爆破作业对近距离埋地管道的安全评估问题，对高饱和粘土中爆炸波作用下聚乙烯(polyethylene, PE)管道进行了一系列管道动态响应的原型实验，得到了不同药量下管道动应变、动压力的实验数据和管体及地面的振速数据。实验结果表明:PE管动应变峰值同比例距离具有良好的幂函数衰减关系，在6～11 m/kg1/3比例距离范围内，PE管的环向峰值应变衰减指数（绝对值）比轴向峰值应变衰减指数大；管道动态响应的主振频率略高于土体的主振频率，两者在同一量级，管道合成速度衰减指数大体和管道轴向应变衰减指数相当；压电陶瓷片所测得的电压信号和同测点的应变变化率信号具有较强的相关性。高饱和黏性土由于含水量较高，近距离柔性PE管因受到局部冲击会产生较大的环向应变，管道安全计算时应充分考虑这一因素；随着比例距离的增大，环向应变水平降低，轴向应变水平相对增强；压电陶瓷片因为具有良好可靠的动态性能，作为埋地管道现场监测的技术手段值得采用和推广。     

基于DIC的爆炸加载下脆性材料裂纹扩展规律的试验研究

通过数字图像相关法（DIC），应用PMMA对爆炸加载条件下脆性材料的裂纹扩展规律进行了试验研究。基于对称性试验模型，实现了裂纹尖端位置和应变场信息的同步记录。以此为基础，通过对比分析获知，主应变场应变值最大点不能作为裂纹尖端的判断依据。并以动态裂纹扩展速度为参量，应用断裂动力学和最小二乘牛顿迭代法，计算出了考虑惯性效应的Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹的应力强度因子:K_Ⅰ和K_Ⅱ值会随着裂纹扩展方向改变而发生突变；K_Ⅰ最大值为2.63 MPa·m1/2，最小值为0.89 MPa·m1/2；其整体变化趋势表明，爆炸加载条件下脆性材料裂纹扩展随能量积聚和释放呈循环阶梯式递减发展。     

非贯通裂隙岩体损伤演化率相关性及变形特征

含非贯通裂隙岩体是自然界中岩体的主要赋存形式，其裂隙几何特征对岩体的强度及变形均产生显著影响。应变率对岩体的损伤演化及黏滞效应也具有显著的率相关性。首先，运用模型元件的方法，将非贯通裂隙岩体动态破坏过程视为具复合损伤、静态弹性特性、动态黏滞特性的非均质点组成，对黏弹性响应的Maxwell体进行改进，将细观损伤体与裂隙损伤演化的宏观损伤体根据等效应变假设并联组成宏细观复合损伤体，构建综合考虑岩体宏细观缺陷的动态损伤模型；其次，基于断裂力学及应变能理论，对岩体宏观裂隙动态扩展的能量机制进行分析，综合考虑初始裂隙应变能、裂隙动态损伤演化过程应变能、裂隙闭合应变能，得到裂隙岩体宏观动态损伤变量计算公式；最后，将模型计算结果与实验结果进行比较，模型计算结果与实验结果吻合较好，证明了模型的合理性，同时利用模型讨论了裂隙倾角、应变率、岩石性质对岩体变形特征的影响规律。     

简支及悬臂箱梁在角隅轴向荷载作用下的翼板纵向应力

基于能量变分原理，拟定轴向荷载作用下箱梁的纵向位移函数，得到关于翼板剪切变形引起的位移差函数的基本微分方程，继而推导出箱梁翼板纵向应力表达式，并首次得出角隅轴向荷载作用下翼板出现应力不均匀分布的荷载及边界条件。通过对一模型箱梁进行计算，并与通用有限元软件ANSYS壳单元计算结果进行比较，验证了该方法和所推导公式的正确性。研究结果表明，当作用于简支箱梁截面角隅处的轴向荷载（合力无偏心）为集中或分布荷载时，翼板不产生纵向应力不均匀现象；当作用于悬臂箱梁截面角隅处的轴向荷载（合力无偏心）为集中荷载时，翼板不产生纵向应力不均匀现象，而当荷载轴向分布时，翼板将产生纵向应力不均匀现象。实际工程中，横力弯曲使悬臂箱梁产生剪力滞效应，这种效应会与轴向分布荷载产生的效应叠加，设计时对此应予以充分考虑。