基于人工弹簧模型的周期结构带隙计算方法研究

能量法具有将求解微分方程边值问题转化为泛函极值问题的优点,故而在结构动力学分析中被广泛使用, 近年来也被引入到周期结构带隙计算中. 然而,由于周期结构边界条件相对复杂,采用传统能量法(如Rayleigh-Ritz法)分析时位移函数构造难度大;且由于位移函数中包含波数项,扫描波数计算带隙的过程中质量、刚度矩阵需不断重算, 导致计算量较大. 鉴于此,本文对传统能量法进行改进,通过引入人工弹簧来模拟包含周期边界在内的各类边界条件,可将边界约束转化为人工弹簧的弹性势能,故而各能量分部中仅有周期边界弹性势能包含波数项,扫描波数时仅需重新计算与其对应的刚度矩阵,其余的质量、刚度矩阵只需要计算一次, 继而显著降低了计算量. 研究结果表明,本文方法准确、可靠, 且相较于传统能量法, 本文方法的计算效率更高,随着结构质量、刚度矩阵的维度增大, 或者扫描波数点数的增多,本文方法计算效率优势更加明显. 此外, 人工弹簧模型使用灵活、便捷,可进一步地拓展到更为复杂的周期性组合结构带隙分析中.      

近场动力学框架下钢轨疲劳裂纹萌生预测的数值方法研究

经典连续介质力学在求解由裂纹引起的不连续问题时，会出现数学构架失效的情况. 为克服这一难题，基于近场动力学理论，构建铁路钢轨疲劳裂纹萌生的数值预测方法，可实现钢轨疲劳裂纹萌生寿命与位置的预测. 当未出现疲劳裂纹时，通过与经典连续介质力学模型的结果对比，验证近场动力学模型的正确性和适用性. 分析了车轮全滑动、黏着-滑动和无摩擦三种状态对钢轨疲劳裂纹萌生的影响规律，结果表明:车轮由全滑动向无摩擦转变的过程中，裂纹萌生位置由钢轨表层转移到内部，裂纹萌生所需的荷载循环次数由0.45×107次增至2.05×107次，可见车轮滚滑状态会影响裂纹的萌生位置，并且较大的切向接触应力会显著降低钢轨的疲劳裂纹萌生寿命.