弹性压扭直杆的Greenhill公式对精确模型的推广

将圆截面Kirchhoff弹性压扭直杆的Greenhill公式推广到精确模型.基于平面截面假定,在弯扭的基础上增加了拉压和剪切变形,将弹性杆的位形表达为截面的弧坐标历程.由弹性杆精确模型的平衡微分方程,得到了两端受力螺旋作用时对应于直线平衡状态的特解,导出了线性化扰动方程及其通解,再根据两端为铰支时的边界条件以及积分常数存在非零解的条件导出弹性直杆精确模型的Greenhill公式.结果表明,由力螺旋表示的稳定域为一对称的封闭区域,拉压和剪切对稳定性的影响取决于拉压柔度与剪切柔度之差、抗弯刚度和杆长这三个因素.     

受曲面约束弹性细杆的平衡问题

作为DNA等一类生物大分子的力学模型，弹性细杆的非线性力学再次受到关注，形成一个力学与分子生物学的交叉学科.除了不受外界约束的自由弹性细杆外，受曲面约束的弹性细杆静力学具有重要的应用背景.在分析约束、约束方程和约束力的基础上建立了受曲面约束的圆截面弹性细杆的平衡微分方程，即曲面上的Kirchhoff方程，它是以截面主矢和截面姿态坐标以及中心线的Descartes坐标为变量的微分/代数方程.作为应用，讨论了约束是圆柱面的情形.此时平衡的无量纲方程仅含的物理参数是截面对形心的抗扭刚度和对主轴的抗弯刚度的比值，与几何参数无关.由此导出方程的螺旋杆特解.数值计算表明，对弹性细杆中心线的几何形状有显著影响的是截面主矢和姿态坐标及其导数的起始值，而不是物理参数. 关键词： 弹性细杆 DNA超螺旋 曲面约束 螺旋杆     

圆截面弹性螺旋杆的稳定性与振动

基于Kirchhoff理论讨论圆截面弹性螺旋杆的动力学问题.以杆中心线的Frenet坐标系为参考系，建立用欧拉角描述的弹性杆动力学方程.讨论其在端部轴向力和扭矩作用下保持的无扭转螺旋线平衡状态.在静力学和动力学领域内讨论其平衡稳定性问题.还讨论了弹性杆平衡的Lyapunov稳定性和欧拉稳定性两种不同稳定性概念之间的区别和联系.在一次近似意义下证明了螺旋杆在空间域内的欧拉稳定性条件是时域内Lyapunov稳定性的必要条件.导出了解析形式螺旋杆三维弯曲振动的固有频率，为螺旋线倾角和受扰挠性线波数的函数. 关键词： 弹性螺旋杆 Kirchhoff动力学比拟 Lyapunov稳定性 欧拉稳定性     

Kirchhoff弹性直杆在力螺旋作用下的稳定性

研究受力螺旋作用的圆截面Kirchhoff弹性直杆在各种边界条件下的稳定性问题. 用直角坐标和Cardano角表示截面的形心位置和姿态. 由Kirchhoff方程得到弹性细杆的直线平衡特解,导出线性化扰动方程及其通解. 根据边界条件确定积分常数的非零解存在条件,讨论了各种边界条件,如两端铰支、两端固定、一端铰支一端固定以及一端固定一端自由的弹性细杆直线平衡状态的稳定性,导出了临界载荷的表达式,绘制了稳定域,将Greenhill公式推广到其他边界条件,并且使压杆的Euler 公式成为其特例. 关键词： Kirchhoff弹性杆 稳定性 力螺旋 Greenhill公式     

弹性细杆平衡的动态稳定性

从动力学观点讨论弹性细杆的平衡稳定性问题.建立了弹性杆的动力学方程，导出了杆的弯扭度与截面角速度之间的运动学关系式.对具有弧坐标s和时间t双重自变量的离散动力系统扩充了Lyapunov 稳定性定义.以具有初扭率的非圆截面直杆的平衡稳定性为例，应用一次近似方法证明了当静力学意义下的稳定性条件得到满足时，动力学意义下的稳定性条件必同时满足. 关键词： 弹性杆动力学方程 Kirchhoff理论 Lyapunov稳定性     

弹性细杆弯曲的Kirchhoff方程的违约校正求解

采用Euler四元数表示的Kirchhoff方程来研究受力挤压作用下的弹性细杆的拓扑构形，进一 步研究弹性细杆的力学性质；将得到的微分方程与约束条件组成微分代数方程后再转化为微 分方程规范形式以便求解；为满足边界条件，应用数值打靶法求解边值条件，并将弹性细杆 在力作用下的拉压过程用Matlab仿真出来.同时对由于误差导致的违约现象进行处理，并针 对欧拉参数的特征，选取合适的修正系数以保持方程的稳定性. 关键词： DNA Euler四元数 Kirchhoff方程 弹性细杆 违约修正     

Kirchhoff方程的相对常值特解及其Lyapunov稳定性

对于超细长弹性杆静力学的Kirchhoff方程，用动力学的概念和方法研究其常值特解 和稳定性问题.计算了Kirchhoff方程相对固定坐标系、截面主轴坐标系以及中心线Frenet 坐标系的常值特解，进行了Kirchhoff动力学比拟，用一次近似理论分别讨论了它们的Lyapu nov稳定性，导出了若干稳定性判据，并在参数平面上绘出了稳定域. 关键词： 超细长弹性杆 Kirchhoff方程 常值特解 Lyapunov稳定性     

黏性介质中圆截面弹性细杆的平面振动

讨论圆截面弹性细杆在黏性介质中的平面振动. 基于Kirchhoff理论，以杆中心线的Frenet坐标系为参考系，建立其动力学方程，杆中心线为任意平面曲线时，其扭转振动与弯曲振动解耦. 讨论两端固定条件下任意形状杆的平面扭转振动，以及无扭转的轴向受压直杆和圆环杆的平面弯曲振动，导出其自由振动频率和阻尼系数. 证明空间域内压杆的Lyapunov稳定性和欧拉稳定性条件为时域内渐近稳定性的充分必要条件，或无阻尼压杆的稳定性必要条件. 圆环杆平衡恒满足渐近稳定性条件. 关键词： 弹性细杆 黏性介质 扭转振动 弯曲振动     

非对称截面Kirchhoff弹性细杆模型简化方法研究

研究弹性细杆Kirchhoff模型及其相关演化系统, 是深入考察宏观、微观柔性体拓扑结构与稳定性问题的重要依据. 以DNA弹性细杆数学模型为背景, 考虑截面非对称性特征的影响, 构造新的复数形式Kirchhoff系统. 在此基础上, 结合复变量扭矩设解形式, 获得了非对称截面系统的有效抗弯刚度; 并通过相关理论在高维系统简化过程中的应用, 得到了对应于原有系统的单变量二阶常微分方程. 此外, 将DNA分子具备的抗弯刚度周期变化特征转化为针对有效抗弯刚度的周期摄动形式, 以期从总体上减少理论分析对于数值积分     

非对称截面Kirchhoff弹性细杆模型简化方法研究

研究弹性细杆Kirchhoff模型及其相关演化系统, 是深入考察宏观、微观柔性体拓扑结构与稳定性问题的重要依据. 以DNA弹性细杆数学模型为背景, 考虑截面非对称性特征的影响, 构造新的复数形式Kirchhoff系统. 在此基础上, 结合复变量扭矩设解形式, 获得了非对称截面系统的有效抗弯刚度; 并通过相关理论在高维系统简化过程中的应用, 得到了对应于原有系统的单变量二阶常微分方程. 此外, 将DNA分子具备的抗弯刚度周期变化特征转化为针对有效抗弯刚度的周期摄动形式, 以期从总体上减少理论分析对于数值积分的依赖, 为后续定量分析工作提供新的思路.     

On dynamics of elastic rod based on exact Cosserat model

The analysis of kinematics and dynamics of an elastic rod with circular cross section is studied on the basis of exact Cosserat model under consideration of the tension and shear deformation of the rod. The dynamical equations of a rod with arbitrary initial shape are established in general form. The dynamics of a straight rod under axial tension and torsion is discussed as an example. In discussion of static stability in the space domain the Greenhill criteria of stability and the Euler load are corrected by the influence of tension and shear strain. In analysis of dynamical stability in the time domain it is shown that the Lyapunov and Euler stability conditions of the rod in space domain are the necessary conditions of Lyapunov's stability in the time domain. The longitudinal, torsional and lateral vibrations of a straight rod based on exact model are discussed, and an exact formula of free frequency of lateral vibration is obtained. The free frequency formulas of various simplified models, such as the Rayleigh beam, the Kirchhoff rod, and the Timoshenko beam, can be seen as special cases of the exact formula under different conditions of simplification.     

Stability and vibration of a helical rod with circular cross section in a viscous medium

The stability and vibration of a thin elastic helical rod with circular cross section in a viscous medium are discussed. The dynamical equations of the rod in the viscous medium are established in the Frenet coordinates of the centreline with the Euler angles describing the attitudes of the cross section as variables. We have proved that the Lyapunov and Euler conditions of stability of a helical rod in the space domain are the necessary conditions for the asymptotic stability of the rod in the time domain. The free frequencies and damping coefficients of torsional and flexural vibrations of the helical rod in the viscous medium are calculated.     

Tension-induced multistability in inextensible helical ribbons

We study the nonmonotonic force-extension behavior of helical ribbons using a new model for inextensible elastic strips. Unlike previous rod models, our model predicts hysteresis behavior for low-pitch ribbons of arbitrary material properties. Associated with it is a first-order transition between two different helical states as observed in experiments with cholesterol ribbons. Numerical solutions show nonuniform uncoiling with hysteresis also occurring under controlled tension. They furthermore reveal a new uncoiling scenario in which a ribbon of very low pitch shears under tension and successively releases a sequence of almost planar loops. Our results may be relevant for nanoscale devices such as force probes.     

Extracting DNA twist rigidity from experimental supercoiling data

We use an elastic rod model with contact to study the extension versus rotation diagrams of single supercoiled DNA molecules. We reproduce quantitatively the supercoiling response of overtwisted DNA and, using experimental data, we obtain an estimate of the effective supercoiling radius and of the twist rigidity of B-DNA. We find that the twist rigidity of DNA seems to vary widely with the nature and concentration of the salt buffer in which it is immersed.