多层层合板圣维南问题的解析解

将哈密尔顿体系理论引入到多层层合板问题之中，建立了一套求解该问题的横向哈密尔顿算子矩阵的本征函数向量展开解法，并成功地求解出圣维南问题的解析解．进一步显示了弹性力学新求解体系的有效性及其应用潜力     

双层球壳结构准静态线性化学弹性问题的位移势函数解

本文研究了各向同性固体的化学-力学耦合问题,在传统化学弹性理论描述的扩散-变形耦合关系基础上,进一步考虑了化学反应与固体变形的相互作用关系,发展了等温状态下固体-扩散-反应-变形耦合的线性化学弹性理论,拓展了化学弹性力学的应用范围．该理论能够同时描述固体内介质扩散和固体与介质之间化学反应两个不同时间尺度的化学过程,并给出由此引起的弹性范围内的应变和应力．为应用该模型求解具体化学弹性问题,本文通过构造扩散-反应位移势函数来获得位移特解形式,再与齐次Lamé方程通解叠加获得完整解;针对反应控制问题,引入化学弹性准静态假设,将反应-扩散-变形全耦合的瞬态过程分解为两个可解耦的相继过程,从而获得相应位移解．基于此解法,本文获得了反应控制的双层球壳结构化学弹性问题的解析解,并分析了化学反应、几何结构和弹性模量对应力分布的影响．     

功能梯度材料与结构的若干力学问题研究进展

功能梯度材料的宏观材料特性在空间上是连续变化的,因此即使在线弹性理论范围内,由于控制偏微分方程是变系数的,相应的力学分析具有很大的挑战性.综述了功能梯度材料与结构若干力学问题的最新研究进展,包括功能梯度材料梁、板、壳结构的解析解与半解析解以及简化理论的研究、功能梯度材料结构的数值计算方法研究、功能梯度材料的断裂力学研究.最后对未来功能梯度材料与结构的力学研究进行了展望.     

均布荷载作用下功能梯度悬臂梁弯曲问题的解析解

采用弹性力学半逆解法,假设所有材料常数沿梁厚度方向按同一函数规律变化,求得了功能梯度悬臂梁在均布载荷作用下的解析解.该解退化到各向同性均匀弹性情况时与已有的理论解相一致.对弹性模量按指数函数梯度变化的算例进行了分析.所得到的解对任意梯度函数均成立,可作为数值解以及简化理论的检验依据.     

四角点支承四边自由矩形薄板屈曲问题的新解析解

角点支承矩形薄板的屈曲问题是板壳力学的一类重要课题，控制方程和边界条件的复杂性导致寻求该类问题的解析解十分困难。虽然各类近似/数值方法可用于解决此类难题，但作为基准的精确解析解在公开文献中鲜有报道。本文基于近年来提出的辛叠加方法，解析求解了四角点支承四边自由矩形薄板的屈曲问题。首先将问题拆分为两个子问题，接着利用分离变量与辛本征展开推导出子问题的解析解，最后通过叠加获得原问题的解。由于求解过程从基本控制方程出发，逐步严格推导，无需假定解的形式，因此本文解法是一种理性的解析方法。数值算例给出了不同长宽比和不同面内载荷比情况下，四角点支承四边自由矩形薄板的屈曲载荷和典型屈曲模态，并经有限元方法验证，确认了解析解的正确性。     

低渗透多孔介质渗流动边界模型的解析与数值解

考虑启动压力梯度的低渗透多孔介质非达西渗流模型属于强非线性动边界问题, 分别利用相似变量变换方法和基于空间坐标变换的有限差分方法, 对内边界变压力情况下、考虑启动压力梯度的一维低渗透多孔介质非达西渗流动边界模型进行了精确解析与数值求解研究. 研究结果表明:该动边界模型存在唯一的精确解析解, 且所求得的精确解析解可严格验证数值解的正确性;且当启动压力梯度值趋于零时, 非达西渗流动边界模型的精确解析解将退化为达西渗流情况下的精确解析解. 由求解结果作出的非零无因次启动压力梯度下的地层压力分布曲线表现出紧支性特点, 其与达西渗流模型的有显著不同. 因此, 研究低渗透多孔介质中非稳态渗流问题时, 应该考虑动边界的影响. 研究内容完善了低渗透多孔介质的非达西渗流力学理论, 为低渗透油气藏开发的试井解释与油藏数值模拟技术提供了理论基础.      

含固支端梁的解析解

采用弹性力学的应力函数法求含固支端梁的应力和位移时,无法严格满足固支端的实际边界条件,需要采用简化的固支边界条件。本文对已有的简化固支边界条件进行了改进,基于新的简化固支边界条件,推导出了四种含固支端梁的应力和位移的解析解,并进行了相应的数值计算,对几种固支边界条件进行了讨论。由本文方法得到的上表面受均布载荷作用悬臂梁的位移u和v的解析解与有限元解的最大误差分别为3.0%和1.0%,两端固支梁的应力σx的解析解与有限元解的最大误差为5.3%。通过理论与数值结果的比较表明,本文改进的固支边界条件是对固支端一种很好的简化。     

套管-水泥环-地层应力分布的理论解

利用弹性力学理论研究地应力场中套管-水泥环-地层系统应力分布的理论解，在求解过程中，将原问题分解为两个相对简单的子问题．考虑到套管井系统是层状结构的特点，且各层受力情况具有相似性，进一步地，基于两个弹性力学平面应变基本问题的解，采用结构力学的求解思想，由位移连续条件分别求得了两个子问题的解，最后由叠加原理得到了原问题的理论解．     

功能梯度材料梁自由振动的线性与非线性振动

基于数值模拟和理论分析两种方法,研究了功能梯度材料(functional gradient materials,FGM) 梁自由振动下的线性与非线性振动问题。通过解析法求解了FGM梁在经典理论下以及一阶剪切理论下的力学行为,得到了FGM梁在简支和固端约束下的固有频率。理论分析了不同边界条件、不同梁理论下、梯度指数、长细比等因素对于FGM梁固有频率的影响;不论经典梁理论还是一阶剪切理论,随着梯度指数的增加,FGM梁的固有频率都随之减小。通过ABAQUS 仿真模拟,得到FGM梁数值模拟下的非线性固有频率。将理论解与数值解进行对比,完善力学模型。在多种理论下,利用解析法和数值模拟的方法,给出FGM梁结构振动响应的线性与非线性解。

     

厚壳三维分析的半解析解

本文对座标系三维弹性力学问题采用周向与径向解析,轴向离散的半解析数值方法。通过引入部分解析函数,将三维问题归结为一维离散化方程。这种方法能适应于一大类复杂的弹性力学问题,方法简单,计算工作量少。本文用这方法来分析厚壳的三维变形与应力规律,研究大厚跨比的强厚壳的三维弹性理论解,为建立可靠的强厚壳理论提供依据。     

分数导数粘弹性模型描述的土中管桩竖向振动的频域解

在分数导数粘弹性本构模型的基础上综合考虑桩周土和桩芯土的平衡方程和几何方程建立了桩周土和桩芯土的竖向运动的控制方程．在频率域内利用分离变量法和分数导数的性质求解了桩周土和桩芯土竖向振动控制方程．考虑管桩与桩周土、管桩与桩芯土的边界连续性条件以及三角函数的正交性得到了分数导数粘弹性模型描述的土中管桩的竖向振动,通过数值分析研究了管桩和土体模型参数和几何参数对管桩的桩顶复刚度的影响规律．结果显示：桩芯土本构模型的分数导数的阶数对管桩竖向振动的影响较桩周土本构模型的阶数要小,且与频率有一定关系;桩芯土与桩周土的模型参数比τ1 和τ2 对等效阻尼的影响较对刚度因子的影响要大;管桩桩周和桩芯的直径比d 越小,管桩复刚度的实部和虚部就越大;土体力学性能对管桩竖向振动的影响要比管桩桩身力学性能的影响小．     

分数阶黏弹性土层中分数阶三维轴对称桩的竖向振动

将桩基和土体视为三维连续介质,桩基和土体的应力一应变关系采用分数阶黏弹性模型描述。在三维轴对称情况下,利用三维弹性理论和连续介质力学理论,运用分离变量法和分数阶导数的性质,得到了分数阶黏弹性土层中分数阶黏弹性桩基的三维轴对称解;并分析了相关参数对桩顸动态刚度和等效阻尼的影响。研究结果表明：与土体相比,桩基的相关参量对桩顶复刚度的影响较大;桩基和土体的密度比、模量比对桩顶复刚度都有较大的影响。     

考虑横向惯性效应的非饱和土中单桩的竖向动力响应

基于非饱和土的动力控制方程,考虑横向惯性效应,建立了三相非饱和介质中嵌岩桩的竖向动力响应连续介质模型,对桩侧非饱和土的动力控制方程进行Laplace变换,在频域内,通过引入势函数、算子分解等手段对控制方程进行解析,得到了桩侧土体剪应力及竖向振动位移的表达式.结合桩基的竖向振动方程及桩–土接触面的连续性条件,使桩土耦合振动系统得以解答,最终在频域内得到了桩顶复刚度、导纳、桩–土系统振动位移及应力的解析解,借助Laplace逆变换得到了半正弦激励载荷下桩顶的速度时程曲线.最后,通过算例分析验证了计算结果的准确性,分析了横向惯性、泊松比、饱和度、长径比、桩土模量比等因素对桩基动力响应的影响.结果表明:(1)单桩动刚度、阻尼、导纳等变量随频率变化发生周期性振荡,在桩基各阶固有频率处发生共振;(2)泊松比、饱和度、长径比、桩土模量比等因素对桩基的动力响应有较大影响,且频率越大,影响越明显;(3)泊松比越大,单桩动刚度、阻尼、导纳的波动幅值及对应的频率越小,桩顶时程曲线中的桩底反射信号越弱;(4)饱和度越大,对应各动力响应的波动幅值越大,且桩底反射信号的波峰越大.     

Quasi-static and dynamical analysis for viscoelastic Timoshenko beam with fractional derivative constitutive relation

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｈｅｆｒａｃｔｉｏｎａｌｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｍｏｄｅｌｓｏｆａｖｉｓｃｏｅｌａｓｔｉｃｍａｔｅｒｉａｌｗｅｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄｂｙＧｅｍｅｎｔａｔｆｉｒｓｔｉｎ 1 93 0’ｓ[1].Ｓｉｎｃｅ 1 980’ｓ,ｔｈｅｍｏｄｅｌｓｈａｖｅｒｅｃｅｉｖｅｄｉｎｃｒｅａｓｉｎｇａｔｔｅｎｔｉｏｎ[2 ,3].Ｏｎｌｙａｆｅｗｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｒｅｃｏｎｔａｉｎｅｄｉｎｔｈｅｍｏｄｅｌｓａｎｄｔｈｅｍｏｄｅｌｓｃａｎｄｅｓｃｒｉｂｅｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｈａｒａｃ…     

Axisymmetrical analytical solution for vertical vibration of end-bearing pile in saturated viscoelastic soil layer

Based on elasticity and the theory of saturated porous media, and regarding the pile and the soil as a single phase elastic and a saturated viscoelastic media, respectively, the dynamical behavior of vertical vibration of an end-bearing pile in a saturated viscoelastic soil layer is investigated in the frequency domain using the Helmholtz decomposition and variable separation method. The axisymmetrical analytical solutions for vertical vibrations of the pile in a saturated viscoelastic soil layer are obtained, and the analytical expression of the dynamical complex stiffness of the pile top is presented. Responses of dynamic stiffness factor and equivalent damping of pile top with respect to the frequency are shown in figures using a numerical method. Effects of the saturated soil parameters, modulus ratio of the pile to soil, slenderness ratio of pile and pile＇s Poisson ratio, etc. on the stiffness factor and damping are examined. It is shown that, due to the effect of the transversal deformation of the pile and the radial force of the saturated viscoelastic soil acting on the pile, the dynamic stiffness factor and the damping derived from the axisymmetrical solution are greatly different from those derived from the classical Euler-Bernoulli rod model, especially at some specific excitation frequencies. Therefore, there are limitations on applicability of the Euler-Bernoulli rod model in analyzing verticai vibration of the pile. More accurate analysis should be based on a three-dimensional model.     

梁-桩-土竖向耦合振动特性分析

针对桩与连续梁组合这一基础形式,研究了梁—桩—土竖向耦合振动特性. 首先,将桩假设为一维黏弹性杆件,采用平面应变模型模拟桩侧成层土对桩的动力作用. 同时,桩顶对梁的支撑简化为竖向点支撑. 然后,分别根据一维杆件纵向振动理论和Timoshenko梁理论给出桩和梁的竖向振动控制方程并求解,进而借助离散傅里叶逆变换获得在梁上瞬时激振下梁和土层以上桩段的时域响应半解析解. 通过与有限元模拟结果对比,验证了解的合理性. 在此基础上,讨论了梁几何参数和桩身缺陷对梁—桩—土竖向耦合振动特性的影响.      

半封闭分数导数粘弹性衬砌隧道的频域响应

混凝土衬砌具有粘弹性性质,以往的经典Kelvin模型、弹性理论和壳体理论都不能刻画其蠕变的全过程.论文基于饱和多孔介质理论,在频率域研究了轴对称荷载和流体压力作用下饱和粘弹性土中半封闭分数导数型衬砌隧洞的稳态动力响应.在引入隧洞部分透水边界条件的基础上,通过分数阶导数粘弹性模型描述衬砌的应力-位移本构关系,并利用衬砌内边界以及接触面的连续性条件,得到了饱和土和衬砌的应力、位移和孔压解答.考察了分数导数阶数、材料参数以及衬砌和土体相对渗透系数的影响.研究表明:分数导数阶数对系统响应影响较大,且依赖于衬砌的材料参数.另外,相对渗透系数对系统响应的影响很大.     

饱和土中端承桩纵向振动特性研究

基于饱和多孔介质理论研究了三维轴对称条件下端承桩在饱和土中的纵向耦合振动. 首先通 过引入势函数对Biot动力固结方程解耦，采用算子分解方法及分离变量法求得饱和土层振动 解，进而利用桩土完全耦合条件得到桩土系统定解. 然后对桩顶的频率和时域响应进行参数 研究，结果表明，桩的长径比和桩土模量比对桩顶动力响应有较大影响，而渗透力对其影响 较小. 最后将幅频及时域反射波理论拟合结果与桩基实测结果加以对比，结果表明理论曲线 与实测曲线规律一致.     

分数导数型本构关系描述粘弹性梁的振动分析

本文研究粘弹性梁在周期激励作用下的受迫振动问题。梁的材料满足Kelvin-Volgt分数导数型本构关系。基于动力学方程、本构关系和应变－位移关系建立了小变形粘弹性梁的振动方程。采用分离变量法分析粘弹性梁的自由振动,导出模态坐标满足的常微分－积分方程和模态函数满足的常微分方程,对于两端简支的截面梁给出了固有频率和模态函数。对于简谐激励作用下粘弹性梁的受迫振动,利用模态叠加得到了稳态响应。最后给出数值算例说明本文方法的应用。