关于观察者的变更与时空变换的基本定理

虽然在弹性力学和连续介质力学中早已不言而喻地认为应力应变关系或本构关系是与观察者无关的,但是观察者和观察者的变更的严格数学定义直到1964年才由Noll 给出.其基本定理确定了保持时间间隔、三维距离、时间顺序均不变的时空点变换的最一般形式.本文进一步讨论观察者的变更与四维时空点变换的对应关系,同时利用华罗庚教授的矩阵几何方法给出Noll 定理的一个新证明.     

有限弹塑性变形的几何模型1)

以连续介质力学内变量理论为基础,建立了一个以材料内部微结构变量为底流形,材料外部变形状态为对应纤维的材料状态纤维丛模型,使材料的力学特性与模型的几何性质自然对应起来.在模型上讨论和分析了有限弹塑性变形中变形梯度的Lee和Clifton的分解和联系,并证明了塑性变形为沿内变量演化在纤维丛的水平空间的运动.由此获得了塑性变形随内变量演化的变化方程和塑性速率梯度与内变演化的协调关系.     

有限弹塑性变形的几何模型

以连续介质力学内变量理论为基础,建立了一个以材料内部微结构变量为底流形。材料外部变形状态为对应纤维的材料状态纤维丛模型,使材料的力学特性与模型的几何性质自然对应起来．在模型上讨论和分析了有限弹塑性变形中变形梯度的Ｌｅｅ和Ｃｌｉｆｔｏｎ的分解和联系,并证明了塑性变形为沿内变量演化在纤维丛的水平空间的运动由此获得了塑性变形随内变量演化的变化方程和塑性速率梯度与内变演化的协调关系．     

理论力学研究性教学新探索: 刚体运动基点法公式与连续介质速度场分解

基础力学课程体系是现代工程教育的重要基础。理论力学作为力学课程体系的起点,提供了力学基本概念和原理。一方面,以离散体系(质点/刚体)为研究对象的理论力学与以连续体系(介质/变形微元体)为对象的连续介质力学,它们之间既存在密切联系又差异明显;另一方面,源于理论/经典力学的动力系统理论和非线性科学研究对应用力学学科产生了广泛影响。围绕这两个侧面,作者将在《理论力学研究性教学新探索》系列教研论文中阐释它们之间的联系。本篇探讨刚体运动基点法公式和连续介质速度场分解之间的关系,它们分别给出刚体模型和连续介质模型的速度分布规律,前者依赖刚体转动角速度矢量,而后者由速度梯度张量所刻画。本文将说明,两者存在对应理论关系,且刚体基点法公式是连续介质速度场分解的退化形式,即忽略变形效应。

     

关于有限变形梯度的“和分解”

文献[1]提出将物体空间位移的微分变换唯一地分解成正交变换和对称变换的和(以下简称“和分解”),把有限转动与形变分离,导出有限变形应变张量的表达式,可是作为该文的基础的定理(微分线性变换可以唯一分解为两个子变换即正交变换与对称变换之和)是不成立的,本文试给出“和分解”存在的充分必要条件,并指出即使在分解式存在的情况,分解也不一定是唯一的。     

第二届国际动力学、振动与控制学术会议(ICDVC-2006)介绍

动力学、振动与控制是力学理论和应用的重要分支,也是现代科学技术十分活跃的前沿研究领域.从经典定义的角度来看,动力学与控制学科主要研究牛顿力学的一般原理和一切宏观离散系统的动力学现象.由于连续介质力学问题可以经过离散化而变成有限自由度系统的问题来处理,并且现代动力学理论可以推广到连续系统,因而动力学与控制理论中的原理和方法也同样适用于连续介质力学.     

关于时空标架变换和物质标架无关性原理

建立了欧几里德标架无关性的一般表述与某一参考标架\phi下作相对刚体运动的一般曲线坐标、分量表述之间的关系,从而使欧几里德标架无关性的张量表述有相应的分量表述形式.建立这种联系的基础是, 参考标架\phi^\ast 下描述的运动在参考标架\phi 中某坐标系下的分量结果, 对应于\phi下另一相对该坐标系作相同刚体运动的坐标系下描述\phi观测的运动的分量结果. 通过例子说明了Truesdell和Noll用等价动力过程,关于物质标架无关性原理的陈述,比Svendsen和Bertram及Liu的本构关系在参考标架变换下的形式不变性更合理且方便,尤其是对微分方程形式的本构关系更是如此.      

论非线性应变

非线性应变及其线性化问题几乎是每本固体力学书籍都要讨论的问题,但是常常由于简化假定提得不明确,引起一些概念的混淆。于是有了不少著述如(1948),Truesdell(1952),Truesdell and Toupin(1960),郭仲衡(1980)等对此进行不同程度的澄清。他们的共同之处都是以微段的伸长度和转动角远小于工作为小变形理论论述的基础,在转动角的平方远较伸长度为小时导出线性应变,有的还得到了一些中间过渡的近似应变公式。本文在评述各种小变形理论的基础上,以延伸度和平均转动的量级变化为      

没有复杂几何概念的单方向场壳体有限变形模型综述

基于Simo和Fox的工作, 介绍一种没有复杂几何概念的现代壳体有限变形理论. 在推导上, 使用三维连续介质理论, 运用现代力学的表示方法. 这个模型提供了非线性几何精确壳体理论的力学分析基础. 这种模型的一个优点是虽然将壳体仍然看作二维结构, 但是它没有复杂的微分几何概念, 如没有协变导数、Riemannian-Christoffel记号等. 另外,还介绍了壳体局部平衡的弱形式或变分表示, 这种表示特别适用于数值计算.      

基于郭仲衡先生现代张量分析及有限变形理论知识体系的相关研究

作为我国理性力学先驱之一的郭仲衡先生在其所著《张量(理论和应用)》以及《非线性弹性理论》中记述了现代张量分析以及有限变形理论知识体系.本文按有限维Euclid空间上微积分以及一般赋范线性空间上微分学认识相关知识体系的理论框架,相关思想及方法,阐述了有关思想及方法的发展及其应用.本文未涉及现代几何学在连续介质力学中的应用.     

一种化学-力学耦合连续介质理论与数值格式

对化学驱动的连续介质化学-力学耦合系统进行研究,从热力学定律和化学势角度出发,推导了等温过程的化学-力学耦合本构关系和控制方程,利用变分方法建立了化学-力学耦合系统的能量泛函,得到化学-力学耦合控制方程的等效积分形式和相应的有限元列式. 结合算例,对连续介质的化学-力学耦合行为进行了数值计算,数值结果反映了化学与力学系统的相互耦合作用,即浓度变化能引起介质的变形,同样力学作用也能引起浓度重分布. 从全新的角度建立了描述连续介质的化学-力学耦合行为的基本理论和数值方法,能够较好地反映一类连续介质的化学-力学耦合行为.      

生长对超弹性球壳变形和稳定性的影响

应用连续介质力学有限变形理论建立受内压作用不可压超弹性球壳大变形问题的力学模型, 且运用基于变形梯度张量极分解的弹性体积生长理论分析生长对不可压超弹性球壳变形和稳定性的影响. 通过对球壳变形与内压关系式的数值计算得到不同生长条件下球壳的变形曲线和应力分布曲线及由生长引起的残余变形和残余应力分布. 计算结果表明生长对球壳变形特性有明显的影响, 生长影响球壳可产生不稳定变形的临界壁厚和临界内压, 且在某些情况下可改变球壳的稳定性. 生长在球壳中可产生一定的残余变形和残余应力, 对球壳中的应力分布有一定的影响. 另外当生长的程度足够大时, 即便没有外力作用,球壳仅在生长引起的残余应力作用下也可产生不稳定变形.      

欧拉描述的大变形固结理论

以往大变形固结理论主要基于一般的固体力学模型,其控制方程忽视了固结过程中排水引起 的质量变化. 提出饱和土的连续介质模型,并基于连续介质力学的公理体系推导了反映质量 变化的欧拉描述的大变形固结控制方程. 发现传统固结理论中：(1)忽视了渗流速度对土体平衡条件的影响;(2)决定土体平衡的总应力张量只有在土体变形速度和渗流速度方向相同时才具有对称性等. 在忽略变质量效应等条件下,传统理论成为本文理论的特例. 通过算例 的有限元分析,比较了欧拉描述与两种物质描述方法的差别,得到初步结论：(1)欧拉描述 方法计算的地基沉降量要小于物质描述方法的结果;(2)欧拉描述方法计算的侧向位移偏大 于两种物质描述结果.     

自旋张量的绝对表示及其在有限变形理论中的应用

基于对一类线性张量方程的一般解法,导出了任一对称张量所对应的自旋张量的绝对表示。该结果可以很自然地用于研究左和右伸长张量的自旋并研讨在连续介质力学中常见到的各种转动率张量间的关系。一个重要的公式,即Hill意义下广义应变的共轭应力和Cauchy应力之间的关系,从功共轭原理建立了起来。尤其是详细讨论了对数应变的时间变率及相应的共轭应力。无疑,上述结果对有限变形条件下本构理论的研究是颇为重要的。     

力学的几何化

本文介绍了力学发展过程中,力学理论系统的几何化.把力学的动力系统归结于黎曼几何、辛几何的几何课题,以及对偶概念、对称概念、变换和不变量概念在力学中的普遍应用.     

一种考虑剪切作用的各向异性超弹性本构模型

基于纤维增强复合材料连续介质力学理论,提出了一种轮胎帘线/橡胶复合材料的各向异性超弹性本构模型. 应变能被分解为分别代表橡胶、帘线、帘线/橡胶之间的角剪切和正剪切应变能4个部分. 给出了模型参数的简单确定方法,通过拟合文献中的实验数据,得到了本构模型参数,并用该模型预测了其他变形条件下的力学行为,得到了和实验数据较一致的结果,验证了该模型的有效性,为整体轮胎的有限元分析打下了基础.     

柔性体的刚-柔耦合动力学分析

对柔性梁的刚-柔耦合动力学特性进行分析.从连续介质力学理论出发,在纵向变形位移中计及了耦合变形量,用Jourdain速度变分原理导出了柔性梁的刚-柔耦合动力学方程.定量地研究了非惯性系下柔性梁的动力学性质,比较了在不同转速下零次近似模型和耦合模型的振动频率的差异.为了确定零次近似模型的适用范围,引入与转速和基点加速度有关的相关系数,提出了零次近似模型的适用判据为相关系数小于0.1.在此基础上,进一步研究在大范围运动是自由的情况下柔性梁的大范围运动和变形运动的耦合机理,计算了带平动刚体的柔性梁的大范围运动规律,揭示零次近似模型和耦合模型的刚-柔耦合动力学性质的根本差异.     

高压胶管的动力响应分析

基于钢丝编织高压胶管的纤维加强橡胶复合材料多层圆筒模型,应用连续介质力学有限变形基本理论,建立了周期内压作用下高压胶管的动力学微分模型.通过数值计算得到了高压胶管的时程曲线、频谱图、相图和庞加莱截面图及应力分布曲线,利用非线性动力学理论分析了高压胶管的动力学响应特性,讨论了载荷大小和载荷频率的影响,并分析了高压胶管中的应力分布特征.     

心肌细胞大变形黏弹性模型及在实验中的应用

在衡量单个细胞力学行为的研究中,越来越多地采用结合实验的数值模拟方法. 在连续介质力学框架下,发展了一种新的心肌细胞本构模型,并与微管吮吸实验结合,探讨了心肌细胞的力学特性. 本构模型是对普遍使用的仅能用于小变形分析的标准线性固体模型的一种扩展,它将超弹性性能引入到黏弹性模型中,用以描述细胞的大变形黏弹性效应. 基于改进的本构模型,对心肌细胞微管吮吸实验过程进行了有限元模拟,并将计算结果与实验结果以及经典理论解进行了对比. 结果显示发展的本构模型适合细胞大变形问题的有限元数值模拟.      

延性二相合金变形力学研究进展

本文评述了工业生产中广泛应用的延性二相合金变形力学的研究进展。介绍丁描述复合材料强度的混合物定律在描述双相钢的力学性能中的发展和应用;讨论了以等应变为基础的Mjleiko理论;并讨论了以应变分配为基础的连续介质模型和应力分配模型,以位错理论为基础的微观力学模型,以及用连续介质模型的物理意义说明的综合变形模型的建立和它们的特点;列举了双相钢流变曲线的有限元分析方法的数值模拟解,以及各模型的预测值和实测值的对比,概述了各个理论在描述双相钢变形力学特性中的适用性,以及各个理论在改进双相钢性能的合金设计和组织优化中的意义和指导作用.