粘弹性力学的对应原理及其数值反演方法

积分变换是处理粘弹性混合边值问题的重要数学工具,积分变换的应用使粘弹性混合边值问题在象空间与相应弹性混合边值问题对应起来,从而使粘弹性混合边值问题的求解可以继承和借鉴弹性问题的求解方法,再利用积分反演方法就可求得时间域粘弹性边值问题的解．本文结合国内外的研究成果,就粘弹性力学中存在的各种对应原理及数值反演方法进行了归类和总结．结合在求解粘弹性边值问题中的应用,对各类方法的特点进行了评述,并指出存在的问题及发展新的数值方法的研究重点．      

平面粘弹性问题的辛求解方法

将弹性力学辛对偶求解方法与Laplace变换相结合,提出了一个求解粘弹性平面问题的新方法。首先利用Laplace变换,将粘弹性平面问题转化为一个准弹性问题,在辛弹性力学的框架下,利用分离变量和辛本征展开法对其进行求解,然后由逆变换得到原问题的解。为证明方法的有效性,求解分析了矩形域平面粘弹性圣维南问题,得到了令人满意的结果。     

无网格方法在平面粘弹性力学问题中的应用

本文综合应用无网格方法(EFGM)、线性粘弹性与弹性力学之间的对应原理,Laplace变换和逆变换等方法求解了拟静态平面弹性和粘弹性力学问题。首先,利用Laplace变换和逆变换推导了平面问题的粘弹性本构关系,建立了拟静态粘弹性平面问题的边值问题;其次,利用粘弹性与弹性力学之间的对应原理得到了Laplace变换域中平面问题的基本方程,在Laplace变换域中建立了相应的泛函,并得到了用无网格方法离散的控制方程;同时,求解了几个拟静态弹性和粘弹性平面问题,给出了它们的表达式和数值结果;最后,采用Laplace逆变换和数值逆变换,得到了粘弹性力学平面问题在物理空间中的解,并比较了由解析解和无网格数值方法所得到的数值结果,可以看到它们是非常吻合的。说明本文方法的正确性和有效性。     

硬脑膜受压膨出挠度的力学分析

硬脑膜是一种粘弹性材料,为控制硬脑膜在脑压作用下的膨出度,对粘弹性薄膜受压膨出挠度作力学分析。以位移为未知量,从粘弹性材料的分型本构关系出发将Foepple薄膜大挠度理论从弹性推广到粘弹性膜,得到一组非线性积分偏微分方程。先在空间上运用Galerkin方法将积分偏微分方程组化为积分常微分方程组。然后,在时间域上运用数值积分和有限差分将方程离散为非线性代数方程组。本文对四周固定夹紧的圆形、椭圆形和矩形薄膜进行了求解,并将求解结果用于颅底缺损重建膜的膨出量计算,计算值与实验值吻合,为颅底外科提供一个理论分析方法。     

基于边界元法的弹性动力问题并行求解

为了扩大结构弹性动力分析的规模和提高分析速度,在微机机群环境下给出了两种基于边界元法的瞬态问题并行求解算法,即并行拉普拉斯变换求解算法和并行时域求解算法.并行拉氏变换法通过拉氏变换隐去时间变量,由各结点机独立求解各自负责的变换边界元问题.并行时域法采用与时间有关的基本解,使得边界元系统矩阵可以实现时间域上的并行形成.系数矩阵采用卷帘存储,以保持负载平衡.通过矩阵向量运算的并行化实现时间步进算法的并行化.理论分析和数值试验结果表明:两种算法都具有较好的并行性能.可以用于大型问题的高效求解.     

变刚度圆板的结构参数动力识别

本文把脉冲谱法(Pulse-Spectrum Technique)推广、发展到求解变刚度圆板的反问题。首先,用拉氏变换把动力方程转化成一组与频域变量有关的弹性地基板方程,并用冻结参数法求解相应的边值问题与Green函数,从而导出决定迭代增量的积分方程式。考虑到反问题的综合与病态特性,文中再将其转化为相应泛函的尤拉方程,由此求得结构参数增量的正规化近似解。数值模拟算例表明,本文给出的算法对所论微分方程的反问题,在计算速度与精度上均能获得满意的结果。     

层状弹性半空间非轴对称动力问题的奇异解

在柱坐标系下，利用关于方位角的Ｆｏｕｒｉｅｒ变换及关于径向的Ｈａｎｋｅｌ变换，将弹性力学基本方程组转化为非齐次的一阶常微分方程组的标准形式．采用求解微分方程组的矩阵法，建立了介质层的传递矩阵．由层间完全接触条件，导出了在任意埋藏源作用下层状弹性半空间频域奇异解，时域奇异解可通过关于频率的Ｆｏｕｒｉｅｒ积分得到．该方法可应用到固体、流体层的情况     

由运动内热源引起的磁热黏弹性问题的研究

在具有两个热松弛时间的广义热弹性理论下, 研究了处于定常磁场中的均布各向同性黏弹性半空间中, 由以均匀速度运动的线热源引起的瞬态波问题. 通过引入黏弹性向量势和热黏弹性标量势,问题退化为求解3个偏微分方程. 运用Laplace变换(对时间变量)和Fourier变换(对一个空间变量), 得到了变换域内应力和位移的解析表达式. 采用级数展开法, 得到了边界位移在小时间范围内的近似解, 给出了解的近似范围, 同时还研究了两种特例：(1)热源静止不动, (2)不考虑热松弛时间的影响. 最后对于丙烯酸塑料介质给出了数值结果.     

粘弹性固体的精细积分有限元算法

粘弹性固体本构方程的数学表达式分为微分型和积分型两种，其数值求解主要是时域上离散计算。文中从微分型表达式出发导出其状态空间方程的数学表达式，通过严格推导论证了它与微、积分型表达式的等价性；引入状态空间方程，从而利用精细积分格式来求解粘弹性固体本构方程；给出了粘弹性固体本构方程的精细积分有限元算法，为求解粘弹性固体本构方程的数值解提供了一个新的途径，具有计算简便，求解精度高等优点。     

圆锥壳自由振动传递函数解

本文在线性弹性理论基础上，给出了一种求解圆锥薄壳自由振动的渐进传递函数解法，壳体的三个位移分量，外力和边界条件首先沿环向展开的Ｆｏｕｒｉｅｒ级数，然后关于时间变量进行Ｌａｐｌａｃｅ变换，这样就将壳体的控制方程化为一系列含复参数ｓ的变系数常微分方程组，通过定义状态变量。得到了壳体动力学问题的状态空间控制微分方程，引入一小参数，并利用摄动技术就可以得到微分方程的渐进传递函数解，将各于锥段的解进行综合，     

层状饱和土Biot固结问题状态空间法

针对饱和多孔介质空间非轴对Biot固结问题，引入状态变量，构造了两组相比独立的状态变量方程，利用Fourier级数和Laplace-Hankel变换，将状态变量方程转换为两组一阶常微分方程组，提出了均质饱和多孔介质空间非轴对称Biot固结问题的传递矩阵，得到以状态变量和传递矩阵乘积的形式表示的均质饱和多孔介质空间非轴对称Biot固结问题的解，利用层间完全接触的条件，可得到N层饱和多孔介质空间非轴对称Biot固结问题的一般解析表达式，文中考虑几种不同的边界条件，分析了两个算例，数值结果表明该方法具有较高的计算精度和良好的计算稳定性。     

求解动荷载作用下多层粘弹性半空间轴对称问题的精确刚度矩阵法

利用Laplace—Hankel联合积分变换，推导出了单层粘弹性半空间轴对称问题在动荷载作用下，层间完全接触情况的刚度矩阵，然后按传统的有限元方法组成总体刚度矩阵。通过求解由总体刚度矩阵所构成的代数方程就可解出动荷载作用下多层粘弹性半空间轴对称问题的矩阵。由于刚度矩阵的元素中只含有负指数项，计算时不会出现溢出的现象。本文还成功地应用了Durbin的Laplace逆变换的数值方法，求解出了多层粘弹性体的时域解。最后，文中还给出了路面动弯沉的计算结果与实测结果的对比来证明推导结果的准确性。     

求解饱和半空间上弹性圆板固结沉降的积分方程

本文采用解析方法分析了弹性圆板在饮和半空间上的固结沉降。考虑弹性圆板与饮和半空间的接触面上无摩擦力,且饱和半空间表面为全部透水的。运用Ｂｉｏｔ固结理论和积分方程技术,在Ｌａｐｌａｃｅ变换域上建立了弹性圆板固结沉降的对偶积分方程,并化此对偶积分方程为第二类Ｆｒｅｄｈｏｌｍ积分方程。通过对其核函数的有效数值发得到第二类Ｆｒｅｄｈｏｌｍ积分方程的解,再利用Ｌａｐａｃｅ反演技术获得弹性板在时间域中的固结沉     

State space approach to the generalized thermoelastic problem with temperature-dependent elastic moduli and internal heat sources

A two-dimensional equation of generalized thermoelasticity with one relaxation time in an isotropic elastic medium with the elastic modulus dependent on temperature and with an internal heat source is established using a Laplace transform in time and a Fourier transform in the space variable. The problem for the transforms is solved in the space of states. The problem of heating of the upper and the lower surface of a plate of great thickness by an exponential time law is considered. Expressions for displacements, temperature, and stresses are obtained in the transform domain. The inverse transform is obtained using a numerical method. Results of solving the problem are presented in graphical form. Comparisons are made with the results predicted by the coupled theory and with the case of temperature independence of the elastic modulus.     

Hybrid numerical scheme for nonlinear two-dimensional phase-change problems with the irregular geometry

A hybrid numerical scheme combining the Laplace transform and control-volume methods is presented to solve nonlinear two-dimensional phase-change problems with the irregular geometry. The Laplace transform method is applied to deal with the time domain, and then the control-volume method is used to discretize the transformed system in the space domain. Nonlinear terms induced by the temperature-dependent thermal properties are linearized by using the Taylor series approximation. Control-volume meshes in the solid and liquid regions during simulations are generated by using the discrete transfinite mapping method. The location of the phase-change interface and the isothermal distributions are determined. Comparison of these results with previous results shows that the present numerical scheme has good accuracy for two-dimensional phase-change problems. Received on 17 October 1996     

单向纤维复合材料粘弹性性能预测

建立了基于均匀化理论的单向纤维复合材料粘弹性性能预测方法。对单向纤维增强复合材料粘弹性问题的控制方程进行Laplace变换,在像空间中利用均匀化理论建立宏观松弛模量的Laplace变换与微结构描述参数以及变换参数间的关系。用Prony级数模拟松弛模量随变换参数的变化形式,并根据像空间中一系列变换参数对应的松弛模量的数值,采用函数拟合技术确定Prony级数的形式,从而确定用显示形式表示的松弛模量的Laplace变换随变换参数的变化规律。对显式表达式的逆变换获得时间域内的松弛模量。该方法利用拟合函数的逆变换避开了复杂的数值Laplace逆变换,使单向纤维增强复合材料的粘弹性性能的确定变得容易。文中给出了单向纤维复合材料松弛模量的数值预测结果并同有限元法模拟试验的结果对比,验证了预测结果的准确性以及本文方法的有效性。     

无穷域势流问题的有限元／差分线法混合求解

提出了一种将有限元和差分线法相结合求解无穷域势流问题的算法。用两同心圆将求解域划分为存在重叠的有限和无限两个区域,在有限和无限域上分别用有限元和差分线法求解Laplace方程边值问题。用差分线法推导出的关系式修正有限元方程,求解该方程组从而得到原问题的解。本算法将求解无穷域问题转化为代数特征值问题和有限域内线性方程组的...     

A half-space problem in the theory of generalized thermoelastic diffusion

In this work we consider the problem of a thermoelastic half-space with a permeating substance in contact with the bounding plane in the context of the theory of generalized thermoelastic diffusion with one relaxation time. The bounding surface of the half-space is taken to be traction free and subjected to a time dependent thermal shock. The chemical potential is also assumed to be a known function of time on the bounding plane. Laplace transform techniques are used. The solution is obtained in the Laplace transform domain by using a direct approach. The solution of the problem in the physical domain is obtained numerically using a numerical method for the inversion of the Laplace transform based on Fourier expansion techniques.The temperature, displacement, stress and concentration as well as the chemical potential are obtained. Numerical computations are carried out and represented graphically.     

A problem for an infinite elastic body with a spherical cavity in the theory of generalized thermoelastic diffusion

In this work, we study a one-dimensional problem in a generalized thermoelastic diffusion in infinite medium with a spherical cavity subjected to a time dependent thermal shock of its internal boundary which is assumed to be traction free. The chemical potential is also assumed to be a known function of time on the bounding cavity. Laplace transform techniques are used. The solution of the problem in the transformed domain is obtained by using a direct approach without the customary use of potential functions. By means of numerical Laplace inversion, the problem is solved in the physical domain. Numerical results predict finite speeds of propagation for thermoelastic and diffusive waves. To investigate the diffusions effects, a comparison is made with the results obtained in the thermoelastic problem.