基于非局部效应和表面效应的输流碳纳米管稳定性分析简

应用非局部黏弹性夹层梁模型分析双参数弹性介质中输送脉动流碳纳米管的稳定性. 新模型中同时考虑了由管道内、外壁上的薄表面层引起的表面弹性效应和表面残余应力，经典的欧拉梁模型因此通过引入非局部参数和表面参数得到了改进. 用平均法对其控制方程进行求解，得到了管道稳定性区域. 数值算例揭示了纳米材料的非局部效应、表面效应及两个弹性介质参数对管道固有频率、临界流速和动态稳定性的复杂影响，结论可为纳米流体机械的结构设计和振动分析提供理论基础.     

考虑表面效应的形状记忆合金纳米梁弯曲特性研究

形状记忆合金(Shape Memory Alloys, SMAs)因其具有形状记忆效应和超弹性,在航空航天、生物医疗、微机电系统领域中得到了广泛的应用．当微结构尺度达到微纳米,表面效应对微结构力学性能的影响是十分显著的．本文基于梁弯曲变形理论以及Gurtin-Murdoch表面弹性理论,考虑拉压不对称、温度对于SMA纳米梁的影响,建立了考虑表面效应的SMA纳米梁相变力学模型．分析了弯曲载荷、温度、表面残余应力以及表面弹性模量对SMA纳米梁力学性能的影响规律．研究表明在SMA纳米梁相变阶段,忽略和考虑表面效应所得的截面应力及应变相对误差较为明显;在相同弯矩下,随温度的增加SMA纳米梁的截面应力随之增加,并且表面效应对其影响有减小趋势;表面残余应力对SMA纳米梁的影响显著．该文研究结果为SMA纳米梁在微机电领域的设计以及应用提供了一定基础与依据．     

考虑表面效应纳米压电双晶中波的频散分析

基于非局部应变梯度理论探究了考虑表面弹性和表面残余应力的纳米压电双晶中波的频散特性,压电双晶的上下压电层暴露在电场之中并且整体沉积在粘弹性基底之上.利用哈密顿原理和正弦剪切理论推导了控制方程,利用含非局部参数和长度尺度参数的尺度依赖本构关系得到了运动方程,带入谐波解求解相应的特征方程.数值揭示了表面弹性和表面残余应力、尺度参数和波数以及粘弹性基底对压电双晶的作用规律.研究表明,表面效应的存在对压电纳米双晶频率特性的研究至关重要,尺度参数和波数对频散特性具有耦合作用,弹性系数、阻尼系数和压电层厚度对频率的作用表现出区域性.     

THERMOELASTIC VIBRATION OF FLUID-CONVEYING MICROTUBES EMBEDDED IN ELASTIC MEDIUMS

研究热环境中被弹性介质包围的微米输流管道的横向振动问题. 根据Hamilton 原理及非线性热弹性理论建立管道横向振动控制方程,并利用复模态法对其进行求解,得到了系统的固有频率和屈曲失稳临界流速,讨论了环境温度和一些重要系统参数对管道振动特性的影响. 研究结果表明:环境温度变化、管道和流体的微尺度效应、管道外径及弹性介质刚度对输流微管道固有频率和临界流速都有很大影响.     

微结构非局部效应的多重性模型及在微梁弯曲中的应用

基于Eringen非局部弹性理论,直接利用逐次逼近法推导了非局部应力场的精确表达,该精确的非局部应力可具体表示为一个无穷级数的形式. 然后以微梁的横向弯曲和纯弯曲变形为例,建立平衡方程并求解及分析了挠度受非局部效应的影响. 结果表明：根据所取非局部小尺度参数大小的不同,非局部微梁的弯曲挠度可低于也可以高于经典力学下的挠度,非局部效应的增大可提高亦可降低结构的抗弯刚度. 本文结果证明了Wang以及Lim等人分别提出的两种相反的非局部模型的各自正确性. 同时首次发现,弯曲挠度随着非局部效应的增大而上下波动且存在若干跳跃点,挠度是非局部小尺度参数的非单调函数,研究同时给出了一种确定材料非局部常数的建议途径.     

基于非局部理论的分数阶黏弹性场地地震放大效应分析

基于非局部理论和分数阶导数理论,研究上覆黏弹性场地土的地震放大效应。利用Eringen非局部理论考虑土体颗粒尺度等非局部效应的影响,通过分数阶黏弹性本构模型刻画场地土的应力应变本构关系,建立基于非局部理论的分数阶黏弹性场地土的振动微分方程;考虑分数阶导数的性质和黏弹性场地土的边界条件,得到了简谐地震波作用下黏弹性场地土的位移和剪切应力的解析解,并在频率域内给出了位移放大系数和应力放大系数的表达式;最后通过数值算例分析了非局部效应、分数阶导数的阶数和土体黏性参数等对黏弹性场地地震放大效应的影响。数值分析结果表明,在低频时位移放大系数和应力放大系数随频率变化曲线存在波动,高频时逐渐趋于稳定;非局部效应对场地土位移放大系数的影响与频率有关,对应力放大系数的影响较大,在研究场地土振动效应时有必要考虑土体非局部效应的影响;分数阶导数的阶数越小,位移放大系数和应力放大系数随频率变化曲线波动越大;场地土的力学性质对场地土的振动效应的影响较大;上覆场地土的黏性对位移放大系数的影响与频率有关,高频时,土体黏性越大,位移放大系数越大;越接近基岩,土体的应力放大系数越大,且土体深度对应力放大系数的影响越大。     

微纳米尺度效应作用下充流微通道系统波动特性研究

结合非局部弹性应力/应变梯度耦合本构关系和流体非局部应力关系式,基于Euler梁理论,建立了充流微通道流固耦合波传导模型;根据耦合固体非局部应力/应变梯度弹性效应以及流体非局部效应,分别模拟了微通道和管腔内流体的尺度效应,推导得出了充流微通道在微纳米尺度的波动控制方程和边界条件。通过对控制方程的求解,分析了不同类型尺度效应对微通道的波动和振动特性的影响。结果显示,各类尺度效应对系统的动力学特性影响不同。微通道非局部弹性效应对波动产生阻尼,特别是对波长较短的波传导;而应变梯度弹性效应对波传导有促进作用,且该效应对波动的影响与波长无关;非局部效应和应变梯度效应对微通道刚度产生不同影响,非局部效应降低刚度,应变梯度效应增加刚度。     

纳米圆轴在弹性介质中的扭转振动分析

基于非局部应变梯度理论,考虑周围弹性介质的影响,研究纳米圆轴的扭转自由振动。首先通过Hamilton原理推导纳米圆轴扭转振动的控制方程及边界条件,接着采用微分求积法得到控制方程及三类边界条件的离散形式,最后由数值计算结果分析扭转振动特性。讨论了两个小尺度参数和弹性介质刚度的变化对振动频率的影响,并通过小尺度参数比对振动频率的影响分析两个尺度参数的耦合作用。研究结果表明,扭转自由振动频率随非局部参数增加而减小,随应变梯度尺度参数、弹性介质刚度增加而增大;当非局部参数大于应变梯度尺度参数时,小尺度效应体现为非局部效应,相反则体现为应变梯度效应。     

考虑表面效应的双层圆板的自由振动分析

考虑微生化传感器中谐振器的结构特点,基于Kirchhoff薄板理论与表面弹性理论推导了考虑表面效应的双层圆板的自由振动方程.使用伽辽金法得到了近似解.分析了硬化与软化表面效应与表面残余应力对双层圆板固有频率的影响.结果表明,与已有简化的单层圆板模型相比,现有考虑表面效应的双层板模型会得到与之不同的固有频率.随着板厚与上...     

基于非局部铁木辛柯梁模型的碳纳米管弯曲特性研究

本文基于哈密顿变分原理和非局部连续介质弹性理论,建立了新型非局部铁木辛柯梁模型(ANT),推导了碳纳米管的ANT弯曲平衡方程以及两端简支梁、悬臂梁和简直-固定梁的边界条件表达式,分析了剪切变形效应和非局部微观尺度效应对碳纳米管(CNT)弯曲特性的影响.数值计算结果显示,碳纳米管的弯曲刚度随着小尺度效应的增强而升高.其次,这种小尺度效应对自由端受集中力的悬臂梁碳纳米管有明显作用,其刚度变化规律和其它约束条件的碳纳米管一样,这一点是ANT模型区别于普通非局部纳米梁模型的主要特点.经分子动力学模拟验证,ANT模型是合理分析碳纳米管力学特性的有效方法.     

计及二阶效应的门座起重机变幅工况动力学分析

对门座起重机的变幅工况进行了计及二阶效应的大范围运动弹性动力分析。使用柔性多体系统动力学方法描述柔性体的变形和运动,结合非线性有限元理论推导了一般运动柔性单元在局部坐标系下的计及二阶效应的动力学方程,进而使用三结点Euler-Bernoulli梁单元的形函数,推导了柔性梁单元的动力学方程。对该方程进行静力凝聚并使用随动坐标法,得到便于系统动力学方程组集的整体坐标系下的两结点梁单元动力学方程。对某型门座起重机臂架系统的变幅工况进行了计及二阶效应的弹性动力分析,结果表明:二阶弹性位移和内力均为相应线性解上的波动,且波动幅值较大,因此对大柔度重载机械应进行考虑二阶效应的弹性动力分析。     

考虑尺度效应的微梁静态弯曲数值分析

基于修正偶应力理论及表面弹性理论,本文提出了一种新的双曲线剪切变形梁模型,用于均匀微尺度梁的静态弯曲分析。该理论可以直接利用本构关系获得横向剪切应力,满足梁顶部和底部的无应力边界条件,避免了引入剪切修正因子。根据广义Young-Laplace方程建立了梁的内部与表面层的应力连续性条件,单一的变量场可以描述梁的位移模式。通过在位移场中考虑表面层厚度以及表面层的应力连续条件,可以使新模型能够更准确地预测微尺寸和表面能相关的尺度效应。通过Hamilton原理推导出了梁的控制方程和边界条件。应变能除了考虑经典弹性理论,还要考虑微结构效应和表面能。Navier-type的解析解适用于简支边界条件,而基于拉格朗日插值的微分求积法(DQEM)可以研究在不同边界条件下的力学响应。把该数值解与Navier方法得出的解析解作了对比,得出:微尺度梁在考虑表面能或微尺寸效应、不同载荷和梁高变化下的响应一致;当不考虑微结构相关性和表面能效应时,该模型退化为经典的欧拉梁模型。     

非局部应变梯度理论下纳米梁的力学特性研究

基于非局部应变梯度理论,建立了一种具有尺度效应的高阶剪切变形纳米梁的力学模型.其中,考虑了应变场和一阶应变梯度场下的非局部效应.采用哈密顿原理推导了纳米梁的控制方程和边界条件,并给出了简支边界条件下静弯曲、自由振动和线性屈曲问题的纳维级数解.数值结果表明,非局部效应对梁的刚度产生软化作用,应变梯度效应对纳米梁的刚度产生硬化作用,梁的刚度整体呈现软化还是硬化效应依赖于非局部参数与材料特征尺度的比值.梁的厚度与材料特征尺度越接近,非局部应变梯度理论与经典弹性理论所预测结果之间的差异越显著.     

INVESTIGATIONS ON THE MECHANICAL CHARACTERISTICS OF NANOBEAMS BASED ON THE NONLOCAL STRAIN GRADIENT THEORY1)

基于非局部应变梯度理论,建立了一种具有尺度效应的高阶剪切变形纳米梁的力学模型. 其中,考虑了应变场和一阶应变梯度场下的非局部效应. 采用哈密顿原理推导了纳米梁的控制方程和边界条件,并给出了简支边界条件下静弯曲、自由振动和线性屈曲问题的纳维级数解. 数值结果表明,非局部效应对梁的刚度产生软化作用,应变梯度效应对纳米梁的刚度产生硬化作用,梁的刚度整体呈现软化还是硬化效应依赖于非局部参数与材料特征尺度的比值. 梁的厚度与材料特征尺度越接近,非局部应变梯度理论与经典弹性理论所预测结果之间的差异越显著.     

多体系统动力学中关节效应模型的研究进展

在一般的多体系统动力学研究中认为运动关节是理想运动副. 然而,实际中的运动关节不仅含有间隙与摩擦,还有间隙引起的关节元素之间的接触碰撞、局部变形和磨损. 多体系统动力学中的关节效应不仅引起了系统的振动和噪声,减小了系统的可靠性和寿命,而且损失了系统的精度和稳定性. 为此,对近十几年多体系统动力学中关节效应的研究进行了详细分析,总结了关节效应中间隙运动学模型、接触力模型与磨损模型在多体系统动力学中的建模过程. 其中,着重分析了多体系统动力学中关节磨损效应的研究进展,并对常用的Reye'shypothesis 和Archard 磨损模型进行了比较,详细地分析了Archard 磨损模型的演变形式以及主要磨损参数(接触应力,接触面积和滑移距离),特别分析了关键磨损参数接触应力的建模方法,解释了基于Winkler 弹性基础理论在求解接触应力时遇到的困难. 另外,介绍了4 种间隙运动副(转动副、移动副、圆柱副和球面副) 的运动学模型. 分析了考虑关节磨损多体系统动力学模型的一般建模方法,并以平面五杆机构为例说明了其建模过程.最后,简要地展望了多体系统动力学中关节效应模型的发展趋势以及应用前景.      

准脆性材料抗压强度能量平衡尺寸效应模型

针对现有尺寸效应模型难以体现准脆性材料完整的抗压强度尺寸效应变化规律及其内在机理, 本文通过分析准脆性材料单轴压缩破坏过程中能量输入、储存、整体和局部能量耗散, 建立体现整体和局部损伤的力学模型及描述上述能量演化过程的双线性名义和真实应力应变曲线, 在此基础上确定了名义应力最大时输入能量、储存弹性能、整体和局部能量耗散的表达式, 最后基于能量平衡原理建立抗压强度尺寸效应模型. 抗压强度能量平衡尺寸效应模型能完整体现名义抗压强度尺寸效应, 即随试样尺寸增大, 名义抗压强度在试样尺寸小于等于局部损伤区尺寸时为真实强度, 然后逐渐减小, 最终当试样尺寸趋于无穷大时趋于弹性极限强度; 抗压强度能量平衡尺寸效应模型也能同时体现高径比和试样直径对名义强度的影响, 其包含的参数具有明确的物理意义, 可以反映真实强度、弹性极限强度、名义损伤模量非线性、局部损伤区大小和方向对准脆性材料名义抗压强度尺寸效应的影响; 通过把抗压强度能量平衡尺寸效应模型和现有尺寸效应模型应用于预测各种材料尺寸效应试验和数值模拟数据, 结果表明: 抗压强度能量平衡尺寸效应模型能很好描述试验和数值模拟尺寸效应的非线性变化规律及内在机理, 和现有尺寸效应模型相比, 其总体平均误差最小, 且小于5%.      

四角点支撑纳米板稳态受迫振动解析解

本文基于非局部弹性理论及辛叠加方法,得到放置在黏弹性介质上四角点支撑矩形纳米板稳态受迫振动问题的解析解．将纳米板受迫振动问题导入哈密顿体系,得到哈密顿控制方程,在无需任何预设函数的情况下可直接对哈密顿控制方程进行求解,得到简支纳米板稳态受迫振动问题在辛空间展开形式的解析解．进而通过边界叠加,可求出四角点支撑纳米板稳态受迫振动的解析解．数值算例中验证了本文应用辛叠加方法得到解析解的准确性,并以石墨烯纳米板为例,分析了非局部参数和黏弹性介质参数对四角点支撑石墨烯纳米板稳态受迫振动的影响．结果表明,非局部参数和黏弹性介质参数的变化会影响石墨烯纳米板的共振频率及共振幅值．     

表面效应对多孔纳米梁后屈曲行为的影响分析

为分析表面效应对多孔梁在轴向压力下的屈曲和后屈曲行为的影响,使用Gurtin–Murdoch表面弹性理论,建立了轴向可伸长梁的非线性后屈曲控制微分方程。其中假设梁的孔隙分布在其厚度上具有对称和非对称的两种非均匀模式。采用打靶法数值求解,给出了不同孔隙率系数下多孔纳米梁发生屈曲的临界载荷和后屈曲平衡路径曲线,讨论了表面材料特性对后屈曲行为的影响。结果表明：纳米梁具有十分显著的表面效应,表面效应对多孔纳米梁的屈曲和后屈曲行为有重要影响。     

小尺度对振动简支单层碳纳米管边界条件的影响

以非局部弹性理论为基础,考虑了碳纳米管的小尺度效应,采用欧拉-伯努利梁模型给出了单层碳纳米管的动力学控制方程.研究了小尺度效应对振动简支单层碳纳米管边界条件的影响,并通过具体算例与经典连续介质理论的简支边界条件进行比较.结果表明:简支条件下考虑小尺度效应的非局部弹性理论和经典连续介质理论的边界条件具有同一性.     

分析弹性支承输流管道的失稳临界流速

研究了两端弹性支承输流管道静态失稳和动态失稳临界流速. 根据梁模型横向弯曲振动模态 函数,由两端弹性支承的边界条件得到了其模态函数的一般表达式. 根据特征方程具体分析 了弹性支承刚度、质量比、流体压力和管截面轴向力等主要参数对失稳临界流速的影响. 数 值计算结果表明,管道在弹性支承下的动力稳定性比较复杂,在较小的弹性支承刚度和较小 的参数范围内,管道主要表现为动态颤振失稳;在较大的弹性支承刚度和较大的参数作用下, 管道的失稳形式主要表现为静态失稳;并且失稳临界流速随流体压力和管截面轴向压力的增 加而下降,随管截面轴向拉力的增加而上升.