隧洞围岩应力复变函数分析法中的解析函数求解

利用复变函数理论进行地下任意开挖断面隧洞围岩应力分析的前提,是根据围岩应力边界条件方程推导出两个解析函数．从Harnack定理出发,将隧洞围岩应力边界条件方程转化成积分方程;把Laurent级数有限项表示的映射函数引入积分方程中,将以任意开挖断面为边界条件的解析函数求解转化成以单位圆周线为边界条件的求解问题．对积分方程中各被积函数在讨论域内的解析性进行了分析,在此基础上利用留数理论求解了方程中各项积分值,并获得了用来表示任意开挖断面隧道围岩应力的两个解析函数通式．给出了圆形和椭圆形隧道的两个解析函数求解算例,所获得的结果与文献中的结果一致．利用留数理论推导出的两个解析函数通式,适用于任意开挖断面隧洞的围岩应力解析解的计算,且计算过程更为简单,计算结果更为精确．     

深埋隧洞围岩应力的精确解与近似解的对比分析

对不同断面形状的深埋隧洞进行了分析,比较了隧洞围岩应力解析解与通过当量半径方法得到的近似解之间的差别.首先,应用复变函数的基本理论,给出圆形、椭圆、矩形、直墙拱形等几种常见深埋隧洞围岩应力的解析表达式.其次,应用当量半径的折算形式,将其任意形状的边界转化为标准圆形断面,利用Lamé解答得到了各围岩应力分量.最后,考虑隧洞断面形状参数的变化,通过数值算例对精确解和近似解进行了比较,分析了当量半径折算形式的精确度.在此基础上,应用有限元方法验证了复变函数解析解的精确性,以椭圆、矩形和直墙拱形的复变函数解验证当量半径精确度.结果表明,当量半径的折算形式解答与精确解答之间相似程度与隧洞的断面形状和几何参数之间有着密切的关系.     

深埋公路隧洞围岩应力和位移分布的复变函数解

为了优化公路隧道的设计和确保施工安全,必须明确公路隧洞开挖时围岩的力学行为.利用复变函数方法,通过保角映射函数把隧洞外域变换为单位圆外域.利用Cauchy(柯西)积分和留数定理求出两个应力函数,从而得到围岩的应力与位移的平面应变问题的解析解.结合曲墙马蹄形断面,通过数学软件MATLAB编程计算,分别给出了应力和仅考虑开挖引起的位移沿隧洞边和坐标轴方向的分布.利用有限元软件ANSYS建立二维平面应变模型,对理论推导得到的应力和位移的分布进行验证,数值解结果与近似解析解结果吻合性很好.研究结果表明:最大的环向应力发生在隧洞拱脚处,最大水平位移发生在拱腰处,最大的沉降和隆起分别发生在拱顶和仰拱中心处.沿坐标轴的正应力在隧洞附近变化较大,不一定在洞边取得最大值,离洞边不到10 m的距离,便分别趋于所加外荷载.位移值在洞边最大,随着离洞边距离的增大,逐渐单调趋于0.     

矩形巷道围岩应力分布特征

为得出矩形巷道围岩应力分布特征,根据复变函数理论推导得出了矩形巷道围岩应力解析式并采用巷道围岩沿线分布和matlab软件对巷道围岩应力进行仿真分析两种方法对巷道围岩应力分布特征进行分析.以沿水平线φ=0的围岩应力分布规律为例进行巷道围岩沿线应力分布分析,得出了侧压系数对巷道径向应力和环向应力大小影响规律;侧压系数对径向应力和环向应力峰值出现位置影响规律;围岩至巷道右帮距离与径向应力和环向应力变化规律.以侧压系数对围岩应力空间分布影响为例采用matlab软件对巷道围岩应力仿真分析,得得到了巷道围岩应力空间分布图,可比较方便直观的得到巷道围岩任意位置应力分布情况,还得出了不同巷道尺寸及不同侧压下应力集中系数峰值位置均出现在矩形巷道的四角上.研究结果为巷道支护设计提供了理论依据.     

一维六方压电准晶中正六边形孔边裂纹的反平面问题

研究了一维六方压电准晶中正六边形孔边裂纹的反平面问题,利用复变函数中的Cauchy积分公式,通过构造保角映射函数,在电非渗透型的边界条件下得到了孔边裂纹尖端的应力分布以及场强度因子的解析解.通过数值算例,讨论了正六边形的边长和裂纹长度以及剪应力对场强度因子的影响.     

弹性平面孔洞形状优化复变函数方法

本文提出了弹性平面孔洞形状优化的复变函数方法,充分利用了复变函数方法分析孔洞应力的有效性,进行应力分析.对孔洞形状的优化,是将保角变换函数中的一些系数做为设计变量,采用敏度分析和梯度法降低绝对值最大的周向应力,同时使绝对值次大的周向应力不超过绝对值最大的周向应力(这两个周向应力实际是周向应力的两个极值点处的周向应力值)逐次迭代修正保角变换函数中的系数值,直至绝对值最大的周向应力降低至绝对值次大的周向应力相等为止.这个方法保证了应力解在边界上的连续性、可微性和高精度性,比差分法和有限元法有着明显的优越性.     

非圆形水工衬砌隧洞与横观各向同性岩体在光滑接触下的解析分析

提出了横观各向同性岩体中的非圆形水工衬砌隧洞在各向同性衬砌与岩体处于光滑接触条件下的解析方法.基于复变函数理论,通过建立两种介质在光滑接触边界上的力和位移连续关系以及衬砌自由边界的水压力边界条件,考虑衬砌支护滞后效应并使用幂级数解法获得解析解.针对倾斜结构面岩体中的马蹄形水工衬砌隧洞,使用解析和数值方法验证了解析解的正确性,获得了岩体各向异性和不同洞内水压力对衬砌和围岩接触边界,以及衬砌自由边界上应力和位移分布的影响规律.     

引用复变量伪应力函数来解幂硬化材料平面应力问题

本文引用复变量伪应力函数将幂硬化材料平面应力问题的协调方程化为双调和方程,从而使此类有强化材料的弹塑性平面应力问题能像线弹性力学平面问题那样采用复变函数法进行求解.本文推导出了幂硬化材料平面应力问题的应力、应变及位移分量的复变函数表达式,可推广应用于满足全量理论的一股弹塑性平面应力问题.作为算例,文中给出了含圆孔幂硬化材料无限大板单向受拉问题的解答,并和有关文献用摄动法获得的同一问题的渐近解进行了比较.     

任意形状孔口双边裂纹平板的应力强度因子计算

本文采用Muskhclishvili弹性力学的复变函数和边界配位方法对不同形状孔口双边裂纹问题进行了研究,计算了圆孔、椭圆孔、矩形孔、菱形孔等不同形状孔口双边裂纹,以及Ⅰ型和复合型等不同类型断裂试件的应力强度因子,本文方法简单方便,精度较高,与某些已有计算结果的问题比较,本文方法所得的结果是令人满意的.同时,本方法可以应用于不同几何形状和加载条件下的孔口双边裂纹有限大板的计算,是解这一类问题的一致有效方法.     

一维正方准晶垂直于准周期方向具有不对称共线裂纹的圆形孔口问题

利用复变函数方法,通过构造广义保角映射,研究了一维正方准晶垂直于准周期方向具有不对称共线裂纹的圆形孔口问题,给出了各应力分量在象平面的复表示,并得到该裂纹尖端的应力强度因子.在极限情形下,给出一维正方准晶中具有对称共线裂纹的圆形孔口,带单裂纹的圆形孔口和Griffith裂纹在裂纹尖端的应力强度因子.     

Areas of polygons inscribed in a circle

Heron of Alexandria showed that the areaK of a triangle with sidesa,b, andc is given by $$K = \sqrt {s(s - a)(s - b)(s - c)} ,$$ wheres is the semiperimeter (a+b+c)/2. Brahmagupta gave a generalization to quadrilaterals inscribed in a circle. In this paper we derive formulas giving the areas of a pentagon or hexagon inscribed in a circle in terms of their side lengths. While the pentagon and hexagon formulas are complicated, we show that each can be written in a surprisingly compact form related to the formula for the discriminant of a cubic polynomial in one variable.     

An analytical solution for time-dependent stress field of lined circular tunnels using complex potential functions in a stepwise procedure

Time-dependent behavior of surrounding mass plays a significant role in designing underground constructions. Considering simple configuration of lined circular tunnels, a lot of solution have been proposed to this problem. However, many assume hydrostatic initial stress field, and other solutions are only applicable to simple rheological models and could not account for viscosity effect in long-term time periods. In this study, an analytical plane strain solution is proposed for lined circular tunnels under non-hydrostatic initial stress field, assuming rock mass as a viscoelastic material obeying Burgers model, while concrete lining is supposed to have linear elastic behavior. The solution which employs complex variable method combined with correspondence principle benefits from time discretization approach enabling the solution to take into account the viscosity effect in the both short-term and long-term periods of time, while predicting stress components accurately. The results obtained by the proposed solution were compared with those predicted by finite element COMSOL software which exhibited a close agreement. It was found that by increasing time both the proposed analytical solution and finite element numerical method tend to an oblique asymptote due to viscosity effect of Maxwell body in the Burgers model. Finally, a parametric analysis was performed with respect to Burgers model coefficients which showed different behavior for short and long periods of time.     

基于Schwarz-Christoffel变换的非圆截面血管流场分布研究

应用Schwarz-Christoffel(S-C)变换方法,实现从复平面单位圆到多边形区域的共形映射,结合圆形管道下完全发展脉动流的Womersley算法理论,建立了基于S-C映射的非圆入口截面下的Womersley速度边界模型.在边界模型建立的基础上,应用计算流体力学方法,对基于生理真实的人体肺动脉二级分支血管在一个心动周期内的血流流动情况进行了数值模拟,并与通过外接圆管法设定入口速度边界条件得到的流场模拟结果进行了对比分析.分析结果表明,两者的模拟结果高度一致,但考虑到模拟效率和数值模拟结果的确定性,基于S-C映射的Womersley速度边界模型优于外接圆管方法,对于血管血流动力学的模拟研究更具有现实意义.     

基于AHP的深部巷道围岩稳定性影响因素评价分析

根据岩体力学和工程地质学理论,采用层次分析(AHP)法对影响深部巷道围岩稳定性的因素进行分析,从围岩岩体力学性质因素、工程地质因素、工程技术因素方面考虑,建立稳定性影响因素各项指标的递阶层次结构模型,构造判断矩阵,给出各层元素的单排序权重和总排序权重,找出影响深部巷道围岩稳定性的关键性因素,并进行定性和定量分析,为深部巷道围岩控制提供了可靠的理论依据.     

Minimal distance calculation between the industrial robot and its workspace based on circle/polygon-slices representation

The real-time and reliable collision detection is the vital basis for the robotic motion control in real applications. In this work, the minimal distance calculation between the industrial robot and its workspace is presented. This method first uses circular/polygonal slices to represent robotic sub-structures with curved edges more accurately, and uses polygonal planes to construct its workspace. Being the basis of the distance calculation, the shortest distance between the spatial circle/polygon and the polygonal plane, as well as that between the circular/polygonal plane and the polygonal plane are first modelled through spatial relation analysis. The simulation validation indicates that the proposed algorithm is more efficient and reliable than both the point-clouds-based and bounding-volume-hierarchies-based algorithms. And the influence of the refinement size on the performance of the proposed model is revealed. Finally, the application example shows that this work is a significant contribution for the collision-free motion control of the industrial robot. The proposed algorithm can also be applied to the distance calculation of other complex objects because of the generality of the proposed slices representation way.     

State of stress in a plat circular ring with a crack : PMM vol. 39, n 6, 1975, pp. 1118–1128

The stress distribution in a circular isotropie ring with a crack on part of the concentric circle is investigated. A system of functional equations governing the coefficients of the complex Fourier series expansion of the stresses acting on the circle on which the crack is located is obtained. The solution of the mentioned system of equations is obtained by using a factorization method, which permitted reduction of the initial system of equations to two coupled infinite systems of algebraic equations. The possibility of using the method of truncation to solve these systems is proved. The singularity originating in the neighborhood of ends of the crack in the formulas governing the stresses is isolated. Stress intensity coefficients for the effect of a uniform load on the external contour are presented.     

考虑底部隆起的浅埋隧道围岩压力计算分析

针对浅埋隧道开挖后底部隆起变形现象,应用极限分析上限法构造了考虑底部隆起变形的围岩压力计算模型,结合线性Mohr-Coulomb准则等推导出极限围岩压力的理论表达式。通过约束条件将围岩压力的计算转化为数学中的最优化问题,编制程序进行了优化计算。将计算结果与工程实测数据及文献计算结果进行了对比,验证了当前方法的可靠性。同时,指出在运用极限分析法处理浅埋隧道围岩压力问题过程中应将隧道底部一同考虑,对隧道底部支护会对整个围岩压力产生影响,有助于隧道结构的整体稳定。研究可以为浅埋隧道的开挖、支护提供一定的理论指导.