理论力学研究性教学新探索——质点系变分原理与弹性介质(结构)变分原理

本文从理论力学研究性教学角度探讨质点系经典变分原理与连续介质/结构变分原理之间的理论联系。弹性介质/结构属于空间连续分布的相互作用质点系,通过将质点之间的弹性相互作用力视作特殊的主动力（有势力）,从而准确构造弹性相互作用所做的内力功,实现将质点系变分原理过渡到弹性介质/结构力学的变分原理。论文通过对比分析,将详细说明质点系变分原理与弹性介质/结构变分原理的理论对应关系,并强调在基础力学研究性教学中展示这一理论联系的必要性。

     

碰撞——理论力学的盲区

碰撞是在自然、生活、运动和工程中广泛存在的力学现象。在简要回顾研究历史之后,本文概述了物体对心正碰撞的基本力学规律;同时指出理论力学的动力学部分提供的理论工具仅限于动量守恒和动量–冲量定理,对撞击力、撞击脉冲和能量损失这些重要的力学量均不能给出任何信息。接着介绍了在线弹性力学、接触力学和弹塑性力学等不同框架下对碰撞问题建立的力学模型,强调碰撞之后的恢复系数并不是材料常数,它同撞击速度密切相关。文章最后呼吁在力学基础教学改革中要弥补碰撞力学知识,帮助学生树立正确的概念。

     

基于动边界微积分关系再论 任意运动控制体的雷诺输运方程推导

严格而言,流体力学中所有守恒定律均是针对物质体系的(或称流体系统),如质量、动量、动量矩和能量等守恒定律。如果跟随物质体系描述和表征流体质点系的运动行为,即为Lagrange描述方法;如果把物质体系的运动和守恒定律转换到空间坐标系中,即为人们常说的Euler描述方法。因此,对于具体考察(跟随的)的流体物质系统而言,各守恒定律存在由物质体系表征到空间体系表征的转换,这个转换关系就是著名的Reynolds输运方程。本文从动边界微积分关系式出发,系统推导了在不同运动速度控制体上的雷诺输运方程,并通过讨论进一步阐明各种不同形式输运方程的物理意义。     

THE DERIVATION OF REYNOLDS TRANSPORT EQUATION FOR ARBITRARY MOTION CONTROL VOLUME BASED ON THE DYNAMIC BOUNDARY CALCULUS

严格而言,流体力学中所有守恒定律均是针对物质体系的(或称流体系统),如质量、动量、动量矩和能量等守恒定律。如果跟随物质体系描述和表征流体质点系的运动行为,即为Lagrange描述方法;如果把物质体系的运动和守恒定律转换到空间坐标系中,即为人们常说的Euler描述方法。因此,对于具体考察(跟随的)的流体物质系统而言,各守恒定律存在由物质体系表征到空间体系表征的转换,这个转换关系就是著名的Reynolds输运方程。本文从动边界微积分关系式出发,系统推导了在不同运动速度控制体上的雷诺输运方程,并通过讨论进一步阐明各种不同形式输运方程的物理意义。     

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。

     

材料生长与变形的连续介质模型:平衡方程与边界条件

本文探讨了生长变形体连续介质模型的平衡理论框架。文中首先证明了广义输运定理，根据这个定理，推导了生长变形体广义平衡方程的一般形式及其生长边界条件，并导出反映生长边界面对平衡影响的生长耦合函数。在此基础上，具体讨论了质量、动量、动量矩以及能量平衡方程，并对其中相伴出现的一些新的物理量进行了评述；此外，还根据非平衡热力学理论的局域平衡假设建立了描述生长变形体热力学过程的熵不等式。这些方程唯象反映了生长变形体在运动、变形与生长过程中各物理量之间的耦合关系与平衡规律。     

烧脑之问：撞击力有多大?

作为冲击加载的一种类型,撞击指的是一个具有质量m 的物体(或结构) 以某一初速度V0 撞到另一个物体(或结构) 的加载行为,以及由之产生的力学和物理现象。动量--冲量定理是求解撞击问题的基本方程,但仅由此定理并不能解出撞击后各物体的速度,所以刚体动力学中通常建议引进一个\恢复系数" 来求得解答。可是,恢复系数" 实际上并不是材料常数,而且仅凭动量-- 冲量定理和\恢复系数" 仍然不能得出撞击脉冲的参数,如峰值力、撞击时长和脉冲形状。本文基于冲击接触力学和结构冲击动力学,对确定撞击脉冲提出了一些思考,并指出工程中沿用的\动载系数" 是缺乏理论根据的,许多撞击问题值得深入探讨。     

运动状态空间中的变分原理

本文考虑有热交换现象存在时的连续介质的运动问题,提出用广义速度v_i,(i=1,2,3)以及绝对温度T 来描写其运动状态,简称运动状态空间;并根据能量守恒定律,将分析力学中的速变空间中的变分原理,推广至运动状态空间中,建立了运动状态空间中的变分原理,从而可以推出运动状态空间中的四个动力学方程. ...     

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.      

动力学普遍定理对非完整动力学的应用——分析力学札记之二十九

研究非完整动力学问题,可用理论力学方法或分析力学方法.理论力学方法用动力学普遍定理建立运动方程;分析力学方法用非完整动力学的各类方程来列写系统的运动方程.动力学普遍定理,特别是动量矩定理可以用于定点、质心或动点.有时对动点的动量矩定理比对定点的或质心的要简单得多.     

单壁碳纳米管屈曲的原子/连续介质混合模型

用数学和力学研究所，上海 200072)//力学学报.--2004,36(6).--744～748 提供了一种运用原子/连续介质混合(hybrid atomic/continuum,HAC)方法解决纳米力学问题的思路. 通过在连续介质力学模型中引入利用分子力学方法获得物性参数，建立了预测单壁碳纳米管临界屈曲参数的HAC模型. 结果表明, HAC模型具有与连续介质力学模型可比拟的简洁性, 同时可表征纳米管微观结构特征对屈曲参数的影响. 计算结果表明，Zigzag纳米管的抗屈曲性能优于Armchair纳米管. 基于Tersoff-Brenner作用势的分子动力学结果证实了这一结论.     

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.     

从动力学角度看力系等效与简化

力系等效与简化本质上是动力学问题,但在理论力学教学和教材中习惯于放在刚体静力学部分,并且通常仅限于研究作用在刚体上的力系.本文从动力学角度研究作用在一般质点系上的力系,将刚体作为质点系的特例,用多种简洁的途径得到理论力学中关于力系等效、力系简化的全部结论.自1996年起在清华大学面向工科院系开设的理论力学课程中进行了教学实践,取得了很好的效果.     

虚位移原理与变形体能量法的教学衔接

论述了理论力学教学中如何恰当处理质点系的虚位移原理与变形体能量原理的主要内在关联,由质点系虚功方程简便地导出虚功方程应用于变形体的一般形式,并由此导出卡氏第一、第二定理和莫尔定理的普遍形式,并给出了相应例题,为理论力学教学中讲授虚位移原理增添了重要新内容,同时为后续课程打下理论基础,实现了相关内容的自然衔接．     

旋量理论及其在理论力学中的应用

旋量理论是为力学量身定制的数学工具,因其力学描述统一性,数学描述一般性和计算“求解过程”程式化,在对“多刚体”动力学问题“建模、分析和求解”时具有独特的优势：一方面借助螺旋量将刚体的平移和转动描述进行统一;另一方面从数学上进行严谨论述的同时引出对应的物理概念,使得数学性质和物理意义能得到相互映照。本文简要阐述了旋量理论目前在国内外力学教学中的研究现状;介绍了旋量的数学定义及其满足的数学运算性质;梳理了理论力学中的四种基本螺旋量,并给出了矢量静力学和动力学“基本定理”的旋量描述。希望通过本文的研究能为我国理论力学教学提供启示。

     

变质量可控力学系统中的Nielsen算子和Euler算子

1.引言变质量的非完整系统动力学和可控系统动力学是非完整系统力学的重要专题,变质量可控力学系统的研究也引起了人们的注意,本文将分析力学中有关Nielsen算子和Euler算子的结果推广到变质量可控力学系统,得到的主要理论结果是(3.1)和(3.2)式,     

多节拍器耦合系统的动力学建模与分析——动量(矩)定理的应用

应用质点系的动量定理和相对动点的动量矩定理,建立了多个节拍器耦合系统的动力学方程.通过数值仿真,分析了其同步现象,并通过实验给予了验证.该问题可用于理论力学课堂教学,丰富教学内容,增强学生理论联系实际的能力.     

Dynamic modeling and analysis of multi-metronome coupling systems|application of momentum (angular momentum) theorem

应用质点系的动量定理和相对动点的动量矩定理,建立了多个节拍器耦合系统的动力学方程.通过数值仿真,分析了其同步现象,并通过实验给予了验证.该问题可用于理论力学课堂教学,丰富教学内容,增强学生理论联系实际的能力.     

关于陀螺近似理论的讨论

本文直接从质点系动量矩定理出发,导出了刚体规则进动动力学方程.在此基础上,讨论了陀螺近似理论公式的适用条件,将原有条件中的质量分布特性由旋转体扩展到一定条件下的非旋转体,将运动特性由高速自转扩展为一定条件下的非高速自转.     

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.