刚体平面运动学问题的复数解法

刚体平面运动学问题的复数解法金明德（南京气象学院基础科学系，南京２１００４４）１引言在理论力学教材中，讨论刚体作平面运动的问题，总是将刚体的平面运动看成随基点的平动和绕基点转动的合成。因此，求刚体上任一点速度的方法也采用基点法（或由基点法派生的速度瞬...     

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.     

理论力学研究性教学新探索——变质量系统动力学与连续介质Reynolds输运定理

本文探讨理论力学中变质量系统动力学与连续介质Reynolds输运定理的联系。Reynolds输运定理是连续介质(例如流体)质量/动量/能量输运规律的共同基础,因而具有基本的理论重要性。本文通过详细对比分析说明：在理论力学中,基于一般质点系模型的变质量系统动力学与连续介质力学的输运规律,本质上具有相同的理论框架和分析工具。如果在任意质点系模型的基础上引入质点空间连续分布的假设,则可以将变质量离散体系的力学结论拓展至连续介质的基本输运规律(包括质量/动量/能量)。     

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.     

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.      

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．     

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.     

矩形薄板的刚柔耦合动力学系统的建模理论研究

以由中心刚体与柔性板构成的刚柔耦合系统为对象,研究了零次近似模型和耦合模型在动力学方程以及实际计算中表现出来的差异.首先,从连续介质理论出发,在变形位移中,计及了在结构动力学中被忽略的变形位移的附加耦合项,建立了由中心刚体与柔性板构成的刚柔耦合系统的一次近似动力学模型.用一致质量有限元法对柔性板进行离散,基于Jourdain速度变分原理推导出大范围运动为自由的柔性板刚柔耦合动力学连续变分方程.通过数值仿真研究中心刚体和柔性板的大范围运动和变形运动的规律,揭示刚柔耦合动力学性质.通过数值对比,指出了零次近似模型的局限性.     

作旋转运动功能梯度材料矩形Mindlin板的刚柔耦合动力学建模1)

研究了作大范围运动功能梯度材料矩形板的刚柔耦合动力学问题。从连续介质力学理论出发,基于Mindlin板理论,采用无网格径向基点插值法(radial point interpolation method,RPIM)对矩形板变形场进行离散,考虑柔性板变形位移中二阶非线性耦合变形量,即横向弯曲引起的纵向缩短量,运用第二类拉格朗日方程推导了大范围运动功能梯度材料板的刚柔耦合动力学方程。分别采用一次近似耦合模型和传统零次近似耦合模型对不同转速下的功能梯度悬臂板进行了仿真,结果说明随着转速的提高,传统零次模型将发散,而一次近似模型依然收敛。将仿真结果与假设模态法和有限元法对比,验证了本文基于RPIM建立的动力学模型的正确性及在同等计算条件下的优越性。研究了功能梯度指数对作旋转运动的功能梯度矩形板动力学特性的影响。结果表明,随着功能梯度指数的增大,板的横向变形增大,且固有频率随之减小,说明功能梯度指数的增大会使系统柔性增加。同时,对中心刚体-功能梯度悬臂板的自由振动频率转向现象进行了讨论。     

基于径向基点插值法的旋转Mindlin板高次刚柔耦合动力学模型

将无网格径向基点插值法(radial point interpolation method,RPIM)用于中心刚体?旋转柔性板的动力学分析.基于浮动坐标系方法和一阶剪切变形理论即Mindlin板理论,考虑剪切变形的影响,并计入板面内变形的非线性耦合变形项,采用径向基点插值法描述板的变形场,保留动能中有关非线性耦合变形项...     

场论视角下的刚体运动学

基于矢量场的Helmholtz分解定理,重新审视刚体运动学,分析了速度场与加速度场的构成成分。分别导出了速度场与加速度场的梯度、散度与旋度的表达式,并阐述了各自的力学含义。     

连续介质有限变形力学几何场论

连续介质力学有限变形非线性场论是近代力学重点问题之一.本文不同于Truesdell与Noll的极化分解定理,采用Helmholtz-Weyl的原则将连续介质空间运动的微分线性变换分解为正交与对称子变换之和.结果证明,正交变换对应于用Euler参数表示的有限转动;而对称变换对应于Cauchy应变张量定义在拖带系(co-moving system)内有限变形的自然推广.理论的一阶近似是古典的微小变形理论,二阶近似与Blot的结果等价.新结果改进了Truesdell与Noll理论所存在的缺点,提高了实用价值.作为应用举例,文中最后求出粘弹性液体Weissenberg效应爬升曲线的第一次近似解.     

近场动力学框架下的键基对应模型

传统键基近场动力学模型存在泊松比限制的问题,为了解决这一问题发展了态基近场动力学模型。其中非常规态的近场动力学模型通过定义非局部的变形梯度将近场力和传统应力关联起来,方便使用传统本构,但是态基近场动力学计算效率低于键基近场动力学。结合态基模型和键基模型的优势,提出键基对应模型,定义了基于键的变形梯度,参考连续介质力学中变形梯度的极分解过程,将键的变形分为转动部分和伸长部分。从而进一步定义了应变,通过物理方程求应力,进而计算键传递的近场力。键基对应模型解决了键基近场动力学的泊松比限制问题,也不需要进行近场动力学微观材料常数的计算。数值算例和理论推导证明了键变形梯度定义以及近场力计算方式的正确性。     

应力波作用下颗粒介质的动力特性研究

运用微结构连续介质力学和多刚体系统动力学的理论方法,考虑了颗粒体的拓扑结构及颗粒体之间的局部非线性相互作用,通过引进恢复系数,导出了适合于大变形运动（包括平动和转动）情况下,颗粒体间的滑移和分离的宏观弹塑性本构关系。最后,还给出了几种规则排列条件下,颗粒介质的本构关系。     

泡沫杆撞击刚性壁的动态压溃模型

针对泡沫杆撞击刚性壁的情形建立了2类动态压溃模型:一维冲击波模型和三维细观有限元模型。以连续介质框架下的应力波理论为基础,并假定了刚性-非线性塑性硬化的加载和刚性卸载的本构关系,建立了一维冲击波模型,给出了冲击波波后应变与冲击时间的隐式表达式。利用随机Voronoi技术构建了闭孔泡沫金属结构的三维细观有限元模型,使用ABAQUS/Explicit有限元软件模拟了泡沫材料的动态压溃过程,并基于最小二乘法计算局部变形梯度和局部应变得到了三维泡沫结构的应变场。通过理论解和数值解的比较,发现该理论模型能够较好地预测泡沫金属杆撞击刚性壁的力学行为,得到了较为精确的结果。     

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。

     

关于平面运动刚体两点速度和加速度关系式

不用相对运动概念建立平面运动刚体上两点的速度关系和加速度关系. 先用分量表示的方法得到固连在平面运动刚体上矢量的时间导数公式,应用该公式导出了平面运动刚体上两点的速度关系和加速度关系.     

零维物质体和微态物质体

在这篇文章里,R.G Muncaster的零维弹性体被推广到一般的高阶零维物质体。从非极连续介质力学理论出发,我们推出了零维物质体的所有平衡方程和热力学不等式。再从这些方程和不等式推出微态物质体的相应平衡方程和热力学不等式。这样,我们在零维物质体理论和微态物质体理论之间建立了一个类似于刚性质点力学和古典非极连续介质力学之间关系的关系。     

折叠翼飞行器的动力学建模与稳定控制

折叠翼飞行器在变形过程中,其动力学模型呈现多刚体、多自由度和强非线性特点,同时气动力/力矩、压心、质心和转动惯量等参数也会大幅度变化,严重影响飞行稳定性.由此,本论文将对飞行器的多刚体动力学建模与变形稳定控制进行研究.基于凯恩方法建立了折叠翼飞行器的多刚体动力学模型,并从中得到了变形所产生的附加力和力矩表达式.通过气动计算拟合出气动参数与折叠角之间的函数关系,由此分析了不同折叠角速度下飞行器的纵向动态特性,结果表明,折叠翼飞行器变形过程中速度、高度和俯仰角均会发生变化,飞行器无法保持稳定飞行.为此提出了一种基于自抗扰理论的飞行器变形过程中的稳定控制方法.将折叠翼飞行器纵向非线性动力学模型中存在的非线性项、耦合项以及参数时变项都视为系统内外总扰动,利用扩张状态观测器对总扰动进行实时估计和补偿,针对补偿后的系统设计PD控制器,实现了速度通道和高度通道的解耦控制.通过Lyapunov稳定性原理证明了系统的稳定性,并进行数学仿真验证.仿真结果表明,基于自抗扰理论设计的稳定控制器能够解决飞行器变形所带来的强非线性和参数时变等问题,保证飞行器的高精度稳定控制.