热超弹性圆筒的不稳定性

应用有限变形弹性理论分析了受内压和轴向拉伸作用的不可压热超弹性圆筒发生非均 匀变形的不稳定性问题. 受内压和轴向拉力作用的薄壁圆筒,当内压较小时,圆筒发生稳定 的均匀膨胀变形;当内压大于某一临界值时,圆筒产生复杂的非均匀变形,其一部分膨胀变 形很大,形如``灯泡'状,而另一部分仅仅是轻微膨胀,且此时的变形是不稳定的. 但对厚 壁圆筒而言,不论压力如何,总是发生稳定的均匀膨胀变形. 根据圆筒的变形曲线,给出了 圆筒可以发生不稳定变形的临界厚度. 同时,讨论了轴向拉伸和温度场对圆筒变形的影响.     

电活性聚合物圆柱壳静态与动态电压下的响应及稳定性

在电活性聚合物圆柱壳内外表面施加电压,圆柱壳会变薄并且伸长,因此相同的电压会在圆柱壳内产生更大的电场.这个正反馈可能使圆柱壳厚度不断变薄,最终导致其失稳破坏.论文研究了电活性聚合物圆柱壳在静态和周期电压作用下的响应及稳定性问题.采用neo-Hookean材料模型得到描述圆柱壳表面运动的非线性常微分方程.给出了圆柱壳在不同厚度和边界条件下外加电压随圆柱壳变形的变化曲线,结果表明存在一个临界电压,当外加电压大于这一临界值时,圆柱壳将被破坏.同时,也讨论了厚度和边界条件对临界电压的影响.圆柱壳在正弦周期电压作用下,其运动随时间的变化是周期性的或拟周期性的非线性振动.给出了圆柱壳振动固有频率的计算结果,采用打靶法得到圆柱壳振动的周期解,并且用数值法研究了周期解的稳定性.采用数值仿真得到圆柱壳振动振幅随外加动态电压激励频率的变化曲线,结果表明圆柱壳会发生多频共振,共振时圆柱壳振幅发生跳跃,导致圆柱壳失稳破坏.最后给出共振点临近点的振动曲线和相图,并对其振动特性进行讨论.     

介电高弹聚合物理论

软材料受刺激会发生变形, 该变形会引起相应的功能, 这种材料称为活性软材料(soft active material, SAM). 本综述主要讨论介电高弹聚合物这一类活性软材料. 当介电高弹聚合物薄膜受到厚度方向的电压作用时, 薄膜厚度减小同时面积增大, 可导致超过100{\%}的应变. 介电高弹聚合物作为转换器被广泛应用, 包括柔性机器人、智能光学器件、盲文显示屏、发电机等. 本文综述了建立在连续介质力学和热力学框架内的、并且基于分子理论描述和经验观测的介电高弹聚合物理论. 该理论耦合了大变形和电势, 描述了非线性和非平衡行为, 如力电失稳和黏弹性. 采用该理论能够通过有限元方法模拟实际构型的转换器, 计算力电能量转换的效率, 给出电致大变形的可行途径. 该理论有助于材料和器件设计.     

圆柱尾流的绝对不稳定性

在水槽和低湍流度水洞中进行亚临界雷诺数圆柱尾流稳定性实验来流速度由零缓慢增长到一定值后保持不变,稳定足够长时间后,在流向某站位处给流场一个有限幅值的脉冲扰动,测量扰动前后相当长时间内下游尾流速度信号的变化情况当雷诺数处于高亚临界值时,未受扰动的尾流速度脉动很小,处于定常状态,但对近尾流进行脉冲扰动后,能够激发出不衰减的旋涡脱落发现扰动位置限制在圆柱后一定范围内才能有效,再往下游则扰动随时间衰减．说明圆柱近尾流中存在一个绝对不稳定区,在该区域内的扰动将在当地放大,经过复杂的演化,最后形成不衰减的旋涡脱落.     

电场作用下无黏聚焦射流的时间不稳定性研究

基于电场作用下的流动聚焦实验建立了简化的理论模型,开展了带电同轴液气射流的时间不稳定性分析.在无黏假设下,得到了扰动在时间域内发展演化的解析形式的色散关系,分析了主要控制参数对不稳定模态的影响.结果表明,只有轴对称扰动和第一类非轴对称扰动在时间域内是增长的;液气界面的表面张力对轴对称扰动有着双重影响而对非轴对称扰动起抑制作用;外层气体的流速以及密度的增加均能促进射流的失稳.这些结论与实验结果是定性一致的.结果也表明,在不考虑初始界面电荷密度时,单一的轴向电场能抑制射流的失稳.      

介电高弹聚合物力电行为研究与器件设计

相对于人们通常熟悉的金属、陶瓷、玻璃等“硬材料”,“软材料”是自然界、生命体系、日常生活和工程应用中广泛存在的物质体系,例如动植物组织结构、人造聚合物、液晶、胶体、泡沫、颗粒物质等.许多软材料在受外界激励后会发生变形或引发相应的功能响应,这种材料被称为功能软材料(soft active material,SAM).介电高弹聚合物属于典型的功能软材料,通过电压作用,介电高弹聚合物可产生超过100%的应变,并具有轻质量、快反应和高能量密度等优点,在智能仿生、航空航天、机械、新能源等领域有巨大的应用潜力.本学位论文主要研究介电高弹聚合物这一类功能软材料,研究了介电高弹聚合物的失拉、断裂、电击穿、粘弹性、失稳等力电失效和力电耗散现象,通过分析这些现象的产生机理和特性,得到克服或利用介电高弹聚合物特有的力电性能,实现换能器极大电致变形(1692%电致面积变形)、高效能量收集、主动调频振动等性能的理论方案.通过仿真模拟,进行换能器结构与介电高弹聚合物材料的优化设计,在试验上完成介电高弹聚合物换能器在不同工作模式下的高性能实现.     

气流作用下同轴带电射流的不稳定性研究

通过对气体驱动同轴电流动聚焦的实验模型进行简化,开展了电场力和惯性力共同作用下同轴带电射流的不稳定性理论研究.在流动为无黏、不可压缩、无旋的假设下,建立了三层流体带电射流物理模型并得到了扰动在时间域内发展演化的解析形式色散关系,利用正则模方法求解色散方程发现了流动的不稳定模态,进而分析了主要控制参数对不稳定模态的影响.结果表明,在参考状态下轴对称模态的最不稳定增长率最大,因此轴对称扰动控制整个流场.外层气流速度越高,气体惯性力越大,射流的界面越容易失稳.内外层液-液同轴射流之间的速度差越大,射流越不稳定.表面张力对射流不稳定性起到促进作用.轴向电场对射流不稳定性具有双重影响:当加载电场强度较小时,射流不稳定性被抑制;当施加电压大于某一临界值时,轴向电场会促进射流失稳.临界电压的大小与界面上自由电荷密度和射流表面扰动发展关系密切.这些结果与已有的实验现象吻合,能够对实验的过程控制提供理论指导.     

横观各向同性超弹性球壳的有限振动

应用有限变形动力学理论研究了一种横观各向同性不可压超弹性材料球壳在表面突加均布拉伸载荷作用下的有限振动问题给出了球壳振动的振幅和外加载荷之间的关系,得到了球壳振动的相图和近似的周期,讨论了球壳振动的振幅、相图及振动的周期和材料各向异性程度的关系.     

聚合物溶液的两种层流状态及减阻机理

本文简要评述了聚合物稀溶液减阻的研究现状。对哈佛小组所提出的聚合物层流的新观点以及在此基础上建立的机理模型进行了综述。      

具有弱界面特性叠层压电球壳的自由振动

针对具有弱界面的叠层压电球壳自由振动,引入两个位移和应力函数,从三维压电弹性理论基本方程出发建立了分别对应于两类振动形式的独立状态方程,并通过球面谐函数展开技术以及近似层合模型将其化为关于径向坐标的常系数状态方程.采用弱界面模型建立状态向量的界面传递关系,与层内传递关系得到球壳内外状态变量的整体传递关系.最后考虑球壳内外边界自由条件,得到了两类振动形式的频率方程.通过与已有精确解的比较验证了论文解的准确性,数值详细表明弱界面弹性柔性系数的大小对叠层球壳自振频率有较大影响,但弱界面导电性的高低对自振频率的影响不大.     

Electromechanical responses and instability of electro-active polymer cylindrical shells

Based on the theories of finite deformation elasticity, electromechanical responses and instability of an incompressible electro-active polymer (EAP) cylindrical shell, which is subjected to an internal pressure and a static electric field, are studied. Deformation curves and distribution of stresses are obtained. It is found that an internal pressure together with an electric field may cause the unstable non-monotonic deformation of the shell. It is also shown that a critical thickness for the shell exists, and the shell may undergo the unstable deformation if its thickness is less than this critical value. In addition, the effects of the electric field, axial stretch, thickness, and internal pressure on the instability of the shell are discussed.     

圆柱壳在外压和轴向冲击联合作用下的稳定性实验研究

本文利用AMT铝合金三种不同厚度的圆柱壳,在常外压和不同轴向冲击载荷作用下的柱壳塑性动力屈曲问题。实验发现除了通常文献中提到的临界速度Vc1外,还有一个使柱壳发生较大变形而破坏时所对应的一个临界遵度Vc2。文章重点研究Vc2与轴向变形。柱壳厚度等之间关系以及柱壳屈曲形式。     

轴向压应力波下圆柱壳弹性动力失稳的判据与机理

基于动力失稳瞬间能量的转换和守恒,推导提出了受轴向力圆柱壳弹性动力失稳的判据和两个临界条件.由第一个临界条件导出的圆柱壳弹性动力失稳的控制方程、边界条件、屈曲变形连续条件与利用Hamilton原理推导的结果完全相同,但不足以确定包含在本问题中的两个待定特征参数(临界载荷参数和动力特征参数).由第二个临界条件导出压缩波前的屈曲变形约束方程.基于控制方程有满足边界条件、变形连续条件和波前约束方程的非平凡解的条件,导出关于两个特征参数的一对特征方程.基于特征方程的解,精确地计算出临界载荷参数和动力特征参数的值以及动力失稳模态.由此建立了轴向力作用下圆柱壳弹性动力失稳的特征值分析方法.     

露天爆破震动诱发地下洞室顶板失稳的非线性机理分析

开挖爆破是诱发工程岩体失稳的重要因素.根据露天与地下联合开采特点,将地下洞室顶板简化为水平简支梁,基于非线性理论分析方法建立了露天爆破震动扰动诱发地下洞室顶板失稳的突变理论模型,导出了其失稳判据条件和临界安全厚度,探讨了爆破震动幅值、主频、围岩特性等主要因素对地下洞室顶板临界安全厚度的影响.以甘肃厂坝铅锌矿群采空区顶板安全厚度分析为例,计算得到了露天与地下采场之间顶板的临界安全厚度.研究结果表明:露天爆破扰动诱发地下洞室顶板失稳过程具有非线性和不连续性特征,顶板临界安全厚度不仅取决于岩体工程特性,而且与爆破震动幅值、主频等多重因素有关,这与实际情况是吻合的.     

金属射流失稳断裂的理论分析

基于Hamilton原理,提出一个包含射流强度、剪切、应变率效应、动力学黏性、表面张力和速度梯度等多因素耦合的金属射流拉伸运动方程,具体分析了各种失稳因素,并由数值解定量给出其影响大小,以及最不稳定波长与初始应变率乘积\lambda_{m}\dot{\varepsilon}_{0} 值的变化范围;给出了射流断裂的时间判据和近似理论公式,计算得到的 t_{b}-\dot{\varepsilon}_{0}曲线与射流实验点、Chou\&Carleone拟合公式三者符合较好.      

流场中聚合物共混体系液滴形变的理论模型

讨论了两相聚合物共混体系中，悬浮于另一种牛顿（或粘弹）液体中的牛顿（或粘弹）液滴的形变理论模型．影响液滴形变的主要因素有两相的组成、粘度比和弹性比、动态界面张力、临界界面张力系数，外流场形式及其强度．对于两相均为牛顿流体的体系，理论预测能够与实验相符；对于两相（或其中一相）为粘弹流体的体系，由于弹性的影响而使液滴形变的研究变得复杂，理论模型尚需完善．建立完整的液滴形变理论模型还需深入研究界面层、微观分子形变、液滴之间及液滴和连续相介质之间的相互作用对液滴形变的影响     

平面应变条件下孔洞化不稳定性问题研究

考虑平面应变条件下,由一类推广的幂次neo-Hookean材料组成的内部分布温度场的圆柱体在轴向和径向载荷作用下的孔洞化不稳定性问题.研究中发现当材料参数满足一定的条件时,存在着一个载荷临界值,当外加载荷大于该临界值时,圆柱体中心将出现一个圆柱形的孔洞,即发生了孔洞化不稳定性现象并详细讨论了温度和材料参数对孔洞化极限载荷的影响.     

半晶态聚合物拉伸变形的微观机理

应用大规模分子动力学方法,采用粗粒化聚乙烯醇模型,模拟了晶区与非晶区随机交杂的半晶态聚合物模型系统,研究了半晶态聚合物在单轴拉伸变形过程中的应力-应变行为和微观结构演变.应力-应变曲线表现出4个典型变形阶段:弹性变形、屈服、应变软化和应变强化.在拉伸变形过程中,主要存在晶区折叠链之间的滑移、晶区破坏、非晶区的解缠结,以及分子链沿拉伸方向重新取向等4种主要的微结构演变形式.在屈服点附近,晶区分子链之间排列紧密程度减小而发生滑移,之后晶区变化需要的应力变小,从而形成应变软化现象.随着应变的增大,经各分子链段协同作用使非晶区分子链的解缠结和重新取向行为扩展到相对宏观尺度,导致拉伸应力增大而形成应变强化现象.