梯形应力脉冲在弹性杆中的传播过程和几何弥散

在应力波传播过程中,几何弥散效应往往难以避免.对应力波在弹性杆中传播的几何弥散效应进行解析分析,对于基础波动问题研究以及材料动态力学行为表征等课题,显得至关重要.本文简单说明了弹性杆中考虑横向惯性修正的一维 Rayleigh-Love应力波理论,概述了其波动控制方程的变分法推导过程;针对 Hopkinson杆实验中常用的梯形应力加载脉冲,建立了相应的偏微分方程初边值问题的求解模型,并运用 Laplace变换方法研究了脉冲在杆中传播的几何弥散现象;根据留数定理进行 Laplace反变换,给出了杆中不同位置和时刻的应力波的级数形式解析解,分析了计算项数对结果收敛性的影响;将解析计算结果与采用三维有限元数值模拟的计算结果进行对比,两者吻合程度良好,从而证明 Rayleigh-Love横向惯性修正理论可以有效地表征典型 Hopkinson杆实验中的几何弥散效应.在此基础上围绕梯形加载脉冲的弥散效应进行参数研究,定量描述了传播距离、泊松比、脉冲斜率等参数的影响.本文给出的 Rayleigh-Love杆在梯形加载条件下的解析解,揭示了几何弥散效应的本质规律,可以用于实际实验的弥散修正过程.      

梯形应力脉冲在弹性杆中的传播过程和几何弥散

在应力波传播过程中,几何弥散效应往往难以避免.对应力波在弹性杆中传播的几何弥散效应进行解析分析,对于基础波动问题研究以及材料动态力学行为表征等课题,显得至关重要.本文简单说明了弹性杆中考虑横向惯性修正的一维Rayleigh-Love应力波理论,概述了其波动控制方程的变分法推导过程;针对Hopkinson杆实验中常用的梯形应力加载脉冲,建立了相应的偏微分方程初边值问题的求解模型,并运用Laplace变换方法研究了脉冲在杆中传播的几何弥散现象;根据留数定理进行Laplace反变换,给出了杆中不同位置和时刻的应力波的级数形式解析解,分析了计算项数对结果收敛性的影响;将解析计算结果与采用三维有限元数值模拟的计算结果进行对比,两者吻合程度良好,从而证明Rayleigh-Love横向惯性修正理论可以有效地表征典型Hopkinson杆实验中的几何弥散效应.在此基础上围绕梯形加载脉冲的弥散效应进行参数研究,定量描述了传播距离、泊松比、脉冲斜率等参数的影响.本文给出的Rayleigh-Love杆在梯形加载条件下的解析解,揭示了几何弥散效应的本质规律,可以用于实际实验的弥散修正过程.     

微结构固体中钟型与扭结孤立波的演化

根据Mindlin理论和Murnaghan模型,首先建立了描述耗散、频散及非线性微结构固体中一维纵波传播的一种简单模型.然后利用有限差分方法,数值模拟了微结构效应对钟型与扭结孤立波演化的影响. 结果表明,随着微结构效应的减弱,钟型孤立波的幅度衰减以及非对称特征变得越来越明显;随着微结构效应的增强,扭结孤立波顶部出现的“帽子”状变化以及由此产生的非对称特征变得越来越明显.      

非线性弹性杆中纵波传播过程的数值模拟

基于Hamilton空间体系的多辛理论研究了包含材料非线性效应和几何弥散效应的非线性弹性杆中纵波传播问题。导出了其Bridges意义下的多辛形式及其多种守恒律,并构造了等价于Box多辛格式的隐式多辛格式对不考虑材料非线性效应和几何弥散效应、只考虑材料非线性效应、只考虑几何弥散效应、同时考虑材料非线性效应和几何弥散效应四种情况下不同截面参数的圆杆中的纵波传播过程进行数值模拟,模拟结果不仅全面地反映了非线性效应和几何弥散效应对纵波传播的影响,而且也反映了多辛方法的两大优点:精确的保持多种守恒律和良好的长时间数值行为。     

圆杆中弹性应力波的傅立叶弥散分析

基于Ｐｏｃｈｈａｍｍｅｒ和Ｃｈｒｅｅ关于无限长圆杆中纵向谐波的三维弹性解析解，得到了关于圆杆中应力波弥散效应的快速傅立叶波谱分析方法和程序（ＦＦＴＤＳＰ），并利用二维轴对称动力学有限元分析程序（ＡＤＩＮＡ），论证了弥散分析方法和程序的有效性。利用这一弥散分析方法和程序（ＦＦＴＤＳＰ），研究了圆杆的物理和几何参数的变化对弹性波在圆杆中传播的弥散效应的影响。     

圆杆中弹性应力波的傅立叶弥散分析

基于Ｐｏｃｈｈａｍｍｅｒ和Ｃｈｒｅｅ关于无限长圆杆中纵向谐波的三维弹性解析解，得到了关于圆杆中应力波弥散效应的快速傅立叶波谱分析方法和程序（ＦＦＴＤＳＰ），并利用二维轴对称动力学有限元分析程序（ＡＤＩＮＡ），论证了弥散分析方法和程序的有效性。利用这一弥散分析方法和程序（ＦＦＴＤＳＰ），研究了圆杆的物理和几何参数的变化对弹性波在圆杆中传播的弥散效应的影响。     

高度非线性孤立波与弹性大板的耦合作用研究

一维颗粒链的一端受到一个有初速度颗粒的撞击,导致颗粒连中产生稳定传播的应力波——高度非线性孤立波,该应力波的波长、波速以及幅值都能保持很好的稳定性,且遇到边界才会反射. 孤立波是一种良好的信息载体,广泛应用于无损检测技术中. 基于孤立波的特性,研究高度非线性孤立波与弹性大板耦合作用,基于赫兹定律和板的内在非弹性理论,推导出晶体链与大板的耦合微分方程组. 用龙格库塔法求解该微分方程组,得到颗粒链中各颗粒的位移、速度曲线. 通过分析回弹波出现的时间、回弹波所携带的能量以及模量、厚度、重力等对孤立波的影响,发现反射孤立波对大板的弹性模量和厚度尤为敏感,此外,颗粒链的摆放对整个耦合过程也有影响. 研究的结果为孤立波对结构体的无损探伤提供了理论依据,该技术可实现对结构体的快速检查和可控性研究.     

非线性弹性杆中的应变孤波

本文对非线性弹性杆中的应变孤波进行了分析,着重讨论了杆的物理参数和几何参数对于波动的影响,阐明了孤波传播过程的主要特征。     

玄武岩中裂隙分布形式对声波传播的影响

复杂岩体含有大量的裂隙,这些裂隙尺寸及其分布形式等对弹性波传播都有很大的影响.本文加工了含单个裂隙、双裂隙和三个裂隙的玄武岩岩样单元对其进行组合,进行了25kHz、 50kHz、 400kHz、 600kHz和1000kHz 等5种频率的声波测试.通过考虑垂直或平行波传播方向的裂隙长度,来探索裂隙分布形式和不同裂隙长度对弹性波传播的影响,研究玄武岩的频散效应和波的衰减.结果表明:裂隙方向与波传播方向夹角对弹性波传播有很大的影响.当裂隙方向与波传播方向垂直时,散射效应最大;而当裂隙方向与波传播方向平行时,影响最小.上述结果可为理论模型和数值分析提供依据.     

无碰撞等离子体中的层流激波和孤立波

前言本文介绍低密度、低β值等离子体中的激波,以及与其相关联的孤立波。我们知道在碰撞起主要作用的气体中,激波厚度是碰撞平均自由程的量级。由粒子之间相互碰撞引起散射,使流动速度降低,从而引起气体温度、压力和熵的增加,这就是激波中的耗散过程。这种转变层中主要由碰撞提供耗散的激波可称为碰撞激波。      

非圆截面杆中的非线性扭转波及其行波解

研究了非圆截面杆中非线性扭转波的传播特性.由于非圆截面杆的扭转运动会伴随有横截面的翘曲,这种翘曲运动将引起扭转波的弥散.如果同时考虑有限扭转变形和翘曲弥散的共同作用,将会得到非线性扭转波的方程.在相平面上,对非线性扭转波动方程进行定性分析,结果表明,在一定条件下方程存在同宿轨道或异宿轨道,分别相应于方程的孤波解或冲击波解.本文利用Jacobi椭圆函数展开法,对该非线性方程进行求解,得到了非线性波动方程的三类准确周期解及相应的孤波解和冲击波解,讨论了这些解存在的必要条件.这些条件与定性分析的结果相一致.     

椭圆柱壳链的波形弥散特性研究

椭圆柱壳链可以引起波形弥散，从而可以调控应力波的传播.本文通过3D打印、冲击测试、细观有限元模拟和理论分析，研究了在质量块冲击加载下，单胞纵横比、冲击质量和速度对椭圆柱壳链中弹性波传播弥散行为的影响.结果表明，冲击过程中，椭圆柱壳链结构中的速度峰值随着波传播逐渐减小，纵横比越大或冲击质量越小，速度峰值衰减越剧烈，而冲击速度对椭圆柱壳链的波形弥散行为几乎无影响.相关研究对新型波形控制器的设计和精确有效地调控弹性波传播具有重要意义.     

多铁性扇环截面柱体中的波传播

论文基于线性磁电弹性理论,研究了具有扇环形截面的多铁性柱形波导中的弹性波传播问题.利用波动势函数法,解析推导获得波动特征方程,进而得到弥散关系.通过算例研究了波传播的关键特性,深入分析了弥散曲线、相速度曲线和截止频率变化情况.结果显示,波的相速度和截止频率非常依赖于波导结构的扇环截面半顶角、内外径比和层合界面的弱界面系数,对于给定材料的波导结构,这些参数也是控制其弥散特性的重要影响因素.值得指出的是,在柱面应力自由的边界条件下相速度曲线中存在独特的频率带隙,而这通常是在周期结构中才会出现.     

傅立叶弥散分析在冲击拉伸和冲击压缩试验中的应用

将傅立叶弥散分析方法和程序（ＦＦＴＤＳＰ）应用于冲击拉伸和冲击压缩试验中，分析了输入杆和输出杆中波的弥散效应对试验结果的影响。带有弥散修正的试验结果表明，由于入射脉冲产生方式不同，冲击压缩试验系统中传播的应力波带有显著的弥散效应，而间接杆杆型冲击拉伸试验系统中传播的应力波的弥散效应一般较小。     

线性与非线性波

G.B.惠瑟姆[美]著,庄峰青,岳曾元译,科学出版社,1986.10 这是一本系统介绍当代波动理论的名著,由作者在加州理工学院讲授多年的研究生教材扩充而成。原书自1974年问世以来,已成为非线性波有关各学科的基本参考书。 全书分为双曲波和色散波两大部分,共十七章。双曲波是依据方程类型是否双曲型而区分的。非线性双曲波的主要特性是波发生间断,从而产生激波。这一部分在介绍一阶运动学波和Durgers方程基本理论(第二、三、四章)后,主要讨论了同气体动力学有关的内容(第六、七、九、十章).特别是激波动力学。作者本人在五、六十年代做的著名工作,如变截面流管中激波传播的CCW近似,二、三维定常微波传播的近似几何理论及其多方面的应用(如激波绕射,相互作用,稳定性,内     

结构中弹性波传播的可视化方法

由于结构中弹性波传播的复杂性，其场量(位移、应变、速度)表达式往往为繁杂、冗长的数学表达式，表达式本身不能直观、形象地表征结构中弹性波的传播特征．本文以杆中纵波传播为例，基于Matlab开发了弹性波传播特征的可视化程序，将杆中纵波传播特性以一种动态、直观、形象的形式展现出来．     

一种面向激波噪声计算的加权优化紧致格式及非线性效应分析

在超声速流动中, 激波与湍流结构的相互作用会产生高强度的激波噪声. 激波噪声的高保真计算要求激波捕捉格式具有高阶精度、低耗散和低色散特性, 同时还要尽可能地减弱格式的非线性效应. 现有的六阶精度迎风/对称混合型加权非线性紧致格式CCSSR-HW-6在基于对称模板构造网格中心处的数值通量时引入了两级加权, 且两级加权都需要构造非线性的权系数, 因而非线性效应较强. 本文以修正波数的误差积分函数为优化目标函数, 优化了CCSSR-HW-6格式的非线性特性, 建立了加权优化紧致格式WOCS. 精度验证表明WOCS格式的精度高于5阶. 谱特性分析表明, 与原方法相比, WOCS格式的耗散误差和非线性效应显著降低. 典型激波噪声问题数值实验表明: WOCS格式不仅提高了对高频波的分辨能力, 而且显著地消除了数值解中因格式的非线性效应所导致的非物理振荡.      

非线性变形节理中纵波传播特性的理论研究

基于波前动量守恒理论和位移不连续方法所提出的时域分析新方法,引入岩石非线性法向本构关系,对弹性纵波在岩石非线性节理中的传播特性进行了理论分析。采用节理变形的双曲线模型(BB模型),获得纵波P波斜入射非线性节理的传播波动方程,并通过参数研究分析了在岩石节理中节理非线性系数、节理初始刚度、应力波入射角和入射波幅值等因素对纵波传播规律的影响。结果表明:所推导的应力波传播方程在考虑多种非线性问题时,通过迭代计算即可方便求出透射波和反射波的数值解,避免了复杂的数学运算;当波斜入射节理面时,产生了波型转换,节理变形的非线性对透射波和反射波有较大影响,透射系数和反射系数并非随着非线性参数的变化而单调变化。时域内所推导的波传播方程更有益于波斜入射时非线性参数的广泛研究,为开展该方面的理论研究工作提供了借鉴。     

非圆截面杆中非线性扭转波方程的解析求解

研究了非圆截面杆中非线性扭转波动方程的精确求解问题. 利用直接积分与微分变换相结合的方法,得到了该方程的隐式通解. 通过对积分常数和方程系数的不同情形的讨论, 给出了该方程的三角函数、双曲函数、椭圆函数、指数函数以及它们的组合形式的解,分别对应于的非线性扭转波的孤立波、周期波以及冲击波等多种传播形式.     

过山脊内孤立波演变及其对细长潜体的作用力特性

内孤立波沿山脊地形传播过程中的结构变化使得影响海洋结构物及水下航行器安全的不确定因素增加,用大型重力式分层流试验水槽系统研究内孤立波过山脊地形及其对细长潜体作用力特性,可有效提高对其危害性机理的认识.为此,利用电导率探头阵列,结合染色标识方法,测量内孤立波演变特性,同时利用三分量传感器测量水下细长体模型受力特性.研究结果表明:山脊地形显著改变下凹型内孤立波结构,表现为坡前波幅增大,坡顶背风波面抬升,坡后波长变长;内波结构变化直接影响细长体受力特性,表现为坡前向下作用力明显增强,坡顶向上作用力突显,坡后作用力持续时间变长;细长体受力特性变化影响其运动趋势,坡前下沉运动增强、朝山脊方向纵荡运动显著.