考虑非局部效应和记忆依赖微分的广义热弹问题

现有的广义热弹理论主要适用于求解时间尺度极短但空间尺度仍属宏观尺度的广义热弹问题的动态响应,而当所研究的弹性体的特征几何尺寸也属微尺度时,弹性体的力学响应将呈现出强烈的尺寸相关性,现有的广义热弹理论不再适用. 本文基于通过非局部效应和记记依赖微分修正的广义热弹性理论,研究了两端固定、受移动热源作用的有限长热弹杆的动态响应. 建立了问题的控制方程,给出了问题的初始条件及边界条件,运用拉普拉斯变换及其数值反变换,对方程进行了求解. 数值计算中,首先考察了时间延迟因子对模型所预测各物理量分布的影响;然后对比了模型中的时间延迟因子在两种不同类别核函数下(通过归一化条件修正和未修正形式)对各物理量分布的影响效应;最后考察了考虑新的可以描述尺寸效应的非局部因子对无量纲温度、位移及应力的影响,并用图形进行了示例. 结果表明, 时间延迟因子增大,各物理量的峰值变大,传播距离变小,且时间延迟因子在归一化条件修正过的核函数下影响更加显著;非局部参数几乎不影响无量纲温度的分布,轻微影响无量纲位移的分布,但对无量纲应力的峰值的影响显著.      

激光脉冲加热的二维广义热弹性问题研究

基于L-S广义热弹性理论,研究了半无限大板局部受到激光脉冲加热时的广义热弹性问题.为避免常规积分变换方法求解带来的精度丢失,采用有限元法直接在时间域进行求解,得到了激光脉冲加热时板中的温度、位移及应力的变化规律.结果表明,直接求解方法可以准确描述热在介质中以有限的速度传播,同时发现,激光脉冲加热过后,结构的最高温度随着时间的推移逐渐降低,且最高温度的位置总在热波波前附近,此处的应力也明显高于其他区域.     

半无限粘弹杆的广义磁热粘弹问题

应用Lord-Shulman(L-S)和Green-Lindsay(G-L)广义热弹性理论,研究了在磁场中受移动热源作用的半无限长均质各向同性粘弹杆的磁热粘弹动态响应,并与经典耦合理论进行了对比.给出了杆的广义磁热粘弹耦合的控制方程,借助拉普拉斯积分变换及其数值反变换对控制方程进行了求解,计算得到了杆内温度、应力和位移的分布规律.研究结果表明:时间、热源移动速度和磁场大小对以上分布规律都有一定的影响.     

直接有限元法求解广义磁热弹二维旋转问题

为了验证直接有限元法求解广义磁热弹耦合旋转问题的有效性及准确性,该文基于Lord和Shulman(L-S)广义热弹性理论,采用直接有限元方法,求解了置于磁场中的旋转半无限大体受热冲击作用的动态响应问题.文中给出了L-S型广义磁热弹耦合旋转问题的控制方程,建立了L-S型广义磁热弹旋转问题的虚位移原理,推导得到了相应的有限元方程.通过求解有限元方程,得到了半无限大体中无量纲温度、无量纲位移、无量纲应力及无量纲磁场的分布规律,从温度分布图上可以清晰地观察到热波波前的特有属性,即热波波前处存在明显的温度突变.同时,由于旋转效应,位移、应力、感应磁场的幅值有不同程度的降低,而旋转对温度几乎没有影响.结果表明,采用直接有限元法求解L-S型广义磁热弹性耦合的二维旋转问题是十分有效和准确的.     

半无限大体广义电磁热弹耦合的二维问题

基于Lord和Shulman广义热弹性理论,研究了热、电可导的半无限大体电磁热弹耦合的二维问题。半无限大体受热和外加恒定磁场的作用,文中建立了电磁热弹性耦合的控制方程,利用正则模态法求解得到了所考虑物理量的解析解,并用图形反映了各物理量的分布规律,从分布图上可以看出,介质中出现了电磁热弹耦合效应,各物理量的非零值仅在一个有限的区域内。     

无限长圆柱体中广义电磁热弹耦合问题研究

基于L-S广义热弹性理论,研究了处于磁场中无限长理想圆柱导体在边界受热冲击作用时的电磁热弹耦合问题.建立了广义电磁热弹耦合的有限元方程,为避免积分变换方法求解带来的精度丟失.采用将有限元方程直接在时间域求解的方法,得到了圆柱体中的温度、位移、应力、感应磁场和感应电场的分布规律,反映了热的波动性及电磁热弹的耦合效应.结果表明,将有限元方程直接在时间域求解,可以获得各物理量的准确分布.得到温度在热波波前处的阶跃,准确地反应热波的波动效应.     

圆柱外表面受热冲击问题的广义热弹性分析

基于 L-S 广义热弹性理论, 针对实心圆柱体在外表面受均匀热冲击作用下的一维广义热弹性问题进行研究分析. 利用热冲击的瞬时特征, 借助于 Laplace 正、反变换技术及柱函数的渐近性质, 推导了热冲击作用周期内温度场、位移场和应力场的渐近表达式. 通过计算, 得到了热冲击条件下各物理场的分布规律以及延迟效应和耦合效应对热弹性响应的影响规律. 结果表明: 当考虑延迟效应和耦合效应时, 热扰动将以两组速度不同的波的形式向前传播, 延迟效应和耦合效应对各物理场的建立时间, 阶跃间隔和阶跃峰值均产生影响, 且延迟效应和耦合效应均在一定程度上削弱了热冲击的作用效果.      

广义热弹模型的热力学基础与瞬态响应

微纳科技的快速发展与超短脉冲激光技术的广泛运用, 对描述微纳尺度超快热冲击的广义热传导及其热弹耦合理论提出迫切需求. 基于拓展热力学原理, 本文建立了考虑热传导双相滞后效应和高阶热流率的广义热弹耦合理论. 类比于力学领域黏弹性本构关系的串联、并联模型, 并受Green-Naghdi (GN)广义热传导模型启发, 本文提出了热学“弹性”单元和“黏性”单元模型, 并采用串联、并联方法实现了Cattaneo-Vernotte (CV)、GN、双相滞后(DPL)和Moore-Gibson-Thompson (MGT) 热传导模型的重构. 理论推导进一步表明, 本文新建模型对应于热学Burgers模型, 并得到了新模型中各相位滞后中松弛时间之间的比例关系. 运用拉普拉斯变换方法, 研究了一维结构受边界热冲击和移动热源作用下的瞬态响应, 计算结果表明: 新模型克服了热波速度无限大的悖论; 仅有边界热冲击载荷时, 新模型得到的响应结果均较大, 响应范围最小; 相比于无热源作用情形, 受移动热源作用时, 新模型会产生更大的峰值响应. 新模型与经典弹性理论耦合构建了广义热弹性理论, 运用该理论, 可以清晰观察到在热波和弹性波波前的应力突变. 理论方面, 本文推动了拓展热力学与连续介质力学的结合, 对于远离平衡态极端力学基础理论问题的研究具有启发意义; 应用方面, 本文研究结果可为激光等移动热源作用下材料的瞬态响应分析提供理论基础和数值方法.      

一维半无限压电杆的广义的热冲击问题

采用具有两个热松驰时间的G－L广义热弹性理论，研究了一维无限无限长杆在其端部受到热冲击时的边值问题，借助于拉普拉斯正、反变换技术，在所考虑时间非常短的情况下，对问题进行了求解。得到了位移及温度分布的近似妥析角，发现位移及温度分布中分别存在两上阶跃点，并通过数值计算，把温度的分布规律用图形反映了出来，从温度的分布图上可以看出，当任何x的值大于第二个阶跃点的位置值时，温度值都是零，也即在当前所绘定的时刻，热以波的形式沿压电杆仅传播到第二阶跃点的位置，而在第二个阶跃点之后，压电杆上的温度分布保持初始温度；定不同时刻，热波波前的位置也将相应的在压电杆上移动，也即热波波前在压电杆上的位置随考虑时刻不同而不同，这与经典的热传导是完全不同的，它说明热是以波的形式以有限的速度，而不是以无限的速度在介质中进行传播的。     

非局部广义热弹性理论下半导体微结构中波的反射研究

论文基于非局部热弹性理论,研究了纳米半导体介质中波的反射问题.首先建立了在耦合的非局部弹性理论,波型热传导理论和等离子扩散理论下问题的控制方程;然后运用谐波法,得到耗散方程的解以及反射系数率的解析表达式;最后通过数值计算给出了硅纳米结构中相速度、群速度随非局部参数的变化,讨论了非局部参数、热电耦合参数以及热弹性耦合参数对反射系数率的影响.     

A GENERALIZED THERMOELASTIC DIFFUSION PROBLEM OF THIN PLATE HEATED BY THE ULTRASHORT LASER PULSES 1)

由于超短激光脉冲具有功率密度高、持续时间短、加工精度高等优势, 近年来被广泛应用于超精细加工、光学储存和微电子器件制造等领域. 本文基于L-S型广义热弹扩散理论, 建立了考虑材料记忆依赖效应和空间非局部效应的记忆依赖型非局部广义热弹扩散耦合理论, 它能够准确预测几何尺寸与内部特征尺寸相近结构的热弹扩散瞬态响应. 推导了所建理论的控制方程, 并基于拉普拉斯积分变换获得了控制方程的解. 作为算例, 利用所建理论和求解方法研究了半无限大薄板受非高斯激光脉冲加热和化学冲击联合作用下的热弹扩散瞬态响应问题, 得到了薄板的温度、化学势、位移、应力和浓度等随非局部参数、热时间迟滞因子和扩散时间迟滞因子等参数变化的分布规律. 结果表明: 传热对传质影响显著, 传质对传热影响甚微; 非局部参数对位移、应力影响显著, 对温度、化学势和浓度几乎没有影响. 该理论及求解方法的建立, 旨在实现材料在机械、热、化学势等冲击作用下传热传质瞬态响应的准确预测.     

采用SemiLoof型约束条件的薄板三角形广义协调元

本文综合广义协调元和SemiLoof元的优点,消除其缺点,建立一个九自由度三角形薄板单元。单元自由度只含常规的角点自由度,不采用SemiLoof元还包含边点自由度的复杂作法。着眼于广义协调,克服了某些非协调元不能通过分片检验的致命弱点。采用SemiLoof型约束条件,即全部采用离散型(点型)协调条件,不采用广义协调元通常采用的积分型协调条件的复杂作法。从简便实用、高精度和收敛可靠进行全面衡量,本单元是同类低阶薄板单元中的最优单元。     

DYNAMIC RESPONSE OF TWO-DIMENSIONAL GENERALIZED THERMOELASTIC COUPLING PROBLEM SUBJECTED TO A MOVING HEAT SOURCE

Based on the Lord and Shulman generalized thermoelasticity theory with one relaxation time, an isotropic semi-infinite plate subjected to a moving heat source has been studied by employing the finite element method directly in time domain, whose distributions of nora dimensional temperature, displacement and stress are illustrated graphically. The results show that the present method is an effective and exact numerical one for solving the thermoelastic coupling problem and is capable of overcoming the defects of traditional integrated transformation and inverse integrated transformation methods. At the same time, the temperature step of the thermal wave front is obtained exactly in contrast with conventional numerical transformation methods.     

广义协调厚薄通用板单元的动力特性分析

推导了板的有限元运动方程,构造了单元刚度矩阵和考虑转动惯量的单元质量矩阵,并采用子空间迭代法计算了板的前几阶频率,分析了广义协调厚薄通用板单元ATF-PQ4a的动力特性,并讨论了转动惯量和剪切变形对固有频率的影响. 结果表明：ATF-PQ4a单元计算结果和理论解及有限元软件ABAQUS的结果比较吻合,说明在动力学范围内ATF-PQ4a单元能做到厚薄通用,满足工程需要.     

热弹耦合圆板非线性振动的研究

对温度场中圆板的非线性热弹耦合自由振动问题,由非线性振动方程、协调方程及热传导方程出发,运用伽辽金法求解,得出一个关于时间的非线性常微分方程组.将热弹耦合与非热弹耦合情况进行对比,发现给定初始位移较小时,热弹耦合效应使板的固有频率相对与无热弹耦合情形提高;给定初始位移较大时,热弹耦合效应使固有频率降低.该文还比较了不同热弹耦合参数和边界条件对热弹耦合效应的影响     

PETALLING OF A THIN METAL PLATE STRUCK BY A CONICAL-NOSED PROJECTILE

A theoretical study is presented herein on the petalling of a fully-clamped thin metal plate struck by a rigid conical-nosed projectile. It is assumed that the energy absorbed in the petalling process consists of two parts, one part is due to the local deformation during the hole formation and the other is from the global response such as bending and membrane stretching. Various energy absorbing mechanisms are delineated and an approximate equation for the ballistic limit is obtained. It transpires that the predictions from the present model are in good agreement with test data available when the sensitivity of the strain rate of the material is taken into account.     

用微分求积方法计算二维薄板在超音速流中的非线性颤振

采用了一种微分求积方法将二维薄板在超音速气流作用下的非线性动力学方程,并用Runge-Kutta数值方法进行了计算.为验证微分求积方法的结果,与伽辽金方法计算结果进行了比较,取得了一致的结果.微分求积法的计算结果用分叉图、相平面、时域曲线以及功率谱进行了描述,结果表明在特定的参数区间存在混沌运动,而通向混沌的道路是经过一系列周期倍化分叉产生的.     

导电薄板内电流密度分布与反平面剪切的比拟

定量分析电流密度在含裂纹载流薄板内的分布是当前利用电流热效应止裂技术中一个首先要解决的问题．由于裂纹的存在,电流密度在裂尖形成带奇异性分布的高度密集．现有的分析方法往往比较复杂或局限于特殊布置形式的裂纹．通过电流密度分布与弹性力学里反平面剪切问题的比拟,把分析含裂纹载流薄板内电流密度的分布等效于考虑相应的III型裂纹问题,并比照III型裂纹的应力强度因子来定义电流密度因子．而对于裂纹问题的处理可采用分布位错法这一断裂力学里便利有效的分析手段．由给出的算例可见,所提出的比拟解法可以方便精确地求解电流密度在裂尖附近的奇异分布,并有助于对这一奇异性在概念上的直观理解．     

关于非线性Reissner板

给出几种典型的变分原理及界限定理,再建立一种关于应力函数及二个位移函数的近似理论。