缺陷连续统理论及其在本构方程研究中的应用 Ⅰ.一般概述,运动学和变形几何学

缺陷连续统理论即缺陷场论是当代固体力学的一个重要分支,其主要任务是对物质的弹性和非弹性性质的宏、微观研究之间架起一座桥梁。它也被认为是由固体力学、近代物理和数学之间交互作用而发展起来的一门交缘学科。本文分三部分较系统地介绍了它的主要发展和最近结果。第Ⅰ部分讨论具有位错和旋错连续统的运动学和变形几何学,包括Nye,Kondo,Bilby和Krner等人的早期结果以及我们利用4维物质流形上Cartan结构方程推导出的非线性动力学方程的最近结果。第Ⅱ部分详细介绍了缺陷连续统的规范场理论,主要强调对该连续统动力学方程的发展。第Ⅲ部分研究缺陷场论对构造弹塑性物质本构关系的应用。      

变形体非协调理论的理性理论

本文介绍Noll和Wang等人用理性力学观点建立的变形体非协调理论(即缺陷的连续统理论)。这理论表明,本构方程完全确定物质流形的几何结构。因而,几何结构是理论的自然结果,而不是作为理论出发点的最初假设。      

非光滑动力系统Lyapunov指数谱的计算方法

对 n 维非光滑(刚性约束和分段光滑)动力系统引进局部映射，利用 Poincaré映射分析方法得出了非光滑系统 Lyapunov 指数谱的通用计算方法．以一类刚性约束的非线性动力系统为例，给出了 Lyapunov 指数谱随参数大范围变化的规律，并与相应的 Poincaré映射分岔图进行对照，验证了上述通用计算方法的正确性和有效性．     

双摆系统的拓扑马蹄与混沌

运用动力系统理论中的拓扑马蹄技巧和计算机数值计算来研究双摆的混沌性.通过在某些能量面上构造适当的Poincaré截面,并找出了该截面的Poincaré映射的拓扑马蹄,从而证明了双摆系统具有无穷多不稳定周期解并且具有混沌性.     

考虑周长约束的圆柱薄壳初始几何缺陷随机场建模方法

利用随机场对圆柱薄壳结构的初始几何缺陷进行建模,并据此建立了一种用于含初始几何缺陷轴压圆柱薄壳屈曲分析的随机分析方法。首先,指出已有将圆柱薄壳初始几何缺陷表征为二维高斯随机场的方法会导致与实际不相符的初始几何缺陷,如圆柱周长显著增大或缩小的几何缺陷。其次,提出一种考虑周长不变约束的随机场建模方法,以剔除与实际不相符的随机几何缺陷。最后,基于所建立的初始几何缺陷随机场模型,利用非干涉多项式混沌展开法进行圆柱薄壳的随机屈曲分析,给出临界屈曲载荷的概率分布。数值试验结果表明,基于随机场理论的初始几何缺陷建模方法可有效刻画几何缺陷对结构承载能力的影响,而提出的约束随机场建模方法又能有效减小结果的分散性。     

三自由度齿轮系统的双参数分岔与全局特性研究

以三自由度齿轮系统为研究对象,通过构造参数平面内不同运动类型的边界线算法,得到了系统在参数平面内的分岔曲线。为了判断分岔曲线的分岔类型,构造了三自由度齿轮系统Poincaré映射的Jacobi矩阵及Floquet乘子算法。结合系统的分岔图、最大Lyapunov指数图(TLE)、相图、Poincaré映射图和Floquet理论,讨论了双参数平面上系统的分岔特性以及参数平面内系统动力学特性的演变,并利用胞映射法对系统随啮合频率变化下的全局动力学特性进行了研究。结果表明:系统在参数平面k-ξ33内存在倍化分岔曲线、鞍结分岔曲线、Hopf分岔曲线等;阻尼系数越大,综合误差越小,系统运动越稳定;鞍结分岔对系统的全局稳定性影响较大,而Hopf分岔对系统的全局稳定性影响较小。研究结果可为齿轮系统设计和参数选择提供理论依据,研究方法也适用于其它非线性系统的双参数分岔分析。     

一类单侧碰撞悬臂振动系统的擦边分岔分析

与光滑动力系统不同,擦边分岔是非光滑动力系统中的一种特殊分岔行为.局部不连续映射是研究非光滑动力系统擦边分岔的一种有力工具.对一类单侧弹性碰撞悬臂振动系统进行了擦边分岔分析.首先建立了系统对应的局部不连续映射(ZDM)和全局Poincaré映射,进而在其他参数固定,碰撞间隙9为分岔参数时利用数值仿真的方法分别对原系统和对应的Poincaré映射进行擦边分岔分析,得到了该系统的两种不同类型的擦边分岔行为:周期1到周期2运动和周期1到混沌,这两种擦边分岔与刚性碰撞系统的情况是不相同的.由分析可知,对于含高阶非线性项的非光滑动力系统的擦边分岔,同样可以利用局部不连续映射的方法进行研究.     

К-Б方法在流动稳定性问题中的应用

近年来,天体力学及非线性振动理论中的Lindstedt和Poincaré求周期解的方法,被推广应用于流动稳定性问题,形成了分支(Bifurcation)理论。可以设想,非线性振动理论中的和渐近法,也可被用于这一问题。 本文以平面Poiseuille流为例,试用渐近法研究其中性曲线附近的周期解及其稳定性问题,和已知的分支理论结果进行比较,在这一问题上,二者是一致的。但本文方法不仅可用于研究周期解,且可研究过渡过程及其他问题。     

受热双层圆薄板的混沌运动

考虑几何非线性和均匀静态温度的影响,研究了双层圆薄板在周期时变横向载荷作用下的混沌现象。首先采用Galerkin法得到了双层板关于时间的非线性动力学方程,而后利用Melnikov函数法,从理论上研究了双层板发生混沌的临界条件及参数范围。最后以某热致微型泵的驱动膜片为例,借助于计算机代数系统Maple进行定量搜索与模拟,并利用Poincaré映射和相平面轨迹以及Lyapunov指数等加以判断,结果表明受热双层板在非线性强迫振动时存在复杂的混沌运动。     

有初始缺陷的矩形板非线性屈曲分析

推导出几何非线性和物理非线性且存在初始缺陷的矩形薄板在纵向荷载作用下增量形式的基本微分方程，并用伽辽金配点法求解该方程。数值计算结果与已有文献的理论和实验结果相当一致。     

弹性圆拱在考虑几何非线性和初始缺陷情况下的动力稳定性分析

本文由虚功原理建立弹性圆拱的平衡方程,用有限差分法对非线性偏微分方程组进行求解(Park法对时间进行差分)。在考虑几何非线性和初始几何缺陷情况下对铰支、固支圆拱在均布突加阶跃荷载作用下的动力稳定性进行分析。结果表明:圆拱中心角的大小、边界条件及初始缺陷幅值都对圆拱失稳模态有影响。文中分析了直接、间接两种失稳形式。并给出了不同初始缺陷及边界条件下圆拱中心角对比值Pd/Pa(Pd为动力稳定临界值,Ps为静力稳定临界值)的影响。     

非线性有限元分析的非协调模式及存在的问题

利用非协调模式提高非线性有限元分析广泛采用的低阶单元的精度和性能,是国际计算力学界研究的热点和难点.阐述了国际上在非线性有限元分析中已广泛采用的增广假设应变法方法(the enhanced assumed strain, EAS)的基本原理,详细讨论了非协调模式用于非线性有限元分析保证收敛、稳定的条件及增广假设应变场插值函数的构造方法.介绍了国内学者关于几何非线性非协调模式的研究方法和研究成果: (1)从Hellinger-Reissner广义变分原理出发,提出了几何非线性非协调模式的收敛条件,并采用非线性计算的若干简化措施建立几何非线性非协调元的简化模型;(2)一类放松单元间协调要求的非线性广义变分原理,对几何非线性问题可以选择事先无协调约束的非协调函数建立非协调元,收敛性可以保证,并根据此非线性广义变分原理可建立C$^1$或C$^0$类几何非线性广义杂交元,C$^1$或C$^0$类精化杂交元和精化直接刚度法.指出了EAS方法用于非线性有限元分析存在的问题,即本构关系和求解方法的限制,并对非协调元应用于非线性有限元分析提出了展望.      

略论Cosserat连续统理论的发展

本文对Cosserat 连续统理论的发展历史作了简述,并对广义连续统力学的意义和今后发展作了短评.     

流体动压滑动轴承-转子系统非线性动力特性及稳定性

根据油膜的物理特性,在动力积分、迭代过程中实时修正具有下游Reynolds边界条件的轴承流体润滑椭圆型变分方程,使其等价为变分不等式.运用八节点等参有限元方法,同时完成非线性油膜力及其Jacobian矩阵的计算.运用Newton-Raphson方法求得转子平衡点时,同时求得了作为副产品的轴承的刚度和阻尼系数.将预估-校正机理和Newton-Raphson方法相结合,提出了计算轴承-转子系统Hopf分岔点(对应于线性失稳转速)的方法.将预估-校正机理与Poincaré-Newton-Floquet方法相结合,分析了T周期运动的局部稳定性和分岔现象.结果表明,采用八节点等参有限元方法同时完成非线性油膜力及其Jacobian矩阵的计算时,同传统方法相比计算量减少,且精度协调一致;将预估-校正机理和Newton-Raphson方法相结合,可以方便地计算轴承-转子系统Hopf分岔点;将预估-校正机理与Poincaré-Newton-Floquet方法相结合,可以避免初值选取困难,快速求得系统周期解及其分岔点.所建立的计算方法具有省时、精度高等优点,可用于指导滑动轴承-转子系统设计.     

Painlevé疑难的理论分析和实验验证

含摩擦的多体系统可能存在Painlevé疑难奇异性——多体系统的后续运动可能存在无解(非协调状态)或者多解(不确定状态).实际系统总要运动下去,而对应于非协调奇异性状态的多体系统将经历怎样的运动值得探讨.从计算、实验和理论证明3个角度研究Painlevé疑难问题,验证和证明了多体系统处于非协调状态时其后续运动的切向冲击特征,并揭示了切向冲击运动的共同规律.     

具有平直条状几何缺陷圆柱壳的弹塑性应力分析

1 引言在实际工程中,由于制造方面的原因,金属圆柱壳结构常常出现平直条状初始几何缺陷.为了探求几何缺陷对壳体应力分布的影响,本文基于初挠曲理论将初始几何缺陷以初挠度引入基本方程.考虑到壳体结构形状的不规则特点,建立了结点任意分布的广义样条子域位移模式,用内时理论构造壳体本构方程.该理论与经典塑性理论相比,具有方程形式简单、应用方便、收敛速度快等特点.2 基本方程与位移模式本文以圆柱壳的子午线和环线为曲线坐标,其中子午向坐标参数为z,环向坐标为转     

地月低能转移的发生条件及轨迹构造

应用平动点理论研究了地月低能转移的发生条件和轨迹构造. 由于空间双圆模型存在周期性扰动,传统的平动点概念不再适用;根据Hill瞬时边界的连接情况定义了等效平动点LL_{1}和LL_{2}. 通过构造合适的Poincaré截面以获得所有可能的月球捕获轨道的近月距和偏心率分布,从而获得了完全不同于Hill和圆型限制性三体问题的月面捕获能量. 在空间双圆模型下,平动点和Halo轨道不变流形的渐近结构遭到破坏:到达或离开平动点的时间,由无穷转变为有限值;运动方向由双向变为单向. 经由LL_{1}点穿越获得了最小能量的低能转移,借助LL_{1}-Halo轨道穿越得到了(M,N)-圈穿越轨道,经由LL_{2}点穿越获得了最小能量的弱稳定边界转移,借助LL_{2}-Halo轨道穿越得到了弱稳定边界逃逸和捕获窗口. 最后,以地月转移和大幅值逆行轨道的切入为例,给出低能转移的小推力、脉冲和弱稳定边界等转移的实现方式.      

强非线性振动系统的渐近解法

本文推广文[1]中方法于求解广泛一类强非线性振动系统,导出了适于近似定性分析和定量计算的简便公式。作为例子研究了修正的Vander Pol振子,最后给出数字Poincaré映射结果,从近似定性分析和定量计算两方面证明了本文求得的方法的有效性。     

求强非线性自治振子同宿轨的广义Padé逼近方法

在经典Padé逼近理论的基础上进行了相应推广,提出了广义Padé逼近方法,并针对强非线性自治振子同宿轨的求解问题,利用双曲函数构造了一种新的广义Padé逼近式.首先,该广义Padé逼近式有着较简单的泰勒展开式,与现有的Padé逼近式相比,在计算同阶逼近时,计算量更少;其次,该方法在强非线性时,依然有着较高的精度;第三,该方法并不局限于某些特定的系统,而是有着较广的适用范围.因此对于广义Padé逼近方法的研究具有一定的实际意义和理论价值.     

非线性非自治系统拓扑结构分析的能量法

利用能量原理,提出一种以能量为状态参数的分析非线性非自治系统拓扑结构的定性方法。分析了能量参数确定系统状态的唯一性,揭示了能量方法的正确性和有效性以及反映系统运动状态信息的丰富性。以非自治Duffing方程为对象,采用能量状态参数,应用提出的能量方法在相空间和运动空间展开了一般的定性分析,给出了能量相图和能量时间历程、能量Poincaré截面图、能量参数分岔图,分析了其中呈现出的运动规律和捕捉到的有价值信息,并与现有的方法进行了比较。