多孔功能梯度材料Timoshenko梁的自由振动分析

基于Timoshenko梁理论研究多孔功能梯度材料梁(FGMs)的自由振动问题.首先,考虑多孔功能梯度材料梁的孔隙率模型,建立了两种类型的孔隙分布.其次,基于Timoshenko梁变形理论,给出位移场方程、几何方程和本构方程,利用Hamilton原理推导多孔功能梯度材料梁的自由振动控制微分方程,并进行无量纲化,然后应用微分变换法(DTM)对无量纲控制微分方程及其边界条件进行变换,得到含有固有频率的等价代数特征方程.最后,计算了固定-固定(C-C)、固定-简支(C-S)和简支-简支(S-S)三种不同边界下多孔功能梯度材料梁自由振动的无量纲固有频率.将其退化为均匀材料与已有文献数据结果对照,验证了正确性.讨论了孔隙率、细长比和梯度指数对多孔功能梯度材料梁无量纲固有频率的影响.     

轴向变速运动黏弹性梁稳定性渐近分析和数值验证

研究了轴向变速运动黏弹性梁参数振动的稳定性.对黏弹性本构关系采用物质时间导数,轴向速度用关于恒定平均速度的简单谐波变化来描述.发展浙近摄动法确定稳定性条件.应用微分求积法数值求解简支边界条件下的轴向变速运动黏弹性梁方程,并进而确定次谐波参数共振的稳定性边界.数值结果显示了梁的黏性阻尼和轴向平均速度的影响并验证了次谐波共振的解析结果.     

粘弹性-弹性层合微悬臂梁的自由振动

吸附膜的粘弹性性质对微梁生物传感器的固有频率有显著影响.首先,在欧拉梁假设下,采用线性粘弹性积分型本构关系和拉普拉斯变换方法,建立了动态识别技术中粘弹性-弹性层合微悬臂梁自由振动的基本方程;其次,采用空域分离变量法和时域微分求导法,获得了积分-偏微分系统的固有频率,并采用求解代数方程的卡尔丹公式和不等式的性质,在材料参数和几何参数张成的高维空间获得了齐次通解的结构;最后,研究了微梁的几何尺寸、吸附膜的粘弹性参数、膜基厚度比和模量比对微梁自由振动的影响.结果表明:吸附膜的粘弹性阻尼效应使得微梁的稳态固有频率低于瞬态固有频率;随着吸附膜松弛时间的减小,微梁瞬态固有频率漂移与稳态固有频率漂移之间的差别逐渐增大;通过控制膜基厚度比或模量比等参数可以使微梁振动进入弱阻尼振动区域.     

考虑表面效应的双层圆板的自由振动分析

考虑微生化传感器中谐振器的结构特点,基于Kirchhoff薄板理论与表面弹性理论推导了考虑表面效应的双层圆板的自由振动方程.使用伽辽金法得到了近似解.分析了硬化与软化表面效应与表面残余应力对双层圆板固有频率的影响.结果表明,与已有简化的单层圆板模型相比,现有考虑表面效应的双层板模型会得到与之不同的固有频率.随着板厚与上...     

非定常微分型黏弹性本构模型

在应力作用下, 材料的力学参数随着微观结构的变化而变化, 需要考虑参数的时间效应. 利用黏滞系数随时间变化的黏性元件, 构造出非定常Maxwell模型、非定常Kelvin模型和非定常Zener模型. 求解非定常模型的微分型本构方程得到它们的松弛模量、蠕变柔量和卸载方程. 结果表明, 可以把常见的经验松弛函数和经验蠕变函数视为非定常微分型本构模型.      

微纳米结构壁面对流场及动压润滑的影响研究

固体边界具有的微纳米结构将影响流体在近壁面处的流动行为,进而由于尺度效应改变流体在整个微间隙的流动或润滑规律.将壁面可渗透微纳米结构等效为多孔介质薄膜,采用Brinkman方程来描述流体在近壁面边界渗透层内的流动,并将其与自由流动区域的不可压缩流体Navier-Stokes控制方程耦合,在界面处的连续边界条件下求解和分析了速度分布规律和压力变化规律.针对恒定法向承载力的油膜润滑条件,进一步讨论了静止表面或运动表面的微纳米结构对近壁面流动行为的影响;并揭示了考虑壁面微纳米结构的流体动压润滑的油膜厚度和摩擦系数的变化规律.论文结果为具有可渗透微结构表面的微间隙流动与润滑提供了理论参考.     

生物芯片中周期性电渗驱动液体薄膜的流动特性

研究了二维周期性电渗驱动液体薄膜的流动特性. 以Debye-Hückel 假设近似下线性化的Poisson-Boltzmann方程描述双电层电动势分布和电荷密度的分布关系, 与黏性不可压缩流体Navier-Stokes方程相耦合, 得到流体在自由面与固壁之间的周期电渗流流场的精确解. 结果显示, 薄膜内速度振幅与流体黏性密切相关, 雷诺数越大, 速度振幅就越小. 该文还细致分析了雷诺数和自由面ζ电势对自由面的流速振幅和薄膜内速度相位差的影响.     

黏性阻尼系统时域响应灵敏度及其一致性研究

时域响应灵敏度分析是时域梯度优化算法的基础. 灵敏度分析通常只涉及对设计变量的微分运算, 但时域响应灵敏度问题还涉及时间域的离散化. 因此, 微分和离散的先后顺序可能对时域响应灵敏度结果产生影响. 针对黏性阻尼系统时域响应灵敏度求解问题, 基于改进精细积分方法, 分别推导了先微分后离散和先离散后微分两种伴随变量方法. 其中, 先微分后离散法首先对由伴随变量构造的增广函数微分, 再利用改进精细积分方法在各离散时间点求解时域响应灵敏度; 而先离散后微分方法则首先在各离散时间点引入残值方程构造增广函数, 再对各增广函数进行微分以求解时域响应灵敏度. 通过数值算例验证了所提出方法的有效性和准确性, 并与传统基于Newmark的方法进行比较. 结果表明, 积分方案、数值离散误差以及离散和微分的先后顺序共同影响灵敏度的一致性误差. 综合考虑精度、效率和一致性问题, 基于改进精细积分的先微分后离散伴随变量法表现更优, 最适合应用于黏性阻尼系统时域梯度优化算法.      

高压下液体微管道流动的摄动分析

应用参数摄动法对可压缩N-S方程进行渐近展开,并取其零阶近似对高压下微管道液体流动特性进行了分析．对任意截面形状和面积的微管道,在等温流动假设下将其截面形状、滑移长度等对解的贡献转化为求解该截面的格林函数,并给出等截面圆形微管道流动的零阶近似解．以此分析可压缩性、黏性以及壁面滑移等因素对高压下液体微管道流动特性的影响,进一步揭示了高压驱动下液体微管道流动偏离经典Hagen-Poiseuille(HP)理论的原因．      

汶川大地震后水坝建设中若干问题的思考

应用参数摄动法对可压缩N-S方程进行渐近展开,并取其零阶近似对高压下微管道液体流动 特性进行了分析．对任意截面形状和面积的微管道,在等温流动假设下将其截面形状、滑移 长度等对解的贡献转化为求解该截面的格林函数,并给出等截面圆形微管道流动的零阶近似 解．以此分析可压缩性、黏性以及壁面滑移等因素对高压下液体微管道流动特性的影响,进 一步揭示了高压驱动下液体微管道流动偏离经典Hagen-Poiseuille(HP)理论的原因．     

悬索在考虑1:3内共振情况下的动力学行为

研究了悬索在受到外激励作用下考虑1∶3内共振情况下的两模态非线性响应.对于一定范围内悬索的弹性-几何参数而言,悬索的第三阶面内对称模态的固有频率接近于第一阶面内对称模态固有频率的三倍,从而导致1∶3内共振的存在.首先利用Galerkin方法把悬索的面内运动方程进行离散,然后利用多尺度法对离散的运动方程进行摄动得到主共振情况下的平均方程.接下来对平均方程的稳态解、周期解以及混沌解进行了研究.最后利用Runge-Kutta法研究了悬索两自由度离散模型的非线性响应.     

壁湍流多尺度相干结构复涡黏模型的实验研究

在湍流相干结构动力学方程中,非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力的模型为涡黏性模型,即涡黏性系数乘以相干结构平均速度变形率的形式.基于非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力与相干结构速度变形率之间存在相位差的事实,在理论上提出了非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力复涡黏性模型的假设.应用热线测速技术,在低速风洞中对湍流边界层非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力与相干结构法向速度变形率之间的相位关系进行了实验测量.通过分析湍流相干结构猝发过程中非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力与相干结构速度变形率之间的相位关系,研究了相干结构雷诺应力分量与流向速度法向梯度之间的相位差沿湍流边界层法向的变化规律,肯定了湍流相干结构复涡黏性系数模型的合理性.     

Experimental research on complex eddy viscosity modeling of multi-scale coherent structures in wall turbulence

在湍流相干结构动力学方程中,非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力的模型为涡黏性 模型,即涡黏性系数乘以相干结构平均速度变形率的形式. 基于非相干结构成分对相干结构贡 献的雷诺应力与相干结构速度变形率之间存在相位差的事实,在理论上提出了非相干结构成 分对相干结构贡献的雷诺应力复涡黏性模型的假设. 应用热线测速技术,在低速风洞中对湍 流边界层非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力与相干结构法向速度变形率之间的相位 关系进行了实验测量. 通过分析湍流相干结构猝发过程中非相干结构成分对相干结构贡献的 雷诺应力与相干结构速度变形率之间的相位关系,研究了相干结构雷诺应力分量与流向速度 法向梯度之间的相位差沿湍流边界层法向的变化规律,肯定了湍流相干结构复涡黏性系数模 型的合理性.     

框架结构P-△效应分析的微分求积单元法

采用一种新的数值方法——微分求积单元法分析框架结构的P-△效应。微分求积单元法采用微分求积法直接求解微分方程的技术，并结合有限分割技术而形成。首先建立考虑剪切变形和轴力二阶效应的框架结构单元平衡微分方程，通过微分求积离散而得到梁单元的一般弹性刚度方程；同时考虑变形后节点的平衡条件和变形协调条件，导出框架结构整体二阶分析的微分求积单元法力学模型。由于该分析模型中包括了单元及结构的所有离散形式的控制方程，因此采用该模型进行结构分析可得出较为精确的解。数值算例的分析比较，表明了该法用于框架结构P-△效应分析的正确性和有效性。本文导出的框架结构二阶分析的微分求积单元法力学模型可用于框架结构剪切变形与几何非线性的耦合效应分析。     

流体黏性对输流管道运动方程及临界流速的影响

考虑实际流体黏性引起的管内流速非均匀分布,针对层流和两种不同的湍流流态,对理想流体情况下输流管道运动方程中的离心力项进行了修正,得到的修正系数分别为1.333(圆管层流)、1.020(光滑管壁圆管湍流)和1.037～1.055(粗糙管壁圆管湍流).根据修正后的运动方程得到的上述3种情况下的发散失稳临界流速比理想流体流动情况下依次分别低13.4%,1.0%和1.8%～2.6%.流体黏性对输流管道运动方程及临界流速的影响只与流态有关,雷诺数决定流态,而黏性系数通过雷诺数间接起作用.     

THERMOELASTIC VIBRATION OF FLUID-CONVEYING MICROTUBES EMBEDDED IN ELASTIC MEDIUMS

研究热环境中被弹性介质包围的微米输流管道的横向振动问题. 根据Hamilton 原理及非线性热弹性理论建立管道横向振动控制方程,并利用复模态法对其进行求解,得到了系统的固有频率和屈曲失稳临界流速,讨论了环境温度和一些重要系统参数对管道振动特性的影响. 研究结果表明:环境温度变化、管道和流体的微尺度效应、管道外径及弹性介质刚度对输流微管道固有频率和临界流速都有很大影响.     

基于FSI的4-方程模型的改进分析

传统水击理论所用的连续方程未能反映水击发生时管道内存在的液体压力波速、管道应力波速、流体波速,且进行了大量的简化却不能更好地反应管道系统的实际运动状态。本文主要基于现有的水击计算理论及其耦合理论,在考虑管道纵横两个方向都反映水击耦合特性的情况下,利用特征线法,求出耦合波速;并在推导新的连续方程时将求出的耦合波速替代推导传统4-方程模型的连续性微分方程时水击波速与流速的关系,得到新的连续方程;并忽略高次微量和压力梯度等对新的连续方程进行一定简化,与简化后的流体动量方程、管道运动方程和物理方程构成了改进的轴向4-方程模型。将改进模型求解出的耦合波速与经典模型的进行比较,结果表明两耦合波速相近,但改进模型在考虑管道纵横两个方向都反映水击耦合特性的因素后,理论上会更严瑾、更合理。     

黏弹性模型微分型本构方程的矩阵形式

针对多个弹性元件和黏性元件以任意连接方式组成的线性黏弹性模型,本文探究了其本构方程的通用矩阵形式表述。首先将研究问题扩展为由Maxwell基本单元构成的标准模型,然后转化为有向图,根据独立路径和闭包围的形式表征出基本应力方程和应变方程,进一步推导得到了任意线性黏弹性模型的微分型本构方程的一般矩阵形式。论文最后总结并建立了一套适合计算机编程的固定范式,利用Python编程实现了该算法、获得了一些数值计算结果。     

考虑尺度效应的微梁静态弯曲数值分析

基于修正偶应力理论及表面弹性理论,本文提出了一种新的双曲线剪切变形梁模型,用于均匀微尺度梁的静态弯曲分析。该理论可以直接利用本构关系获得横向剪切应力,满足梁顶部和底部的无应力边界条件,避免了引入剪切修正因子。根据广义Young-Laplace方程建立了梁的内部与表面层的应力连续性条件,单一的变量场可以描述梁的位移模式。通过在位移场中考虑表面层厚度以及表面层的应力连续条件,可以使新模型能够更准确地预测微尺寸和表面能相关的尺度效应。通过Hamilton原理推导出了梁的控制方程和边界条件。应变能除了考虑经典弹性理论,还要考虑微结构效应和表面能。Navier-type的解析解适用于简支边界条件,而基于拉格朗日插值的微分求积法(DQEM)可以研究在不同边界条件下的力学响应。把该数值解与Navier方法得出的解析解作了对比,得出:微尺度梁在考虑表面能或微尺寸效应、不同载荷和梁高变化下的响应一致;当不考虑微结构相关性和表面能效应时,该模型退化为经典的欧拉梁模型。     

黏弹性模型微分型本构方程的矩阵形式

针对多个弹性元件和黏性元件以任意连接方式组成的线性黏弹性模型,本文探究了其本构方程的通用矩阵形式表述。首先将研究问题扩展为由Maxwell基本单元构成的标准模型,然后转化为有向图,根据独立路径和闭包围的形式表征出基本应力方程和应变方程,进一步推导得到了任意线性黏弹性模型的微分型本构方程的一般矩阵形式。论文最后总结并建立了一套适合计算机编程的固定范式,利用Python编程实现了该算法、获得了一些数值计算结果。