非圆截面弹性细杆的螺旋线平衡及稳定性

本文研究端部受力和力矩作用，且存在初曲率和初扭率的非圆截面弹性细杆的螺旋线平衡及其稳定性。描述弹性细杆平衡状态的Kirchhoff方程存在与杆的螺旋线平衡状态相对应的特解。直杆和圆环杆为螺旋线状态的两种特例。文中分析了螺旋线的几何特性与作用力和力矩之间的相互关系，并导出螺旋线平衡的一次近似解析形式稳定性判据。分析表明，松弛状态下弹性杆可处于螺旋线状态，直杆只有在轴向压力的作用下才能保持螺旋线平衡。无初曲率和初扭率弹性杆的螺旋线平衡稳定性必要条件是杆截面绕副法线轴的抗弯刚度大于或等于绕法线轴的抗弯刚度。此条件也适用于带初扭率的圆环杆及更普遍情形。无初曲率和初扭率的圆截面杆的螺旋线平衡恒稳定。     

非圆截面弹性细杆的平衡稳定性与分岔

本文研究存在初始曲率或挠率的非圆截面弹性细杆的平衡及稳定性问题,在两端受力矩单儿作用的条件下,杆的平衡微分方程可转换为用欧拉角表述的一阶自治系统,并有可能利用相平面的奇点理论分析弹性细杆平衡状态的稳定性,文中对杆截面的对称性,以及杆的初始曲率和挠率对平衡状态性的影响进行了定性分析,导出了解析形式的稳定性判据,揭示了杆平衡状态的列态分岔现象。     

弹性杆盘绕折叠的力学分析

以可伸展空间结构元件的盘绕折叠过程为工程背景,分析受圆柱面单面约束的弹性直杆变形为螺旋杆,最终压缩为叠放的平面圆环的变形过程.对此空间大变形的分析不允许利用小变形假设进行简化.由于约束力的存在,也不能直接利用忽略分布力的Kirchhoff弹性杆方程.本文以表述截面姿态的欧拉角为变量,建立受圆柱面约束弹性杆平衡的非线性方程.利用方程的初积分计算杆截面的内力和力矩.忽略盘绕过程的惯性效应,将参数连续改变的螺旋线状态作为杆盘绕过程中的准平衡状态.导出为实现盘绕过程需要施加的轴向压力和扭矩随螺旋角的变化规律.根据一次近似稳定性理论分析得出:两端铰支弹性杆当相对扭率为零时不能保证螺旋线平衡的稳定性.若杆端支承允许存在相对扭转,则轴向压力和扭矩按文中确定的规律变化时可以保证盘绕过程的稳定性.     

弹性细杆螺旋线平衡的动态稳定性

本文从动力学观点讨论具有初扭率的非圆截面弹性细杆的螺旋线平衡稳定性。弹性杆平衡的动态稳定性建立在以弧坐标s和时间坐标t为双自变量的离散系统的Lyapunov稳定性概念基础上。对于两端约束状况固定不变的弹性杆,若静态稳定性条件已满足,其与弧坐标对应的本征值可根据端部约束条件确定。则螺旋线平衡的动态稳定性由时间域的本征值判断。在缓慢受扰运动条件下,引入尺度缩小的时间变量T=εt,可将动力学过程视为对平衡状态的摄动。证明在ε^2计算精度范围内,当螺旋线平衡的一次近似静态稳定性条件得到满足时,考虑动力学因素的稳定性条件必也同时满足。     

轴向受压螺旋杆的平衡稳定性

在Kirchhoff动力学比拟基础上讨论端部受轴向压力作用的圆截面弹性细杆的螺旋线平衡稳定性问题.弹性杆的平衡状态由Euler角描述的弹性杆平衡方程的特解确定.从Lyapunov或Euler的不同稳定性概念出发,对弹性杆的平衡稳定性的判断可得出不同的结果.根据一次近似扰动方程判断,弹性杆的螺旋线状态和圆环状态恒满足Lyapunov稳定性条件.但螺旋杆在轴向压力到达临界值时,圆环杆在扭转数到达临界值时将产生屈曲而丧失Euler稳定性.导出临界载荷和临界扭转数的计算公式.螺旋杆的临界载荷取决于螺旋线的高度和螺旋角.螺旋角趋近于π/2时螺旋杆转化为带扭率的直杆,其临界载荷的极限值与压杆的Euler载荷一致.文中对两类不同稳定性概念的区别和联系作出解释.     

弹性曲杆的稳定性问题

本文给出空间任一曲杆在弯扭联合作用下的稳定性问题的一般讨论,并且给出了曲杆某一平衡状态的扰动量所满足的方程组(28)—(36),在适当的边界条件下,这些扰动量的非零解对应于临界状态。文末用这组方程具体讨论了五个实际例子,这些例子有些结果是新的,有些是用新的方法去处理老问题。     

关于相平面法讨论压杆稳定性问题的答复

《力学与实践》2005年第2期发表的陈占清等“从非线性动力学视角认识细长压杆的稳定性”一文,中对笔者发表于2002年第4期的“压杆失稳与Liapunov稳定性”一文中用相平面法讨论压杆稳定性提出异议,对此作以下答复：     

受圆柱面约束弹性细杆的摩擦平衡分析

以一类工程对象为背景,研究圆柱面约束下的弹性杆的摩擦平衡问题.在对圆柱面上圆截面弹性杆位形和运动分析的基础上,导出了计入分布摩擦力的弹性杆平衡微分方程并无量纲化.由此得到了无摩擦时螺旋杆解的存在条件,以及存在摩擦时的不滑动的条件.分析表明,截面章动角对弧坐标的一阶导数和自转角对弧坐标的二阶导数表达的变形是分布摩擦力所致.就5类特殊的平衡位形,分别计算了内力和分布摩擦力集度,部分进行了数值计算,给予了静止与否的判定.为曲面上弹性杆的摩擦平衡或动力学分析提供方法和思路.     

弹性杆基因模型的力学问题

概述弹性杆静力学与刚体动力学之间相似性的Kirchhoff理论．讨论其在分子生物学的弹性杆基因模型中的应用，以及与分析力学和运动稳定性理论有关的若干问题．     

Kovalevskaya弹性杆

应用Kirchhoff比拟讨论Kovalevskaya情况弹性细杆的平衡稳定性问题．导出Kirchhoff方程的解析积分．对于杆截面的主轴与Frenet坐标轴重合的无扭转杆的特殊情形作定性分析，讨论其平衡状态的稳定性与分岔．证明了判断受拉扭作用的圆截面直杆平衡稳定性的Greenhill公式也适用于Kovalevskaya情形的非圆截面杆．     

论半无限长杆对有限长梁的横向弹性冲击问题

研究了半无限长弹性杆对有限长弹性梁的横向冲击问题，采用小高——中原对受冲击接触面的准静态处理方法，给出了描述这一问题的基本方程，并用Ｌａｐｌａｃｅ变换方法对它进行了求解，文中通过数值的Ｄｕｒｂｉｎ反演结果展示了杆梁间冲击问题的一些特点     

轴向受压螺旋杆的动态稳定性与振动

基于Kirchhoff理论讨论端部受轴向压力作用的圆截面弹性螺旋杆的动态稳定性问题。以杆中心线的Frenet坐标系为参考系,建立用欧拉角描述的弹性杆动力学方程。杆的螺旋线平衡状态由方程的特解确定。基于静力学分析的结论,在动力学范畴内继续讨论轴向受压螺旋杆平衡状态的稳定性。在一次近似意义下证明了螺旋杆在空间域内的欧拉稳定性条件为时域内的Lyapunov稳定性条件。从而进一步认识Lyapunov和欧拉两种不同稳定性概念之间的相互关系。导出轴向受压螺旋杆弯扭耦合振动固有频率的近似解析表达式。     

受圆柱面约束螺旋杆伸展为直杆的动力学分析

以大型空间结构的可伸展机械臂从折叠状态被释放的伸展过程为工程背景, 分析受圆柱面单面约束的弹性螺旋杆在惯性力作用下恢复为直杆的动力学过程. 对弹性杆空间大变形的分析不允许利用小变形假设进行简化. Kirchhoff动力学比拟理论是研究细长弹性杆超大变形的有效工具. 但由于圆柱面约束的存在, 不能直接利用无分布力的Kirchhoff 模型, 而必须在方程中增加分布的约束力. 以表述截面姿态的欧拉角为变量, 建立受圆柱面约束弹性杆的动力学方程. 在圆柱面约束条件下, 认为弹性杆在伸展过程中仍维持半径不变的螺旋线形态, 仅螺旋线倾角和杆的扭率随时间变化. 对简化后的非线性微分方程导出解析积分, 以描述伸展运动的动力学过程, 导出螺旋杆伸展速度的变化规律, 以及从初始状态伸展为直杆所需时间的简明的解析形式计算公式.      

有环壳过渡段的锥—柱组合壳的应力和稳定性

用解析方法计算了受静水外压载荷作用的有环壳过渡段的锥—柱组合壳中的应力值，并用瑞利法计算了其失稳临界载荷。计算结果说明，利用环壳过渡值锥—柱壳形成光滑连接，可使连接部位的局部应力值显著降低，并使失稳临界载荷有所提高     

Stress Singularity in an Elastic Cylinder of Cylindrically Anisotropic Materials

The issue of stress singularity in an elastic cylinder of cylindrically anisotropic materials is examined in the context of generalized plane strain and generalized torsion. With a viewpoint that the singularity may be attributed to a conflicting definition of anisotropy at r=0, we study the problem through a compound cylinder in which the outer cylinder is cylindrically anisotropic and the core is transversely isotropic. By letting the radius of the core go to zero, the cylinder becomes one with the central axis showing no conflict in the radial and tangential directions. Closed-form solutions are derived for the cylinder under pressure, extension, torsion, rotation and a uniform temperature change. It is found that the stress is bounded everywhere, and singularity does not occur if the anisotropy at r=0 is defined appropriately. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

Multiple Equilibrium States of Slightly Extensible Elastic Strings

We consider the equilibrium states of elastic strings loaded transversely by their own weight. We are interested in the relation between the equilibrium states of inextensible strings and those of strings which are nonlinearly elastic and slightly extensible. The inextensible string has a unique concave equilibrium state while the concave equilibrium states of a nonlinearly elastic string come in pairs. In this paper we explore the relation between the two models. This revised version was published online in August 2006 with corrections to the Cover Date.