任意拉格朗日—欧拉描述法研究进展

任意拉格朗日描述综合了纯拉格朗日和纯欧拉描述的优点，克服了各目的缺点，成为非线性连续介质力学中大变形分析的非常有效的方法。本文论述了ＡＬＥ法的研究进展及其在流动流体动力学、流体－结构相互作用、加工成型、碰撞、接触等大变形问题中的应用。     

流固耦合振动问题的某些工程处理方法

流固相互作用的动力学问题,又称流固耦合问题,可以用拉格朗日法或欧拉-拉格朗日法予以表述。其中不少问题是非线性的,如带自由面的流动区域,边界条件即呈非线性。本文简要综述了若干流固耦合问题的基本方程和边界条件,介绍了这类问题的处理方法,包括有限元法,流体元的有限差分法及其联合运用,还有有限元与边界元耦联解法。文中也提及了本文作者们已做的一些工作和国内在工程水弹性力学研究方面的进展。     

基于ALE算法的V形楔形体入水的水动力特性分析

结构入水问题是一种复杂的流固耦合过程,涉及到固体力学、流体力学、冲击动力学和计算力学等相关力学分支的交叉与融合.论文基于非线性显式动力分析方法,采用任意拉格朗日-欧拉算法(水域采用欧拉描述,固体结构采用拉格朗日描述),并用罚函数方法控制结构与流体之间的耦合作用,对二维V形楔形体垂直入水的初期过程进行了数值仿真.通过数值仿真,分析了楔形体底部压力分布情况,讨论了网格密度、接触刚度以及阻尼系数对数值计算结果的影响,并将数值结果与Wagner理论解进行了对比分析,验证了ALE方法的可靠性.     

弹性力学与流体力学基本方程的统一性

本文将流体微元看成固体微元的特殊情况,并结合流体静止时无切应力的性质,首先利用弹性力学的柯西公式得到流体静压强的概念,其次利用弹性力学的平衡微分方程得到流体静力学的欧拉方程。然后通过考虑弹性体与不可压缩流体的共性及差异,利用弹性体动力学的基本方程直接推导出流体动力学中不可压缩黏性流体的N–S方程。本文方法避开了流体力学基本方程的传统推导方法,证明了流体力学与弹性力学的基本方程具有高度的统一性。利用该研究结果可以进一步改善力学课程的教学内容,加深理解力学基本原理,有效提高力学课程教学水平。     

可渗透圆柱壳流固耦合问题的流场与内力分析

在弹性薄壳的非线性理论和流体力学基本方程的基础上,研究了可渗透圆柱壳的流固耦合问题.假定壳体具有均布孔隙且孔的面积很小,不考虑其阻力,忽略对弯曲刚度和壳体腔内流体微小运动影响,应用相容欧拉--拉格朗日法建立了带孔的圆柱壳在流体中相互作用的基本方程.通过具体算例求解,给出了流场速度与压力的变化、圆柱壳的变形及内力分布,并对相关参数进行了讨论.     

多孔介质内黏弹性流体的热对流稳定性研究

基于修正的Darcy模型, 介绍了多孔介质内黏弹性流体热对流稳定性研究的现状和主要进展. 通过线性稳定性理论, 分析计算多孔介质几何形状(水平多孔介质层、多孔圆柱以及多孔方腔)、热边界条件(底部等温加热、底部等热流加热、底部对流换热以及顶部自由开口边界)、黏弹性流体的流动模型(Darcy-Jeffrey, Darcy-Brinkman-Oldroyd以及Darcy-Brinkman -Maxwell模型)、局部热非平衡效应以及旋转效应对黏弹性流体热对流失稳的临界Rayleigh数的影响. 利用弱非线性分析方法, 揭示失稳临界点附近热对流流动的分叉情况, 以及失稳临界点附近黏弹性流体换热Nusselt数的解析表达式. 采用数值模拟方法, 研究高Rayleigh数下黏弹性流体换热Nusselt数和流场的演化规律,分析各参数对黏弹性流体热对流失稳和对流换热速率的影响.主要结果:(1)流体的黏弹性能够促进振荡对流的发生;(2)旋转效应、流体与多孔介质间的传热能够抑制黏弹性流体的热对流失稳;(3)在临界Rayleigh数附近,静态对流分叉解是超临界稳定的, 而振荡对流分叉可能是超临界或者亚临界的,主要取决于流体的黏弹性参数、Prandtl数以及Darcy数;(4)随着Rayleigh数的增加,热对流的流场从单个涡胞逐渐演化为多个不规则单元涡胞, 最后发展为混沌状态.      

滞后细观模型在岩石力学中的应用

对以砂岩为代表的所谓``NME材料'的力学行为研究方面的一些新的概念和模型进行了评介.首先介绍了一种基于所谓``滞后单元'的描述滞后现象的物理模型------Preisach-Mayergoyz(P-M)模型,然后详细阐述了P-M模型应用于模拟岩石的非线性滞后应力应变关系的过程和结果.这种唯象模型很好地描述了宏观上的滞后表现和``离散记忆'效应.接着本文对应变能耗散的力学机制进行了简单分析. 最后,介绍了一种描述弹性波在``NME材料'中传播规律的数学方法, 该方法从一般的弹性波传播规律出发,分析了``NME材料'特殊的力学性质给弹性波传播带来的影响,揭示了产生特殊的弹性波传播规律的原因.      

基于绝对节点坐标法的弹性线方法研究

相比于浮动坐标系法, 绝对节点坐标法(absolute nodal coordinateformulation, ANCF)在处理柔性体非线性大变形问题上具有显著优势,ANCF将单元节点坐标定义在全局坐标系下,采用斜率矢量代替节点转角坐标, 具有常数质量阵,不存在科氏离心力等优点, 然而弹性力阵为非线性项,其求解将比较耗时且占用资源. 据此, 在弹性力求解方法中,引入弹性线方法(elastic line method, ELM),该方法将格林--拉格朗日应变张量定义在中心线上,采用曲率公式来定义弯曲应变, 转角公式来定义扭转应变.同时采用有限元法对三维柔性梁位移场进行离散,求解梁单元常数质量阵、广义刚度阵、广义力阵,进而得到单元的动力学方程, 通过转换矩阵得到三维梁的动力学方程.接着从理论上指出连续介质力学方法(continuum mechanics method,CMM)和弹性线方法在求解弹性力上的不同点, 并编制动力学仿真软件.最后分别采用连续介质力学方法和弹性线方法对柔性单摆以及履带式车辆的动力学问题进行仿真分析,结果表明:弹性线方法能在保证精度的前提下有效提高计算效率.      

刚性球体三维高速垂直自由入水载荷

入水结构体在从空中弹道转入水下弹道的入水阶段,其周围的流体将呈现出强非线性性质,本文针对传统基于Wagner理论的结构体入水载荷计算模型不能很好描述流体三维流动的情况,基于无黏不可压流体流动模型,考虑流体弹性,采用微元边界运动等效方法对运动边界进行分段分析,计及入水过程中系统的动能损失,根据能量守恒,对刚性球体高速垂直自由入水过程中流体的三维流动进行了理论分析,建立了基于无黏不可压弹性流体的刚性球体垂直高速入水载荷计算模型,并与基于多介质任意拉格朗日欧拉方法的有限元模型进行了对比分析,验证了该方法的可行性。基于此模型,本文进一步分析了入水载荷的影响因素。该方法提供了一种计算结构体垂直高速入水载荷的思路,具有一定的理论意义和工程应用价值。     

层状弹性体系力学及其应用

层状弹性体系力学是弹性力学的一个分支。首先介绍层状弹性体系力学的发展历史。其次介绍N层弹性体系的力学分析与计算,内容包括基本假定、应力和位移分量的表达式、定解条件、根据定解条件建立求解积分常数的线性代数方程组、由线性代数方程组求解积分常数、贝塞尔函数的计算、积分计算公式、数值积分、后续的力学计算以及计算算例。最后介绍层状弹性体系力学在科学研究和工程设计中的应用。     

Advances in sono-elasticity of ships and the related applications

船舶结构与水介质耦合动力学在改善船舶运动性能与结构安全性,控制船舶振动噪声与提高水下声隐身性能,进行船舶综合性能的优化设计等一系列工程问题中有广泛的应用需求与发展前景.本文综述了船舶水弹性力学、声弹性力学的理论方法、试验技术与应用技术的国内外研究进展;介绍了在带航速三维水弹性力学理论(Wu 1984)基础上,作者所在课题组近年来发展的船舶三维声弹性理论、计算技术及工程应用的概况.简述了船舶三维声弹性理论的部分应用情况及发展方向.     

考虑水弹性影响的水下航行体结构动响应研究

考虑水弹性的影响,计及惯性力、水动力和弹性力之间的相互耦合作用,将水动力学方程和结构动力学方程联合求解,采用三维势流理论和边界元法推导并计算了水下航行体结构的附加质量矩阵,对带空泡水下航行体出水过程中的结构动响应问题进行了分析.      

船舶声弹性力学理论及其应用

船舶结构与水介质耦合动力学在改善船舶运动性能与结构安全性,控制船舶振动噪声与提高水下声隐身性能,进行船舶综合性能的优化设计等一系列工程问题中有广泛的应用需求与发展前景.本文综述了船舶水弹性力学、声弹性力学的理论方法、试验技术与应用技术的国内外研究进展;介绍了在带航速三维水弹性力学理论(Wu 1984)基础上,作者所在课题组近年来发展的船舶三维声弹性理论、计算技术及工程应用的概况.简述了船舶三维声弹性理论的部分应用情况及发展方向.     

Sloshing

本文列举了诸多工程领域中的液体共振运动现象,详细探讨了船舱中伴有剧烈流动的晃荡问题.描述了基于理论分析的非线性多模态方法,该方法便于波动稳定性分区、多分支解和物理稳定性的研究.强调了方形舱、垂向圆柱舱以及球形舱内伴有旋转和混沌（不规则波动）的三维流动的重要性.晃荡引起的砰击涉及到各种各样的内流条件,这些条件随液体深度与舱体长度之比而变化.针对棱柱状LNG舱,讨论了许多与流体力学和热力学参数、影响砰击载荷效应的水弹性以及模型实验缩尺比的物理现象.     

水波动力学研究进展

水波动力学,历史悠久,内容丰富,此文仅进行简要的历史回顾,以阐明其进展的思想、智慧、途径以及这门学科对其它学科进展的贡献和影响。随后,引进一个新理论,能模拟三维、非定常、有完全非线性和频散(或色散)性的重力毛细波,在深度任变的水中传播和演化的现象。此外,对二维水波在海滩上之涨落问题,提供一个Lagrange-Euler观点相结合的精确计算方法,以供读者推广和应用,此外,对外力作用下的水波系统共振现象,作些补充论述。      

ALE有限元方法研究及应用

将ALE（Arbitrary Lagrangian-Eulerian)描述引入到有限元方法中， 从而使有限元方法在解决大范围自由移动边界问题，特别是液体大幅晃动、流－固耦合、加工成型、接触、大变形等问题时获得极大成功。本文综述了ALE有限元方法的研究现状以及在不同领域的应用，并对 今后的研究及应用做了展望。     

非线性流固耦合问题的ALE分步有限元数值方法

推导了一种基于ALE（Arbitrary Lagrangian-Eulerian,即任意的拉格朗日-欧拉）描述下的带有自由液面不可压液体与运动结构非线性耦合问题的一种有限元数值计算方法,在时间域上采用分步格式计算,这种方法与混合插值方法比较其优点是速度和压力可使用同阶线性插值,给数值计算带来很大方便,将所得到的方法应用到结构与TLD（调谐式（液体阻尼器）装置之间的耦合问题,数值计算结果验证了本文所推导的方法。     

充液矩形贮箱弹性箱底板应力与变形分析

基于相容拉格朗日-欧拉法,通过对流场与弹性固体间流固耦合作用的分析,得到了矩形贮箱弹性底板流固耦合系统的自由振动微分方程。将伯努利方程与外加激励条件、速度势函数耦合到自由振动方程中,采用迦辽金积分法,给出了矩形贮箱在流体作用下的应力与变形的解析解。讨论了弹性底板的抗弯刚度、结构尺寸、底板材料参数及流体深度等因素对底板应力与变形的影响。研究结果表明:在液体晃动非线性激励作用下,贮箱底板的应力和变形随着液体深度、板长的增大而增大,随着板厚的减小而增大,且成非线性变化关系;底板的变形及应力与底板的材料常数相关,其中板厚的变化对其变形和应力影响要比板长及液体深度的影响显著得多。本文结果可为工程实际中矩形贮箱的设计提供参考。     

任意的拉格朗日欧拉边界元－有限元混合法分析物体撞水响应

计算物体的撞水响应目前已有了一些专用的算法．本文在分析和比较这些算法的基础上，提出了一个解撞水问题的任意的拉格朗日欧拉边界元－有限元混合法（ＡＬＥ－ＢＥ－ＦＥＭ），这个方法不仅充分发挥了边界元法计算半空间流场的优越性，而且还能计及液面大晃动的非线性边界条件和物体变形所造成的影响．文中给出圆柱刚体和楔形刚柱体两个撞水算例，结果有力表明该方法的可靠性和有效性。