采用精确化理论求解厚板任意形开孔动应力集中

摘要：本文基于复变函数与保角映射法,采用平板弯曲振动精确化方程[9],对含任意形开孔平板中弹性波散射与动应力集中问题进行了研究。利用正交函数展开的方法将待解的问题归结为对一组无穷代数方程组的求解。作为算例,计算了自由边界条件下圆孔和椭圆孔的动弯矩集中系数的数值结果,并对板厚与孔径比对动弯矩分布的影响做了分析研究。结果表明：入射波数、平板厚度和椭圆偏心率等参数对动弯矩的分布都有很大的影响。在较低频率和平板较薄的情况下,基于文献[9]的方程与基于Mindlin板的动弯矩结果在数值分布上是基本一致的;在较高频率和平板较厚的情况下,基于文献[9]的方程与基于Mindlin板的动弯矩结果在数值分布计算结果相差较大。由于文献[9]给出的平板振动精确化方程是在没有任何工程假设条件下得到的,因此本文的分析计算结果更精确一些。     

含孔软铁磁材料Mindlin板中弹性波散射问题

基于考虑磁弹相互作用的Mindlin板弯曲波动方程，采用波函数展开法，分析研究 了含孔软铁磁材料Mindlin板中弹性波散射与动应力集中问题，给出了问题的分析 解和数值算例. 通过分析发现：磁感应强度对动弯矩集中系数和动剪力集中系数有 增加的作用，特别是在低频的情况下.     

应变梯度Mindlin板边值问题的讨论

实验和分子动力学计算结果表明,当材料/结构的特征尺寸降为微纳米量级时,他们将表现出明显的尺度效应,因此能否建立精确表征其力学行为的连续介质力学模型具有重要的理论和现实意义.尽管现有文献对非经典Mindlin板的力学行为进行了大量研究,但该模型的变分自洽的边值问题是近年来未攻克的科学问题之一.基于简化的应变梯度理论给出了各向同性Mindlin板应变能的表达式,通过变分原理和张量分析,得到了Mindlin板变分自洽的边值问题及其对应角点条件的位移微分表达式.本文Mindlin板模型的边值问题可退化为相应的Timoshenko梁和Kirchhoff板模型的边值问题,验证了本文结果的有效性.研究结果发现,该Mindlin板模型的控制方程是一个解耦后横向振动具有12阶的偏微分方程,因此需要每个板边提供6个边界条件.角点条件由双应力(double stress)产生,并与经典的剪力、弯矩和扭矩沿截面的法向梯度有关.本文首次澄清了应变梯度Mindlin板存在角点条件这一事实,所得的变分结果有望为其有限元法和伽辽金法等数值方法提供理论依据.     

基于厚板理论分析深水域中弹性浮板的水波响应

基于线性水波理论和Mindlin厚板动力学理论,采用Wiener-Hopf 方法,研究了不同水深水面上弹性浮板在不同入射波数水波作用下的动力学响应问题。首先推导了无限深水域中弹性浮板水波响应的解析解,并将本文分析计算结果与采用其他方法(经典薄板理论)得到的计算结果进行了对比和分析;其次,采用本文方法研究了大型浮板在三种入射波数的水波作用下动弯矩幅值的分布情况;最后,根据其他文献的方法计算了不同水深(有限水深)情况下浮板的动响应,并与本文的计算结果进行了对比分析。     

Mindlin 矩形微板的热弹性阻尼解析解

首次给出了四边简支的 Mindlin 矩形微板热弹性阻尼的解析解. 基于考虑一阶剪切变形的 Mindlin 板理论和单向耦合热传导理论建立了微板热弹性耦合自由振动控制微分方程. 忽略温度梯度在面内的变化,在上下表面绝热边界条件下求得了用变形几何量表示的温度场的解析解. 进一步将包含热弯曲内力的结构振动方程转化为只包含挠度振幅的四阶偏微分方程. 利用特征值问题之间在数学上的相似性,在四边简支条件下给出了用无阻尼 Kirchhoff 微板的固有频率表示的 Mindlin 矩形微板的复频率解析解,从而利用复频率法求得了反映热弹性阻尼水平的逆品质因子. 最后,通过数值结果定量地分析了剪切变形、材料以及几何参数对热弹性阻尼的影响 规律. 结果表明,Mindlin 板理论预测的热弹性阻尼小于 Kirchhoff 板理论预测的热弹性阻尼. 两种理论预测的热弹性阻尼之间的差值在临界厚度附近十分显著. 另外,随着微板的边/厚比增大,Mindlin 微板的热弹性阻尼最大值单调增大,而 Kirchhoff 微板的热弹性阻尼最大值却保持不变.      

ANLYTICAL SOLUTION OF THERMOELASTIC DAMPING IN RECTANGULAR MINDLIN MICRO PLATES 1)

首次给出了四边简支的 Mindlin 矩形微板热弹性阻尼的解析解. 基于考虑一阶剪切变形的 Mindlin 板理论和单向耦合热传导理论建立了微板热弹性耦合自由振动控制微分方程. 忽略温度梯度在面内的变化,在上下表面绝热边界条件下求得了用变形几何量表示的温度场的解析解. 进一步将包含热弯曲内力的结构振动方程转化为只包含挠度振幅的四阶偏微分方程. 利用特征值问题之间在数学上的相似性,在四边简支条件下给出了用无阻尼 Kirchhoff 微板的固有频率表示的 Mindlin 矩形微板的复频率解析解,从而利用复频率法求得了反映热弹性阻尼水平的逆品质因子. 最后,通过数值结果定量地分析了剪切变形、材料以及几何参数对热弹性阻尼的影响 规律. 结果表明,Mindlin 板理论预测的热弹性阻尼小于 Kirchhoff 板理论预测的热弹性阻尼. 两种理论预测的热弹性阻尼之间的差值在临界厚度附近十分显著. 另外,随着微板的边/厚比增大,Mindlin 微板的热弹性阻尼最大值单调增大,而 Kirchhoff 微板的热弹性阻尼最大值却保持不变.     

石英晶体板高频振动模态的有限元分析

厚度剪切振动是石英晶体谐振器的工作模态,精确了解厚度剪切振动模态的分布对于谐振器的设计有着十分重要的意义.目前,由直行波假设计算得到的频率和模态并不完全符合石英晶体板实际的精确振动模式,也不能精确满足工程设计的需要.本文基于Mindlin高阶板理论,采用有限元法来分析石英晶体板的高频振动模态,并在Linux并行集群上进行计算来解决大规模的线性方程组的特征值计算问题.通过计算得到了振动频率随长厚比变化的频谱图,其结果与已知文献中的结果比较,符合得较好,验证了有限元结果的可靠性.同时给出了厚度剪切振动在板中线处的位移分布,分析了金属电极的不同质量比对于厚度剪切振动模态的影响,解释了石英晶体板内的复杂的振动模式.本文的分析结果对石英晶体谐振器的设计具有指导意义.     

基于应变梯度中厚板单元的石墨烯振动研究

基于应变梯度理论建立了单层石墨烯等效明德林(Mindlin) 板动力学方程,推导了四边简支明德林中厚板自由振动固有频率的解析解. 提出了一种考虑应变梯度的4 节点36 自由度明德林板单元,利用虚功原理建立了单层石墨烯的等效非局部板有限元模型. 通过对石墨烯振动问题的研究,验证了应变梯度有限元计算结果的收敛性. 运用该有限元法研究了尺寸、振动模态阶数以及非局部参数对石墨烯振动特性的影响. 研究表明,这种单元能够较好地适用于研究考虑复杂边界条件石墨烯的尺度效应问题. 基于应变梯度理论的明德林板所获得石墨烯的固有频率小于基于经典明德林板理论得到的结果. 尺寸较小、模态阶数较高的石墨烯振动尺度效应更加明显. 无论采用应变梯度理论还是经典弹性本构关系,考虑一阶剪切变形的明德林板模型预测的固有频率低于基尔霍夫(Kirchho) 板所预测的固有频率.      

基于各向异性修正偶应力理论的Reddy型层合板的自由振动

本文基于各向异性修正偶应力理论建立了只含一个尺度参数的Reddy型复合材料层合板的自由振动模型。同见诸于文献的细观尺度Kirchhoff薄板偶应力模型相比,本文提出的新模型能够更精确的预测细观尺度下的中、厚层合板的自振频率。基于Hamilton原理推导了细观尺度下Reddy型复合材料层合板的运动微分方程以及边界条件,并以正交铺设的四边简支复合材料层合方板为例进行了解析求解,分析了尺度参数对自振频率的影响并对比了Kirchhoff、Mindlin和Reddy等三种板模型计算结果的异同。算例结果表明本文所给出的模型能够捕捉到复合材料层合板自由振动问题的尺度效应。另外,在细观尺度下Kirchhoff板模型所预测的自振频率相对于Mindlin板模型和Reddy板模型总是过高,且越接近厚板三者的差别就越大,这与经典理论中三种板模型的对比情况是一致的。     

含孔曲板弹性波散射与动应力分析

基于敞口浅柱壳弹性波动方程及摄动方法，对无限大含孔曲板弹性波散射及动应力问题进行了分析研究，将经典薄板弯曲波动问题的分析解作为本问题的主项，给出了在稳态波下孔洞附近散射波的零阶渐近解。建立了求解含孔曲板弹性波散射与动应力问题的边界积分方程法，利用积分方程法可获得问题的近似分析解。并给出了无限大曲板圆孔附近动应力集中系数的数值结果，且对计算结果进行了分析与讨论。     

Elastic Wave Scattering and Dynamic Stress Concentrations in Stretching Thick Plates with Two Cutouts by Using the Refined Dynamic Theory

Based on the refined dynamic equation of stretching plates, the elastic tensioncompression wave scattering and dynamic stress concentrations in the thick plate with two cutouts are studied. In view of the problem that the shear stress is automatically satisfied under the free boundary condition, the generalized stress of the first-order vanishing moment of shear stress is considered. The numerical results indicate that, as the cutout is thick, the maximum value of the dynamic stress factor obtained using the refined dynamic theory is 19% higher than that from the solution of plane stress problems of elastic dynamics.     

含孔von Karman板中非线性波散射与边值问题

基于ｖｏｎ Ｋａｒｍａｎ板大挠度弯曲理论,利用小参数摄动法,分析研究了含孔ｖｏｎＫａｒｍａｎ板的非线性波散射与动应力集中问题,其中一类可看成是薄板弯曲波动问题的控制方程。当有单频波入射时,由于弯曲应力与膜应力状态的非线性耦合,孔洞会产生高次谐波散射现象。建立了求解本问题的边界积分方程法,利用积分方程法交替求求这两类问题,最终可获得问题的近似分析解。     

小内力平板弹性波散射问题的摄动方法

基于平板小挠度弯曲波动方程,采用摄动方法具有纵向内力作用下的平板开孔弹性波的散射问题进行了研究,得么了传播稳态波时此种平板弯曲波动问题的分析解,分析了均匀纵向内力对弹性波散射结果的影响,作为算例,本文给出了平板圆形开孔的动应力集中系数的数值结果,并对计算结果进行了讨论。     

功能梯度材料明德林矩形微板的热弹性阻尼

功能梯度材料微板谐振器热弹性阻尼的建模和预测是此类新型谐振器热?弹耦合振动响应的新课题. 本文采用数学分析方法研究了四边简支功能梯度材料中厚度矩形微板的热弹性阻尼. 基于明德林中厚板理论和单向耦合热传导理论建立了材料性质沿着厚度连续变化的功能梯度微板热弹性自由振动控制微分方程. 在上下表面绝热边界条件下采用分层均匀化方法求解变系数热传导方程, 获得了用变形几何量表示的变温场的解析解. 从而将包含热弯曲内力的结构振动方程转化为只包含挠度振幅的偏微分方程. 然后,利用特征值问题在数学上的相似性,求得了四边简支条件下功能梯度材料明德林矩形微板的复频率解析解, 进而利用复频率法获得了反映谐振器热弹性阻尼水平的逆品质因子. 最后, 给出了材料性质沿板厚按幂函数变化的陶瓷?金属组分功能梯度矩形微板的热弹性阻尼数值结果. 定量地分析了横向剪切变形、材料梯度变化以及几何参数对热弹性阻尼的影响规律. 结果表明, 采用明德林板理论预测的热弹性阻尼值小于基尔霍夫板理论的预测结果, 而且两者的差别随着相对厚度的增大而变得显著.      

Dynamic stress concentrations in thick plates with two holes based on refined theory

Based on complex variables and conformal mapping, the elastic wave scat- tering and dynamic stress concentrations in the plates with two holes are studied by the refined dynamic equation of plate bending. The problem to be solved is changed to a set of infinite algebraic equations by an orthogonM function expansion method. As examples, under free boundary conditions, the numerical results of the dynamic moment concen- tration factors in the plates with two circular holes are computed. The results indicate that the parameters such as the incident wave number, the thickness of plates, and the spacing between holes have great effects on the dynamic stress distributions. The results are accurate because the refined equation is derived without any engineering hypothese.     

On the refined first-order shear deformation plate theory of Kármán type

A new refined first-order shear-deformation plate theory of the Kármán type is presented for engineering applications and a new version of the generalized Kármán large deflection equations with deflection and stress functions as two unknown variables is formulated for nonlinear analysis of shear-deformable plates of composite material and construction, based on the Mindlin/Reissner theory. In this refined plate theory two rotations that are constrained out in the formulation are imposed upon overall displacements of the plates in an implicit role. Linear and nonlinear investigations may be made by the engineering theory to a class of shear-deformation plates such as moderately thick composite plates, orthotropic sandwich plates, densely stiffened plates, and laminated shear-deformable plates. Reduced forms of the generalized Kármán equations are derived consequently, which are found identical to those existe in the literature. Foundation item: the National Natural Science Foundation of China (59675027) Biography: Zhang Jianwu (1954-)     

正交各向异性平板开孔弹性波的衍射与动应力集中

采用各向异性平板弯曲波动方程及摄动方法，对正交各向异性无限平板开孔弹性波的衍射及动应力集中的问题进行了分析研究，得到了在稳态波作用下此种忆边界条件波动问题的渐近形式分析解。同时采用复变函数方法及保角映射技术，为求解正交各向异性无限平板开孔弹性波的衍射及动力集中问题提供了一种统一规范的分析方法。