弹性波在饱和土层中的传播

本文在扼要综述以往有关的研究成果以后,通过一定的假设,推导出饱和土连续条件方程以及考虑土骨架与孔隙水之间耦合效应的动力平衡方程,从而得到一组饱和土层中的弹性波动方程,其中只应用了具有明确意义的土骨架和孔隙水力学参数。分析表明,无限饱和土层中可存在两种P波和一种S波;在渗透性很好的饱和土层中,孔隙水波速度最大可达到水中波速的3~(1/2)倍;在渗透性极差的饱和土中,两种P波同速,且可接近或大于水中波速;土的渗透性对S波的影响不如P波的显著,以此,可近似解释一些试验现象,对利用波速法测得合理的饱和土层特性参数以及相关学科也具有理论与应用价值。     

刚架结构中瞬态波的传播

在改进回传矩阵法的基础上 ,引入节点质量阻尼模型 ,结合射线展开技术 ,研究刚架结构中的弹性瞬态波的传播。根据分析结果可以看出 ,节点质量对弹性波的传播影响不大 ,节点阻尼对弹性波的传播影响很大。如果选取合适的节点 ,就可以阻碍波在结构局部中的传播 ,达到结构局部控制的目的。刚架结构中的弹性瞬态波的传播 ,可以对大型刚架结构的无损检测提供一定的帮助。     

气相爆轰波在障碍物上Mach反射的实验验证

本文公布了气相爆轰波沿收缩管道传播时发生Mach反射的实验证据。在爆轰波通过的管道中安装不同楔角的楔块,形成管道的收缩。爆轰波在通过楔块时会发生Mach反射。利用烟熏玻璃片记录到了爆轰波Mach反射时形成的三波点迹线及其两侧胞格尺寸和密度的变化。据我们掌握的资料,这是首次用胞格结构变化的记录证实,气相爆轰波与无化学反应的空气中的冲击波一样,在一定的入射条件下会发生Mach反射。这一实验结果可使我们更深入了解爆轰波的本质,也为数值模拟气相爆轰波在障碍物上Mach反射现象提供了可对比的依据。     

弯曲波彩虹捕获效应及其在能量俘获中的应用

弹性波在色散关系经过设计的梯度结构中传播时会产生空间分频现象和波场能量增强现象,即不同频率的弹性波会在结构的不同位置停止向前传播并发生能量聚集,这就是弹性波彩虹捕获效应.其相关研究成果可以促进结构健康监测、振动控制以及能量俘获等领域的发展.本文通过所设计的梯度结构梁,系统地研究了弯曲波彩虹捕获效应及其在压电能量俘获中的应用.首先,利用传递矩阵法获得了梯度结构梁元胞能带结构的解析解,进而分析了弯曲波彩虹捕获效应的产生机理:不同频率的弯曲波会在不同元胞附近群速度减小到零,从而停止向前传播并发生反射;入射波和反射波的叠加,以及群速度减小带来的能量聚集,会显著增强反射处的波场能量.其次,通过有限元仿真和实验验证了弯曲波彩虹捕获效应的空间分频现象和波场能量增强现象.最后,通过有限元多物理场耦合仿真和实验,研究了粘贴PVDF压电薄膜的梯度结构梁相对于均匀梁的弯曲波能量俘获效果及其随入射波频率的变化规律.结果表明,在弯曲波彩虹捕获效应发生频带内,粘贴在梯度结构梁上的PVDF压电薄膜的输出电压约为粘贴在均匀梁相应位置处的PVDF压电薄膜的输出电压的2倍.     

弹性半空间内中心简单波的反射问题

本文研究弹性体内中心简单波的特征平面和广义特征线。并利用特征线方法求解中心简单波在自由界面上的反射,得到了中心无旋波和中心等容波速度分量的边界放大系数及其某些数值结果。     

简单周期结构波传播主动控制研究

研究了在梁结构插入压电材料的周期结构波传播的一般规律。以梁的弯曲波传播方程的解析解为基础，进一步分析了简单周期结构的波传播的一些固有特性。并在此基础上，以压电材料作为作动器，采用主动控制方法研究了调整结构传播波的带通、带阻的频率范围可行性和有效性。     

一维粉尘爆轰波结构的数值计算

本文发展了P.Wolanski等人建立的关于一维自持粉尘-空气混合物的爆轰模型,考虑了气、固两相通过击波以后的温度弛豫效应。作者根据文献中所建立的Chapman-Jouguet条件的表述:在定常爆轰的C-J平面上,我们有M=1和dM=0,给出了一种确定自持爆速的有效算法。这一方法具有独立于方程组的积分方式,因而优于至今人们给出的其他同类算法。用改进后的模型和算法,作者对粉尘爆轰波结构的基本特征和参数影响作了初步探讨。文中一些理论结果还与国外同类实验结果进行了对比。     

杆系结构弹性波传播的实验研究

利用ＳＨＰＢ装置，用空气枪加载就３５ＣｒＭｎＳｉ钢组成的杆系结构（平面Ｌ型、空间直角坐标Ｙ型）受冲击载荷作用的弹性波传播进行了实验研究，给出了一些力学现象，并利用广义特征线法给出了理论与实验的比较曲线，得到了一些有益的结论。     

湍流边界层外区相干结构的三维波模型

根据流动稳定性理论,提出了一种三维波模型来描述湍流边界层外区大尺度相干结构。计算所得流线图和等涡量线图较罗纪生,周恒（1993）的二维波模型更符合实验结果。说明该三维模型能够较好地反映湍流边界层外区大尺度相干结构的物理特征。     

液固半无限空间低频点声源的地震波动

将舰船地震波简化为液固半无限空间低频点声源引起的地震波动,基于简正波理论,通过计算围道内的留数得到了位移势函数的表达式.分析了液体层内声传播损失和固体层表面的位移、加速度的频率特性曲线,为分析舰船地震波的形成机理以及波动特征提供了一定的理论基础.     

层状粘接复合结构界面力学参数声导波定征方法

在推导层状粘接复合结构良好粘接及存在弱界面、滑移界面和脱层等几种不同界面条件下声导波的广义频散方程的基础上,分析了界面径向与轴向力学参数对声导波传播特性的影响,进一步提出以频散特性为基础的超声导波定征方法和在最小二乘意义下的反向算法对粘接复合结构层间界面力学参数进行了估计,分析了影响估计准确性的各种因素,研究了超声导波定征方法对粘接复合结构层间力学参数的灵敏度及其在误差传递中的意义。     

P1波入射准饱和土的波型转换问题

针对各向同性准饱和土体中体波的传播问题,本文深入研究了P1波(第一纵波)入射土体时所出现的波型转换现象。在准饱和土波动方程的基础上,通过数值算例,找出标准参数土体模型的临界饱和度及波型转换角,并分析土体孔隙率、渗流系数、水压力和入射波频率等参数对该现象的影响。     

A Radiation Condition for Layered Elastic Media

This study aims to establish a generalized radiation condition for time-harmonic elastodynamic states in a piecewise-homogeneous, semi-infinite solid wherein the “bottom” homogeneous half-space is overlain by an arbitrary number of bonded parallel layers. To consistently deal with both body and interfacial (e.g. Rayleigh, Love and Stoneley) waves comprising the far-field patterns, the radiation condition is formulated in terms of an integral over a sufficiently large hemisphere involving elastodynamic Green's functions for the featured layered medium. On explicitly proving the reciprocity identity for the latter set of point-load solutions, it is first shown that the layered Green's functions themselves satisfy the generalized radiation condition. By virtue of this result it is further demonstrated that the entire class of layered elastodynamic solutions, admitting a representation in terms of the single-layer, double-layer, and volume potentials (distributed over finite domains), satisfy the generalized radiation condition as well. For a rigorous treatment of the problem, fundamental results such as the uniqueness theorem for radiating elastodynamic states, Graffi's reciprocity theorem for piecewise-homogeneous domains, and the integral representation theorem for semi-infinite layered media are also established.     

准饱和土体中圆形衬砌对弹性波的散射

采用Vardoulakis和Beskos提出的准饱和土体的波动控制方程,根据Helmholtz矢量分解定理,得到了准饱和土中P1波(快压缩波)、P2波(慢压缩波)和S波(剪切波)的波数的势函数表达式.将准饱和土体和圆形衬砌视为各向同性的均质体,运用波函数展开法将入射波、散射波和折射波的势函数展开成Fourier-Bessel函数的级数形式,根据准饱和土体与衬砌边界处应力和位移连续及衬砌内完全自由的边界条件,得到了平面P1波入射下,准饱和土体内深埋圆形衬砌的散射系数和折射系数的理论解,通过数值计算分析了饱和度对准饱和土体和衬砌的DSCF(动应力集中因子)及准饱和土体的PPCF(孔压集中因子)的影响规律,结果表明:准饱和土体的DSCF随着饱和度的增大而减小,衬砌的DSCF基本不受饱和度的影响,而准饱和土体的PPCF则随着饱和度的增大而增大.     

基于微形态模型的颗粒材料中波的频散现象研究

基于颗粒材料冲击与波动响应特性的调控波传播行为的超材料设计受到广泛关注,设计这类材料需要对颗粒材料的波传播机制及调控机理有深入认识. 波在颗粒材料中传播的频散现象及频率带隙等行为与材料的非均匀性密切相关,通常讨论频散现象是基于弹性理论框架建立微结构连续体或高阶梯度连续体等广义连续体模型来进行. 本研究基于细观力学给出了一个颗粒材料的微形态连续体模型. 在该模型中,考虑了颗粒的平动和转动,且颗粒间的相对运动分解为两部分:即宏观平均运动和细观真实运动. 基于此分解,提出了一个完备的变形模式,得到了对应于不同应变及颗粒间运动的宏细观本构关系. 结合宏观变形能的细观变形能求和表达式,获得了基于细观量表示的宏观本构模量. 应用所建议模型考察了波在弹性颗粒介质的传播行为,给出了不同形式的波的频散曲线,结果显示此模型具有预测频率带隙的能力.      

周期结构后屈曲新算法及其应用

提出了周期结构后屈曲分析的一种新算法。在屈曲点附近,通过加载模型和诱导后屈曲边值问题之间的相互切换,避开屈曲点附近刚度矩阵的奇异性,并诱导结构产生预期的后屈曲变形,避免了以往后屈曲算法中引入几何初始缺陷后对系统带来的可能影响。通过对三种由超弹性材料所构成的周期孔隙结构的后屈曲分析,验证了本文所提出的后屈曲算法的有效性和灵活性。分析了周期孔隙材料多向加载对屈曲模式转换的影响,以及后屈曲变形对弹性波传播带隙的影响,为周期结构中弹性波传播的调控提供良好的基础。     

地下结构地震响应的计算模型

地震时地下结构在围岩的约束作用下发生变形,其动态特性与地面结构有很大不同.自二十世纪七八十年代以来,地下结构抗震设计与研究取得了很大进展.总的看来,工程设计中普遍采用的计算方法与设计导则大都建立在比较简单假定的基础上,实际的岩土介质条件都是十分复杂的.地下结构抗震研究的近期成果则表现在对地下结构动力分析中的波动散射问题提出了波函数展开法以及边界积分方程方法等多种计算方法.但计算相对复杂,在工程设计中的推广应用有一定困难.此文致力于地下结构计算模型的改进,使之具有良好的计算精度与效率,又便于工程应用.为此,提出了一种地下结构抗震响应分析的新的计算模型.模型具有较广泛的适应性,可以进行河谷、孔洞、地下铁道、隧洞等地下结构的散射与绕射分析.对于复杂层状的地质条件,提出了格林函数求解简便而有效的方法.数值算例论证了方法的精度和效率.     

Wave transmission characteristics in periodic media of finite length: multilayers and fiber arrays

Wave transmission characteristics in elastic media that have periodic microstructure over a finite spatial length are examined theoretically as well as numerically. Two classes of such media are demonstrated, namely, one-dimensional multilayered media with finite-length periodicity and two-dimensional composite media with square arrays of aligned fibers within a finite length. From these one-dimensional and two-dimensional analyses, the influence of the finite-length periodicity on the wave transmission characteristics is discussed. In these media, there are frequency bands (stop bands) where the energy transmission coefficient appears to vanish or takes very low values, while in pass bands it oscillates with the frequency due to the finite-length periodicity. It is theoretically demonstrated in the one-dimensional case of multilayers how the frequency intervals of the oscillation in the transmission spectrum depend on the repeating number of the periodic cells as well as other acoustic and geometrical parameters. The results of the two-dimensional fiber arrays, which are obtained numerically by solving the equations of the SH wave multiple scattering, are shown to fit well in the one-dimensional framework of multilayered structures up to a certain frequency encompassing the first stop band. This similarity between two classes of problems is demonstrated by appropriately identifying the one-dimensional reduced transfer matrix for a single cell that is representative of the periodic fiber array.     

弱界面压电／压磁层状结构中的SH波

研究了弱界面压电层/压磁半空间结构中SH波的频散特性, 界面性能由 ``弹簧'模型表征, 压电层的表面考虑电学短路和电学开路两种边界条件. 推导了显函形式的 频散方程, 并结合算例分析了界面性能和电学边界条件对SH波传播特性的影响. 数值结果表 明: 弱界面降低了SH波传播的相速度; 对于短路电边界条件, 弱界面可以使一阶模态的相速 度小于B-G表面波的速度; 对于开路电边界条件, 一阶模态的相速度总是大于剪切体波的波 速.