各向异性介质中弹性波的数值模拟

提出了一种非均匀各向异性介质中弹性波传播的数值模拟算法.该方法可以灵活地运用于具有任意地表形状、内部孔洞、固液边界和不规则内部交界面的介质情况,另外,该方法自然满足复杂几何边界的自由表面条件.这种基于三角形和四边形离散网格的算法使用的是围绕每个节点的积分平衡方程,而不是其它有限差分法中使用的各个节点满足的弹性动力学的微分方程.该文工作是非均匀各向同性介质中弹性波传播格子法研究的继续.除了研究各向异性介质中波的传播以外,还给出了一种能够省时的四边形网格的格子法.     

三维非均匀介质中弹性波传播的数值模拟

提出了一种三维非均匀介质中弹性波传播数值模拟的方法,文中称为三维格子法.该算法是二维格子法(一种二维非均匀介质中P-SV波传播的数值模拟算法)向三维非均匀介质情况的推广.在空间离散上该文方法与有限元方法类似,容许根据连续体的形状和介质分界面任意剖分网格,且自然满足自由表面边界条件.不同于常规有限差分法在各个节点上满足动力学微分方程,该算法通过满足各节点周围格子的整体平衡(积分平衡方程)来对问题进行求解.三维格子法所需的计算机内存及计算耗时与同阶精度的规则网格有限差分法相当.算例表明,该文提出的三维格子法具有较高的精度且可很好地模拟三维复杂形状地表对弹性波的反射和绕射.     

正交各向异性板中非主轴方向的Lamb波

基于线性三维弹性理论,采用勒让德正交多项式展开法,推导了波沿正交各向异性材料非主轴方向传播时的Lamb波耦合波动方程,并对耦合波动方程进行了数值求解.为验证该方法的适用性和正确性,首先将此方法应用于各向同性材料,并与已知的数据结果进行了比较;然后以单向纤维增强复合材料为例,计算了耦合Lamb波沿不同的非主轴方向传播时的相速度频散曲线,并分别研究了传播方向改变时低阶模态Lamb波和高阶模态Lamb波频散特性的变化.最后,针对潜在用于各向异性复合材料结构健康监测的耦合Lamb波低阶模态,给出了其在不同传播方向时的相速度分布和群速度分布.同时,结合低阶模态Lamb波的位移分布特性和材料的各向异性特点,阐释了S0模态对波的传播方向变化最为敏感的原因.     

各向异性层状介质中弹性波的传播矩阵解法

基于广义胡克定律及混和变量弹性波方程，解析求得各层介质位移位，应力传播矩阵，给出了直角坐标系各向异性层状介质中弹性波的传播矩阵解法，该方法适用于非轴对称各向异性和点源作用，较好地解决了数值计算中有效数字精度损失问题，数值结果表明，计算效率，准确性及稳定性均较好。     

正交各向异性含液饱和多孔介质中应力波的传播

基于Biot的孔隙介质理论，研究了正交各向异性含液饱和多孔介质中应力波的传播特性．本文引入动态渗透率，导出了整个实频域内应力波传播的复特征方程及其解析解，给出了各种应力波成分的波速和衰减的解析表达武，计算了频散曲线和衰减曲线，并讨论了各类应力波之间的耦合关系及介质的各向异性对应力波传播的影响．     

各向异性展状介质中弹性波的传播矩阵解法

基于广义胡克定律及混和变量弹性波方程，解析求得各层介质内位移、应力传递矩阵，给出了直角坐标系下各向异性层状介质中弹性波的传播矩阵解法．该方法适用于非轴对称各向异性和点源作用，较好地解决了数值计算中有效数字精度损失问题．数值结果表明，计算效率、准确性及稳定性均较好．     

径向惯性对薄壁圆管中弹塑性复合应力波传播的影响

弹塑性压扭复合应力波在薄壁管中的传播特性,已得到较为深入的研究,但为得到简单波解 ,大部分研究忽略了薄壁圆管中与径向惯性有关的周向应力σθ的影响.该文采用便于动态数值方法应用的增量型弹塑性本构关系,应用有限差分数值方法,计算了考虑径向惯性效应的弹塑性薄壁管中复合应力波的演化规律和传播特性,并与无径向惯性效应的计算结果作了对比.结果表明薄壁管中的径向惯性效应对弹塑性复合应力波的传播有较大的影响.     

求解含孔边裂纹各向异性板应力强度因子的复变—广义变分方法

本文提供了一个求解含孔边裂纹正交各向异性板应力强度因子的复变一广义变分方法.首先建立满足所有弹性力学基本方程式和裂纹表面边界条件的应力与位移级数表达式.然后应用广义变分原理满足其余边界条件从而确定应力强度因子.计算表明,级数收敛迅速,结果与有限元法非常一致,而所需机时较少.     

非均质变截面杆中弹性波的反射和透射

基于一维弹性波理论，本文对应力波在非均质变截面杆中传播问题进行了一维简单波分析，并把分析结果与二维轴对称有限元分析结果进行了比较，表明一维简单波分析是非常有效和实用的。利用一维简单波分析方法，本文还揭示了应力波在非均质变截面杆中的传播规律，特别对含有内部交界面的非均质变截面杆（带有连接段）进行了一维等效简化分析，研究了连接段对应力波传播的影响。     

相移云纹干涉法与盲孔法相结合检测复合材料的残余应力

本文应用相移云纹干涉法与盲孔法相结合检测纤维增强复合材料的残余应力。盲孔法是工程中被广泛应用的测定残余应力的方法之一,相移云纹干涉方法可得到孔边任意一点的位移信息。由于正交各向异性复合材料在弹性主方向不发生拉剪(或剪拉)耦合效应,所以通过适当读取孔边特殊点的位移,可方便地得到残余应力值。     

Triangular grid method for stress-wave propagation in 2-D orthotropic materials

A triangular grid method is presented to calculate propagation problems of elastic stress waves in 2-D orthotropic materials. This method is based on the dynamic equilibrium equations of the computational cells formed among the auxiliary triangular grids. The solution is obtained by calculating alternately the nodal displacements and the central point stresses of the spatial grids. The numerical results are compared with the corresponding solutions of the finite element method. Comparisons show that the triangular grid method yields a higher calculational speed than the finite element method. The stress concentrations are investigated from wave-field analyses when the stress wave propagates within an orthotropic plate with a hole. Finally, the presented numerical method is used to study the features of wave propagation and diffraction in a square orthotropic plate with a hole when an impact load is applied to the top of the plate.This work was supported by National Natural Science Foundation of China (Nos. 10025212 and 10232040) and Natural Science Foundation of Liaoning province (No. 20021070).     

Application of Discrete Element Method for Continuum Dynamic Problems

A new method based on the principle of minimum potential energy is presented, aiming to overcome some weakness of the present discrete element method (DEM). Our primary research is to put forward the DEM with a tight theory base and a fit technique for treating continuum dynamic problems. By using this method, we can not only extend the existing seven-disc model, but also establish a new nine-disc model in a general way. Moreover, the equivalences of two kinds of models have been verified. In addition, three numerical examples of stress wave propagation problems are given in order to validate accuracy and efficiency of the present DEM models and their algorithms. Finally, the dynamic stress concentration problem of a square plate with a circular hole is analyzed.This work was supported by Nation Natural Science Foundation of China (nos. 10232040 and 10572002).     

三维热弹性应力波传播问题的数值分析

为求解三维动态热弹性问题提出了一种基于特征线法的数值方法，并对矩形截面的热弹性棒在冲击载荷和热冲击作用下的三维应力波传播过程进行了数值模拟。     

A NUMERICAL ANALYSIS OF THREE-DIMENSIONAL THERMOELASTIC STRESS WAVE PROPAGATION PROBLEM

This paper is concerned with the numerical technique based on the method of character-istics for three-dimensional dynamic thermoelastic problems. A numerical example for the three-di-mensional stress wave propagation in a thermoelastic bar of square cross section subjected to both animpact loading and a thermal shock is presented.     

冲击拉伸实验装置的研制及其试验研究

材料动力学试验技术远比准静态力学中的复杂,为了模拟各种速率的冲击加载过程,试验装置设计就成为关键问题之一.特别是针对材料动态拉伸性能的测试,目前的冲击拉伸装置还没有统一标准,因此本文基于一维弹性应力波原理设计了一套双气室间接杆-杆型冲击拉伸试验装置.该装置采用了双气室对称布置的方式,通过气体转换器实现气路的转换,克服了现有气动式冲击拉伸设备结构复杂、密封要求严格的缺点.本文利用该装置对2A12T4铝合金试件的冲击拉伸性能进行了测试,并数值分析了应力波在杆系和试件中的传播效应.通过试验测试和数值分析论证了该冲击拉伸装置实验的可靠性和设计的合理性.     

Dynamic stress concentration around a circular hole due to SH-wave in anisotropic media

A new approach based on complex function to solve the SH-wave scattering problem around a circular hole in anisotropic media is introduced in this paper. It is found that the dynamic stress concentration factor is dependent on the incident wave number and the hole radius. Finally, some numerical results of dynamic stress concentration factor of a circular hole in anisotropic media are given. The Project Supported by National Natural Science Foundation of China     

弯曲波在含非圆孔洞无限压电薄板中的散射

基于线性压电动力学理论,采用波函数展开法、保角映射以及复变函数,对含非圆孔洞无限大压电薄板弹性波的散射及动应力集中问题进行了分析,给出了其动弯矩集中系数(DMCF)的解析表达式.为说明问题,以PZT-4为例,讨论了外加电场、椭圆孔长短半轴比、椭圆孔倾角以及入射波频率对含圆孔和椭圆孔无限大压电薄板弹性波散射的影响,并分别给出了无限压电薄板开圆孔和椭圆孔动弯矩集中系数的数值结果.     

特征线法在三维弹／粘塑性波数值解析中的应用

根据广义特征理论建立了求解三维非线性应力波传播问题的特征关系式,并采用特征线法对纵向冲击载荷下弹／粘塑性矩形截面棒的三维应力波传播过程进行了数值模拟。     

相变复合波在伪弹性TiNi合金薄壁管中的传播

相变可以改变材料的性质,从而严重影响波在介质中传播的结构。采用考虑静水压力和偏应力联合作用的增量型相变本构模型,研究了在拉(压)-扭联合作用下半无限长TiNi合金薄壁管内相变复合波的传播规律。基于广义特征理论分析了相变复合波的特征波速及简单波解的基本性质。利用数值方法研究了两种典型情况下管内相变耦合波传播的规律,管内传播的应力路径和波的结构与初始状态及加载幅值有关,展现出和普通弹塑性材料截然不同的性质。     

冲击载荷作用下圆孔缺陷对裂纹动态扩展行为的影响规律

空腔和裂纹缺陷通常共存于深部地下岩体中,它们共同影响着岩体的结构安全性与稳定性。为了探究动力扰动载荷下圆形空腔对裂隙岩体内裂纹扩展行为的影响规律,提出了不同圆孔倾角的直裂纹空腔圆弧开口试件（circular opening specimen with straight crack cavity, COSSCC）,利用自制大型落锤冲击实验装置进行动态加载实验,同时采用裂纹扩展计系统测试了裂纹的动态起裂时刻与裂纹扩展速度等各种断裂力学参数,随后采用有限差分软件Autodyn进行裂纹扩展路径与圆孔周围应力场的数值分析,并采用有限元软件Abaqus计算裂纹的动态起裂韧度与裂纹扩展过程中的动态扩展韧度。结果表明:（1）当圆孔倾角θ小于10°时,裂纹扩展路径会偏折并穿过圆孔表面;当圆孔倾角θ为20°与30°时,裂纹扩展路径向圆孔方向发生偏折但不会穿过圆孔,圆孔具有明显的裂纹扩展引导作用; 当圆孔倾角θ为40°与50°时,裂纹扩展路径不会发生偏折,圆孔引导作用明显减弱。（2）当裂纹扩展路径达到圆孔空腔附近时,裂纹尖端的拉伸应力区与圆孔边缘的拉伸应力区发生重合,此时裂纹扩展速度显著增大,裂纹动态断裂韧度显著减小。（3）裂纹的偏折方向与裂纹尖端最大周向应力的方向基本一致。（4）裂纹动态断裂韧度始终小于裂纹起裂韧度,且裂纹动态断裂韧度与裂纹动态扩展速度呈负相关关系。裂纹动态扩展速度越大,裂纹动态断裂韧度越小。