磁-电-弹性半空间在轴对称热载荷作用下的三维问题研究

考虑力-电-磁-热等多场耦合作用,基于线性理论给出了磁-电-弹性半空间在表面轴对称温度载荷作用下的热-磁-电-弹性分析,并得到了问题的解析解.利用Hankel积分变换法求解了磁-电-弹性材料中的热传导及控制方程,讨论了在磁-电-弹性半空间在边界表面上作用局部热载荷时的混合边值问题,利用积分变换和积分方程技术,通过在边界表面上施加应力自由及磁-电开路条件,推导得到了磁-电-弹性半空间中位移、电势及磁势的积分形式的表达式.获得了磁-电-弹性半空间中温度场的解析表达式并且给出了应力,电位移和磁通量的解析解.数值计算结果表明温度载荷对磁-电-弹性场的分布有显著影响.当温度载荷作用的圆域半径增大时,最大正应力发生的位置会远离半无限大体的边界;反之当温度载荷作用的圆域半径减小时,最大应力发生的位置会靠近半无限大体的边界.电场和磁场在温度载荷作用的圆域内在边界表面附近有明显的强化,而磁-电-弹性场强化区域的强化程度跟温度载荷的大小和作用区域大小相关.本研究的相关结果对智能材料和结构在热载荷作用下的设计和制造具有指导意义.     

地磁环境下结构变形引起的扰动磁场

基于磁弹性相互作用的线性化理论，针对地磁环境特点，忽略磁场对结构位移的影 响而仅考虑位移对磁场的耦合作用，通过将位移梯度引入变形后界面外法线矢量方 法，给出了变形引起的扰动磁场计算的定解场方程和界面衔接条件，并计算了符拉 芒问题的变形扰动磁场. 结果表明，变形扰动磁场完全取决于位移梯度在界面外法 向上的投影；扰动场强与外力成正比；空气中扰动磁场的法向强度和切向强度分布 特征明显不同，法向强度在力作用点对称分布，并且在 力作用点处存在奇点；切向强度则呈反对称分布，在力作用点处发生突变.     

THREE-DIMENSIONAL ANALYSIS OF A MAGNETOELECTROELASTIC HALF-SPACE UNDER AXISYMMETRIC TEMPERATURE LOADING 1)

考虑力-电-磁-热等多场耦合作用, 基于线性理论给出了磁-电-弹性半空间在表面轴对称温度载荷作用下的热-磁-电-弹性分析, 并得到了问题的解析解. 利用Hankel 积分变换法求解了磁-电-弹性材料中的热传导及控制方程, 讨论了在磁-电-弹性半空间在边界表面上作用局部热载荷时的混合边值问题, 利用积分变换和积分方程技术, 通过在边界表面上施加应力自由及磁-电开路条件, 推导得到了磁-电-弹性半空间中位移、电势及磁势的积分形式的表达式. 获得了磁-电-弹性半空间中温度场的解析表达式并且给出了应力, 电位移和磁通量的解析解. 数值计算结果表明温度载荷对磁-电-弹性场的分布有显著影响. 当温度载荷作用的圆域半径增大时, 最大正应力发生的位置会远离半无限大体的边界; 反之当温度载荷作用的圆域半径减小时, 最大应力发生的位置会靠近半无限大体的边界. 电场和磁场在温度载荷作用的圆域内在边界表面附近有明显的强化, 而磁-电-弹性场强化区域的强化程度跟温度载荷的大小和作用区域大小相关. 本研究的相关结果对智能材料和结构在热载荷作用下的设计和制造具有指导意义.     

动力损伤后的脆性岩石静力蠕变断裂模型研究

应力波动力扰动下脆性岩石的静力蠕变特性,对深部地下工程围岩变形的评价有重要的实践意义.动力载荷作用导致的局部细观裂纹损伤严重影响脆性岩石蠕变力学行为.基于细观裂纹扩展与应力关系模型、动力扰动损伤演化函数、静动力载荷演化路径函数与黏弹性本构模型,提出一种应力波动力扰动下脆性岩石蠕变断裂特性的宏细观力学模型.其中动力损伤通过控制岩石内部细观裂纹数量变化实现.模型描述了应力波动力扰动下岩石的应变时间演化曲线,解释了岩石动力扰动下蠕变失效特性.研究了不同应力波幅值及周期影响下的脆性岩石应变-时间关系曲线,并通过试验结果验证了模型的合理性.讨论了动力损伤变化形式,突变发生时刻,突变量的大小对岩石蠕变失效特性的影响.分析了应力波幅值、周期对岩石动态动力损伤效应以及蠕变失效特性的影响.主要研究结果:动力损伤的变化值越大,岩石蠕变失效发生时间越短.冲击载荷扰动期间,动力损伤发生的时刻及增加的形式,对动力扰动后的岩石应变及蠕变破坏时间影响很小.动力损伤变化量随应力波幅值增加、周期减小而加速增大.应力波幅值越大、周期越小,岩石发生蠕变失效时间越短.     

带圆孔无限大受拉板的变形扰动磁场

利用磁弹性耦合问题的线性化理论,采用分离变量方法对带圆孔的无限大板在受拉应力和横向磁场共同作用下的变形扰动磁场进行了求解,得到了变形引致的扰动磁场的解析解,并对其强度量级和分布情况进行了讨论.结果表明,变形扰动磁场场强与外力成正比;与无变形磁场强度相比,变形扰动磁场小3个量级,但波峰波谷数目增加,且在圆孔边界径向扰动磁场强度迅速衰减.     

静动组合载荷下混凝土率效应机理及强度准则

混凝土结构在受到动载荷作用之前,通常已承受着初始静载荷的作用.大量关于混凝土应变率效应的研究均没有考虑初始静载荷对动强度的影响,会导致过高地估计混凝土的动强度,使混凝土结构设计偏于危险.本文通过分析混凝土材料在静动组合载荷下的率效应机理,给出了初始静载荷的定义.在此基础上,推导了混凝土材料参数与初始静载荷和应变率的表达式,提出了建立静动组合强度准则的一般方法.通过材料参数反映初始静载荷与应变率的联合影响,给出了由初始有效静载荷、动态黏聚强度和摩擦强度共同组成的混凝土动态强度,将广义非线性强度准则发展为静动组合多轴强度准则.建立的强度面在相同初始静载荷下随应变率的增大向外扩张,在相同应变率下随初始静载荷的增大向里收缩,即混凝土的强度在相同初始静载荷下随应变率的增大而增大,在相同应变率下随初始静载荷的增大而减小.此外,当初始静载荷和应变率不变时,加载路径对混凝土材料的应变率效应无影响,但会影响混凝土材料的静水压力效应,即当初始静载荷和应变率固定不变时,静动组合强度面的位置和大小即可确定,不同加载路径下强度的不同是由于静水压力效应导致的.最后利用多组混凝土材料静动组合强度试验对建立的静动组合强度准则进行了验证.     

热冲击作用下正交各向异性圆柱体的动应力及磁场矢量扰动的集中效应

给出一种解析方法求解在两种热载荷冲击作用下,正交各向异性圆柱体的动应力和磁场矢量扰动的集中效应.通过一种有限积分和拉普拉斯变换求出热磁变形运动方程的解析解,给出相应的动应力和磁场矢量扰动的解析表达式,得到柱体内动应力和磁场矢量扰动的响应历程及分布规律.     

热力耦合结构的弹性支撑分析与拓扑优化设计

弹性支撑是保证热力耦合载荷作用下结构有效承载的一种支撑设计方案, 可以在满足结构刚度设计要求的同时有效降低结构内的应力集中, 保证结构的热变形协调. 从理论分析与数值计算两个方面, 研究了热力耦合载荷作用下结构的弹性支撑优化设计. 首先以弹性支撑梁模型为例, 通过给出热力耦合载荷下应力计算的解析表达式, 从理论上说明弹性支撑对结构应力峰值的影响, 阐述了弹性支撑的承载与热变形协调的双重效果. 在此基础上, 提出了解决该类问题的弹性支撑通用优化数学模型和拓扑构型优化方法, 通过数值算例与优化结果展示了方法的有效性.     

磁电弹性复合材料热接触特性研究

磁电弹性(Magneto-electro-elastic, MEE)复合材料在接触热载荷作用下将产生复杂热应力、热电和热磁多物理场响应.基于半解析法建立MEE复合材料热接触模型,其中,推导了单位集中法向力、切向力、电荷、磁荷和温升载荷下各物理量的频率响应函数,引入热流-温升影响系数计算摩擦热产生的温升,并采用离散卷积快速傅里叶变换和共轭梯度法加速其计算过程.将模型计算结果与有限元仿真进行对比,验证模型有效性.进一步利用所提模型分析热接触过程中摩擦热对各物理场的影响规律,结果表明：滑动速度、摩擦系数和表面形貌改变将影响摩擦热分布,进而显著影响应力、电势和磁势的大小和分布;弹性场和电场与摩擦温升呈负相关,而磁场与其为正相关,并且耦合场对温升的敏感程度由高至低为弹性场、电场和磁场.     

土力学中Mindlin课题的计算探讨

按R.Mindlin在1936年发表的弹性半无限体内一点受集中力作用时,半无限体内应力与变形的计算公式,不难推出深埋基础条件下,地基中应力分布及变形的积分表达式.为简便起见,我们仅讨论垂直方向的法向应力与变形,并限于均布载荷.对于水平方向的法向应力与变形以及剪切应力和其他类型载荷,计算完全类似而不予赘述.     

Contact Problem for Porous Elastic Half-Plane

The paper is concerned with a static contact problem about a rigid punch on the free surface of a linear porous elastic half-plane. With the use of the Fourier transform the problem is reduced to a singular integral equation holding over the contact zone. This integral representation permits consideration of the Flamant problem (a line load on the half-plane) to be explicitly reduced to some quadratures. It is shown that in the classical linear elasticity limit the main integral equation has a Cauchy-type kernel, so distribution of the contact pressure is like in the Sadowsky punch-problem. For arbitrary porosity a numerical co-location technique is applied that allows one to analyze in detail the distribution of the contact pressure versus porosity. Both in the Flamant and Sadowsky problems we demonstrate a higher compliance of the porous foundation, with respect to the classical linear elastic results. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

Perturbed magnetic field of an infinite plate with a centered crack

Deforming a cracked magnetoelastic body in a magnetic field induces a perturbed magnetic field around the crack. The quantitative relationship between this perturbed field and the stress around the crack is crucial in developing a new generation of magnetism-based nondestructive testing technologies. In this paper, an analytical expression of the perturbed magnetic field induced by structural deforma- tion of an infinite ferromagnetic elastic plate containing a centered crack in a weak external magnetic field is obtained by using the linearized magnetoelastic theory and Fourier transform methods. The main finding is that the perturbed magnetic field intensity is proportional to the applied tensile stress, and is dominated by the displacement gradient on the boundary of the magnetoelastic solid. The tangential component of the perturbed magnetic-field intensity near the crack exhibits an antisymmetric distribution along the crack that reverses its direction sharply across its two faces, while the normal component shows a symmetric distribution along the crack with singular points at the crack tips.     

考虑非局部效应和记忆依赖微分的广义热弹问题

现有的广义热弹理论主要适用于求解时间尺度极短但空间尺度仍属宏观尺度的广义热弹问题的动态响应,而当所研究的弹性体的特征几何尺寸也属微尺度时,弹性体的力学响应将呈现出强烈的尺寸相关性,现有的广义热弹理论不再适用. 本文基于通过非局部效应和记记依赖微分修正的广义热弹性理论,研究了两端固定、受移动热源作用的有限长热弹杆的动态响应. 建立了问题的控制方程,给出了问题的初始条件及边界条件,运用拉普拉斯变换及其数值反变换,对方程进行了求解. 数值计算中,首先考察了时间延迟因子对模型所预测各物理量分布的影响;然后对比了模型中的时间延迟因子在两种不同类别核函数下(通过归一化条件修正和未修正形式)对各物理量分布的影响效应;最后考察了考虑新的可以描述尺寸效应的非局部因子对无量纲温度、位移及应力的影响,并用图形进行了示例. 结果表明, 时间延迟因子增大,各物理量的峰值变大,传播距离变小,且时间延迟因子在归一化条件修正过的核函数下影响更加显著;非局部参数几乎不影响无量纲温度的分布,轻微影响无量纲位移的分布,但对无量纲应力的峰值的影响显著.      

Finite element analysis for steady-state hydride-induced fracture in metals by composite model

Delayed hydride cracking, which is observed in hydride-forming metals, due to the precipitation of hydrides near the crack tip, is investigated under conditions of constant temperature and crack velocity, plane strain and small-scale hydride-precipitation. The coupling of the operating physical processes of hydrogen-diffusion, hydride precipitation and material deformation is taken into account. The material is assumed to be an elastic composite made of hydrides and solid solution, with properties depending locally on the volume fraction of the hydrides. In the present analysis, the composite elastic properties have been derived by a generalized self consistent model for particulate composites. With respect to hydride-precipitation, two cases have been considered: (i) precipitation in a homogeneous medium with elastic properties, equal to the effective properties of the composite and (ii) precipitation in an inhomogeneous medium, where the expanding hydride has different elastic properties than those of the surrounding solid solution. The differences between the near-tip field distributions, produced by the two precipitation models, are relatively small. The effect of the hydrogen concentration far from the crack tip, on the near-tip field is also studied. It is shown that for small crack growth velocities, near the threshold stress intensity factor, the remote hydrogen concentration weakly affects the normalized stress distribution in the hydride-precipitation zone, which is controlled by the thermodynamically required hydrostatic stress, under hydrogen chemical equilibrium. However, for values of the applied stress intensity factor and the crack tip velocity, away from the threshold stress intensity factor and crack arrest, the effect of remote hydrogen concentration on the normalized near-tip stress field is strong. Reduction of the remote hydrogen concentration generally leads to reduction of the hydride-precipitation zone and increase of the near-tip stresses. Also reduction of the remote hydrogen concentration leads to distributions closer to those under hydrogen chemical equilibrium.     

基于压缩蠕变试验的流变参数理论解析反演

大坝坝基的长期稳定性是大坝运营安全的重要保障, 而坝基岩体中的软弱夹层是影响其变形和稳定的重要因素. 为研究大岗山水电站坝基中辉绿岩脉软弱夹层在长期载荷作用下的变形机制, 在坝基边坡的试验平硐内垂直于软弱夹层进行了现场大型圆形刚性承压板压缩蠕变试验. 辨识得到可较准确表示其蠕变特性的5参量广义Kelvin模型, 克服了3 参量广义Kelvin模型收敛过快的缺陷. 基于弹性力学中的布辛涅斯克问题, 通过黏弹性理论中的拉普拉斯变换及逆变换, 推导出了刚性承压板下部岩体的5参量广义Kelvin模型表示的黏弹性变形公式, 并以此为基础反演得到流变参数.     

Boussinesq–Flamant problem in gradient elasticity with surface energy

The strain gradient elasticity theory with surface energy is applied to Boussinesq–Flamant problem. The solution for the vertical displacements at the surface of half space due to the surface normal line load is presented. The theory includes both volumetric and surface energy terms. Boussinesq–Flamant problem in the strain gradient elasticity is solved by means of Fourier transform. The results obtained show that the vertical displacements of half space in the gradient elasticity are some different from that in the classical elasticity and the effects of the strain gradient parameters (material characteristic lengths) on the vertical displacements do exist.     

粗糙面在梯度表面层上滑动接触的应力分布

对粗糙面在梯度表面层上的滑动过程进行应力分布研究,以模拟实际摩擦过程中,考虑塑性变形情况下,梯度覆层体中的应力分布规律,同时与均质体及单覆层体进行比较研究,分析了在表面载荷相同时滑动接触的应力分布。结果表明覆层体出现塑性变形后,在接触表面上的压力分布与弹性变形时有很大变化,在界面处梯度层的应力分布比单层膜更为理想,其应变梯度也较小;受相同表面载荷作用下产生塑性变形时,梯度层膜在基体产生塑性变形较小     

Asymptotic models for the discrete optimal control of the deformation of an elastic membrane

This paper considers the singularly perturbed static problem of the optimal control of the deformation of an elastic membrane by means of external loads (control without constraints) applied to several small areas distant from each other. The objective functional is equal to the sum of the square of the root-mean-square approximation error and the square of the norm of the external load. Asymptotic models are constructed using the method of matched asymptotic expansions. __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika i Tekhnicheskaya Fizika, Vol. 47, No. 5, pp. 131–144, September–October, 2006.     

广义双重抗侧力结构体系的统一位移计算理论

在广义概念上将建筑结构视为由同时考虑弯曲变形、剪切变形的两种子结构组成的双重抗侧力结构体系, 提出弹性阶段广义双重结构水平位移的统一的计算方法. 子结构单独承受水平外载荷时其内力与变形的关系服从Timoshenko剪切梁基本理论, 在子结构协同工作的基础上, 采用水平变形连续化的计算方法, 建立了广义双重抗侧力结构体系的统一位移微分方程, 以结构承受均布载荷作用为例推导出两个子结构的弯曲变形、剪切变形及结构总水平位移的通用解析表达式. 对框架-剪力墙结构与广义双重结构的位移微分方程式、微分方程特解、水平位移解析解进行了全面对比分析, 证明了框架-剪力墙结构是隶属于广义双重结构体系的一种具体表现形式; 算例分析表明, 对于一般中高层双重抗侧力结构, 采用解析法计算所得的位移结果能够满足一般工程设计的精度要求.