功能梯度矩形板的近似理论与解析解

提出了压电功能梯度矩形板在竖向载荷作用下的近似理论与解析解. 引入了板理论的Kirchhoff假设、Reissner-Mindlin假设和提出的补充假设, 并假设材料常数在板厚方向按指数规律变化. 推导了板在周边简支同时又接地情况下中性层法线转角的解和用Fourier级数表示的电势解. 该解在形式上比精确解简单得多, 进行数值计算时也相当方便与快捷. 计算结果与ANSYS软件用三维实体单元的有限元计算结果进行了比较, 证实了该方法即使在厚板情况下仍然具有很高的精度.      

HRR理论的近似解析解

本文根据文献[3]给出的HRR 解的角函数数值表,利用数值拟合方法,给出了HRR理论的近似解析解.本文结果不仅形式简单,而且和精确解符合得很好.对幂硬化指数n在0和1之间的任何弹塑性材料均适用.给进一步研究裂纹尖端附近的弹塑性应力应变场以及工程安全评定提供了一个方便的解析工具.为了计算方便,我们把应力、应变、位移无量纲化,它们与实际应力、应变、位移的关系为     

面内预应力功能梯度材料矩形板的横向弯曲

功能梯度材料（FGM)是一类具有广阔应用前景的新型复合材料。本文考虑材料物性参数随坐标和温度变化的特性，研究横向荷载和面内预加荷载作用下FGM矩形板在各种边界条件下的弯曲问题。给出了基于一维微分求积格式的Galerkin技术的半解析方法，并以ZrO2/Ti-6Al-4V板为例考察了材料组分，温度相关性，面内预加荷载，边界约束条件等对FGM板弯曲行为的影响。结果表明，FGM板的弯曲变形介于各向同性陶瓷板与各向同性金属板之间，且随板抗弯刚度的增大而逐步减小，在高温下条件下必须考虑材料物性和温度的相关性。     

功能梯度压电材料圆板的简化理论与解析解

提出了功能梯度圆板在轴对称载荷作用下的简化理论与解析解. 引入了板理论的若干假设(Kirchhoff假设的一部分,Reissner-Mindlin假设和文中提出的假设),并假设材料常数在板厚方向按指数规律变化. 推导了板的周边固定或简支同时又接地情况下中性层法线转角的解和用Fourier-Bessel级数表示的电势解. 这个解在形式上比精确解简单得多,进行数值计算时也相当方便与快捷. 该文给出了板的周边固定、接地情况下的计算结果并进行了讨论,对于理论和方法的正确性作了验证.      

功能梯度矩形板问题三维理论的半解析解

针对功能梯度材料矩形板问题,基于三维弹性理论,将位移和应力分量作为基本变量,通过双三角级数将其控制微分方程转化为常微分方程组的边值问题。采用插值矩阵法直接对常微分方程组边值问题进行求解,得到了功能梯度材料矩形板三维位移、应力场的半解析解。通过算例给出了材料参数按指数形式和幂函数形式变化情况下的功能梯度板的弯曲问题。对比有限元法和状态空间法,结果表明：本文提出的状态空间与插值矩阵法相结合的半解析法能有效地分析材料参数按任意形式连续变化的功能梯度矩形板问题,且具有良好的精度,精度可达10-4量级,能够满足工程需要;与其他方法相比,本文方法具有实施便捷、计算量小等优点,根据其力学场分析结果可设计出满足各种不同需求的功能梯度材料。     

弹性矩形板问题的Hamilton正则方程

为了采用辛算法求出弹性矩形板问题的解析解，中直接从弹性矩形板的控制方程出发推导了弹性矩形板，其中包括弹性矩形薄板和厚板问题以及弹性地基上矩形薄板和厚板问题的Hamilton正则方程，为利用辛几何方法求出任意边界条件下这类问题的理论解奠定了基础．     

Hermite梯度重构核近似配点法及其在功能梯度材料板的静力分析中的应用

由于直接配点法在求解边值问题时边界上的求解精度较低,本文提出了Hermite梯度重构核近似配点法（HGCM）来改进边界求解精度。重构核近似是无网格法中一种常用的近似函数,但是其在求解高阶导数时格式复杂且非常耗时。HGCM采用梯度重构核近似构建形函数的任意高阶导数,提高了计算效率;通过Hermite配点法构建离散方程,提高了边界求解精度。这种方法在求解对应变系数四阶偏微分方程的功能梯度材料板的静力问题时精度高,计算效率高,并可进一步推广应用于高阶偏微分方程描述的边值问题。     

面内变刚度薄板弯曲问题的挠度?弯矩耦合神经网络方法

发展了一种求解面内变刚度功能梯度薄板弯曲问题的神经网络方法. 面内变刚度薄板弯曲问题的偏微分控制方程为一复杂的4阶偏微分方程, 传统的基于强形式的神经网络解法在求解该偏微分方程时可能会遇到难以收敛、边界条件难以处理的情况. 本文基于Kirchhoff薄板弯曲理论, 提出了一种直角坐标系下任意面内变刚度薄板弯曲问题的神经网络解法. 神经网络模型包含挠度网络与弯矩网络, 分别用于预测薄板的挠度与弯矩, 从而将求解4阶偏微分方程转换为求解一系列二阶偏微分方程组, 通过对挠度、弯矩试函数的构造可使得神经网络计算结果严格满足边界条件. 在误差的反向传播中, 根据本文提出的误差函数公式计算训练误差并结合Adam优化算法更新模型的内部参数. 求解了不同边界条件、形状的面内变刚度薄板弯曲问题, 并将所得计算结果与理论解、有限元解进行对比. 研究表明, 本文模型对于求解面内变刚度薄板弯曲问题具备适应性, 虽然模型中的弯矩网络收敛较挠度网络要慢, 但本文方法在试函数的构造上更为简单、适应性更强.      

面内平动板横向振动研究进展

面内平动板的力学行为正日益引起研究者的关注.由于面内平动板的力学性能取决于横向、轴向和侧向三个方向非线性耦合演化的结果,发展相应的多尺度数值模拟方法已成为该领域研究工作的一个热点方向.论文综述了面内平动板横向振动的研究进展,讨论了所研究问题的数学模型,建立了可整合板任意本构关系的统一的动力学方程,总结了面内平动板的模态分析、线性参数振动、非线性自由振动、非线性参数振动和受迫振动的研究进展,介绍了目前研究中近似解析方法和数值方法的应用情况.最后总结现阶段的研究成果,并提出该研究方向今后尚待深入研究的若干重要问题.     

功能梯度材料梁自由振动的线性与非线性振动

基于数值模拟和理论分析两种方法,研究了功能梯度材料(functional gradient materials,FGM) 梁自由振动下的线性与非线性振动问题。通过解析法求解了FGM梁在经典理论下以及一阶剪切理论下的力学行为,得到了FGM梁在简支和固端约束下的固有频率。理论分析了不同边界条件、不同梁理论下、梯度指数、长细比等因素对于FGM梁固有频率的影响;不论经典梁理论还是一阶剪切理论,随着梯度指数的增加,FGM梁的固有频率都随之减小。通过ABAQUS 仿真模拟,得到FGM梁数值模拟下的非线性固有频率。将理论解与数值解进行对比,完善力学模型。在多种理论下,利用解析法和数值模拟的方法,给出FGM梁结构振动响应的线性与非线性解。

     

APPROXIMATE THEORY AND ANALYTICAL SOLUTION FOR DYNAMIC CALCULATION OF VISCOELASTIC LAYERED PERIODIC PLATE

由于周期性隔振结构动力计算中较少考虑轨道交通载荷及材料黏弹性,因此,本文以黏弹性层状周期板为研究对象,提出了垂向移动简谐载荷下,可以考虑材料黏弹性及板内横向剪切变形的黏弹性层状周期板动力计算近似理论并给出解析解答.设板中性面的横向剪切变形为横截面的整体剪切变形,利用Reissner-Mindlin假设及提出的剪切变形补充计算条件,得到了中性面法线转角与中性面剪应力的关系.基于平衡方程和应力连续条件,建立了黏弹性层状周期板振动控制方程,推导了对边简支对边自由条件下,板垂向位移的简化Fourier级数形式解.与经典层合板模型和有限元计算结果进行了比较,验证了本文解答的有效性.结果表明：（1）黏弹性层状周期板可以显著降低单一材料板在自振频率处的振动响应,但会引起局部低频频段的振动放大;（2）板的垂向位移随着载荷速度的增大而增大,当载荷速度超过300 km/h后,其对板振动响应的影响减弱;（3）黏弹性层剪切模量存在最佳设计值,可使结构的隔振性能最佳;（4）黏弹性层的阻尼特性在低频范围内对结构振动影响较小;（5）可在满足工程实际的情况下适当增加板长,以提高结构的隔振性能.     

结构综合的曲线寻优近似解析方法

本文首次在结构优化领域应用曲线寻优近似解析方法，数值实验表明本文方法的效率较高     

EXACT SOLUTIONS FOR FREE IN-PLANE VIBRATIONS OF RECTANGULAR PLATES

All possible exact solutions are successfully obtained in terms of 10 sets of distinct eigensolutions for the free in-plane vibration of isotropic rectangular plates. The plates have simply supported condition at two opposite edges and any combination of classical boundary conditions at the other two edges. The exact solutions are validated through both mathematical proof and comparisons with the solutions of differential quadrature method. Some unusual phenomena are revealed in free in-plane vibrations of rectangular plates due to one of the eigenvalues being zero. This work constitutes an improved version of very recent corresponding work by the same authors [Int. J. Mech. Sci., 2009, 51: 246-255]. Both the solution forms and solving procedures in the previous work are substantially simplified. Some new results are also given, which are useful for validation purpose in future.     

AN ANALYTICAL SOLUTION FOR THREE-DIMENSIONAL DIFFRACTION OF PLANE P-WAVES BY A HEMISPHERICAL ALLUVIAL VALLEY WITH SATURATED SOIL DEPOSITS

An analytical solution for the three-dimensional scattering and diffraction of plane P-waves by a hemispherical alluvial valley with saturated soil deposits is developed by employing Fourier-Bessel series expansion technique. Unlike previous studies, in which the saturated soil deposits were simulated with the single-phase elastic theory, in this paper, they are simulated with Biot's dynamic theory for saturated porous media, and the half space is assumed as a single-phase elastic medium. The effects of the dimensionless frequency, the incidence angle of P-wave and the porosity of soil deposits on the surface displacement magnifications of the hemispherical alluvial valley are investigated. Numerical results show that the existence of a saturated hemispherical alluvial valley has much influence on the surface displacement magnifications. It is more reasonable to simulate soil deposits with Biot's dynamic theory when evaluating the displacement responses of a hemispherical alluvial valley with an incidence of P-waves.     

A THREE-DIMENSIONAL SOLUTION FOR LAMINATED ORTHOTROPIC RECTANGULAR PLATES WITH VISCOELASTIC INTERFACES

When a body consists completely or even partly of viscoelastic materials, its response under static loading will be time-dependent. The adhesives used to glue together single plies in laminates usually exhibit a certain viscoelastic characteristic in a high temperature environment. In this paper, a laminated orthotropic rectangular plate with viscoelastic interfaces, described by the Kelvin-Voigt model, is considered. A power series expansion technique is adopted to approximate the time-variation of various field quantities. Results indicate that the response of the laminated plate with viscoelastic interfaces changes remarkably with time, and is much different from that of a plate with spring-like or viscous interfaces.     

弹性地基上矩形薄板问题的Hamilton正则方程及解析解

利用辛算法求出弹性地基上矩形薄板问题的解析解,将弹性地基视为双参数弹性地基,直接从弹性矩形薄板的控制方程推导出了问题的Hamilton正则方程,为求出任意边界条件下问题的理论解奠定了基础,并且通过算例验证了文中所采用方法的正确性.