粘弹性分数阶导数模型的有限元法

本文给出了粘弹性分数阶导数模型的有限元格式,并用模态分析的方法进行了运动方程解耦。用Laplace变换及其反变换,解析地计算了解耦后单自由度系统的时域和频域响应。时域响应被分为极点部分和截断部分,它们分别代表短期内的衰减振动和长时间内的缓慢恢复效应。以一维杆件为例,对有限元算法和解析解做了对比,分析了响应精度与单元个数的关系。结果表明用有限元法计算的位移接近解析解,而要得到准确的高频加速度响应,则需要划分许多单元格。     

基于分数阶导数的金属橡胶动态特性建模

金属橡胶材料具有非线性和黏弹性的动态特性.本研究用三次非线性函数描述其非线性特性,用分数阶三元模型描述其黏弹性,即分别用经典三元模型与分数阶三元模型,结合金属橡胶动态试验数据进行模型参数识别,发现分数阶三元模型能更准确地描述金属橡胶黏弹性力.不同振幅下金属橡胶迟滞曲线的拟合结果表明,分数阶模型可以较好地拟合不同工况条件...     

黏土蠕变非线性特性及其分数阶导数蠕变模型

针对黏土蠕变的非线性性质,以成都黏土为研究对象展开蠕变试验,发现黏土变形包括瞬时弹性变形、衰减蠕变变形、稳态蠕变变形和加速蠕变变形;黏土长期弹性模量随时间和应力的增加非线性软化;黏滞系数随应力的增加非线性软化,随时间的增加非线性硬化。基于流变学理论、分数阶微积分理论和Harris衰减函数,分别构建了分数阶导数元件、非线性弹性元件和非线性黏滞元件,从而建立了形式简单、参数较少和概念清晰的非线性分数阶导数蠕变模型。将非线性分数阶导数蠕变模型和Burgers蠕变模型进行对比拟合分析,发现非线性分数阶导数蠕变模型各阶段的拟合结果更好,对黏土非线性蠕变的描述更合理,可准确地反映黏土蠕变全过程,表明了所建立非线性分数阶导数蠕变模型的科学合理性。     

饱和横观各向同性分数导数黏弹性土中半封闭衬砌振动响应

在频率域内研究了饱和横观各向同性分数导数黏弹性土体中深埋圆形隧道半封闭衬砌振动响应问题。根据土体在长期沉积过程中存在各向异性的特点,将土骨架视为具有分数导数本构关系的横观各向同性黏弹性体,采用饱和多孔介质理论和弹性理论,利用衬砌内边界应力协调以及土体和衬砌界面处应力和位移连续,得到了简谐荷载作用下饱和横观各向同性黏弹性土和弹性衬砌的位移、应力和孔隙水压力解析表达式。考察了饱和经典弹性土、饱和分数导数性黏弹性土和饱和经典黏弹性土三种条件下饱和黏弹性土和衬砌各参数的影响,表明：横观各向同性面的弹性模量和衬砌厚度对系统动力响应的影响与分数导数阶数和土骨架的黏性有关;渗透系数较小时,系统存在明显的共振现象。另外,在三种条件下半封闭衬砌振动响应存在较大差异。     

基于分数阶导数的苹果果柱蠕变特性研究

为了给果品减损包装设计提供理论依据,降低果品在运输过程中的损耗,研究了果品的蠕变特性。以水晶红富士为实验材料,基于分数阶导数理论,建立了苹果果柱蠕变的分数导数Kelvin模型。结果表明,分数导数Kelvin模型只需要很少的参数,就能够在较长加载历程中表征苹果果柱的蠕变现象。     

基于分数阶黏弹性模型的混凝土阻尼频率相关性研究

阻尼作为反映耗能特征的参数,对动态荷载下结构响应有重要影响。针对强迫振动条件下循环荷载形式对混凝土材料阻尼的影响,结合普通混凝土试验数据并收集152组文献测试结果,详细分析了混凝土材料阻尼与荷载频率的相关性。发现在低频范围时(<3.0 Hz),混凝土材料阻尼均随荷载频率增大呈非线性降低,与经典整数阶黏弹性模型计算规律不符。基于分数阶微积分理论对经典整数阶模型的导数阶数进行改进(0<导数阶数<1),发现修正后分数阶模型能够更好反映混凝土材料阻尼与循环荷载频率在低频时的非正相关性,导数阶数小于0.12,表明混凝土呈现弱黏弹性效应,为混凝土动态性能分析提供一种新的模型选择和参数参考。     

竖向集中力作用下分数导数型半无限体粘弹性地基变形分析

研究成果表明地基土体具有粘弹性性质,在长期荷载作用下会产生蠕变变形。为了准确预测地基变形,必须建立精确的土体本构模型。分数导数粘弹性模型具有精确度高,确定模型所需的实验参数少,应用范围广的特点。针对半无限体粘弹性地基,采用分数导数粘弹性本构模型模拟土的力学行为,运用弹性-粘弹性对应原理分析了粘弹性地基的变形。研究发现,采用分数导数粘弹性本构模型得到的地基沉降量较经典粘弹性模型要小,经典粘弹性模型不能很好地反映集中力对周围地基沉降的影响以及地基的蠕变性质。     

基于分数阶黏弹性模型的木塑复合材料蠕变/回复性能分析

木塑复合材料(WPC)是一种木质纤维增强聚合物的新型环保复合材料,为分析WPC在非恒定荷载下的变形行为,进行结构的长期变形设计,对WPC的蠕变/回复变形进行计算分析。采用叠加原理对比分析既有蠕变计算模型对WPC蠕变/回复的整体预测效果。结果表明,现有模型均不能良好预测其蠕变/回复行为。采用基于分数阶微积分的黏弹性模型对其蠕变/回复行为进行预测,提出一种双参数法的修正分数阶黏弹性模型。通过与已有实测数据对比表明,该模型能够准确反映WPC的静态黏弹性行为。结合实验数据,给出了不同WPC蠕变/回复模型的参数取值。      

分数导数描述的粘弹性基础-动力机器系统振动特性分析

粘弹性基础采用分数导数Kelvin本构模型,建立了分数导数描述的粘弹性基础-动力机器系统的动力学有限元方程,Zhang-Shimizu分数导数数值积分法给出了数值解,讨论了分数导数算子和粘弹比对系统的影响.     

基于分数阶黏弹性模型的温拌改性沥青低温性能

基于分数阶黏弹性模型,通过低温弯曲梁流变试验（BBR）分析RH和Evotherm温拌剂对苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）改性沥青低温性能的影响。结果表明：利用BBR试验数据拟合出的分数阶黏弹性模型参数可较好地预估温拌改性沥青的蠕变柔量和蠕变速率; RH温拌剂可以提高SBS改性沥青的阻尼比和耗散能比,但Evotherm温拌剂在低于-18℃时不能够提高;因7种沥青按照阻尼比和耗散能比排序相同,故也可以将阻尼比作为温拌改性沥青低温性能的一种评价指标; RH可以改善沥青的蠕变柔量,提高黏性流动柔量,且掺量越高改善效果越好,但不能提高黏弹性比,故不能用黏弹性比评价温拌SBS改性沥青的低温性能,而Evotherm温拌剂的规律性不强;两种温拌剂都在低于-24℃时对SBS改性沥青的低温性能改善不佳。     

分数指数模型的热力学分析及其应用

本文论证了两种经典粘弹性固体模型的等价性并指出了其存在的问题。给出了热力学对分数指数模型 ^[1]参数的限制条件。计算与实验结果比较表明:因为该模型具有适当多的参数,采用同一组参数可以做到同时与同一材料的蠕变和松弛试验结果很好吻合;并能做到松弛模量和蠕变柔量的Stieltjes卷积近似等于单位阶跃函数;在很宽广的频率范围内能同时很好地模拟真实材料的存储模量和损耗模量。由于其计算速度快,能与大多数真实材料的性能实验结果相拟合,可以广泛应用于工程实际中的粘弹性静力和动力问题的计算。     

一维分数导数粘弹性饱和多孔介质层的稳态响应

固相骨架的应力-应变关系利用分数导数粘弹性Kelvin 模型来描述,在流相和固相微观不可压以及小变形的假定下建立了分数导数粘弹性饱和多孔介质层一维稳态响应的数学模型和运动控制方程,求得了分数导数粘弹性饱和多孔介质层一维稳态响应的固相位移和液相位移。通过数值算例分析了分数导数的阶数对稳态响应的影响。研究结果表明:固相位移和液相位移随频率的增大逐渐趋于零,在低频时,分数导数的阶数越大固相位移和液相位移越大。     

分数导数模型描述的粘弹性土层中桩基水平振动研究

借助分数导数理论、粘弹性理论和土动力学理论建立了三维轴对称条件下分数导数粘弹性土层的水平振动控制方程,采用势函数和分离变量法求解了分数导数粘弹性土层的水平振动,得到了土层的水平动力阻抗。并借助于桩-土界面的连续条件和三角函数的正交性得到了分数导数粘弹性土层中单桩的水平动力阻抗。通过数值算例研究了桩土参数对分数导数粘弹性土层水平动力阻抗因子和土层中单桩水平动力阻抗的影响。研究表明：分数导数粘弹性土层的水平动力阻抗因子和分数导数粘弹性土层中桩顶水平动力阻抗可以退化为经典粘弹性和弹性土层的情况;桩土模量比对分数导数粘弹性土层中桩顶水平动力阻抗的影响与弹性情况存在较大差异。     

基于超弹性、分数导数和摩擦模型的碳黑填充橡胶隔振器动态建模

碳黑填充橡胶隔振器（以下简称＂橡胶隔振器＂）的动态特性与预载、激振频率和激振振幅相关。实验测试了一橡胶隔振器的动态特性,建立了基于超弹性、分数导数和摩擦模型的橡胶隔振器动态特性的非线性模型,其中超弹性模型用于描述橡胶隔振器的弹性,分数导数模型用于表征橡胶隔振器动态特性的激振频率相关性,摩擦模型用于表征橡胶隔振器动态特性与激振振幅相关的特性,文中论述了建模方法和参数辨识方法。有限元分析获得橡胶隔振器的静态力-位移曲线,利用测试得到的橡胶隔振器在大振幅、低频激励下的力-位移关系,拟合得到橡胶隔振器动态模型中摩擦模型的参数,利用测试得到的橡胶隔振器在小振幅、高频激励下的力-位移关系,拟合得到橡胶隔振器动态模型中分数导数模型的参数。利用建立的模型和拟合得到的参数计算分析了橡胶隔振器动态特性的振幅相关性、频率相关性和预载相关性,并与实验结果进行了对比分析。分析结果表明,建立的模型可以较好的描述橡胶隔振器的动态特性。     

饱和分数导数型粘弹性土-深埋圆形隧洞衬砌系统的动力特性

在频率域研究了分数导数型粘弹性饱和土体和深埋圆形隧洞弹性衬砌相互作用的耦合简谐振动。将土骨架视为具有分数阶导数型本构的粘弹性体,基于饱和多孔介质理论和平面弹性理论,分别给出了饱和粘弹性土、弹性衬砌简谐振动的解析解。通过弹性衬砌和饱和土接触面处的连续性条件和衬砌内边界条件,得到了饱和粘弹性土-衬砌系统的稳态动力响应,给出了衬砌和饱和粘弹性土位移、应力和孔隙压力的解析表达式。在此基础上,进行了参数研究,讨论了物理和几何参数对系统响应的影响。研究表明:饱和分数导数型粘弹性土-衬砌系统的动力响应与经典饱和弹性/粘弹性土-衬砌系统的动力响应差异很大。     

采用粘弹性分数导数模型的橡胶隔振器动态特性的建模及应用

橡胶隔振器的动态特性与激振振幅及激振频率相关。给出一个可以表征橡胶隔振器动态特性与激振振幅及激振频率相关性的模型,其中,用摩擦力模型表征其动态特性与振幅的相关性,用分数导数粘弹性模型表征其动态特性与频率的相关性。计算分析了所建立的模型与目前广泛采用的两种描述橡胶隔振器动态特性模型(基于Maxwell的模型和粘性阻尼模型)在表征其与激振振幅及激振频率的相关性;使用分数导数和Kelvin-Voigt模型时,计算分析了一个含有橡胶隔振器的单自由度振动系统的自由振动和阶跃激励的时域响应。计算结果表明:采用分数导数模型能更加准确地描述橡胶隔振器的动态特性,建立的模型可以用于含有橡胶隔振器的振动系统的动态特性分析。     

分数导数粘弹性土层模型中桩基竖向振动特性研究

粘弹土体的应力-应变关系利用分数导数粘弹性模型进行描述,建立了分数导数粘弹性土层的竖向振动控制方程。在考虑三维波动的条件下,利用势函数和分离变量的方法求解了分数导数粘弹性土层的竖向振动。考虑桩土边界条件和接触条件对分数导数粘弹性土中桩基的竖向振动进行了研究,分析了主要桩土力学参数对桩顶复刚度和导纳的影响规律。研究表明：...     

基于Kriging代理模型的二维分数阶粘弹性问题的数值求解

为提高求解分数阶粘弹性正问题的计算效率,提出了一种基于Kriging代理模型的数值求解方法。利用拉丁超立方采样技术选取样本点,借助有限元和有限差分技术计算样本点的位移响应,从而建立Kriging代理模型。通过均质和区域非均质两个粘弹性算例,对所提方法的计算精度和计算效率进行了测试。测试分析表明：代理模型可提供合用的计算精度,当问题规模较大且正问题需要多次求解时,有望显著降低计算时间。