多孔介质矩形薄板的精细积分模型

基于三维Biot理论和弹性薄板理论,考虑多孔介质薄板骨架与流体的耦合作用,导出了多孔介质矩形薄板在谐激励作用下的一阶常微分矩阵方程。利用齐次扩容精细积分方法,对两对边简支矩形薄板在均布荷载和集中荷载两种情况下的弯曲振动问题进行了求解,对比经典算例,验证了所建模型的可行性和有效性。相对于数值方法,本文提出的方法适用于中高频段的分析计算。     

率相关饱和多孔介质动力响应的数值分析

在基于混合物理论的多孔介质模型的基础上,将固体相视为弹粘塑性体,建立了饱和多孔介质的弹粘塑性模型。模型的基本思想是在无粘弹塑性本构关系中引入-时间参数,使固体骨架具备了粘性效应。利用Galerkin加权残值法推导得到了罚有限元格式,并采用Newmark预估校正法求解率相关饱和多孔介质的非线性有限元动力方程,此算法可以很...     

饱和多孔介质中动力渗流耦合分析的Biot-Cosserat连续体模型与应变局部化有限元模拟

提出了适用于饱和多孔介质中应变局部化分析及动力渗流耦合分析的Biot-Cosserat连续体模型。基于饱和多孔介质动力渗流耦合分析的Biot理论,将固体骨架看作Cosserat连续体,并考虑旋转惯性,建立了饱和多孔介质动力渗流耦合分析的Biot-Cosserat连续体模型。基于Galerkin加权余量法,对所发展的模型推导了以固体骨架广义位移(包含旋转)及孔隙水压力为基本未知量的有限元公式。利用所发展的数值模型,对包含压力相关弹塑性固体骨架材料的饱和多孔介质进行了动力渗流耦合分析与应变局部化有限元模拟,结果表明,所发展的两相饱和多孔介质动力渗流耦合分析的Biot-Cosserat连续体模型能保持饱和两相介质应变局部化问题的适定性及模拟饱和多孔介质中由应变软化引起的应变局部化现象的有效性。     

弹性圆柱薄壳在流体中的变形与内力分析

应用薄壳弹性理论及流体力学基本方程,给出了圆柱壳在流体中流固耦合问题的基本关系式。阐述并应用相容拉格朗日-欧拉方法推导出流体绕壳横向流动时弹性圆柱薄壳的小弯曲变形问题的方程,并求解了流场的速度势和壳体的变形及内力分布。通过具体算例,绘出了流场分布图,讨论了有关参数变化对圆柱壳变形和表面压力系数的影响。     

饱和多孔介质一维瞬态波动问题的解析分析

采用基于混合物理论的多孔介质模型,提出了饱和多孔介质一维动力响应的初边值问题。利用拉氏变换和卷积定理,分别得到了边界自由排水时在任意应力边界条件和任意位移边界条件下瞬态波动过程的解析表达。几种典型的数值算例同时给出了两类边界条件下瞬态波动过程中多孔固体的位移场、应力场和孔隙流体的速度场、压力场。结果表明,饱和多孔介质的波动过程是多孔固体和孔隙流体中以同一速度传播的两种波动的耦合过程,时效特性分析也揭示了饱和多孔介质固有的表观粘弹性性质。     

饱和多孔介质不同动力耦合形式数值分析EI北大核心CSCD

Biot饱和多孔介质波动行为的数值模拟在众多工程领域中具有重要的意义和作用,由于固相与液相耦合方程难以解耦,使该问题的数值模拟难度较大。针对饱和多孔介质中部分耦合u-p及全耦合u-p-U方程形式的特征,推导了相应动力耦合控制方程的有限元弱形式,并引入不同耦合形式的饱和多孔介质时域黏性边界,综合利用Comsol Multiphysics提供的偏微分方程应用模式进行二次开发求解,通过一维饱和多孔介质动力响应的解析解和数值解验证了模型求解技术的合理性和可行性,基于u-p-U耦合形式探讨了冲击荷载作用下干砂饱和砂地基动力固结中应力波传播特性。计算结果表明慢纵波对动力固结的影响比较显著,合理的冲击荷载持续时间有利于固结效果的改善。     

饱和多孔介质不同动力耦合形式数值分析

Biot饱和多孔介质波动行为的数值模拟在众多工程领域中具有重要的意义和作用,由于固相与液相耦合方程难以解耦,使该问题的数值模拟难度较大。针对饱和多孔介质中部分耦合u-p及全耦合u-p-U方程形式的特征,推导了相应动力耦合控制方程的有限元弱形式,并引入不同耦合形式的饱和多孔介质时域黏性边界,综合利用Comsol Multiphysics提供的偏微分方程应用模式进行二次开发求解,通过一维饱和多孔介质动力响应的解析解和数值解验证了模型求解技术的合理性和可行性,基于u-p-U耦合形式探讨了冲击荷载作用下干砂饱和砂地基动力固结中应力波传播特性。计算结果表明慢纵波对动力固结的影响比较显著,合理的冲击荷载持续时间有利于固结效果的改善。     

多孔吸声矩形薄板声振特性分析的一种新模型

为了弥补现有多孔吸声材料在数值建模以及解析建模上的不足,建立了一种全新的多孔材料矩形薄板声振特性分析的半解析模型。利用薄板理论,引入与流体声压相关的薄膜力和力矩分量,由三维的Biot理论本退化导出了二维多孔材料矩形薄板的本构关系和内力-位移关系。然后,结合多孔板的骨架的平衡方程和多孔薄板内部流体的运动方程,通过Fourier变换和无量纲化处理,消去中间变量后建立了频域内多孔矩形薄板的声振控制方程,并写为一阶常微分矩阵形式,可采用高精度的齐次扩容精细积分法进行求解。该模型充分考虑了薄板面内振动与弯曲振动的相互耦合,比现有的解析模型更加接近多孔板的真实振动。同时,采用了一种高精度的齐次扩容精细积分法进行求解,可以在中高频段保证其精确性。以两端简支的多孔矩形薄板为例,分析了薄板面内振动与弯曲振动的耦合作用对声振特性的影响。     

饱和多孔介质动力分析的数值流形单元

基于数值流形方法中覆盖函数的基本思想,构造了适用于饱和多孔介质动力耦合分析的三节点平面流形单元,该单元满足Babuska-Brezzi稳定性准则与Zienkiewicz-Taylor分片试验条件,对于位移和孔隙压力具有不等阶的插值函数,且所有节点上具有相同自由度。用标准Galerkin法和Newmark法将饱和多孔介质动力基本方程在空间和时间上离散,得到饱和多孔介质动力分析的流形元离散的算法公式。数值结果表明,与传统有限元相比在孔隙流体不可压缩且非渗流的条件下,数值流形单元对于压力场的计算具有良好的数值稳定性。     

水下冲击载荷用下复合材料圆柱壳的弹性响应

研究了平面阶跃冲击波作用下沉浸无限长复合材料圆柱壳的瞬态响应。首先推导了基于Flugge薄壳理论的复合材料圆柱壳的控制运动方程,然后采用反射尾流虚源法建立流体-结构的相互作用,最后采用有限差分法来求解平面冲击波作用下无限长复合材料圆柱壳的控制运动微分方程。详细考察了复合材料纤维方向和壳的半径对复合材料圆柱壳的无因次中面应变、第0阶模态径向位移和第1阶模态径向速度的影响。     

水下冲击载荷作用下复合材料圆柱壳的弹性响应

研究了平面阶跃冲击波作用下沉浸无限长复合材料圆柱壳的瞬态响应。首先推导基于Flugge薄壳理论的复合材料圆柱壳的控制运动方程,然后采用反射尾流虚源法建立流体-结构的相互作用,最后采用有限差分法来求解平面冲击波作用下无限长复合材料圆柱壳的控制运动微分方程。详细考察了复合材料纤维方向和壳的半径对复合材料圆柱壳的无因次中面应变、第0阶模态径向位移和第1阶模态径向速度的影响。     

含液饱和多孔波阻板的地基振动控制研究

基于含液饱和多孔介质中的流-固耦合作用,提出了以含液饱和多孔材料作为隔振屏障的一类新型的地基振动控制体系。考虑在弹性地基内部设置饱和多孔波阻板,基于线弹性理论和Biot多孔介质模型,采用Fourier级数展开的方法,分别建立了地基表面和内部受到条形简谐荷载作用下地基动力响应的计算列式。通过数值算例,与传统的单相固体波阻板的隔振效果进行了比较,并且分析了多孔材料波阻板中固相材料性质、孔隙率、孔隙流体性质等物理力学参数对地基隔振性能的影响规律。结果表明,相对于单相固体波阻板隔振体系,基于含液饱和多孔波阻板的地基隔振体系更加具有优越性,并且更具有可设计性。     

集中载荷作用下饱和多孔Timoshenko简支梁的动力响应

基于饱和多孔弹性Timoshenko梁的动力数学模型,研究了梁中点承受突加载荷作用两端可渗透饱和多孔弹性Timoshenko简支梁的动力响应,得到了问题的解析解,给出了梁中点无量纲挠度、固相骨架弯矩和孔隙流体压力等效力偶等随无量纲时间的响应。考察了剪切和横截面转动惯性效应等对动力响应的影响,比较了饱和多孔Timoshenko、Shear、Rayleigh和Euler-Bernoulli梁的动力响应,结果表明:剪切效应使饱和多孔Timoshenko梁动力响应的幅值和周期增大,而横截面转动惯性仅增加梁动力响应的周期;固相骨架与孔隙流体的相互作用具有粘性效应,随着相互作用系数的增加,饱和多孔梁挠度和弯矩幅值减小,流体压力等效力偶幅值增大,且振幅衰减加快。同时,随着长细比的增加,饱和多孔Timoshenko梁的挠度幅值和周期逐渐减小,并最终趋于饱和多孔Euler-Bernoulli梁的挠度幅值和周期。     

被动约束层阻尼圆锥壳振动和阻尼分析的新方法

该文基于Donnell薄壳理论,考虑各层锥顶点的水平偏移,分别建立了基壳和约束壳的控制方程。仅考虑粘弹性层剪切变形的影响,由线粘弹性理论,结合基壳、约束壳的控制方程和粘弹性层的法向平衡方程,导出了PCLD圆锥层合壳的整合一阶常微分矩阵方程。该方程的系数矩阵不是常数矩阵,各元素的表达式较PCLD圆柱壳复杂。然后,借助基于精细积分技术的传递矩阵法提出了一种分析PCLD圆锥层合壳振动和阻尼特性的半解析、半数值方法。通过与文献值的对比,证明了该文方法的有效性。该文还讨论了各种参数对系统固有频率和损耗因子的影响。     

部分覆盖PCLD圆柱壳振动分析的新矩阵方法

基于线弹性薄壳理论和线粘弹性理论,考虑被动约束层阻尼(PCLD)的剪切耗能以及层间的相互作用,首次导出了适用于最一般情况的环状覆盖PCLD圆柱层合壳在谐激励作用下的整合一阶常微分矩阵方程,它的12个状态变量具有明确的物理意义,而且由层合壳完整的位移量和内力量组成,应用范围很广.通过将该模型和齐次扩容精细积分法结合构建了一种高效率和高精度的半解析半数值方法,并与解析解结果进行了对比,验证了该方法的正确性和有效性,借此还分析了PCLD覆盖率和覆盖位置对频率响应函数的影响.     

斜入射下水下地基场地地震输入的一维化时域方法

地震波斜入射下水下地基场地地震动输入问题,是涉及水层、饱和多孔介质和基岩三种不同性质介质耦合的复杂问题,目前理论成果还很匮乏。该文在现有的成层饱和多孔介质平面波斜入射的一维化时域方法的基础上,建立了水下地基场地的一维化时域计算方法。该计算方法依据Snell定理,将地震波斜入射下水层波动的空间二维问题转化为简单的一维问题,通过考虑水层与饱和多孔介质层交界面、不同饱和多孔介质交界面以及基岩与饱和多孔介质层交界面的边界条件,将已有的成层饱和土的一维化有限元方程与水层的一维化有限元方程组装,采用单相弹性介质精确人工边界条件模拟基岩半空间的波动辐射和输入特征,形成了水下地基场地的整体有限元方程,借助于中心差分法和Newmark法相结合的时步积分法,推导了地震波斜入射下水下地基场地各节点动力响应时程的显式表达式。通过与傅里叶变换得到的理论解和现有的文献进行了对比,初步验证了该文时域算法的有效性和精度,为地震波斜入射下水下地基场地地震动输入提供了一种新型高效的研究方法。     

基于DQM的空间轴对称流体饱和多孔热弹性柱体动力学特性研究

在热局部平衡条件下研究了空间轴对称不可压流体饱和多孔热弹性柱体在表面温度载荷作用下的动力学特性。基于de Boer多孔介质混合物理论,给出了问题的数学模型;其次综合采用微分求积方法-二阶向后差分法-Newton-Raphson迭代法求解了数学模型,得到柱体各离散点处未知物理量的数值结果,进而可分析柱体的动力学特性。为了验证该方法的正确性,计算了不可压流体饱和多孔弹性柱体的动力固结问题,并与de Boer等的解析结果进行了比较,两者吻合良好,也证明DQM有较小的计算量和较高的精度。最后分别研究和比较了柱体只受到表面外载荷作用下的动力学特性和受到两种表面温度载荷与外载荷联合作用下的动力学特性,考察了材料的某些参数对柱体动力学特性的影响。     

求解地面运动激励下的部分覆盖约束层阻尼贮液圆柱壳耦振的整合状态传递矩阵法

摘要：基于一般情况下的线弹性薄壳方程和势流理论,考虑被动约束层阻尼（PCLD）的剪切变形的能量耗散和液固耦合相互作用,文中首先导出了PCLD圆柱层合壳的整合一阶矩阵微分方程,该方程的状态向量的每个元素都有明确的物理意义,更方便用于层合壳体在各种边界支承条件的动力学问题的求解。然后通过将流体动压力写成含待求系数的解析形式,借助流固交接条件、新型齐次扩容精细积分法和叠加原理,建立了一种分析该类结构耦振问题的高效率、高精度的半解析半数值方法。通过与无水、两端简支的全覆盖PCLD圆柱壳在轴对称情况下自由振动的解析解结果比较,验证了本文方法的有效性。最后基于文中提出的方法,研究了部分覆盖PCLD贮液圆柱容器在地面运动激励下的动力响应,研究了PCLD厚度、长度、敷设位置以及粘弹芯的复剪切模量模型对减振效果的影响。     

充液压电阻尼圆柱壳的有限元建模

基于Mindlin板理论、压电理论、粘弹性理论和理想流体方程，对充液圆柱壳主动约束阻尼结构在流固耦合条件下的建模进行了研究。利用拉格朗日方法得到结构的动力学方程，利用GHM方法描述粘弹性阻尼的本构关系，结合流体方程建立主动约束阻尼结构在流固耦合条件下的动力学方程。建立从压电材料的电压到流固耦合边界下的圆柱壳结构振动的频响函数，利用实验结果对理论计算加以验证，结果表明该建模方法是可行的。     

Scholte波波速和孔隙度关系的建立及实验验证

随着声学技术的快速发展,界面波在无损检测及环境参数反演领域的应用越来越广泛,但是目前理论与实践之间还存在一些差距,首先对基于Biot理论的流体饱和多孔介质声传播特性的理论进行了仿真分析,然后运用势函数结合多孔介质固体-流体边界条件建立了两半无限空间流-固界面Scholte波理论模型,最后对这一理论模型进行了实验验证。仿真结果表明:声波频率对各种波速几乎没有影响,但各种波速随孔隙度的变化较大;通过实验验证:Scholte波波速理论值与实际测量值之间的相对误差不超过0.24%。