应用数学和力学

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2019年第40卷第5期

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论文

动载荷识别的非迭代法研究

余波, 吴月, 聂川宝, 高强

2019, 40(5): 473-489. doi: 10.21656/1000-0887.390211

摘要(1716) HTML (368) PDF(616)

摘要:
为了快速准确地识别结构在复杂环境下的承载状态，基于有限元法和Newmark-β法提出了一种非迭代反演方法，并用于识别结构上施加的动载荷.通过探寻测量信息与待演参量之间的关系，建立误差函数，根据最小二乘法实现动载荷的直接识别无需迭代，其中对待反演的分布载荷实施基函数展开，以提高算法的抗不适定性.同时奇异值分解法被用来求解病态方程组.数值算例分别讨论了测量噪声、测点数量、基函数展开、测点位置和不同时间步长对反演结果的影响，结果显示该方法在识别动载荷时具有较高的精度和效率.

周期性正弦凸起凹凸板等效刚度的研究

冯岩, 杜国君, 沈振兴, 王宓晓

2019, 40(5): 490-497. doi: 10.21656/1000-0887.390160

摘要(1603) HTML (310) PDF(476)

摘要:
针对构造正交各向异性周期性正弦凸起结构凹凸板的等效刚度问题，根据经典弹性薄板理论，基于对单胞结构力学特性分析和单胞结构在板宏观结构上周期性均匀化分布的特点，推导了正弦凸起凹凸板的等效刚度解析公式.以四边简支周期性正弦凸起结构凹凸板为例，将该文计算结果与有限元模拟结果进行对比，验证了该文等效刚度的合理性和精确性.最后，分析了正弦凸起凹凸板几何参数对等效刚度特性的影响，给出了结构几何参数与等效刚度之间的关系.结果表明：应用该文方法可以有效计算周期性正弦凸起凹凸板的等效刚度；由于凹凸板在构造上的几何结构变化，与基础平板相比其弯曲刚度和抗扭刚度都有明显的提升.该研究结果对凹凸板静力学和动力学的进一步研究以及实际工程应用具有指导意义.

纵向磁场激励下简支输流微梁的动力学行为研究

江鹏飞, 闫妍, 王文全

2019, 40(5): 498-507. doi: 10.21656/1000-0887.390185

摘要(1525) HTML (325) PDF(398)

摘要:
受磁场驱动的微机电系统在工作中存在着力、磁、流-固耦合等非线性特征，其力学行为非常复杂，并将影响系统运行的安全性与可靠性.该文采用非局部Euler梁模型研究磁场激励下简支输流微梁（一种微机电系统）的动力学行为，通过动力系统分支理论和谐波平衡法来考察系统的稳定性和幅频特性曲线.结果表明，可以采用改变磁场强度、流速和阻尼的三重方式调节微机电系统的频率.研究中还发现，小尺度效应和磁场强度可以影响临界流速，阻尼的存在可以改变临界流速的个数和系统的分岔类型.

功能梯度梁在热-机械荷载作用下的几何非线性分析

王雪, 赵伟东

2019, 40(5): 508-517. doi: 10.21656/1000-0887.390201

摘要(1613) HTML (332) PDF(576)

摘要:
基于经典梁理论，运用虚功原理和变分法推导了均匀变温场与横向均布荷载联合作用的功能梯度梁的几何非线性控制方程.考虑端部不可移夹紧边界条件，运用打靶法求解了该两点边值问题.当横向均布荷载为0时，考察了功能梯度梁的热屈曲临界升温和屈曲平衡路径.当均匀变温与横向均布荷载都不为0时，考察了功能梯度梁的荷载挠度曲线.数值结果表明：随材料体积分数指数增加，梁的有量纲热屈曲临界升温显著减小，后屈曲变形显著增加；变温对功能梯度梁的荷载挠度曲线影响非常显著.发现了功能梯度梁的双稳态构形及其转换现象，梁的最终平衡位形不但与变温及荷载参数有关，还与加载历程有关.

改进的非协调广义混合单元及性能分析

赵直钦, 卿光辉

2019, 40(5): 518-526. doi: 10.21656/1000-0887.390146

摘要(1519) HTML (258) PDF(551)

摘要:
非协调广义混合单元最突出的特点是避免了传统混合单元中系数矩阵主对角线上存在零元素的问题，因此位移和应力结果的收敛是稳定的.以最小势能原理和HR变分原理为基础，联合增强假设应变理论建立了新的8结点非协调广义混合单元.一方面，该单元保持了已有非协调广义混合单元的全部优点；另一方面，该单元简化了积分计算.数值实例表明，改进的非协调广义混合单元的数值结果精度高，计算速度快并且对单元的几何扭曲敏感度低.

泥质盐岩单轴蠕变寿命研究

许宏发, 马语卿, 杨耀然, 吕亚茹, 耿汉生

2019, 40(5): 527-535. doi: 10.21656/1000-0887.390230

摘要(1800) HTML (394) PDF(492)

摘要:
岩石流变力学的研究中，蠕变寿命是一个重要问题.由于长期蠕变试验资料的缺乏，难以估计蠕变破坏时间.该文进行了泥质盐岩单轴全应力应变压缩试验，并采用陈氏加载法进行了单轴蠕变试验.对蠕变曲线进行了处理，获得了不同应力水平下的蠕变曲线簇，进而得到了等时应力-应变曲线簇.通过拟合分析，建立了等时应力-应变曲线割线模量随时间变化关系模型和等时应力应变曲线的数学模型.对等时应力应变曲线与全应力-应变曲线之间的关系进行了分析，获得了蠕变破坏强度和破坏应变分别与蠕变寿命之间的数学表达式.该文研究成果可以估计泥质盐岩的蠕变寿命、长期强度、长期模量、蠕变破坏线和蠕变终止线，对相关岩石流变寿命的估计具有借鉴意义.

非Fourier温度场分布的奇摄动解

包立平, 李文彦, 吴立群

2019, 40(5): 536-545. doi: 10.21656/1000-0887.390112

摘要(1594) HTML (305) PDF(432)

摘要:
应用非Fourier热传导定律构建了单层材料中温度场模型，即一类在无界域上带小参数的奇摄动双曲方程，通过奇摄动展开方法，得到了该问题的渐近解.首先应用奇摄动方法得到了该问题的外解和边界层矫正项，通过对内解和外解的最大模估计和关于时间导数的最大模估计以及线性抛物方程理论，得到了内外解的存在唯一性，从而得到了解的形式渐近展开式.通过余项估计，给出了渐近解的L²估计，得到了渐近解的一致有效性，从而得到了无界域上温度场的分布.通过奇摄动分析，给出了非Fourier 温度场与Fourier 温度场的关系，描述了非Fourier温度场的具体形态.

流通量间断守恒高阶交通流模型及其数值模拟

乔殿梁, 李晓洋, 郭明旻, 张鹏

2019, 40(5): 546-561. doi: 10.21656/1000-0887.390277

摘要(1913) HTML (453) PDF(593)

摘要:
在非均匀道路条件下，推广了各向异性守恒高阶交通流模型(CHO模型)，获得流通量间断CHO模型，并基于其Riemann不变量性质，运用局部简化方法及δ映射算法，设计了求解流通量间断CHO模型的一阶Godunov、EO(Engquist-Osher)和LF(Lax-Friedrichs)等数值格式.通过数值模拟表明流通量间断CHO模型是合理有效的，它可以描述平衡态和非平衡态交通流，相对于流通量间断LWR(Lighthill-Whitham-Richards)模型，其能更好地刻画实际交通现象.

Newton-非Newton幂律流双区复合水平井压力动态特征分析

姬安召

2019, 40(5): 562-573. doi: 10.21656/1000-0887.390252

摘要(1720) HTML (304) PDF(348)

摘要:
聚合物驱油在提高原油采收率方面具有重要作用，水平井在薄层油田的开发过程中占有重要优势.根据聚合物驱油过程，基于点源函数基本理论，建立了Newton-非Newton双区复合水平井试井解释数学模型.利用Laplace积分变换和Fourier有限余弦积分变换方法，获得了Laplace空间Newton-非Newton双区复合水平井试井解释数学模型的解析解.通过Stehfest数值反演得到了典型无因次井底压力、压力导数特征曲线.研究表明：幂律指数越小，外区压力、压力导数曲线上翘越明显，且压力导数曲线呈斜率为(1-m)/(3-m)的直线；当幂律指数为1时，该模型简化为水平井常规双区复合模型；水平井水平段长度越长，早期径向流阶段结束的时间越早；内外区流度比越大、内区半径越小，外区压力和压力导数曲线位置越高，且始终保持斜率为(1-m)/(3-m)的直线.

针对壁面旋转变径管内螺旋流的压力应变项研究

张井龙, 王尊策, 徐艳, 徐德奎

2019, 40(5): 574-582. doi: 10.21656/1000-0887.390325

摘要(1579) HTML (371) PDF(376)

摘要:
通过壁面旋转变径圆管内螺旋湍流流动特征的分析，确定其切向速度场内涡流区为微团旋转主导的椭圆形流动，外涡流区为微团变形主导且受壁面旋转影响的双曲形流动.进而利用张量的不变量理论，引入旋转率张量与应变率张量的综合不变量作为模型系数，将适用于微团旋转主导的旋转湍流Reynolds应力压力应变项修正模型拓展到了非旋转效应主导的双曲形流动中.将修正压力应变项应用于壁面旋转变径圆管流场的模拟，并将结果与实测结果进行了对比，验证了修正模型的改进效果.