温度效应下磁电弹圆杆中的孤波分析

以无限长磁电弹圆杆为研究对象,建立了横观各向同性磁电弹圆杆的本构关系,通过非线性弹性位移关系和等效泊松比,结合哈密顿原理和欧拉方程,推导出了无限长磁电弹性圆杆的波动方程。采用扩展的Tanh展开法对波动方程进行求解,得到了方程的精确孤波解;采用Matlab进行模拟,得到了磁场强度为50 kA/m,100 kA/m和150 kA/m,电场强度为50 kV/m,100 kV/m和150 kV/m,温差为20℃,60℃和100℃,半径为0.02 m,0.05 m和0.08 m下的波形图。数值分析结果表明,随着磁场强度、电场强度和温差的增大,波速呈现减小趋势;随着杆半径的增加,色散参数和波长会变大。

超细长弹性杆的分析力学问题

超细长弹性杆作为DNA等生物大分子链的力学模型,其平衡和稳定性问题已成为力学与分子生物学交叉的研究热点.虽然在Kirchhoff动力学比拟的基础上,用分析力学方法讨论弹性杆的文章已见诸文献,但尚未形成弹性杆分析力学的严格理论.本文研究了超细长弹性杆分析力学的若干基础性问题.对杆截面的自由度、虚位移、约束方程及约束力等基本概念给出严格的定义和表达式.建立弹性杆平衡的D'Alembert-Lagrange原理、Jourdain原理和Gauss原理;从D'Alembert-Lagrange原理导出Hamilton原理.从变分原理出发导出Lagrange方程、Nielsen方程、Appell方程和Hamilton正则方程;对于受约束的弹性杆,导出了带乘子的Lagrange方程。讨论了Lagrange方程的首次积分.对于杆中心线存在尖点的情形,导出了微段杆平衡的近似方程.

Cosserat生长弹性杆动力学的Gauss最小拘束原理

以自然界中具有生长、变形和运动特征的细长体为背景,用经典力学中的Gauss最小拘束原理研究生长弹性杆的动力学建模问题.在为生长弹性杆动力学建模提供新方法的同时,扩大了Gauss原理的应用范围.以Cosserat弹性杆为对象,分析弹性杆生长和变形的几何规则,表明生长应变和弹性应变是非线性耦合的;本构方程给出了截面的内力与弹性变形的线性关系;利用逆并矢,将经典力学中的Gauss原理和Gauss最小拘束原理用于生长弹性杆动力学,得到等价的两种表现形式,反映了时间和弧坐标在表述上的对称性,由此导出了封闭的动力学微分方程.给出了两种形式的最小拘束函数,表明生长弹性杆的实际运动使拘束函数取驻值,且为最小值.最后讨论了生长弹性杆的约束与条件极值等问题.

Kirchhoff弹性杆分析动力学的准坐标表达

作为DNA的力学模型,依据Kirchhoff动力学比拟思想建立的弹性细杆的分析力学方法已从静力学深入到动力学。由于静力学平衡微分方程与刚体动力学相当,因此,弹性细杆动力学的分析力学方程必是以弧坐标和时间为双自变量的偏微分方程。以横截面的形心速度以及弯扭度和角速度沿主轴的分量为准速度,定义了准坐标,导出了准坐标的微分和变分运算的交换关系。从Hamilton原理出发,利用准坐标的微分和变分运算的交换关系,导出了Kirchhoff弹性杆动力学准坐标下的Boltzmann-Hamel方程,并由此导出Lanrange方程。指出了Boltzmann-Hamel方程显式即为弹性杆动力学的Kirchhoff方程。定义关于弧坐标和时间的正则变量和Hamilton函数,导出Boltzmann-Hamel方程的正则形式。本文结果是以弹性杆静力学和刚性杆动力学为其特例。作为例子,建立了垂挂的在重力作用下作平面运动的弹性细杆的动力学微分方程以说明本文方法的应用。

基于高斯原理的多体系统动力学建模

基于高斯最小拘束原理,以释放中的绳系卫星为背景,建立地球引力场内变长度大变形柔索联系的多体系统动力学模型.利用基尔霍夫动力学比拟方法将柔索的变形转化为刚性截面沿中心线的转动,使包含刚性分体与变形体的刚柔耦合系统转化为由柔索的刚性截面与刚性分体组成的广义多刚体系统.由于刚性截面的局部小变形沿弧坐标的积累不受限制,适合描述柔索的超大变形.文中对此刚柔耦合多体系统导出其在地球引力场中的拘束函数,考虑各分体在空间中相对位置的几何约束条件,利用拉格朗日乘子构成以条件极值问题为特征的数学模型.将高斯原理用于多体系统动力学的建模,其特点是以寻求函数极值的变分方法代替微分方程,通过数值计算直接得出运动规律.其形式统一,不随系统拓扑结构的变化而改变,也无需区分树系统或非树系统.对于带控制的多体系统,动力学分析还可根据技术需要与系统的优化结合进行.

杆网系统基于高斯原理的动力学建模

讨论由任意数量弹性细杆组成任意拓扑结构的杆网系统.叙述其基于高斯最小拘束原理的动力学建模方法.其工程背景为航天技术中的可展网架式结构.采用Kirchhoff模型描述弹性杆的运动,其大变形的幅度可不加限制.导出杆网系统拘束函数的普遍形式及联结铰对杆件的几何约束条件.所述动力学模型可直接应用变分方法确定杆网系统的运动,无需建立和求解动力学微分方程.利用拘束函数的最小值条件从杆件的各种可能运动中确定其真实运动.联结铰的约束条件可在供选择的可能运动中预先给予满足.对于杆件充分柔软的特殊情形,忽略其抗弯和抗扭刚度,但考虑其拉伸变形,则杆网系统转化为由柔索组成的索网系统.以5杆系统为例说明此建模过程.

纯余能原理在杆系大变形中的应用

将高玉臣提出的弹性大变形的纯余能原理(即只含有未知的内力分量)用于杆件系统的内力计算.在杆系变形后的位置建立平衡方程,根据节点的平衡条件,将杆系中的某几个未知力用其余未知力表示,此时应用余能原理无需考虑各杆在相邻边界上的力平衡条件,将有条件驻值转化为无条件驻值问题.在算例中假设各杆变形量与内力呈线性关系,即只考虑几何大变形,将算例所得结果与理论值对比可知二者非常接近,故将纯余能原理用于杆系大变形的计算是切实可行的.

低应变反射波法检测桩基技术研究

低应变反射波法在桩基质量检测中具有检测速率快、效率高的特点,同时其在实际检测过程中也暴露出一定的缺陷,故如何排除影响检测的干扰因素成为低应变法检测桩基质量的重要任务。

基于高斯原理的Cosserat弹性杆动力学模型

在动力学普遍原理中,高斯最小拘束原理的特点是可通过寻求函数极值的变分方法直接得出运动规律,而无须建立动力学微分方程.Kirchhoff动力学比拟方法以刚性截面的姿态表述弹性细杆的几何形态,并发展为以弧坐标s和时间t为自变量的弹性杆分析力学.由于截面姿态的局部微小改变沿弧坐标的积累不受限制,Kirchhoff模型适合描述弹性杆的超大变形.Cosserat弹性杆模型考虑了Kirchhoff模型忽略的截面剪切变形、中心线伸缩变形和分布力等因素,是更符合实际弹性杆的动力学模型.建立了基于高斯原理的Cosserat弹性杆的分析力学模型,导出拘束函数的普遍形式,以平面运动为例进行讨论.关于弹性杆空间不可自相侵占的特殊问题,给出相应的约束条件对可能运动施加限制,以避免自相侵占情况发生.

精确Cosserat弹性杆动力学的分析力学方法

以脱氧核糖核酸和工程中的细长结构为背景,大变形大范围运动的弹性杆动力学受到关注.将分析力学方法运用到精确Cosserat弹性杆动力学,旨在为前者拓展新的应用领域,为后者提供新的研究方法.基于平面截面假定,在弯扭基础上再计及拉压和剪切变形形成精确Cosserat弹性杆模型.用刚体运动的概念描述弹性杆的变形,导出弹性杆变形和运动的几何关系;在定义截面虚位移及其变分法则的基础上,建立用矢量表达的d’Alembert-Lagrange原理,在线性本构关系下化作分析力学形式,并导出Lagrange方程和Nielsen方程,定义正则变量后化作Hamilton正则方程;对于只在端部受力的弹性杆静力学,导出了将守恒量预先嵌入的Lagrange方程,并讨论了其首次积分.从弹性杆的d’Alembert-Lagrange原理导出积分变分原理,在线性本构关系下化作Hamilton原理.形成的分析力学方法使弹性杆的全部动力学方程具有统一的形式,为弹性杆动力学的对称性和守恒量的研究及其数值计算铺平道路.

超细长弹性杆动力学的Gauss原理

研究基于Gauss变分的超细长弹性杆动力学建模的分析力学方法.分别在弧坐标和时间的广义加速度空间定义虚位移,给出了非完整约束加在虚位移上的限制方程;建立了弹性杆动力学的Gauss原理,由此导出Kirchhoff方程、Lagrange方程、Nielsen方程以及Appell方程;对于受有非完整约束的弹性杆,导出了带乘子的Lagrange方程;建立了弹性杆截面动力学的Gauss最小拘束原理并说明其物理意义.