横观各向同性饱和弹性多孔介质三维非轴对称Lamb问题

基于孔隙介质的Biot理论, 首先引入位移函数, 将圆柱坐标系下横观各向同性饱和弹性多孔介质的Biot波动方程转化为两个解耦的6阶和2阶控制方程.然后根据方位角的Fourier展开和径向Hankel变换, 求解了Biot波动方程, 得到了以土骨架位移和孔隙水压力为基本未知量的积分形式的一般解, 并用一般解给出了饱和多孔介质总应力分量的表达式. 在此基础上研究了横观各向同性饱和半空间体的Lamb问题. 考虑表面排水和不排水两种情况, 得到了横观各向同性饱和弹性半空间体在表面竖向和水平谐振力作用下, 表面径向位移、竖向位移和周向位移的积分形式解, 给出了算例.     

新型光纤Bragg光栅滤波器

提出了一种新型弹性材料热变形拉伸光纤Bragg光栅的滤波器原理. 以热传导方程模型为基础, 逐步计算出弹性薄板经热源控制后的温度分布函数、热膨胀函数和弹性薄板最大位移函数, 最终推导出了热源功率密度与光纤Bragg光栅反射波长偏移量之间的关系式. 证明了上述公式的物理可行性.     

考虑渗滤效应的水泥浆锋面扩散理论及试验研究

基于渗流连续性方程、Darcy渗流定律、质量守恒方程、线性滤过定律及压力降方程,建立了水泥浆锋面扩散理论模型,分析了渗滤效应下水泥颗粒的运移滤出机制和浆液锋面的扩散规律;应用自主研发的模型试验系统,研究了水泥浆锋面压力的动态变化规律,并与理论值进行了对比分析.结果表明,在渗滤效应作用下,沉积层渗透系数沿浆液扩散距离增大;锋面速度变化率与沉积层渗透系数呈负相关;特定扩散距离处,锋面压力降p'呈先增后减,而锋面压力p及平均单位压力降ΔP'呈先减后增趋势;锋面压力理论值与试验值偏差率仅为.10%~26%,两者吻合度较高.研究结论可指导注浆设计,对实际工程具有一定的应用价值.     

热波现象的热质理论研究

基于热质的概念建立了热量输运的守恒方程，并得到了考虑热质运动的空间和时间惯性的普适导热方程，该方程反映了一般条件下热的波动传递现象．当热流和温度的空间惯性以及温度的时间惯性可以忽略时，所得到的导热定律退化为CV模型，表明CV模型实质上仅考虑了热流对时间的惯性效应．对热波传递和叠加现象的数值分析表明：当热扰动较小时，热流对空间加速的惯性可以忽略，基于热质理论的热波方程和CV模型符合得较好；但是，在描述较大的热扰动时，由于热流对空间的加速惯性不能忽略，CV模型的求解结果会出现负温度的非物理现象，而基于热质理论的热波方程则克服了这一缺陷．     

复杂渠道工程三维渗流应力耦合分析与研究

渗流是导致渠道下沉、倾斜、断裂等诸多不良后果的重要因素，对渠道安全稳定运行危害较大．基于NURBS．TIN．BRep混合数据结构，构建南水北调中线工程某渠段的工程地质信息三维可视化模型，运用耦合VOF（volumeoffluid，流体体积函数）法的N—S（Navier．Stokes）方程，对研究区域进行渗流模拟，并采用流固耦合进行渠道稳定性计算，全面分析渠道在渗漏、下伏采空区等多种因素影响下的应力及位移状态．结果表明：渠道渗流对其稳定性影响较大，特别是对位移场的影响较为明显，渠道渗流将导致其自身产生相对较大的沉降，因此建议在实际施工过程中进行渠道的局部加固，并采取有效地渗流控制措施．     

一种模拟弹性波在层状地基中传播的简化高阶双渐近透射边界

在强烈地震作用下,层状地基与结构之间的动力相互作用将对结构的动力响应产生重大影响,其难点是模拟波动在无限层状地基中传播引起的辐射阻尼效应.基于比例边界有限单元法(SBFEM)构建的层状介质标量波高阶双渐近透射边界能够在全频范围内快速收敛到准确解,具有很高的计算精度和计算效率,并且具有良好的数值稳定性.以二维水平等高层状地基为研究对象,将弹性动力学方程强行解耦得到两个独立的标量波方程,基于解耦的标量波方程构建了一种层状地基弹性波传播模拟的简化高阶双渐近透射边界.同标量波高阶双渐近透射边界一样,该透射边界具有良好的计算性能.数值算例结果表明,该透射边界对底部为固定边界条件的水平层状地基具有良好的模拟精度.     

大型捆绑火箭姿态动力学模型研究

针对大型捆绑运载火箭所呈现出的低频密频模态、纵-横-扭强耦合、复杂局部变形和发动机低频谐振以及多贮箱液体晃动的特点,推导建立了工程实用的姿态动力学模型.基于牛顿-欧拉法建立了刚体质心和绕质心运动方程、液体晃动方程以及发动机振动方程,基于有限元方法建立了火箭弹性振动方程.模型充分反映了发动机摆动、液体晃动等活动质量相对箭体运动时对刚体运动和弹性振动的影响,充分反映了刚-晃-弹以及发动机低频谐振之间的耦合,同时保留了工程上所熟悉的形式.基于坐标变换思想提出了弹性旋转矩阵方法求解复杂弹性变形后外力的大小和作用点,推导过程中严格按照定义求解,避免了错项和漏项,推导原理简明、概念清晰,过程规范,易于设计人员理解.基于ADAMS的虚拟样机仿真结果验证了本文推导模型的正确性.     

波形滚筒内颗粒混合和导热分布形态特性的研究

将离散元方法中的软球模型与颗粒热传导模型相结合,研究波形滚筒内颗粒混合及热量传递的复杂过程.设计了一个具有波形边界的旋转滚筒,模拟并分析稠密颗粒在不同速度旋转的波形滚筒内的混合和热传导过程,重点考察波形滚筒内不同转速下产生的颗粒混合和导热过程的形态及转速的影响,并采用无量纲混合度,信息熵来分析混合和热传导的演化特性,比较用不同转速达到同一圈数下的结果来表明转速对混合和导热形态特性的影响.     

复层孔隙分布含油轴承的孔道渗流及润滑机制

含油轴承基体中油液的渗流行为对轴承油膜润滑性能影响显著.以不同孔隙率分布的环面复层含油轴承为研究对象,耦合分析轴承系统(包括轴承间隙和多孔轴承内部)的流体流动,基于Darcy定律描述油液渗流行为,并在极坐标下建立含油轴承系统的渗流润滑模型,研究轴承系统中油膜压力的分布规律,分析表面粗糙度、结构参数等对油膜润滑性能的影响.采用粉末冶金工艺制备不同表层孔隙率的复层含油轴承试样,在端面摩擦试验机上开展含油轴承的摩擦学实验,并对数值分析结果进行验证.结果表明,与普通单层含油轴承相比,不同孔隙率分布的复层含油轴承能阻止润滑油液渗入多孔介质,提高轴承润滑性能;随着综合表面均方根粗糙度增大,油膜润滑性能变好,随着表层厚度或表层渗透率增加,油膜润滑性能变差.摩擦实验与润滑理论分析具有相似的结论,验证了所建数值模型的可靠性.研究工作为明晰含油轴承渗流润滑机理及其影响机制提供一定理论依据.     

气动热-气动弹性双向耦合的高超声速曲面壁板颤振分析方法

建立了气动热、气动弹性双向耦合高超声速二维曲面壁板颤振分析方法．基于柯西霍夫假设和冯卡门非线性应变．位移关系，建立了考虑几何非线性的二维简支曲板的气动．热．弹性分析方程；使用迦辽金方法对方程离散处理，采用四阶龙格．库塔法求解微分方程；三阶活塞理论用于气动力分析；使用参考温度法和平板气动热公式计算气动热．研究中重点考虑：1）气动热与气动弹性双向耦合，既分析气动热对结构刚度的影响，又分析气动弹性对气动热的影响；2）结构温度随飞行时间的积累效应；3）弦向和厚度方向非均匀温度分布的影响；4）曲面壁板的初始变形对壁板颤振发生时刻的影响．通过与传统的只考虑气动热．气动弹性单向耦合的分析结果进行对比，发现基于气动热和气动弹性双向耦合的壁板颤振分析结果更危险，这一点在精确分析中应当予以重视．     

列车通过大跨度桥梁桥塔区域过程中的风-车-桥耦合动力分析

大跨度桥梁位于强横风环境时,桥塔的遮挡作用会使列车进出桥塔区域时车体受到的风力发生变化,这种风荷载的突变效应会对车辆的动力响应造成影响,此外车辆动力响应的改变还会影响桥梁的动力响应.本文以瓯江大跨公铁两用悬索桥为工程背景,以快速谱分析模拟风场,对桥梁子系统施加抖振风力,对桥梁子系统施加稳态风力,考虑桥塔宽度与车辆长度的关系,建立风-车-桥耦合系统运动平衡方程,以全过程迭代法求解该方程,分析计算了不同车速与风速下桥塔遮风效应对车辆桥梁动力响应的影响.结果表明风速和桥塔宽度越大,车辆的动力响应越大,而桥梁动力响应受桥塔遮风效应影响很小.     

弹性飞机阵风响应建模与减缓方案设计

基于非定常气动力有理函数拟合方法建立时域连续阵风响应方程,基于非定常气动力有理函数拟合和傅立叶变换的混合建模方法建立时域离散阵风响应方程.在时域连续和离散阵风响应方程的基础上,设计3种不同的阵风减缓控制方案并进行对比分析.方案1采用俯仰角速率、翼梢加速度和质心加速度作为反馈信号,副翼和升降舵作为控制面;方案2采用迎角传感器采集的信号替换方案1中的俯仰角速率信号;方案3采用扰流片替换方案1中的副翼.相关计算结果表明：弹性飞机质心处过载和翼根弯矩主要受刚体模态的影响,弹性飞机翼尖处过载主要受飞机弹性模态的影响.控制方案1,2,3均能达到阵风减缓的目的,但采用扰流片作为控制面的控制方案3的减缓效果不如控制方案1和2的减缓效果.     

基于水热耦合平衡方程的黄河流域径流变化归因分析

选择黄河流域38个典型子流域为研究对象,基于流域水热耦合平衡模型,计算了各流域径流对气候和下垫面变化的弹性系数;进一步针对各流域在1961~2010年间的径流变化,定量区分了气候变化和下垫面变化对各典型子流域天然径流减少的影响程度.结果表明:径流的气候弹性和下垫面弹性具有一致性,黄土高原地区的水文过程对气候和下垫面变化更加敏感.下垫面变化对绝大多数子流域的径流量减少起主导作用,特别是黄土高原地区水土保持对径流的影响不可忽视.本研究表明,基于流域水分-能量耦合平衡方程的径流弹性分析方法,对定量区分气候和下垫面变化对流域径流的影响具有广阔的应用前景.     

微波加热陶瓷中热失控现象的分析与控制

对微波加热的热失控过程进行模拟，使用基于时域有限差分法fFDTD）的算法求解Maxwell方程和热传导方程（HTE）耦合的方程组，模拟了微波加热陶瓷板的温度变化过程．在施加不同微波功率的情况下，计算了微波加热下多种介质参数的陶瓷板的温度变化，分析了出现热失控现象的条件．提出一种单温度阈值双微波功率的控制方法，用于提高微波加热效率并且控制热失控现象．同时给出了该控制方法中最终施加微波功率与监视温度闯值的关系．本文的模拟和分析方法可以在微波加热技术相关的领域得到应用．     

波浪作用下海床响应的解析解

利用分离变量法,将Biot固结模型的求解问题转化为复系数线性齐次常微分方程的求解,进而引入复波数的概念,构造水平位移的通解,最终得到了Biot固结模型的显式通解.将本文给出的解析解与Yamamoto等人的试验结果、解析解及Hsu和Jeng的解析解进行了比较,验证了本文解析解的有效性和优越性.基于解析解,通过对海床深度影响问题的分析,得出了波浪动水压力在海床内的影响深度为一倍波长的结论.     

非均匀饱和土中平面波的传播特性

基于Biot多孔介质理论,假设材料物理力学特性沿厚度方向连续变化,利用回传射线矩阵法(RRMM),建了非均匀饱和土平面波动问题的弥散方程,其中考虑了土体的非均匀性、惯性、粘滞以及固体颗和流体的可压缩性.通过数值算例,分析了非均匀饱和土中的弹性波的传播特性,结果表明:两类纵波的波数和耗散沿材料特性变化的方向变化不大,而非均匀性对横波的波数和耗散有着明显的影响.     

降雨入渗过程中土质边坡的固-液-气三相耦合分析

边坡降雨入渗过程伴随着地下水湿润锋面的推进、孔隙气体的迁移和土体的变形,涉及土体固-液-气三相耦合作用.以往对边坡在降雨入渗条件下的非饱和渗流过程及其对边坡稳定性的影响研究大多基于单相流（Richard方程）模型或水-气两相流模型,而较少从固-液-气三相耦合角度分析孔隙气体迁移和土体变形对降雨入渗过程和稳定性变化过程的影响.本文基于连续介质力学原理和混合体理论,建立了边坡土体固-液-气三相耦合数学模型和有限元数值模拟方法.采用Liakopoulos砂柱排水实验成果验证了耦合模型和计算程序的正确性,深入分析了气体边界条件对排水过程的显著影响.在此基础上,采用固-液-气三相耦合模型,研究了土质边坡在降雨入渗过程中的地下水渗流、气体迁移以及变形和稳定性演化过程,揭示了孔隙气体迁移过程和土体变形过程对边坡湿润锋面的推进以及稳定性变化的阻滞和延缓作用.研究成果对于暴雨诱发滑坡机理与防治研究具有一定参考价值.     

空化螺旋桨非定常粘性流场特征分析

基于粘性多相流理论,在均匀入流条件下,利用混合网格和滑动网格数值求解非定常纳维-斯托克斯（N-S）方程和空泡动力学方程来预报螺旋桨尾流场压力、速度和蒸汽体积分数.螺旋桨片空化、毂涡空化、尾流场梢涡空化和压力等的数值计算结果与相关实验一致.预报的尾流场压力信号叶频和轴频等特征与螺旋桨模型及设定参数一致.叶频信号的衰减速度随着进速系数和空化数的减小而增加.梢涡空化对近尾流场压力波动具有重要作用.     

变截面纳米线声子输运蒙特卡洛模拟

采用蒙特卡洛(MC)方法建立了声子在变截面硅纳米线内的输运模型, 以渐扩几何体与渐缩几何体为物理模型, 分别研究了在等热量与非等热量输入条件下2种模型的热整流效应和声子的输运特性. 模拟结果表明在2种条件下, 渐缩模型的热传导性能均高于渐扩模型. 在非等热量输入的条件下, 渐缩模型的热整流效应要大于等热量输入条件下的热整流效应.2种物理模型的主要区别在于体积的分布不同, 虽然在纳米尺度下边界散射作用明显, 但模拟结果表明边界散射对热传导的影响小于质量分布不同对声子输运的影响.     

降压法开采海洋水合物藏的数值模拟

天然气水合物因其储量巨大、分布广、清洁而被认为是一种未来的重要能源. 为了对海洋条件下水合物藏的开采方式进行研究, 建立了降压法开采水合物藏的数学模型, 模型中系统地考虑了气-水-水合物-冰相多相渗流过程、水合物分解动力学过程、水合物相变过程、冰-水相变过程、热传导、对流过程、渗透率变化等对于水合物分解以及产气和产水的影响. 对一、二维条件下降压法开采水合物进行了数值模拟, 与实验具有较好的一致性. 对水合物藏进行了三维数值模拟, 结果表明: 在开采的前期阶段, 可以采用降压法进行开采, 但随着储层能量的消耗, 冰相饱和度的不断增加, 降压法开采产气速度下降很快, 需要转变开采方式, 如注热法, 注化学剂法等.