脆性岩石局部细观裂纹成核损伤突变机理研究

脆性岩石内部局部细观裂纹成核导致了岩石局部损伤,弱化了岩石局部强度,进而影响了岩石的应力-变形本构曲线形状.然而,目前关于在脆性岩石局部细观裂纹成核损伤影响下,应力-变形本构曲线的宏细观力学机理研究非常少.本文提出了一种能够解释在脆性岩石局部裂纹成核损伤突变作用下,轴向应力-应变关系、剪切应力-位移关系非光滑曲线的宏细...     

梯度功能材料结构的广义当量反对称弯曲理论

根据结构与材料的特性, 将梯度功能材料(FGM)结构定义为一个广义当量反对称结构, 这是为将成熟的板壳理论和复合材料层合理论应用于FGM结构而提出的一种新概念和新思想. 在此基础上, 提出一种用于梯度功能材料结构特性分析的新理论——广义当量反对称弯曲理论, 结合广义双重Fourier级数解法, 对有着实际应用背景的FGM结构进行具体的分析计算, 并与现有的理论和实验进行对比.     

广义流传递过程的广义耗散最小化

广义热力学优化理论研究的重要内容之一是追求优化结果的普适性.本文首先在回顾现有文献关于传热、传质、电容器充电、经济贸易过程等不可逆过程动态优化研究工作的基础上,基于广义热力学优化理论的研究思路,通过定义广义势、广义力、广义流、广义势容、广义耗散、广义耗散力等物理量,建立了一类广义流传递过程的广义热力学物理模型,形成了相应的动态优化问题,即在广义流守恒方程约束下求解广义流传递过程广义耗散最小化.然后,分别应用欧拉-拉格朗日方程和平均最优控制理论导出了普适的优化结果即最优性条件,并基于普适的优化结果得到了一些新结论.接着,进一步讨论了上述研究结果和结论在换热过程、等温节流、单向等温传质、双向等温传质、等温结晶过程、电容器充电过程、经济贸易过程等特例中的应用.最后,提出了不可逆过程"广义热力学动态优化"的研究思想.本文的研究结果丰富和完善了广义热力学优化理论.     

高堆石坝筑坝材料宏细观变形分析研究进展

随着我国水电事业的快速发展,高堆石坝的建设已达200～300 m级.超过200 m级高堆石坝将表现出与以往明显不同的变形特性,其变形控制是工程建设的难点之一.由于堆石体等筑坝颗粒材料宏观上连续,而细观上离散,易发生颗粒破碎,其本构模型与变形机理尚未明确,因此需要从宏观和细观两个层面对其应力变形特性进行研究.本文总结了近年来高堆石坝及筑坝堆石体在宏细观变形方面的研究进展,着重对高堆石坝宏观本构研究及参数率定、筑坝堆石体细观力学研究方法、细观变形机制以及堆石料缩尺效应等方面做了介绍,并对后续高堆石坝建设过程中筑坝材料的变形控制的研究趋势进行了展望.     

两有限势库内可逆广义机最大广义输出的最优构型

寻求普适的优化结果是广义热力学优化理论研究的重要目标之一.前人对于热机、化学机、电池做功电路和商业机等循环的动态优化研究均仅限于具体学科的研究对象,研究结论有其独特的学科适用范围,无法揭示这些不同学科内研究对象和研究结论之间的共性规律.本文在回顾现有热力化学循环动态优化研究文献的基础上,基于广义热力学优化理论的研究思路,首先建立了两有限势库内可逆广义机的物理模型,形成了相应的动态优化问题,即在广义位移守恒方程约束下求解广义机循环广义输出最大化及与之对应的循环最优构型.然后,分别应用欧拉-拉格朗日方程和平均最优控制理论导出了普适的优化结果,并基于普适结果得到了广义流率和广义速率间满足3种特定关系时更为简化的优化结果.接着,进一步讨论了上述研究结果和结论在热力循环、等温化学循环、电池做功电路和商业机循环等特例中的应用.最后,提出了不可逆循环"广义热力学动态优化"的研究思想.本文研究丰富和完善了广义热力学优化理论.     

非线性自治系统的广义Hamilton实现新方法

主要研究非线性自治系统的广义Hamilton实现问题. 首先讨论传统Hamilton实现与首次积分的关系, 提出一种新的广义Hamilton实现方法——正交分解法. 证明任一系统均有正交分解Hamilton实现, 任一渐近稳定的系统均有严格耗散实现, 并给出无源系统的耗散实现形式. 然后, 运用正交分解法研究反馈耗散实现问题, 提出一种新的反馈耗散实现方法——控制切换法. 最后, 给出几个反馈耗散实现的充分条件.     

对边简支平面自由振动的辛弹性动力学解法

在Hamilton辛对偶力学体系下,给出了求解一对边简支平面自由振动问题精确解的一般方法,并用该方法求得了一对边简支另一对边固支的矩形平面自由振动问题的精确解.首先用空间变量分离方法,求解矩形域平面自由振动问题的Hamilton正则方程,得到两个坐标方向的本征值关系;再利用Hamilton算子矩阵本征向量之间的共轭辛正交关系,得到广义振型函数向量的一般表达式;最后引入边界条件确定了两个空间本征值、频率方程和广义振型函数向量;讨论了固有振动频率与空间本征值的对应关系.把辛对偶方法和经典方法进行了比较,结果说明了本文方法的正确性和普适性.     

砂砾石地层隧道开挖模拟多尺度分析方法

在砂砾石地层中,围岩土体及隧道结构的变形与力学行为主要受控于开挖扰动程度及开挖扰动范围内块石细观结构的影响.结合土石混合体的细观结构分布特征,基于尺度分离与尺度耦合相结合的思想,提出了砂砾石地层隧道开挖多尺度分析方法及分析模型,继而对该分析方法中的3个关键问题,即核心区域与非核心区域的划分,核心区域内关键粒径的确定及土石混合体宏观等效物理力学参数的确定方法进行了探讨.该多尺度分析方法的基本思想是:将砂砾石地层隧道开挖模型划分为核心区域与非核心区域,在核心区域内从细观上考虑土石混合体的分布特征,在非核心区域将土石混合体视为宏观均质材料,在此基础上进行砂砾石地层隧道开挖的宏细观模拟与分析.采用该分析方法对砂砾石地层隧道开挖过程进行了多尺度模拟,从围岩土体变形与围岩压力两个角度,与砂砾石地层隧道开挖细观分析模型及宏观分析模型得到的结果进行了对比,发现本文多尺度分析方法与细观分析模型的结果吻合较好,验证了多尺度分析方法的有效性,且该方法大大减少了计算量与建模工作量,提高了计算效率.     

求解可压缩Navier-Stokes方程的预处理JFNK方法研究

为了提高可压缩雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程的求解效率,基于多块对接结构化网格发展了求解RANS方程的Jacobian-Free Newton Krylov(JFNK)方法.JFNK方法将求解非线性方程的非精确Newton法和求解线性方程的Krylov子空间迭代法结合,通过非精确Newton方法中不精确条件控制不同阶段线性方程的求解精度,并利用无矩阵技术求解矩阵与向量的乘积;针对Krylov内迭代收敛停滞的问题,引入LU-SGS方法作为预处理器,降低线性系统的刚性从而大幅度提高了内迭代的计算效率.利用JFNK方法模拟NACA 0012翼型、带襟翼的NLR-7301两段翼与带发动机短舱的DLR-F6翼身组合体的绕流问题,研究不同参数对JFNK方法收敛特性的影响,对比LU-SGS研究JFNK方法的收敛速度,并对JFNK方法求解复杂绕流问题的RANS方程进行确认.结果表明,JFNK方法求解RANS方程具有良好的稳定性,相对于其他时间推进方法,JFNK方法具有更高的计算效率.     

港口非线性波浪三维耦合计算模型研究

建立了外域用差分求解高阶Boussinesq方程、内域用有限元求解Laplace方程的三维非线性波浪对船作用的时域计算耦合模型.研究了该类三维耦合模型的匹配条件,耦合求解过程和内域、外域公共区域长度的确定,探讨了内域有限元网格的剖分方法.把该耦合模型的计算结果与实验结果、内域用Euler方程的耦合模型计算结果进行了对比,结果表明该耦合模型具有满意的精度,适用于模拟较大区域内波浪对三维船等固定物体的作用,为今后近海岸大区域非线性波浪对三维非规则物体作用的时域计算和三维分区计算提供了参考.     

基于特征线的N－S方程算子分裂有限元法

本文提出了一种求解Navier—Stokes（N—S）方程新的有限元方法：基于特征线的算子分裂有限元法（CBOS法）．该方法在每一个时间层上,采用算子分裂法将N-S方程的对流项与扩散项分开求解,扩散项时间离散采用向后差分格式,空间离散采用标准Galerkin有限元法,隐式求解;对流项离散采用特征线．Galerkin法,显式求解．应用此算法对方腔流和后台阶流动进行了数值模拟,通过与标准解或实验值对比表明该算法具有较高的精度和较好的稳定性,为以后求解N—S方程提供了一种很有应用前景的研究方法．     

地球系统多体约束动力学模型研究

围绕地球系统多体约束开展了动力学模型研究.主要有地球系统多体约束方程、地球系统多体的功率、地球系统多体约束缩减的广义速率和缩减的偏角速度;地球系统多体缩减的广义力、运动力学方程和地球系统多体约束动力学的有功和无功力.为地球系统多体动力学模型研究提供理论基础.     

热声固耦合问题多参数识别中解的唯一性和算法研究

本文研究了一类热声固多物理场耦合中的初边值识别问题,建立了基于超声回波时间测量的固体结构表面热流和尺寸的多参数同时识别模型.利用热传导方程的极值原理,证明了耦合问题多参数识别中解的唯一性,为超声同时测温测厚等工程应用提供了理论支撑.在数值求解正问题的基础上,将反问题重新表述为由偏微分方程约束的优化问题.将共轭梯度法反演热流和最速下降法反演厚度相结合,发展了多参数识别问题的交替迭代算法,并通过严格的收敛性分析,给出了交替迭代算法的收敛性条件,证明了算法的全局收敛性.最后通过设计数值算例,验证了本算法的可靠性和可行性,并对比了仅识别热流的单参数识别算法,验证了本算法在精度方面的提高.     

高温下钢筋混凝土梁抗冲击性能的细观数值分析

结合混凝土细观结构特征,考虑高温下钢筋和混凝土细观组分力学性能退化行为及材料的应变率效应,建立了钢筋混凝土梁细观数值分析模型,研究了高温经历时间和落锤冲击能量对钢筋混凝土梁抗冲击性能的影响.主要分析了高温下钢筋混凝土梁在冲击荷载作用下的破坏过程、冲击力时程、支座反力时程和跨中位移反应.研究结果表明:细观数值模型由于考虑了细观组分的非均质性,获得了较为合理的温度场分布;随着加热时间的增加,混凝土梁在冲击荷载作用下破坏更加严重,冲击力持续时间和跨中最大位移增大,但是冲击力峰值减小;随着冲击能量的增大,钢筋混凝土梁的剪切破坏更加严重,冲击力峰值增大,跨中最大位移随冲击能量增大而线性增加.     

基于CVODE求解器的饱和-非饱和土壤水分运动数值模型

为研究地表滴灌条件下的土壤水分分布特征和运动规律,构建了基于二维Richards方程的土壤水分运动数值模型TIVS（TsinghuaIntegratedVariablySaturatedsoilwatermovementmodel）．将Richards方程空间半离散后利用CVODE常微分方程求解器进行求解,改进了地表滴灌积水动边界的处理方法,提高了数值求解稳定性和计算效率,模拟结果能保持良好的水量平衡．数值模拟检验和试验验证结果表明,模型具有较高的模拟精度,可用于地表滴灌复杂边界条件下的土壤水分运动长期模拟．     

超声速气流中喷射角度对射流混合特性的影响研究

本文采用AUSMPW格式,求解全NS方程加SST双方程湍流模型,研究了超音速气流中横向喷射的流场.数值模拟给出了流场中由于射流喷射引起的附面层分离、马赫盘等现象,计算结果的壁面压力分布和试验结果吻合较好.在此基础上重点分析了喷射压力和喷射角度对燃料混合特性的影响.     

充气膜结构零应力态求解

本文首次提出了一种从弹性平衡态到零应力态的逆解析数值分析方法：线性协调矩阵广义逆法．首先,用膜线单元模拟膜面,将膜结构转化成为网格结构;然后,基于杆系结构平衡矩阵理论和小变形假定,建立体系的协调方程．由弹性平衡态预张力和材料参数,计算膜线单元无应力长度和变形量．最后,由协调矩阵M—P广义逆求解协调方程得到节点位移,逆向叠加求出零应力态位形,释放应力．根据该算法,用MATLAB编制了计算程序．算例分析验证了该方法的正确性和高效性,得出一个弹性平衡态对应唯一零应力态的结论．本文对充气膜结构设计具有重要理论意义和实际指导价值．     

基于FLOWMASTER的制冷剂充注量对制冷系统性能影响的仿真研究

在分析制冷系统作用及基本原理的基础上,使用一维流体系统仿真软件FLOWMASTER的元件库建立了制冷系统仿真模型.用能量方程、动量方程和连续性方程联舍起来进行耦合求解,得到系统的温度和压力分布,进而得到流速及换热量等其它参数.在此基础上研究了制冷剂充注量对制冷系统性能的影响,得出了制冷量及COP（Coefficient of Performance,性能系数）随充注量变化的曲线,提出制冷剂的充注量要以制冷量达到设计要求时,系统的COP达到最大为原则.     

带肋钢筋-混凝土界面黏结破坏行为细观模拟

钢筋与混凝土之间的良好黏结是钢筋混凝土结构共同承载受力的基本前提.结合混凝土细观结构及带肋钢筋结构特征,考虑钢筋与混凝土间摩擦阻力及机械咬合作用的影响,建立了带肋钢筋与混凝土界面非线性黏结破坏行为研究的细观尺度分离式相互作用模型.在与已有试验结果吻合良好的基础上,首先讨论了细观力学分析方法的优势,研究了钢筋-混凝土界面黏结-滑移行为与破坏机制,分析了钢筋黏结应力的分布特征.进而基于细观数值分析方法讨论了骨料分布、保护层厚度、混凝土强度等级、钢筋直径和钢筋肋高等因素对钢筋-混凝土界面黏结破坏行为的影响规律,得到了一些规律性认识.     

静动态力学条件下多孔金属的材料/结构多级优化设计研究

将微结构胞元内部构型设计、胞元排布设计和宏、细观跨尺度计算相结合,建立了基于同一微结构的材料/结构多目标拓扑优化的静动力学设计模型.分别给出了材料设计、结构设计和材料/结构一体化设计的灵敏度有限元列式,在此基础上以简支梁和悬臂梁为例进行了数值计算.结合多孔金属材料具有功能性特点,基于数值算例的结果,在结构承载方面讨论了多孔金属材料/结构静动力学优化设计中的材料设计、结构设计和一体化设计的异同和各自的适用范围.指出材料设计侧重于功能性,结构设计侧重于结构效率,而材料/结构一体化设计由于兼顾了功能性和结构效率特点,较好地实现了集成化设计;为多孔金属设计选取合适的设计方式提供依据.