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接触热阻对双层饱和孔隙地层动力响应的影响

Journal of Central South University 2022年第6期29卷 1823-1839页

作者：闻敏杰田乙吴文兵王奎华熊厚仁 Research Center of Coastal Urban Geotechnical Engineering Zhejiang UniversityHangzhou 310058China Key Laboratory of Soft Soils and Geoenvironmental Engineering of Ministry of Education Zhejiang UniversityHangzhou 310058China Faculty of Engineering China University of GeosciencesWuhan 430074China Jiaxing Key Laboratory of Building Energy Efficiency Technology Jiaxing UniversityJiaxing 314001China

多孔介质广泛存在于各类地球物理环境和工程应用中。由于双层饱和孔隙地层接触面间接触热阻的存在,接触面间会产生显著的温度差异。本文尝试对考虑接触热阻和弹性波阻抗效应的双层饱和孔隙地层的热-水-力耦合动力响应进行研究。采用算... 详细信息

多孔介质广泛存在于各类地球物理环境和工程应用中。由于双层饱和孔隙地层接触面间接触热阻的存在,接触面间会产生显著的温度差异。本文尝试对考虑接触热阻和弹性波阻抗效应的双层饱和孔隙地层的热-水-力耦合动力响应进行研究。采用算子分解方法求得简谐热力荷载作用下双层饱和孔隙地层的热-水-力耦合动力响应的解析解;通过与现有解的对比验证该解的正确性。此外,对接触热阻、热传递系数、孔隙比对双层饱和孔隙地层热-水-力耦合动力响应的影响开展了系统分析。结果表明,随着接触热阻的增大,位移、孔隙水压力和应力大小都逐渐降低,且温度跃变现象在地层接触面上表现的更为明显。

关键词：动力响应双层饱和孔隙地层接触热阻广义热弹性理论弹性波阻抗

基于分数阶热弹性理论的含有球型空腔无限大体的热冲击动态响应

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工程力学 2016年第7期33卷 31-38页

作者：马永斌何天虎西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心兰州730050 兰州理工大学理学院兰州730050

基于新近提出的分数阶广义热弹性理论,研究了含有球型空腔的无限大体受热冲击作用时的动态响应。该文给出分数阶广义热弹性理论下的控制方程,通过拉普拉斯积分变换及其数值反变换对控制方程进行了求解,得到了带有球型空腔无限大体中的... 详细信息

基于新近提出的分数阶广义热弹性理论,研究了含有球型空腔的无限大体受热冲击作用时的动态响应。该文给出分数阶广义热弹性理论下的控制方程,通过拉普拉斯积分变换及其数值反变换对控制方程进行了求解,得到了带有球型空腔无限大体中的无量纲温度、位移、径向应力和环向应力等物理量的分布规律。计算中重点研究了分数阶参数对各物理量的影响效应。结果表明:含有球腔的无限大体内由于热冲击而出现了热弹耦合效应;分数阶参数显著地影响各物理量的分布规律。

关键词：广义热弹性理论热冲击分数阶拉普拉斯变换球型腔体

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基于分数阶热弹性理论的圆形隧洞热弹性耦合动力响应

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振动与冲击 2020年第21期39卷 89-94,110页

作者：闻敏杰徐金明熊厚仁浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心杭州310058 上海大学土木工程系上海200444

基于分数阶热弹性理论,研究了热/力源作用下无限大土体中圆形隧洞的热弹性耦合瞬态动力响应。建立了圆形隧洞内壁面受到随时间变化的热、力冲击作用下周围土体的控制方程,利用Laplace变换得到了土体的无量纲温度增量、径向位移、径向应... 详细信息

基于分数阶热弹性理论,研究了热/力源作用下无限大土体中圆形隧洞的热弹性耦合瞬态动力响应。建立了圆形隧洞内壁面受到随时间变化的热、力冲击作用下周围土体的控制方程,利用Laplace变换得到了土体的无量纲温度增量、径向位移、径向应力和环向应力等的解析表达式。在此基础上,利用Laplace逆变换Crump数值反演法得到了土体在时间域的动力响应。数值分析了分数阶参数对热/力源条件下土体的温度、径向位移、径向应力和环向应力的影响。研究表明:热源作用下分数阶参数对径向位移的影响较小,对温度增量、径向应力和环向应力影响较大。而在热力共同作用下,分数阶参数对土体的温度增量影响显著,而对径向位移、径向应力和环向应力的影响较小。随着剪切模量的增加,位移的峰值逐渐减小。

关键词：圆形隧洞分数阶广义热弹性理论动力响应 Laplace变换

复合材料广义热弹性问题格点型有限体积法研究

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四川大学学报（自然科学版） 2022年第2期59卷 111-122页

作者：刘琦肖光明齐文亮杜雁霞刘磊中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室绵阳621000 哈尔滨工程大学动力与能源工程学院哈尔滨150001 中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所西安710068

基于Lord-Shulman(L-S理论)、Green-Lindsay(G-L理论)及经典热弹性耦合理论(T-C理论),本文发展了一种适用于二维复合材料广义热弹性问题的格点型有限体积法(CV-FVM).运用交错网格技术,待解变量存储在单元节点,物性参数存储在单元中心,... 详细信息

基于Lord-Shulman(L-S理论)、Green-Lindsay(G-L理论)及经典热弹性耦合理论(T-C理论),本文发展了一种适用于二维复合材料广义热弹性问题的格点型有限体积法(CV-FVM).运用交错网格技术,待解变量存储在单元节点,物性参数存储在单元中心,控制方程空间项采用双线性四边形单元进行离散,时间项采用欧拉隐式进行离散.针对均质无限大方板热冲击问题,本文对CV-FVM进行了数值验证,计算结果表明,本文发展的数值方法可以很好地捕捉热波波前和弹性波前的温度阶跃特性及热弹耦合特征.本文采用CV-FVM进一步研究了不同梯度系数p下钛合金/氮化硅复合板的热冲击问题,发现L-S理论复合板p=1时预测的功能梯度界面应力最小;T-C、G-L理论下,复合板p=10时预测的功能梯度界面应力最小,不同耦合理论选系数p对界面热弹性行为影响规律并不相同,并非材料线性分布(p=1)时界面应力幅值最小.本文发展的CV-FVM可作为复合材料热波问题和广义热弹性问题求解的一种备用工具.

关键词：有限体积法非傅里叶热传导复合材料热冲击广义热弹性理论

饱和多孔深海沉积物热-水-力耦合动力响应特性研究

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饱和多孔深海沉积物热-水-力耦合动力响应特性研究

作者：石鑫玉湘潭大学

学位级别：硕士

随着“双碳”政策的深化,我国将大力发展电动车技术,而电动车电池中的锰、钴、镍等战略金属我国的对外依存度极高(部分超过90%),故正在实施深海采矿战略以保障战略金属安全。但是深海环境极为复杂对采矿系统的正常工作有不利影响,亟需... 详细信息

随着“双碳”政策的深化,我国将大力发展电动车技术,而电动车电池中的锰、钴、镍等战略金属我国的对外依存度极高(部分超过90%),故正在实施深海采矿战略以保障战略金属安全。但是深海环境极为复杂对采矿系统的正常工作有不利影响,亟需高效、安全、环保性的深海采矿系统。集矿机是采矿系统的重要组成部分,对系统的采矿效率有直接的影响。在现场实验中,研究人员发现深海矿区土在一定振动频率下容易软化,失去抗压能力,这表明矿区土极其灵敏,动力学性质极差。本文针对深海集矿机振动引起的沉积物液化问题,开展集矿机振动作用下饱和多孔深海沉积物热-水-力耦合动力响应特性研究。从而揭示集矿机在深海沉积物上的沉陷规律及影响因素,为我国采矿系统的优化设计提供理论基础。本文针对集矿机振动引起的深海沉积物过度变形问题,研究集矿机振动对深海沉积物的动力响应影响。结合深海采矿工作的现实情况,并考虑了深海沉积物的非均质性,其弹性模量、密度等会随着深度的变化而变化。基于Green-Lindsay广义热弹性理论,达西定律,建立了均质与非均质的饱和多孔深海沉积物热-水-力耦合动力响应模型。采用正则模态法对其解耦,求得了集矿机振动作用下沉积物的竖向位移、超孔隙水压力、竖向应力、温度和变化的体积分数场等物理量的解,得到了它们随深度变化的分布图。并分析了集矿机的振动频率与荷载振幅对深海沉积物各物理量的影响以及深海沉积物的弹性模量与密度、集矿机的振动对均质与非均质深海沉积物中各物理量的影响。结果表明:振动频率对竖向位移、超孔隙水压力、竖向应力、体积分数场都有非常明显的影响;荷载振幅越大,深海沉积物各物理量的变化越大;深海沉积物的非均质性对深海沉积物中各物理量的影响较大。研究结果可应用于海洋矿产资源开采过程中沉积物液化机理和集矿机行走稳定性评价方面的研究。

关键词：深海沉积物非线性模量热-水-力耦合广义热弹性理论正则模态法

考虑尺寸相关和记忆依赖微分的热弹耦合微梁的动态响应研究

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考虑尺寸相关和记忆依赖微分的热弹耦合微梁的动态响应研究

作者：祁泽章兰州理工大学

学位级别：硕士

经典热传导理论框架下,热传导方程是抛物型微分方程,这使得热在介质中的传播速度被预测为无限大。为了改进这个与物理事实相悖的情况,学者们建立了非傅里叶热传导理论。同时为了描述应变与温度之间的耦合效应,学者们随之发展得到了广义... 详细信息

经典热传导理论框架下,热传导方程是抛物型微分方程,这使得热在介质中的传播速度被预测为无限大。为了改进这个与物理事实相悖的情况,学者们建立了非傅里叶热传导理论。同时为了描述应变与温度之间的耦合效应,学者们随之发展得到了广义热弹性理论。近些年来,由于分数阶微积分具有可以显示出系统当前状态受过去影响的独特性质,将分数阶微积分引入到广义热弹性理论逐渐成为研究的重点。此外广义热弹性理论在时间尺度上模拟宏观结构的热量传输过程表现出较好的结果,但当探究的材料存在着“尺寸效应”,即,结构的外部尺寸与内部尺寸相近时,理论中的弹性方程将不再适用。因此在广义热弹性理论中引入与材料内部尺寸相关的参数也就成为了一个迫切的研究热点。有学者提出了将包含尺寸效应的弹性理论引入到广义热弹性理论中,建立可同时表达时间、空间两个微尺度下的非局部广义热弹性理论,从而为模拟小尺寸结构在特殊条件下的热量传输过程提供坚实基础。本文将具有记忆依赖特性的分数阶广义热弹性理论和微尺度理论相结合,借助拉普拉斯正反变换的方法研究了微尺寸梁的热弹耦合动态响应问题。具体研究内容如下:(1)将Caputo型分数阶热弹性理论和非局部理论相结合,考虑应变率的存在,研究了简支欧拉梁于热载荷条件下的动态响应问题。考察了分数阶参数、热松弛时间、非局部参数和应变松弛时间对模型无量纲温度、挠度、位移和应力的影响。其结果表明分数阶参数、热松弛时间对温度以及热致应力,变形有着巨大的影响;非局部参数对温度几乎没有影响,应变松弛时间仅对应变和应力有较大的影响。(2)在记忆依赖广义热弹性理论框架下同时考虑非局部理论和修正的偶应力理论,通过验证理论和数值的有效性,研究了一端受斜坡加热的欧拉梁的瞬态响应。考察了在不同斜坡加热参数、核函数、非局部参数、偶应力尺寸参数对模型无量纲温度、挠度、位移的影响。结果表明斜坡加热参数对温度的影响极大,不同的核函数对物理量有不同程度的影响;非局部参数和偶应力尺寸参数对挠度和位移的峰值影响较大。(3)在修正的偶应力理论捕捉尺寸效应的基础上,考虑Youssef型分数阶广义热弹性理论,建立了具有旋转特性的纳米梁传热模型。探讨了Youssef型分数阶参数、偶应力尺寸参数和旋转角速度对模型无量纲温度、挠度、位移和应力的影响。结果表明分数阶参数对结构的温度、应变应力场有着极大的影响;偶应力尺寸参数是结构强度的关键因素;外部施加的机械旋转是这一类结构不可忽视的影响因素。

关键词：广义热弹性理论分数阶理论记忆依赖微分非局部理论修正的偶应力理论拉普拉斯变换

考虑尺寸相关及记忆依赖效应的微板热弹耦合行为研究

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考虑尺寸相关及记忆依赖效应的微板热弹耦合行为研究

作者：田灵晨兰州理工大学

学位级别：硕士

经典热弹性理论认为热在介质中的传播速度为无限大,这与物理实验观测相矛盾。为解决此问题,学者们建立了能描述热传导过程中次声效应的非Fourier热传导理论,随后又发展了能描述弹性场与温度场场间耦合效应的广义热弹性理论。近年来,随... 详细信息

经典热弹性理论认为热在介质中的传播速度为无限大,这与物理实验观测相矛盾。为解决此问题,学者们建立了能描述热传导过程中次声效应的非Fourier热传导理论,随后又发展了能描述弹性场与温度场场间耦合效应的广义热弹性理论。近年来,随着微加工技术的发展,器件趋于小型化和轻量化,微纳结构作为微纳机电系统的基本组成单元其力学性能分析对系统的安全设计有着重要的意义。实验表明,当所研究结构属微纳米尺度时,弹性体呈现出很强的尺寸相关性,现有的经典连续介质力学理论将不再适用。作为描述微纳结构尺寸相关效应的非局部弹性理论得到了分子动力学模拟和实验研究的验证,并且已成功应用于微纳结构的力学行为研究。此外,由于分数阶微分具有遗传和记忆依赖特性,将其引入热传导方程可以描述瞬态传热过程中的记忆依赖效应,因此被广泛应用于极端环境下热传导和生物组织粘弹特性等方面的研究。目前涉及尺寸相关效应的工作主要是在单一变形场下进行,而瞬态热载荷引起的热致应力变形对微纳米器件同样有着重要影响。因此瞬态传热过程中考虑记忆依赖效应的热力学问题仍需进一步研究。为了更好地描述结构尺寸相关和记忆依赖效应,本文通过基于非局部与新定义分数阶广义热弹性理论对以下问题进行了研究:(1)基于考虑非局部效应的分数阶热传导及应变模型,研究了在热冲击作用下粘弹性微板的瞬态响应。推导了包含新定义的分数阶参数、分数阶应变参数和非局部参数的控制方程。通过把控制方程无量纲化、拉普拉斯变换及数值反变换处理,将得到的结果与已有文献验证,讨论了无量纲温度、应力及其位移随所考虑参数变化时的分布规律。研究结果表明:考虑分数阶参数的影响时可以调控热扰动范围;在微纳结构的热弹动态响应中,通过考虑非局部效应的影响会出现刚度强化现象。(2)基于考虑非局部效应的新定义的分数阶双相滞后广义热弹性扩散理论,研究了在热冲击和化学势冲击同时作用下微板的热弹扩散瞬态响应。分别讨论了新定义的分数阶参数、调和参数和非局部参数对无量纲温度、化学势、浓度、应力及位移分布规律的影响。研究结果表明:与Cattaneo-Vernotte热波模型相比,双相滞后热传导模型由于考虑了温度梯度的热相位滞后,降低了各物理量曲线的峰值,进而出现了滞后现象;调和参数使无量纲温度、化学势、浓度及应力曲线峰值明显降低,随着调和参数的增加,热扰动区域减小,进而使结构压应力减小,提高了结构的稳定性。(3)基于考虑非局部效应的新定义的分数阶多孔介质广义热弹性理论,研究了在热力冲击作用下多孔微板的瞬态响应。分别讨论了无量纲温度、体积分数场、位移及应力随分数阶参数、非局部参数及初始应力冲击幅值变化的分布规律。研究结果表明:无量纲温度与体积分数场曲线的非零值在一个有限区域内,这反映了所谓的次声效应,当考虑分数阶微分影响时,可以使热波传播的更远;非局部参数减小了结构的变形,对微纳多孔结构具有刚度强化作用。

关键词：尺寸相关效应记忆依赖效应广义热弹性理论新定义分数阶非局部理论

考虑非局部效应和记忆依赖微分的广义热弹问题

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力学学报 2018年第3期50卷 508-516页

作者：张培何天虎兰州理工大学工程力学系兰州730050

现有的广义热弹理论主要适用于求解时间尺度极短但空间尺度仍属宏观尺度的广义热弹问题的动态响应,而当所研究的弹性体的特征几何尺寸也属微尺度时,弹性体的力学响应将呈现出强烈的尺寸相关性,现有的广义热弹理论不再适用.本文基于通过... 详细信息

现有的广义热弹理论主要适用于求解时间尺度极短但空间尺度仍属宏观尺度的广义热弹问题的动态响应,而当所研究的弹性体的特征几何尺寸也属微尺度时,弹性体的力学响应将呈现出强烈的尺寸相关性,现有的广义热弹理论不再适用.本文基于通过非局部效应和记记依赖微分修正的广义热弹性理论,研究了两端固定、受移动热源作用的有限长热弹杆的动态响应.建立了问题的控制方程,给出了问题的初始条件及边界条件,运用拉普拉斯变换及其数值反变换,对方程进行了求解.数值计算中,首先考察了时间延迟因子对模型所预测各物理量分布的影响;然后对比了模型中的时间延迟因子在两种不同类别核函数下(通过归一化条件修正和未修正形式)对各物理量分布的影响效应;最后考察了考虑新的可以描述尺寸效应的非局部因子对无量纲温度、位移及应力的影响,并用图形进行了示例.结果表明,时间延迟因子增大,各物理量的峰值变大,传播距离变小,且时间延迟因子在归一化条件修正过的核函数下影响更加显著;非局部参数几乎不影响无量纲温度的分布,轻微影响无量纲位移的分布,但对无量纲应力的峰值的影响显著.

关键词：非局部效应记忆依赖微分改进的核函数广义热弹性理论拉普拉斯变换动态响应

饱和多孔黏弹地基热−水−力耦合动力响应分析

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力学学报 2021年第4期53卷 1081-1092页

作者：郭颖李文杰马建军梁斌熊春宝河南科技大学土木工程学院河南洛阳471023 天津大学建筑工程学院天津300072

天然土体由于沉积条件和应力状态不同,往往会表现出一定的流变性.本文研究地基上表面受外载荷作用时,渗透系数和孔隙率变化对饱和多孔黏弹性地基热−水−力耦合动力响应问题的影响.基于Biot波动方程、达西定律和Lord-Shulman广义热弹性理... 详细信息

天然土体由于沉积条件和应力状态不同,往往会表现出一定的流变性.本文研究地基上表面受外载荷作用时,渗透系数和孔隙率变化对饱和多孔黏弹性地基热−水−力耦合动力响应问题的影响.基于Biot波动方程、达西定律和Lord-Shulman广义热弹性理论,并引入了考虑黏弹性松弛时间因子的Kelvin-Voigt黏弹性模型研究地基上表面受热/力源作用时,孔隙率和渗透系数变化对均质各向同性饱和多孔黏弹性地基中所考虑的各无量纲量的影响.根据不同的边界条件采用正则模态法推导出无量纲竖向位移、超孔隙水压力、竖向应力和温度的解析表达式,结合算例分析了不同变量对各物理量的影响.正则模态法是一种加权残差法,可不经正、反积分变换将方程快速解耦并消除数值反变换的局限性.结果表明:无论何种载荷作用时,载荷频率变化对所有考虑的物理量均有明显的影响;孔隙率和渗透系数均对无量纲超孔隙水压力有明显的影响,当仅考虑热载荷作用时,孔隙率和渗透系数变化对无量纲温度均无影响.正则模态法可广泛应用于岩土工程领域,尤其适用于商业建筑、高速铁路和公路能源基础的热、力学特性研究中.该研究结果可为工程施工奠定一定的理论基础,具有一定的指导性意义.

关键词： Lord-Shulman 广义热弹性理论黏弹性松弛时间热−水−力耦合黏弹性模型正则模态法