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2021年  第42卷  第12期

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固体力学
负压激励下含椭圆孔高弹体的屈曲分析
梁观坡, 傅禹鑫, 娄本亮, 谢宇新
2021, 42(12): 1221-1228. doi: 10.21656/1000-0887.420100
摘要(210) HTML (102) PDF(61)
摘要:

基于数值模拟与理论分析,研究了含周期性椭圆孔二维结构的屈曲行为。针对不同的屈曲模态,建立理论模型进行模态分析。结果表明,改变孔的几何参数,椭圆孔结构的屈曲模态会随之发生转换,理论分析与数值结果吻合良好。此外,在数值模拟中,与位移加载不同,负压激励下的单胞需要考虑力边界条件的修正,以确保其满足完备性条件。已有工作在单胞选择中常存在问题,导致错误结果。针对上述问题研究了不同单胞所对应的边界条件,并结合有限结构进行了分析与讨论。

阶梯柱屈曲的改进Fourier级数分析
陆健炜, 鲍四元, 沈峰
2021, 42(12): 1229-1237. doi: 10.21656/1000-0887.410373
摘要(304) HTML (138) PDF(32)
摘要:

该文对阶梯柱的弹性屈曲问题进行了研究。首先基于改进Fourier级数法采用局部坐标逐段建立阶梯柱的位移函数表达式,然后由带约束的势能变分原理得到含屈曲荷载的线性方程组,利用线性方程组有非零解的条件把问题转化为矩阵特征值问题得到临界载荷,最后讨论方法中的参数取值,并把结果与已有文献和有限元的结果比较,从而验证方法的精度。所提模型在阶梯柱的两端和变截面处引入横向弹簧和旋转弹簧,通过改变弹簧的刚度值模拟不同的边界。所提方法在工程设计中能比较精确地确定各种弹性边界条件下阶梯柱的临界载荷。

吸湿老化影响下天然纤维增强复合圆柱壳屈曲分析的辛方法
张俊霖, 倪一文, 李庆东, 仝真真, 周震寰, 徐新生
2021, 42(12): 1238-1247. doi: 10.21656/1000-0887.420018
摘要(325) HTML (130) PDF(26)
摘要:

针对一类天然纤维增强复合(natural fiber reinforced composite, NFRC)圆柱壳的屈曲问题展开研究,基于Reissner壳体理论和辛方法,建立了轴压NFRC圆柱壳在Hamilton体系下的屈曲控制方程。将原问题归结为辛空间下的辛本征问题,通过求解辛本征值和本征解可以直接获得高精度的临界载荷和解析的屈曲模态。数值算例分析了NFRC材料的吸湿老化过程对辛本征解表达式的影响,并详细讨论了老化时间、纤维含量和几何参数对NFRC圆柱壳屈曲行为的影响。

结构参数对静电驱动微机械陀螺动态性能的影响
李欣业, 王雅雪, 张华彪, 张利娟, 于涛
2021, 42(12): 1248-1257. doi: 10.21656/1000-0887.410316
摘要(127) HTML (68) PDF(11)
摘要:

为研究结构参数对静电驱动微机械陀螺动态性能的影响,考虑支承刚度的三次非线性和静电力的分式非线性,基于两自由度动力学模型,利用谐波平衡法结合留数定理求解了系统的周期响应,得到了驱动电极的梳齿厚度、梳齿间隙以及检测电极的极板面积、极板间隙变化时电容变化量随驱动力频率和载体角速度的变化曲线,以及电容灵敏度和非线性度随这些参数的变化曲线。结果表明,检测电容变化量随驱动力频率的变化曲线会呈现明显的非线性特征,即第二个峰向右倾斜,从而引起跳跃现象。驱动电极的梳齿厚度、梳齿间隙和检测电极的极板间隙对检测电容变化量随载体角速度的变化影响较大,而检测电极的极板面积的影响很小。驱动电极梳齿厚度、梳齿间隙以及检测电极的极板面积对电容灵敏度和非线性度的影响基本上是线性的,但检测电极的极板间隙对电容灵敏度和非线性度的影响是非线性的。

反平面塑性V形切口尖端应力和位移渐近解
李聪, 胡斌, 牛忠荣
2021, 42(12): 1258-1275. doi: 10.21656/1000-0887.420045
摘要(293) HTML (120) PDF(28)
摘要:

提出了一种确定幂硬化材料反平面V形切口尖端应力和位移渐近解的主导项和高阶项的有效方法。首先通过在弹塑性理论基本方程中引入V形切口尖端应力场和位移场的渐近级数展开,建立以应力和位移为特征函数的非线性和线性常微分方程组。然后采用插值矩阵法求解常微分方程组,可得到多阶应力特征指数和其相对应的特征函数。该方法具有通用性强、精度高等优点,可处理任意开口角度和应变硬化指数的V形切口。典型算例验证了该方法的准确性和有效性。

CFRP修复缺陷钢板应力解析模型
周道成, 常利晨
2021, 42(12): 1276-1286. doi: 10.21656/1000-0887.420006
摘要(217) HTML (200) PDF(15)
摘要:

在使用碳纤维复合材料(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)修复钢结构腐蚀缺陷的修复方式中,CFRP应力及胶层应力是确定碳纤维修复结构承载能力的关键。基于平截面假设,得到弯矩作用下应力与应变分布;基于胶层剪切模型,得到胶层剪应力与CFRP和钢板位移间的关系;基于力的平衡,得到CFRP和钢板的应力关系。结合得到的各种材料之间关系,推导出轴力和弯矩联合作用状态下CFRP双面修复钢板的CFRP与胶层应力分布解析解。采用数值分析对CFRP双侧粘贴修复缺陷钢板进行分析,分析结果与解析结果具有一致性,同时获得了CFRP双侧粘贴修复缺陷钢板的应力分布特点,以及构件可能发生破坏的位置,为计算构件极限承载力提供了基础。

基于上限理论的孔隙水压力作用下隧道洞口段含裂缝仰坡稳定性分析
张京伍, 张海洋, 李明东, 管仲敏
2021, 42(12): 1287-1295. doi: 10.21656/1000-0887.420054
摘要(346) HTML (140) PDF(28)
摘要:

研究了孔隙水压力作用下隧道洞口段含裂缝仰坡的稳定性。采用极限分析上限法,构建了坡顶含竖向裂缝的对数螺旋转动破坏机制,推导了可反映边坡临界坡高的稳定系数计算公式,将计算结果与未考虑孔隙水压力作用下的含裂缝边坡稳定性极限分析结果进行对比,验证了所提研究方法的合理性。通过算例分析,研究了坡顶裂缝最不利位置分布及仰坡整体安全系数。结果表明:坡顶裂缝开裂深度、土体内摩擦角、坡角越大及水位分布越浅,裂缝位置越靠近坡顶边缘处;孔隙水压力系数、坡顶裂缝开裂深度越大,仰坡稳定性系数越小;坡顶裂缝越深、孔隙水压力系数越大、边坡越陡,越不利于仰坡稳定;而坡内水位分布越低,越有利于仰坡稳定。

应用数学
三物种竞争-扩散系统双稳行波解的波速符号
郑景盼
2021, 42(12): 1296-1305. doi: 10.21656/1000-0887.420093
摘要(193) PDF(70)
摘要:
在双稳竞争-扩散模型中,由于行波解的波速符号可以预测哪些物种更具有优势并最终占据整个栖息地,因此研究行波解的波速符号具有重要的生物学意义.首先将三物种种群Lotka-Volterra竞争-扩散系统转化为合作系统.然后运用比较原理得到双稳波速与波廓方程特定上下解波速的比较原理.最后根据比较原理以及构造合适的上下解,得到一些判断双稳行波解波速符号的充分条件.这些结果能够更好地预测和控制生物种群的竞争结果.
具有跟踪隔离措施的新冠肺炎传播模型分析及应用
崔锦,李明涛,裴鑫
2021, 42(12): 1306-1316. doi: 10.21656/1000-0887.420107
摘要(298) PDF(41)
摘要:

报道于2019年12月底的新型冠状病毒肺炎(COVID-19)疫情, 由于2020年春运期间人口的大规模流动, 使得其迅速蔓延.自2020年1月23日起, 我国采取了各种措施使得疫情得到了有效的控制, 例如武汉封城、确诊病例的密切接触者跟踪隔离、湖北人员的居家隔离等.该文基于COVID-19在山西省的实际传播情况, 建立了具有输入病例和确诊病例密切接触者跟踪隔离的动力学模型.在不考虑输入病例的情况下, 分析了模型的动力学行为.利用山西省COVID-19病例数据, 计算了实时再生数, 发现山西省2020 年1月25日全省封村封街道有效控制了COVID-19疫情的传播, 即实时再生数小于1, 从宏观角度验证了防控措施的有效性.进一步通过模型的数值拟合得到: 早期染病者隔离14天的防控策略是合理有效的; 武汉封城时间越早, 染病者的规模越小; 跟踪隔离到大量确诊病例的接触者时, 染病者的规模越小.

一类具有非线性发生率与时滞的离散扩散SIR模型临界行波解的存在性
张笑嫣
2021, 42(12): 1317-1326. doi: 10.21656/1000-0887.420111
摘要(182) PDF(47)
摘要:
研究了一类具有非线性发生率的离散扩散时滞SIR模型的临界行波解的存在性.在人口总数非恒定的条件下,首先,应用上下解法与Schauder不动点定理证明了解在有限闭区间上的存在性;其次,通过极限讨论了临界行波解在整个实数域上存在;最后,通过反证法与波动引理得到了行波解在无穷远处的渐近行为.
同时具有logistic出生和Markov切换的随机SIRS传染病模型的动力学
何雪晴,韦煜明
2021, 42(12): 1327-1337. doi: 10.21656/1000-0887.420140
摘要(161) PDF(42)
摘要:
研究了一类同时具有logistic出生和Markov切换的随机SIRS传染病模型.首先通过构造合适的V函数,利用Itô公式分析了随机传染病模型全局正解的存在唯一性,继而讨论出了该模型的解存在一个遍历平稳分布的结果,以及疾病灭绝的充分条件,最后给出了数值例子来说明本文得出的结论.