任意形状隧道围岩应力与位移的解析延拓求解

考虑隧道断面开挖轮廓线为任意不规则形状的情况,基于复变函数方法中的解析延拓法对弹性半无限空间内隧道的围岩应力与位移进行求解,建立了任意形状隧道围岩中任意一点处的应力值和位移值的隐式解析表达式。然后以圆形断面隧道作为特例,同时考虑隧道衬砌等内支撑法向反力作用的影响,求解出弹性半空间内任意一点处的应力值和位移值解析解的具体显式表达式,其中假设隧道埋深与隧道直径之比较大,从而不用考虑重力梯度的影响,将重力简化为作用在边界上的均布外荷载。最后与已有的非均匀受压圆断面水平巷道围岩的应力和位移解公式进行对比,证明了该方法的准确性。该求解方法拓展了解析延拓法的应用,并能快捷地评估任意断面形状隧道开挖中的围岩应力状态及位移变形情况。     

复变函数法计算圆形盾构隧道周边土体位移

为研究盾构隧道开挖引起隧道周围土体应力及位移的改变,采用复变函数理论求解.将半无限空间弹性单圆孔洞问题,映射为复平面上定值圆环问题,利用隧道孔洞边界土体与衬砌之间空间位置及协调变形关系,给出了圆形盾构隧道周边土体位移的复变函数解,采用Matlab软件实现算法.研究结果表明:复变函数解析法计算得到的隧道地表沉降曲线与实测曲线较一致;隧道埋置深度、隧道半径、土体泊松比对土体变形影响较大;土体模量、衬砌模量、衬砌泊松比对土体变形计算结果影响微小.     

圆形洞室动态施工中围岩粘弹时变解析分析

针对深埋地下洞室,寻求洞室动态施工中围岩应力及位移场的解析解.在推导中考虑了岩体粘性时效和动态施工对位移影响的耦合作用.将开挖岩体模拟为Maxwell粘弹模型,从基本控制方程出发,导出双向等地应力情况下无限均匀介质中圆形洞室施工过程围岩位移解析解;应力解则由时变力学对应性原理得出.该结果可用于圆形洞室半径任意时变的情况.针对匀速和加速施工情况进一步求解施工至某一时刻结束后的位移粘弹解,定量分析最终形状相同时,不同时变速度和加速度对最终结果的影响,分析了粘性介质中圆洞施工的时径相关性现象.     

不连续应力作用的Ⅰ型动态裂纹

针对研究材料特性下的裂纹动态扩展时遇到的不连续应力作用Ⅰ型动态裂纹扩展问题,利用复变函数理论的方法进行了研究.采用自相似函数的途径可以获得应力、位移及动态应力强度因子的解析解的一般表达式.应用该法可以很容易地将所讨论的问题转化为Riemann-Hilbert问题,而后一问题可以用通常的Muskhelishvili方法进行求解,并可以相当简单地得到问题的闭合解.利用这些解并采用叠加原理,可以求得任意复杂问题的解.     

Ⅰ型动态裂纹二个扩展问题的位错分布函数

通过复变函数论的方法,对Ⅰ型动态裂纹二个扩展问题的位错分布函数分别进行了研究.采用自相似函数的方法可以获得运动裂纹的应力、位移、动态应力强度因子及位错分布函数的解析表达式.应用该法可以迅速地将所讨论的问题转化为Riemann-Hilbert问题,而后一问题可以用通常的Muskhelishvili方法进行求解,并且可以相当简单地得到问题的闭合解.利用已求得的解并通过迭加原理,就可以很容易地求得任意复杂问题的解.     

流变岩体中支护圆形隧道施工过程的时效理论解

针对水平和竖向地应力不相等的一般地应力条件下圆形隧道的断面开挖、纵向推进及衬砌施工问题,用任意黏弹性模型模拟不同岩石流变特性,用与时间相关的开挖函数模拟隧道断面开挖过程,用虚拟支护力等效纵向开挖效应,并在隧道开挖完成后的任意时刻施加弹性支护.采用复变函数方法和拉普拉斯变换技术给出用复位势表达的边界条件和围岩、衬砌接触位置协调条件,建立关于复位势中待定项系数的方程.通过求解方程确定待定项系数,从而得到开挖与支护整个施工过程任意时刻围岩位移和应力理论解答,并与相同条件下有限元解进行了对比.根据解答分析了围岩位移和应力的分布规律以及衬砌施加时刻对围岩位移和应力的影响.根据现有解析程序,可以形成快速预测隧道施工力学状态的计算机系统,方便、快捷地进行相似工程条件下的初步设计.     

压电磁螺型位错与界面刚性线夹杂的干涉效应

采用复变函数解析延拓原理,研究了电磁材料中压电磁螺型位错和共线界面刚性线的磁电弹耦合干涉效应并得到该问题的一般解答.作为算例,求出了界面含有一条刚性线时两种压电磁介质区域广义应力函数的封闭形式解.运用扰动技术,求解了位错点的扰动应力、电位移和磁感应强度场.由推广的Peach-Koehler公式求出了作用在位错上的位错力,讨论了共线界面刚性线对位错力的影响规律.文中所得到的解不但可作为格林函数获得任意分布位错的相应解答,而且可以用于研究无穷远纵向剪切和面内电磁场作用下界面刚性线夹杂和介质中任意形状裂纹的磁电弹耦合干涉效应问题.     

非对称Ⅲ型界面裂纹受变载荷作用下的解析解

采用复变函数论的方法,对非对称Ⅲ型界面裂纹的动态扩展问题进行了研究.通过自相似方法,并根据任意自相似指数的非对称动态扩展问题进行自相似求解,导出解析解的一般表达式.采用自相似函数的方法可以轻易地将所论问题转化为Riemann-Hilbert问题,并求得了扩展裂纹表面分别受到运动变载荷Px2/t2、Px作用下的位移、应力和动态应力强度因子的解析解.利用这些解并采用叠加原理,就可以求得任意复杂问题的解.这些解在断裂动力学以及弹性动力学、静力学问题当中具有重要的应用价值和理论意义.     

Ⅲ型裂纹动态Dugdale模型的扩展问题

通过复变函数论的方法,对材料的非线性特性下的Ⅲ型裂纹Dugdale模型的动态扩展问题进行研究.采用自相似函数的方法可以获得应力、位移及裂纹尖端张开位移解析的解.应用该法可以很容易地将所讨论的问题转化为Riemann-Hilbert问题,而后一问题可以用通常的Muskhelishvili方法进行求解,并可以相当简单地得到问题的闭合解.利用这些解并采用叠加原理,就可以求得任意复杂问题的解.     

平面双连通域稳态温度场的解析解

目前对于平面双连通域稳态温度场的问题,解析解法主要有分离变量法、虚拟热源法、积分变换法和格林函数法等.这些方法仅适用于几何形状简单边界条件不复杂的情况.本研究采用复变函数方法,利用映射函数将物理平面上任意形状的双连通域映射为像平面上的轴对称圆环,然后将偏微分方程转化为常微分方程,利用传热学中第1类边界条件,在像平面内可以求出轴对称圆环的稳态温度场.然后再通过映射函数将结果返回物理平面,便得到物理平面上任意形状双连通域的稳态温度场.对于已知映射函数的偏心圆环和含一圆孔的半无限域的双连通域两个问题,通过本研究提出的方法给出了温度场的解析解.而对于一般的双连通域问题,本研究通过最优化技术给出了映射函数的求解方法,获得了复杂双连通域稳态温度场的解析解.     

隧底隆起偏压浅埋矩形隧道围岩应力上限分析

基于极限分析上限法,给出了考虑隧底隆起偏压浅埋矩形隧道围岩应力的解析解表达式,并对不同深埋比和岩土体抗剪强度参数对隧道围岩应力的影响进行了研究。研究结果表明:随着浅埋隧道的埋深及断面尺寸的增大,浅埋隧道极限围岩压力也将增大;浅埋隧道极限围岩压力随着岩土黏聚力和内摩擦角的增大而显著减小。     

粘弹介质中圆孔时变轴对称问题的解析分析

对任意粘弹模型,用拉普拉斯变换法推导无限粘弹平面中圆孔半径任意时变时应力和位移的一般解析解.首先根据一般粘弹模型边界时变轴对称问题的基本方程,应用拉普拉斯变换得到拉氏空间中位移应满足的微分方程,并求得方程的通解,从而得到拉氏空间中位移、应力的一般表达式.对应力边界问题,将拉氏空间应力表达进行逆变换,再根据边界条件确定待定函数,最终得到应力和位移解答.解答没有体积不可压缩的限制条件,并且适用于球量也具有粘弹效应的情况.作为应用,根据该解答求得H-Kelvin粘弹模型的解.算例显示,不同半径时变过程位移场的变化也不同.对线性时变过程,较慢的时变速度下位移变化平缓,但时变结束时刻的位移较大.     

无限多孔平面MSD的应力强度因子计算

阐明了复变应力函数方法及其近似迭加法的基本原理,并将其应用于无限多孔平面MSD应力强度因子的求解上.利用此种方法计算了无限平面上共线双孔、三孔和四孔对称裂纹情况的数值算例,通过与有限元结果的比较可知,该方法的计算结果精确、可靠,而且计算过程相对简单,易操作.这种利用解析函数性质求解出复变应力函数,并结合其近似迭加法计算应力强度因子的方法,能够很好地应用于无限平面上任意分布的多孔MSD结构,值得在工程断裂问题中得到推广     

复合材料裂纹中心受增加载荷作用下的动态问题

利用已建立的复合材料桥连的动态裂纹模型,将桥连处纤维用载荷代替.当裂纹扩展时,其纤维必将连续地开裂.通过复变函数论的方法,可以很容易地将所讨论的问题转化为Remann-Hilbert问题,而后一问题可以用通常的Muskhelishvili方法进行求解,并可以相当简单地得到问题的闭合解.采用自相似函数的途径,求得了扩展裂纹的坐标原点分别受到增加载荷Px/t、pt3/x2作用下位移、应力和动态应力强度因子的解析解的一般表达式.利用这些解并采用叠加原理,就可以求得任意复杂问题的解.     

任意载荷作用下各向异性功能梯度梁的解析解和半解析解

文章给出了各向异性功能梯度梁在任意法向分布载荷下的解析解和半解析解.任意载荷可以由正弦级数展开得到.首先导出各向异性功能梯度平面问题的应力函数所满足的偏微分方程,然后假定应力函数为长度方向的三角函数与高度方向为待定函数的乘积,再叠加长度方向的的一次多项式函数的形式,接着求出应力、轴力、剪力、弯矩和位移,再利用边界条件完全确定方程的解.当梁的材料参数假定为沿梁的厚度方向是指数函数或某种幂函数形式时,可以得到问题的解析解解.当材料参数为任意形式时,可以用子层法求取半解析解.利用这个方法可以解决两端各种边界条件的梁,如悬臂梁,简支梁,一端固支另一端简支梁和两端固支梁等的弯曲问题.文中还给出了3个算例.     

基于复变函数理论和D-P屈服准则的并行隧道合理间距

综合利用复变函数理论、解析延拓法和Schwarz交替法揭示相邻水平并行隧道的应力分布特征. 在此基础上,结合考虑了中间主应力效应的D-P屈服准则建立相邻水平并行隧道力学模型. 提出并行隧道塑性区贯穿半径的概念,建立求解方程,并通过数值模拟证明其正确性. 采用隧道间塑性区临界贯穿状态下的间距作为隧道合理间距,与数值模拟软件FLAC3D计算得到的围岩位移量和沉降量随间距变化至基本不发生变化时所对应的隧道间距有较高的吻合性,从而表明其作为相邻水平并行隧道合理间距的可行性.     

考虑中间主应力的深埋圆形隧道弹塑性统一解

为了充分考虑中间主应力对深埋圆形隧道的影响,在平面应变假设下将统一强度准则精确匹配为Drucker-Prager强度准则,推导了考虑剪胀特性的理想弹塑性材料在塑性阶段的中间主应力表达式,并结合非关联流动法则推导出深埋圆形隧道塑性区的应力与位移统一解.结果表明,经典的Kastner解为所得应力与位移统一解的特殊情况.同时,根据应力与位移统一解公式并结合实际算例,分析了中间主应力和围岩剪胀角对深埋圆形隧道塑性区的影响规律.     

非径向对称带状载荷作用下有限长圆柱体的应力和位移解

从微元体弹性力学基本方程组出发,求解有限长圆柱体在非径向对称面载荷、切向载荷和扭转载荷共同作用下任意点的应力和位移。采用分离变量法、有限Hankel变换和Fourier-Bessel级数,求得两个位移函数;将由位移函数表示的应力和位移通解代入边界条件中,求出应力和位移表达式中的未知常数。将应力和位移解析式应用于四辊轧机工作辊,得到其应力和位移沿轴向的分布情况,并对应力和位移曲线进行了分析。     

考虑围岩和衬砌保角映射差异的深埋非圆形隧道力学解析

非圆形隧道围岩和衬砌区域的保角映射函数不同,接触面边界上不同区域的同一点位在映射后的位置差异较大。因此,在求解非圆形隧道的力学解析表达式时,有必要考虑该映射差异。首先,引入基于边界积分的保角映射理论,编制了以多段圆弧为边界的有限双连通域和无限双连通域的保角映射程序;其次,考虑到围岩和衬砌保角映射差异,提出多点逼近的应力函数求解方法,并采用LSQR算法计算应力函数系数的最小二乘解,以满足隧道临空面边界和接触面边界上位移和应力条件;最后,通过多心圆隧道的算例,开展验证和分析。研究结果表明：所求围岩和衬砌保角映射函数具有良好的保角性和保圆性;随着应力函数项数增加,在边界上的应力误差和位移误差显著降低;当侧压力系数为0.50时,多心圆隧道洞周收敛变形的差异显著,拱顶和拱底变形远高于拱脚位置的变形,在衬砌拱脚位置所受围岩压力和切向力最大,并出现显著的应力集中现象;衬砌内外边界上应力和位移的解析解与数值解十分接近,验证了本文所提力学解析方法的正确性。     

四边任意支承条件下弹性矩形厚板辛几何法解析解

利用辛几何法推导出了四边任意支承条件下矩形厚板弯曲的解析解.在分析过程中首先把弹性厚板弯曲问题的简化方程表示为H am ilton正则方程,然后利用辛几何法对全状态相变量进行分离变量,求出其本征值后,再按本征函数展开的方法求出四边任意支承条件下矩形厚板弯曲的解析解.由于在求解过程中不需要事先人为选取挠度函数,而是从厚板弯曲的基本方程出发,直接利用数学的方法求出可以完全满足其边界条件的解析解,使得这类问题的求解更加合理.计算实例验证了所采用的方法以及所推导出公式的正确性.