准晶数学弹性理论和某些有关研究的进展(下)

本文对固体准晶力学性能和准晶数学弹性, 塑性, 断裂以及有关研究的进展作了评论, 尤其对材料常数和塑性变形行为的测量, 一维、二维、三维准晶弹性理论, 动力学、非线性、缺陷理论、准晶弹性新型偏微分方程的推导和精确分析解, 复分析方法, 变分原理和有限元方法, 有限差分方法这些宏观问题和它们的数学方法进行了分析, 同时对准晶晶格动力学问题的数学理论也作了初步讨论. 近来在软物质中发现了12 次和18次对称准晶, 意义重大, 这里也做了初步介绍. 文中重点讨论此领域最近这些年来中国科学工作者的工作.     

准晶数学弹性力学和缺陷力学

对准晶数学弹性理论的基本概念和基本框架作了介绍,在此基础上分别针对目前已经发现的几类一维准晶、二维准晶和三维准晶讨论了其数学弹性的理论体系．为了求解准晶弹性的边值问题或初值一边值问题,还必须发展相应的方法论．物理工作者在研究准晶位错弹性问题中发展了Ｇｒｅｅｎ函数方法．针对一维与二维准晶弹性中几类问题提出了分解与叠加程序,这一程序的使用,使极其复杂的准晶弹性问题得到简化,进而引进位移函数或应力函数,把数目。庞大的准晶弹性基本方程化成一个或少数几个高阶偏微分方程,进一步使求解步骤大为简化．对三维立方准晶弹性也采用了类似步骤使求解过程大为简化．在以上化简的基础上,发展了准晶弹性的边值问题或初值一边值问题的复交函数方法和 Ｆｏｕｒｉｅｒ分析方法,求得了一系列准晶位错问题和裂纹问题的分析解（古典解）．在研究准晶弹性的边值问题古典解的同时,也讨论了同这些边值问题相对应的变分问题和广义解（弱解）以及这种弱解的数值方法──有限元法．在物理学家工作基础上开展的这些工作可以看作对经典数学弹性理论和方法、经典Ｖｏｌｔｅｒｒａ位错理论、普通结构材料断裂力学和经典有限元的某些发展．此外,还把一维六方准晶弹性动力学的结果与统计物理的某些      

准晶数学弹性力学和缺陷力学

对准晶数学弹性理论的基本概念和基本框架作了介绍,在此基础上分别针对目前已经发现的几类一维准晶、二维准晶和三维准晶讨论了其数学弹性的理论体系．为了求解准晶弹性的边值问题或初值一边值问题,还必须发展相应的方法论．物理工作者在研究准晶位错弹性问题中发展了Ｇｒｅｅｎ函数方法．针对一维与二维准晶弹性中几类问题提出了分解与叠加程序,这一程序的使用,使极其复杂的准晶弹性问题得到简化,进而引进位移函数或应力函数,把数目。庞大的准晶弹性基本方程化成一个或少数几个高阶偏微分方程,进一步使求解步骤大为简化．对三维立方准晶弹性也采用了类似步骤使求解过程大为简化．在以上化简的基础上,发展了准晶弹性的边值问题或初值一边值问题的复交函数方法和 Ｆｏｕｒｉｅｒ分析方法,求得了一系列准晶位错问题和裂纹问题的分析解（古典解）．在研究准晶弹性的边值问题古典解的同时,也讨论了同这些边值问题相对应的变分问题和广义解（弱解）以及这种弱解的数值方法──有限元法．在物理学家工作基础上开展的这些工作可以看作对经典数学弹性理论和方法、经典Ｖｏｌｔｅｒｒａ位错理论、普通结构材料断裂力学和经典有限元的某些发展．此外,还把一维六方准晶弹性动力学的结果与统计物理的某些     

十次对称二维准晶材料的位错动力学问题

论文采用Bak准晶弹性动力学模型研究了十次对称二维准晶材料的位错动力学问题。将Stroh公式推广到了准晶材料动力学问题的研究中,给出了位移和应力一般解的表达式。讨论了位错移动速度、声子场和相位子场耦合弹性常数对声子场、相位子场位移和应力的影响。     

十二次对称二维准晶中的无摩擦接触问题

利用积分变换的方法讨论了在一个刚性压头作用下十二次对称二维准晶的无摩擦接触问题. 通过引入位移势函数,将数量巨大而复杂的偏微分方程转化为两个独立的双调和方程,应用Fourier分析与对偶积分方程理论解决了十二次对称二维准晶材料的无摩擦接触问题,得到了相应的接触应力解析表达式,结果表明：如果接触位移是一常数,则接触应力在接触区域边缘具有-1/2阶奇异性;反之,如果接触应力在接触区域边缘具有-1/2阶的奇异性,则接触位移一定为一常数,这为准晶材料的接触变形提供了重要的力学参数.     

固体中的弹性波

本文评论过去的五十年中在弹性动力学的理论和分析方面的研究成果。所评论的主题为:一般理论、波导中的稳态波、绕射和散射、弹性体的一维和二维理论。以对弹性波的正问题和逆问题的简短讨论作为结束。     

用路径守恒积分计算平面准晶裂纹扩展的能量释放率

将准晶（包括点群５,５ｍ,８ｍｍ,１０,１０ｍｍ,１２ｍｍ）弹性边值问题化为广义能量泛函的变分问题,建立了求解准晶弹性变形的有限元法,并提出了含裂纹准晶的路径守恒Ｅ－积分,指出Ｅ－积分在数值上等于准晶裂纹扩展的能量释放率,作为实例,计算了平面五次、八次、十二次对称准晶裂纹扩展的能量释放率,数值计算表明准晶中路径积分具有较好的守恒性,同时数值结果表明准晶中相位子场的出现使准晶裂纹扩展的能量释放率增大     

一维正方准晶非周期平面弹性有限摩擦接触问题

利用平面弹性复变方法和解析函数边值理论,讨论了一维正方准晶材料非周期平面上的有限摩擦接触问题.基于一维正方准晶非周期平面内应力和位移分量的广义复变函数表示,有限摩擦接触问题被转换为Riemann-Hilbert边值问题.对于平底压头,得到了压头下方接触应力的显式表达式,并用数值算例分析了摩擦系数和声子场-相位子场耦合系数对压头下方接触应力分布的影响.结果表明:(1)摩擦系数对接触应力大小和分布规律的影响几乎可以忽略;(2)耦合系数对接触应力的分布规律无影响,对声子场接触应力值的影响微乎其微,对相位子场接触应力大小的影响比较明显.特殊条件下,本文所得结论可退化为一维四方准晶和一维六方准晶非周期平面内有限摩擦接触问题的解.当摩擦系数等于0时,还可以得到对应无摩擦接触问题的解.     

一维正方准晶椭圆孔口平面弹性问题的解析解

利用复变方法,引入广义保角映射,研究了一维正方准晶中具有椭圆孔口的平面弹性问题,给出了各应力分量的复变表示,并在特殊情况下转化为Griffith裂纹,得到该裂纹尖端处的应力强度因子的解析解.当准晶体的对称性增加时,正方准晶椭圆孔口平面弹性问题退化为一维四方准晶中具有椭圆孔口的平面弹性问题,同样在特殊情况下转化为Griffith裂纹,得到裂纹尖端处的应力强度因子的解析解.     

Poisson括号方法及其在准晶、液晶和一类软物质中的应用

对凝聚态物理学中的Poisson 括号及有关Lie群和Lie代数方法做了介绍. 同时介绍了在准晶、液晶和一类软物质研究中的应用.不仅介绍了推导以上物质的流体动力学方程或弹性-流体动力学方程, 也讨论了某些方程的解, 这种解还揭示了国外著名权威的经典解的错误.     

Solvability on boundary-value problems of elasticity of three-dimensional quasicrystals

Weak solution (or generalized solution) for the boundary-value problems of partial differential equations of elasticity of 3D (three-dimensional) quasicrystals is given, in which the matrix expression is used. In terms of Korn inequality and theory of function space,we prove the uniqueness of the weak solution.This gives an extension of existence theorem of solution for classical elasticity to that of quasicrystals,and develops the weak solution theory of elasticity of 2D quasicrystals given by the second author of the paper and his students.     

MOVING SCREW DISLOCATION IN CUBIC QUASICRYSTAL

The elasticity theory of the dislocation of cubic quasicrystals is developed. The governing equations of anti-plane elasticity dynamics problem of the quasicrystals were reduced to a solution of wave equations by introducing displacement functions, and the analytical expressions of displacements, stresses and energies induced by a moving screw dislocation in the cubic quasicrystalline and the velocity limit of the dislocation were obtained. These provide important information for studying the plastic deformation of the new solid material.     

一维六方准晶中纳米尺度开裂孔洞的III型断裂力学

研究了一维六方准晶中纳米尺度开裂孔洞的Ⅲ型断裂力学问题。基于复变弹性理论和表面弹性理论获得了考虑表面效应时椭圆孔边裂纹的应力场、应力强度因子和能量释放率的解析表达;讨论了缺陷尺寸、裂纹/孔洞比、耦合系数和施加载荷对应力强度因子和能量释放率的影响。研究表明：考虑表面效应且缺陷的尺寸在纳米尺度时,声子场和相位子场的无量纲应力强度因子以及无量纲能量释放率具有明显的尺寸依赖;裂纹相对尺寸较小时,表面效应对声子场和相位子场的无量纲应力强度因子影响较小;纳米尺度时无量纲能量释放率随耦合系数的增加而增大;耦合系数一定时,无量纲能量释放率受到椭圆孔尺寸影响;随着声子场载荷的增大,无量纲能量释放率先减小后增加,最后趋于稳定;无量纲能量释放率随相位子场载荷的增大单调减小,非常小和非常大的声子场载荷(或相位子场载荷)屏蔽了相位子场载荷(或声子场载荷)的影响。     

一维六方准晶中纳米尺度开裂孔洞的III型断裂力学

研究了一维六方准晶中纳米尺度开裂孔洞的Ⅲ型断裂力学问题。基于复变弹性理论和表面弹性理论获得了考虑表面效应时椭圆孔边裂纹的应力场、应力强度因子和能量释放率的解析表达；讨论了缺陷尺寸、裂纹/孔洞比、耦合系数和施加载荷对应力强度因子和能量释放率的影响。研究表明：考虑表面效应且缺陷的尺寸在纳米尺度时，声子场和相位子场的无量纲应力强度因子以及无量纲能量释放率具有明显的尺寸依赖；裂纹相对尺寸较小时，表面效应对声子场和相位子场的无量纲应力强度因子影响较小；纳米尺度时无量纲能量释放率随耦合系数的增加而增大；耦合系数一定时，无量纲能量释放率受到椭圆孔尺寸影响；随着声子场载荷的增大，无量纲能量释放率先减小后增加，最后趋于稳定；无量纲能量释放率随相位子场载荷的增大单调减小，非常小和非常大的声子场载荷(或相位子场载荷)屏蔽了相位子场载荷(或声子场载荷)的影响。     

Displacement function and simplifying of plane elasticity problems of two-dimensional quasicrystals with noncrystal rotational symmetry

The paper systematically investigates the plane elasticity problems of two-dimensional quasicrystals with noncrystal rotational symmetry. First, applying their independent elastic constants, the equilibrium differential equations of the problems in terms of displacements are derived and it is found that the plane elasticity of pentagonal quasicrystals is the same as that of decagonal. Then by introducing displacement functions, huge numbers of complicated partial differential equations of the problems are simplified to a single or a pair of partial differential equations of higher order, which is called governing equations, such that the problems can be easily solved. Finally, some solving methods of these governing equations obtained are introduced briefly.     

On the fundamental equations of piezoelasticity of quasicrystal media

The three-dimensional fundamental equations of elasticity of quasicrystals with extension to quasi-static electric effect are expresses in both differential and variational invariant forms for a regular region of quasicrystal material. The principle of conservation of energy is stated for the regular region and the constitutive relations are obtained for the piezoelasticity of material. A theorem is proved for the uniqueness in solutions of the fundamental equations by means of the energy argument. The sufficient boundary and initial conditions are enumerated for the uniqueness. Hamilton’s principle is stated for the regular region and a three-field variational principle is obtained under some constraint conditions. The constraint conditions, which are generally undesirable in computation, are removed by applying an involutory transformation. Then, a unified variational principle is obtained for the regular region, with one or more fixed internal surface of discontinuity. The variational principle operating on all the field variables generates all the fundamental equations of piezoelasticity of quasicrystals under the symmetry conditions of the phonon stress tensor and the initial conditions. The resulting equations, which are expressible in any system of coordinates and may be used through simultaneous approximation upon all the field variables in a direct method of solutions, pave the way to the study of important dislocation, fracture and interface problems of both elasticity and piezoelasticity of quasicrystal materials.