引言
边界元方法[1 -6 ] 作为一种非常成功的数值方法, 在力、热、电、磁等多个物理分支都得到了广泛的应用[7 -16 ] . 对于难于求得解析解的问题, 可以采用边界元法进行数值求解[17 -19 ] . 边界元法通常导致边界积分方程, 也称边界积分方程方法.
本文则稍稍变化一下边界元法的求解思路, 从Somigliana等式开始推导, 利用了线弹性算子零空间的不平凡性, 即格林函数的不唯一性, 导出了不同于边界积分方程方法的另一种方法, 使线弹性问题在求解解析解时提供了一个新的选择. 首先给出此边界积分法的基本理论与基本步骤. 然后为检验此法的有效性, 求解了一个典型的弹性问题, 圆形夹杂问题.
1 边界积分法
可以导出边界元法的边界积分方程的Somigl- iana等式为
(1) $ \begin{eqnarray} \label{eq1} &&u_i(P)=\int_{\varOmega} u_{ij}^\ast (P,Q)f_j (Q){\rm d}\varOmega (Q) +\int_s \big[u_{ij}^\ast (P,q)t_j (q)-\\&& t_{ij}^\ast (P,q)u_j (q) \big]{\rm d}S(q) \end{eqnarray} $
其中, $u_i(P)$是在$P$点的位移, $u_{ij}^\ast (P,Q)$是在任意一点$P$沿$x_i$方向作用单位集中力时, 在任意一点$Q$处引起的$x_j$方向的位移分量, $f_j $是体力, $u_j (q)$是边界位移, $t_j (q)$是边界面力, $t_{ij}^\ast(P,q)$是相应于边界位移$u_{ij}^\ast (P,q)$的边界面力. $u_j^\ast $是在$P$处沿着任意方向$n_m $的单位集中力作用下, 在$Q$处的引起的位移. $u_j^\ast $与$u_{ij}^\ast $的关系为
(2) $\begin{eqnarray} \label{eq2} u_j^\ast =u_{mj}^\ast n_m \end{eqnarray} $
(3a) $ \begin{eqnarray} \mathcal{L}_{ik} u_{mk}^\ast =-\delta (P,Q)\delta _{im} \end{eqnarray} $
将式(3a)等号两边同时乘以单位方向$n_m $, 得$\mathcal{L}_{ik} u_{mk}^\ast n_m \mbox{=}-\delta \left( {P,Q} \right)\delta _{im} n_m $即$u_j^\ast $满足方程
(3b) $ \begin{eqnarray} \mathcal{L}_{ik} u_k^\ast =-\delta (P,Q)n_i \end{eqnarray} $
其中$\mathcal{L}_{ik} $是线弹性算子
(4) $ \begin{eqnarray} \label{eq4} \mathcal{L}_{ik} =C_{ijkl} \frac{\partial ^2}{\partial x_l \partial x_j } \end{eqnarray} $
其中, $C_{ijkl} $是线弹性常数. 线弹性算子$\mathcal{L}_{ik} $与其共轭算子$\mathcal{L}_{ik}^\ast$相等. 因此式(3a)和式(3b)可以重写为
$ \begin{eqnarray*} &&C_{ijkl} \frac{\partial ^2}{\partial x_l \partial x_j }u_{mk}^\ast =-\delta \left( {P,Q} \right)\delta _{im}\\ &&C_{ijkl} \frac{\partial ^2}{\partial x_l \partial x_j }u_k^\ast =-\delta \left( {P,Q} \right)n_i \end{eqnarray*} $
(5a) $ \begin{eqnarray} \mathcal{L}_{ik} u_{mk}^\ast =(\lambda +G)u_{mj,ji}^\ast +\mu u_{mi,jj}^\ast =-\delta (P,Q)\delta _{im} \end{eqnarray} $
(5b) $ \begin{eqnarray} \mathcal{L}_{ik} u_k^\ast =(\lambda +G)u_{j,ji}^\ast +\mu u_{i,jj}^\ast =-\delta (P,Q)n_i \end{eqnarray} $
其中, $\lambda $和$G$是Lamé常数. $u_j^\ast$, $u_{mj}^\ast $称格林函数[20 ] .
由于线弹性算子$\mathcal{L}_{ik} $的零空间是非平凡的, 因此格林函数不唯一. 利用此不唯一性, 记两个任意的格林函数为$u_{mj}^{\ast 1}$, $u_{mj}^{\ast 2}$, 均满足方程(3a), 将其代入到Somigliana等式(1)中[4 ,20 ] ,将得到的两个方程相减得到
(6) $ \begin{eqnarray} \label{eq6} \int_\varOmega w_{ij}^\ast f_j {\rm d}\varOmega +\int_S \left(w_{ij}^\ast t_j-t_{ij}^\ast u_j\right){\rm d}S =0 \end{eqnarray} $
(7) $ \begin{eqnarray} \label{eq7} \int_\varOmega w_j^\ast f_j {\rm d}\varOmega +\int_S \left( w_j^\ast t_j -t_j^\ast u_j \right){\rm d}S =0 \end{eqnarray} $
其中, $w_{ij}^\ast =u_{ij}^{\ast 1} -u_{ij}^{\ast 2} $, $t_{ij}^\ast$为相应于$w_{ij}^\ast $的在边界上的面力; $w_j^\ast =u_j^{\ast 1} -u_j^{\ast 2} =u_{ij}^{\ast 1} n_i -u_{ij}^{\ast 2} n_i $, $t_j^\ast $为相应于$w_j^\ast$的在边界上的面力. 其中$w_j^\ast $满足齐次方程
(8) $ \begin{eqnarray} \label{eq8} \mathcal{L}_{ik} w_k^\ast =C_{ijkl} \frac{\partial ^2}{\partial x_l \partial x_j }w_k^\ast =0 \end{eqnarray} $
(9) $ \begin{eqnarray} \label{eq9} \mathcal{L}_{ik} w_k^\ast =(\lambda +G)w_{j,ji}^\ast +\mu w_{i,jj}^\ast =0 \end{eqnarray} $
方程(7)与式(10)所示的Betti互易定理[21 -22 ] 形式上类似.
(10) $ \begin{eqnarray} \label{eq10} &&\int_\varOmega \left( u_j^{(2)} f_j^{(1)}-u_j^{(1)} f_j^{(2)} \right){\rm d}\varOmega +\\&&\int_S \left(u_j^{(2)}t_j^{(1)} -u_j^{(1)} t_j^{(2)} \right){\rm d}S =0 \end{eqnarray} $
其中, $(\ )^{(1)}$和$(\ )^{(2)}$分别表示同一物体的线弹性边值问题I, II的位移$u_j $, 面力$t_j $与体力$f_j $. 但$w_j^\ast $并不是某个力学边值问题的解, 而是需要满足无体力的齐次方程(8)或(9). Somigliana等式可以从Betti互易定理推导而来[4 ] , 即把格林函数定义式(5)代入式(10). 式(7)也可以由Betti互易定理得到. 在式(10)中令$f_i^{(2)} =0$, 所得方程即与式(7)含义相同, 只是记号不同. 将$f_i^{(2)} =0$代入应力平衡方程$\sigma_{ji,j}^{(2)} +f_i^{(2)} =0$中. 即得无体力的应力平衡方程, $\sigma _{ji,j}^{(2)} =0$. 在式(8)和式(9)中代入本构方程与几何方程, 同样得无体力的应力平衡方程.
(11) $ \begin{eqnarray} \label{eq11} \int_S \left(w_j^\ast t_j -t_j^\ast u_j \right){\rm d}S =0 \end{eqnarray} $
方程(11)是本文计算的主要理论依据. 为简单起见, 下面本文研究无体力的平面弹性力学问题. 这时边界面$S$进一步化为边界曲线$L$
(12) $ \begin{eqnarray} \label{eq12} \int_L \left( w_j^\ast t_j -t_j^\ast u_j \right){\rm d}s =0 \end{eqnarray} $
利用式(12)求得未知的边界位移与面力. 对于无体力平面问题来说, 位移函数$w_j^\ast$可以采用相应于Michell解的位移函数[23 -25 ] . 一般来说, 边界位移与面力假设中一般包含不止一个待定常数, 因此需要符合题意的多个位移函数$w_j^\ast$以及面力函数$t_j^\ast $. 这样的函数在此称为{\bf 试函数}. 边界位移与边界面力全部已知后, 边界元法用Somigliana等式计算域内位移. 本文则继续用式(12)求域内位移, 避免使用格林函数带来奇异积分问题. 基本步骤是作一条虚拟边界$L^\ast$经过需要计算位移与应力的点, 即式(12)变为
(13) $ \begin{eqnarray} \label{eq13} \int_L \left( w_j^\ast t_j -t_j^\ast u_j \right){\rm d}s+ \int_{L^\ast}\left( w_j^\ast t_j -t_j^\ast u_j \right){\rm d}s =0 \end{eqnarray} $
这类似于矩阵传递法. 因此方程(13)预期可以用于多相介质问题的分析. 表1 简叙述了边界元法与此新方法的主要思想与各自特点.
2 圆形夹杂问题
圆形夹杂问题是弹性力学的一个经典问题, 通常采用Airy应力函数法与复变函数法求解[26 -30 ] . 理论结果被实验所验证[31 ] . 在此用边界积分法求其解析解. 如图1 所示, 无限大平板上有半径$r=a$的圆形夹杂, 夹杂内的弹性常数与基体不同.基体的弹性常数用$E$, $\nu $, $\mu $分别来表示杨氏模量、泊松比、剪切模量, 夹杂内的弹性常数用下标1以示区别, 如$E_1$, $\nu _1$, $\mu _1 $. 夹杂所在区域为$\varOmega^{\rm f}$, 其他不含夹杂的区域为$\varOmega $.
图 1
图 1
圆形夹杂示意图
Fig. 1
Schematic diagram of a circular inclusion
2.1 界面位移与面力
(14) $ \begin{eqnarray} \label{eq16} r=a:\left\{ {\begin{array}{l} \left( {u_r ,u_\theta } \right)=\left( {u_r^{\rm f} ,u_\theta ^{\rm f} } \right) \\ \left( {\sigma _r ,\sigma _\theta ,\sigma _{r\theta } } \right)=\left( {\sigma _r^{\rm f} ,\sigma _\theta ^{\rm f} ,\sigma _{r\theta }^{\rm f} }\right) \\ \end{array}} \right. \end{eqnarray}$
其中, 上标$(\ )^{\rm f}$表示与夹杂有关的量. 平板在无穷远处有均布应力$\sigma _x =q$, 其他应力分量为零. 相应的极坐标下位移$u_r^0$和$u_\theta ^0 $如式(15a)所示; 径向应力$\sigma _r^0 $、周向应力$\sigma _\theta ^0 $与切应力$\sigma _{r\theta }^0$如式(15b)所示
(15a) $ \begin{eqnarray} && \left. \begin{array}{l} u_r^0 =\dfrac{qr}{E}\left( {\dfrac{1-\nu }{2}+\dfrac{1+\nu }{2}\cos 2\theta }\right) \\ u_\theta ^0 =-\dfrac{qr}{E}\dfrac{1+\nu }{2}\sin 2\theta \\ \end{array} \right\} \end{eqnarray} $
(15b) $ \begin{eqnarray} \left. \begin{array}{l} \sigma _r^0 =\dfrac{q}{\mbox{2}}\left( {1+\cos 2\theta } \right) \\ \sigma _\theta ^0 =\dfrac{q}{\mbox{2}}\left( {1-\cos 2\theta }\right) \\ \sigma _{r\theta }^0 =-\dfrac{q}{2}\sin 2\theta \\ \end{array} \right\} \end{eqnarray} $
先研究基体部分, 即夹杂之外的区域$\varOmega $. 把位移与应力分解为均匀场部分与扰动部分[33 ] , $u_i =u_i +u_i^0 ,\sigma _{ij} =\tau _{ij} +\sigma _{ij}^0 $, 并考虑式(15a)和式(15b), 有
(16) $ \left. \begin{array}{l} u_r =u_r -u_r^0 =u_r -\dfrac{qr}{E}\left( {\dfrac{1-\nu }{2}+\dfrac{1+\nu }{2}\cos 2\theta } \right) \\ u_\theta =u_\theta -u_\theta ^0 =u_\theta +\dfrac{qr}{E}\dfrac{1+\nu }{2}\sin 2\theta \\ \tau _r =\sigma _r -\sigma _r^0 =\sigma _r -\dfrac{q}{2}\left( {1+\cos 2\theta } \right) \\ \tau _{r\theta } =\sigma _{r\theta } -\sigma _{r\theta }^0 =\sigma _{r\theta } +\dfrac{q}{2}\sin 2\theta \end{array} \right\} $
这时, 无穷远处单向均匀应力边界条件化为了位移$u_i $与应力$\tau _{ij} $在无穷远处为零, 即
(17) $ \begin{eqnarray} \label{eq17} u_i =0, \ \ \tau _{ij} =0, \ \ {\rm when}\ \ r\to \infty \end{eqnarray}$
(18) $ \begin{eqnarray} \label{eq18} \int_L \left( u_r t_r^\ast +u_\theta t_\theta ^\ast \right){\rm d}s =\int_L\left( w_r^\ast t_r +w_\theta ^\ast t_\theta \right){\rm d}s \end{eqnarray}$
考虑边界$L$即为$r=a$, 以及${\rm d}s=r{\rm d}\theta =a{\rm d}\theta $, 并将式(16)代入式(18)得到
(19) $ \begin{eqnarray} \label{eq19} &&\int_0^{2\pi} \left\{ {\left[ {u_r -\dfrac{qr}{E}\left( {\dfrac{1-\nu }{2}+\dfrac{1+\nu }{2}\cos 2\theta } \right)} \right]t_r^\ast } \right\}_{r=a} {\rm d}\theta + \\&& \int_0^{2\pi} \left[ {\left( {u_\theta +\dfrac{qr}{E}\dfrac{1+\nu }{2}\sin 2\theta } \right)t_\theta ^\ast } \right]_{r=a} {\rm d}\theta + \\&& \int_0^{2\pi} \left\{ {w_r^\ast \left[ {\dfrac{q}{\mbox{2}}\left( {1+\cos 2\theta } \right)-\sigma _r } \right]} \right\}_{r=a} {\rm d}\theta + \\&& \int_0^{2\pi} \left[ {w_\theta ^\ast \left( {-\dfrac{q}{2}\sin 2\theta -\sigma _{r\theta } } \right)} \right]_{r=a} {\rm d}\theta =0 \end{eqnarray}$
其中, $w_r^\ast $, $w_\theta ^\ast $采用Michell解的位移部分[24 ] . 由于Michell的位移解以Fourier级数形式出现, $w=\sum\limits_{n=0}^\infty {\left[ {a_n \left( r \right)\cos n\theta +b_n \left( r \right)\sin n\theta } \right]} $. 根据三角级数的正交性, 式(19)中位移$w_r^\ast $, $w_\theta ^\ast$只能出现常数项与$n=2$的项. 所以$t_r $, $t_\theta $, $u_r $, $u_\theta$也只能出现$n=0$与$n=2$的项. 再根据对称性, $r$为常数时, $u_r \left( \theta \right)=u_r\left( {-\theta } \right)$, $u_r \left( \theta \right)=u_r \left( {\pi -\theta } \right)$, $u_\theta \left( {-\theta } \right)=-u_\theta \left(\theta \right)$, $u_\theta \left( \theta \right)= -u_\theta \left({\pi -\theta } \right)$. 因此位移$u_r $, $u_\theta $与面力$t_r $, $t_\theta $ 在$r=a$的位移设为
(20) $ \begin{eqnarray} \label{eq20} \left. {\begin{array}{l} \left( {u_r } \right)_{r=a} =a_0 +a_2 \cos 2\theta \\ \left( {u_\theta } \right)_{r=a} =b_2 \sin 2\theta \\ t_r =\left( {\sigma _r } \right)_{r=a} =c_0 +c_2 \cos 2\theta \\ t_\theta =\left( {\sigma _{r\theta } } \right)_{r=a} =d_2 \sin 2\theta \\ \end{array}} \right\} \end{eqnarray}$
其中, $a_0 $, $a_2 $, $b_2 $, $c_0 $, $c_2 $, $d_2 $是待定常数.
所选位移试函数$w_r^\ast $, $w_\theta ^\ast $与相应的应力函数$\varphi $ 如表2 所示. 函数$w_r^\ast $, $w_\theta ^\ast $, $t_r^\ast $, $t_\theta ^\ast$需要满足无穷远处趋于零的边界条件, 另外还需满足位移单值条件. 表2 的$\varphi$相应于位移$w_r^\ast $、$w_\theta ^\ast $的Airy应力函数[31 , 34 ] , 其中, $\mu =E/(2+2\nu )$. 平面应力, $\kappa =(3-\nu )/(1+\nu)$; 平面应变$\kappa =3-4\nu$, 相应的边界上的面力为
(21) $ \begin{eqnarray} \label{eq21} \left. {\begin{array}{l} t_r^\ast =(\sigma _r )_{r=a} =\left(\dfrac{1}{r}\dfrac{\partial \varphi }{\partial r}\right)_{r=a} \\ t_\theta ^\ast =(\sigma _{r\theta } )_{r=a} =-\left( {\dfrac{\partial ^2\varphi }{r\partial r\partial \theta }} \right)_{r=a} \end{array}} \right\} \end{eqnarray}$
这样在夹杂与基体的交界处$r=a$处的位移$u$与面力$t$为
(22) $ \begin{eqnarray} \label{eq22} &&\left. {\begin{array}{l} \left( {u_r } \right)_{r=a} =a_0 +a_2 \cos 2\theta -\dfrac{qa}{E}\left( {\dfrac{1-\nu }{2}+\dfrac{1+\nu }{2}\cos 2\theta } \right) \\ \left( {u_\theta } \right)_{r=a} =b_2 \sin 2\theta +\dfrac{qa}{E}\dfrac{1+\nu }{2}\sin 2\theta \\ t_r =c_0 +c_2 \cos 2\theta -\dfrac{q}{2}\left( {1+\cos 2\theta } \right) \\ t_\theta =d_2 \sin 2\theta +\dfrac{q}{2}\sin 2\theta \\ \end{array}} \right\}\\&& \end{eqnarray}$
将表达式(22)代入式(18), 得到式(23). 然后将阶数$n=0$与$n=2$阶的位移试函数与面力$w_r^\ast $, $w_\theta ^\ast$, $t_r^\ast $, $t_\theta ^\ast $代入, 得到关于待定系数方程式(24).
(23) $ \begin{eqnarray} \label{eq23} &&\!\!\!\int_0^{2\pi} {\left[ {a_0 -\dfrac{qa}{E}\dfrac{1-\nu }{2}+\left( {a_2 -\dfrac{qa}{E}\dfrac{1+\nu }{2}\cos 2\theta } \right)\left( {t_r^\ast } \right)_{r=a} } \right]{\rm d}\theta } + \\ &&\!\!\!\qquad \int_0^{2\pi} {\left( {b_2 +\dfrac{qa}{E}\dfrac{1+\nu }{2}} \right)\sin 2\theta \left( {t_\theta ^\ast } \right)_{r=a} {\rm d}\theta } + \\ &&\!\!\!\qquad \int_0^{2\pi} {\left[ {\dfrac{q}{\mbox{2}}\left( {1+\cos 2\theta } \right)-c_0 -c_2 \cos 2\theta } \right]\left( {w_r^\ast } \right)_{r=a} {\rm d}\theta }- \\ &&\!\!\!\qquad \int_0^{2\pi} {\left( {\dfrac{q}{2}+d_2 } \right)\sin 2\theta \left( {w_\theta ^\ast } \right)_{r=a} {\rm d}\theta } =0 \end{eqnarray}$
(24) $ \begin{eqnarray} \label{eq24} \left. {\begin{array}{l} Ea_0 +a\left( {1+\nu } \right)c_0 -aq=0 \\ 2a_2 +b_2 +\left({\nu d_2 -2q+2c_2 -d_2 } \right)\dfrac{a}{E}=0 \\ a\left(1+\nu\right)\left(c_2 +d_2\right)+3E\left( {a_2+b_2} \right)=0 \\ \end{array}} \right\} \end{eqnarray}$
从式(24)解出待定常数$a_0 $, $a_2 $, $b_2 $
(25) $ \begin{eqnarray} \label{eq25} \left. {\begin{array}{l} a_0 =-\dfrac{a\left( {1+\nu } \right)c_0 }{E}+\dfrac{qa}{E} \\ a_2 =\dfrac{a}{3E} \left( {\nu -5} \right)c_2 +\dfrac{a}{3E}\left( {4-2\nu } \right)d_2 +\dfrac{2qa}{E} \\ b_2 =-\dfrac{a}{3E}\left( {2\nu -4} \right)c_2 -\dfrac{a}{3E}\left( {5-\nu } \right)d_2 -\dfrac{2qa}{E} \\ \end{array}} \right\} \end{eqnarray}$
若$c_0 =c_2 =d_2 =0$, 得$a_0 ={qa}/{E}$, $a_2 ={2qa}/{E}$, $b_2=-{2qa}/{E}$, 将其代入式(20), 即得夹杂退化为圆孔时, 圆孔边界的位移、面力
(26) $ \begin{eqnarray} \label{eq26} \left.\begin{array}{l} \left( {u_r } \right)_{r=a} =\dfrac{qa}{E}+\dfrac{2qa}{E}\cos 2\theta \\ \left( {u_\theta } \right)_{r=a} =-\dfrac{2qa}{E}\sin 2\theta \\ t_r =\left( {\sigma _r } \right)_{r=a} =0 \\ t_\theta =\left( {\sigma _{r\theta } } \right)_{r=a} =0 \\ \end{array} \right\} \end{eqnarray}$
式(24)中只有3个方程, 少于式(20)中待定系数的个数. 为此需要单独考虑圆形夹杂的情况. 研究$r\leqslant a$的夹杂区域$\varOmega ^{\rm f}$, 由于此时所考虑区域不含无穷远处, 因此不再将位移、面力分解为均匀场部分与扰动部分, 此时边界积分方程(18)更改为
(27) $ \begin{eqnarray} \label{eq27} \int_{r=a} {\left( {u_r t_r^\ast +u_\theta t_\theta ^\ast } \right){\rm d}s} =\int_{r=a} {\left( {w_r^\ast t_r +w_\theta ^\ast t_\theta } \right){\rm d}s} \end{eqnarray}$
边界位移与面力仍如式(20)所示. 圆形夹杂的弹性常数与基体不同, 所取位移$w_r^\ast $, $w_\theta ^\ast $的弹性常数需要相应改变. 另外由于$r\leqslant a$区域包含原点, 所取位移试函数$w_r^\ast $, $w_\theta ^\ast$在原点的位移值以及相应的应力值都应是有限的. 所取位移试函数$w_r^\ast$, $w_\theta ^\ast $如表3 所示, 其中$\mu_{1}=E_{1}/(2+2\nu_{1})$. 平面应力, $\kappa_{1}=(3-\nu _{1})/(1+\nu_{1})$; 平面应变$\kappa_{1}=3-4\nu_{1}$. 所得方程为式(28), 解出待定常数$a_0 $, $a_2 $与$b_2 $, 如式(29)所示.
(28) $ \begin{eqnarray} \label{eq28} &&\left.\begin{array}{l} E_1 a_0 +a\left( {\nu _1 -1} \right)c_0 =0 \\ 3b_2 E_1 +2a\nu _1 c_2 -ad_2 \nu _1 -3ad_2 =0 \\ \left( {b_2 -a_2 } \right)E_1 +a\nu _1 c_2 -ad_2 \nu _1 +ac_2 -ad_2 =0 \end{array} \right\} \end{eqnarray}$
(29) $ \begin{eqnarray} \label{eq29} \left. {\begin{array}{l} a_0 =\dfrac{ac_0 }{E_1 }\left( {1-\nu _1 } \right) \\ a_2 =\dfrac{a}{3E_1 }\left( {c_2 \nu _1 -2d_2 \nu _1 +3c_2 } \right) \\ b_2 =-\dfrac{a}{3E_1 }\left( {2c_2 \nu _1 -d_2 \nu _1 -3d_2 } \right) \end{array}} \right\} \end{eqnarray}$
根据位移与应力连续性条件, 两式(25)和式(29)中的$a_0 $, $a_2$, $b_2 $, $c_0$, $c_2 $, $d_2$不仅记号相同、数值也相等. 联立式(24)和式(27)得
(30) $ \begin{eqnarray} \label{eq30} \left.\begin{array}{l} c_0 =-\dfrac{qE_1 }{E\nu _1 -\nu E_1 -E-E_1 } \\ c_2 =\dfrac{2qE_1 }{E\nu _1 -\nu E_1 +E+3E_1 } \\ d_2 =-\dfrac{2qE_1 }{E\nu _1 -\nu E_1 +E+3E_1 } \\ \end{array} \right\} \end{eqnarray}$
由式(30)知道$d_2 =-c_2 $, 代入式(25)和式(29)中可以进一步简化为式(31)和式(32)
(31) $ \begin{eqnarray} \label{eq31} &&\left. {\begin{array}{l} a_0 =-\dfrac{a\left( {1+\nu } \right)c_0 }{E}+\dfrac{qa}{E} \\ a_2 =\dfrac{a}{E} \left( {\nu -3} \right)c_2 +2\dfrac{qa}{E} \\ b_2 =\dfrac{a}{3E}\left( {3-\nu } \right)c_2 -2\dfrac{qa}{E} \\ \end{array}} \right\} \end{eqnarray}$
(32) $ \begin{eqnarray} && \left. \begin{array}{l} a_0 =\dfrac{a\left( {1-\nu _1 } \right)}{E_1 }c_0 \\ a_2 =\dfrac{a\left( {1+\nu _1 } \right)}{E_1 }c_2 \\ b_2 =-\dfrac{a\left( {1+\nu _1 } \right)}{E_1 }c_2 \\ \end{array} \right\} \end{eqnarray}$
由式(30)知道, 当$E_1 =0$, $c_0 =c_2 =d_2 =0$, 界面面力为零, 简化为圆孔解答. 当$E_1 =+\infty $, 表示刚性夹杂, 式(30)化为$c_0 ={q}/({1+\nu })$, $c_2={2q}/({3-\nu })$, $d_2 =-{2q}/({3-\nu })$, 将其代入式(25)中得到$a_0 =a_2=b_2 =0$, 这表示界面位移等于0; 将其代入式(20)得刚性夹杂的$r=a$处的面力
(33) $ \begin{eqnarray} \label{eq33} \left.\begin{array}{l} t_r =\dfrac{q}{1+\nu }+\dfrac{2q}{3-\nu }\cos 2\theta\\ t_\theta =-\dfrac{2q}{3-\nu }\sin 2\theta\\ \end{array}\right\} \end{eqnarray}$
2.2 域内位移与应力
2.2.1 基体位移与应力($r\geqslant a)$
有了位移与应力在界面处的值, 就可以计算域内位移场与应力场. 先研究夹杂之外的区域$\varOmega $, 虚设一条边界$r=\rho >a$. 研究由$r=a$与$r=\rho $围成的环形区域, 所考虑区域不含无穷远处, 因此不再将位移、面力分解为均匀场部分与扰动部分, 此时边界积分方程式(18)变为
(34) $ \begin{eqnarray} \label{eq34} && a\int_0^{2\pi} {\left( {u_r t_r^\ast +u_\theta t_\theta ^\ast } \right)_{r=a} {\rm d}\theta } -\rho \int_0^{2\pi} {\left( {u_r t_r^\ast +u_\theta t_\theta ^\ast } \right)_{r=\rho } {\rm d}\theta } = \\ && a\int_0^{2\pi} {\left( {w_r^\ast t_r +w_\theta ^\ast t_\theta } \right)_{r=a} {\rm d}\theta } -\\&&\rho \int_0^{2\pi} {\left( {w_r^\ast t_r +w_\theta ^\ast t_\theta } \right)_{r=\rho } {\rm d}\theta } \end{eqnarray}$
在$r=a$处, 位移$u_r $, $u_\theta $与面力$t_r $, $t_\theta $如式(20)所示, 其中待定系数如式(25)和式(30)所示. 在$r=\rho $处, 假设位移$u_r $, $u_\theta$与面力$t_r $, $t_\theta $设为式(33), 即类似式(20)的形式
(35) $ \begin{eqnarray} \label{eq35} \left.\begin{array}{l} \left( {u_r } \right)_{r=\rho } =A_0 +A_2 \cos 2\theta \\ \left( {u_\theta } \right)_{r=\rho } =B_2 \sin 2\theta \\ t_r =\left( {\sigma _r } \right)_{r=\rho } =C_0 +C_2 \cos 2\theta \\ t_\theta =\left( {\sigma _{r\theta } } \right)_{r=\rho } =D_2 \sin 2\theta\\ \end{array} \right\} \end{eqnarray}$
将式(20)和式(35)代入式(30), 并选取适当的位移试函数$w_r^\ast $, $w_\theta ^\ast$与面力$t_r^\ast $, $t_\theta ^\ast $. 由于此环形区域既不包含原点也没有无穷远处做边界, 因此只满足位移单值条件即可. 所选取的$w_r^\ast $, $w_\theta ^\ast $、应力函数$\varphi $如表2 与表3 所示, 此时表3 中的$\mu _1 $, $\kappa _1 $应替换为$\mu $, $\kappa $. 面力$t_r^\ast $, $t_\theta ^\ast $由式(21)求出或者直接查表得到[33 ] . 并利用式(25)、$c_2 +d_2 =0$与$a_2 +b_2 =0$, 所得方程如下
\begin{eqnarray*} \left. {\begin{array}{l} -\dfrac{C_0 \left( {1+\nu } \right)}{E}-\dfrac{A_0 }{\rho }+\dfrac{q}{E}=0 \\ -\dfrac{2\rho ^2(\nu -1)}{E}C_0 +\dfrac{2(q-2c_0 )a^2}{E}-2\rho A_0 =0 \\ \dfrac{2C_2 }{E}+\dfrac{2A_2 }{\rho }+\dfrac{B_2 }{\rho }+\dfrac{\nu D_2 -2q-D_2 }{E}=0 \\ \rho (1+\nu )(C_2 +D_2 )+3E(A_2 +B_2 )=0 \\ 12a^4c_2 -6a^4q+\rho ^4(3+\nu )D_2 -2\rho ^4\nu C_2 -3E\rho ^3B_2 =0 \\ \dfrac{\rho ^2\left( {1+\nu } \right)}{E}(D_2 -C_2 )+\rho (A_2 -B_2 )+\dfrac{4a^2}{E}(2c_2 -q)=0 \\ \end{array}} \right\} \end{eqnarray*}
联立此6个方程, 得待定系数$A_0 $, $A_2 $, $B_2 $, $C_0 $, $C_2 $与$D_2 $, 考虑式(30), 并用弹性常数$\kappa $与$\mu $来替换$E$与$\nu $, 用$\kappa _1$与$\mu _1 $ 来替换$E_1 $与$\nu _1 $, 结果如式(36)所示
(36) $ \begin{eqnarray} \label{eq36} \left. {\begin{array}{l} A_0 =\dfrac{q}{2}\left( {-\dfrac{\beta }{2\mu }\dfrac{a^2}{\rho }+\dfrac{1}{4}\dfrac{\kappa -1}{\mu }\rho } \right) \\ A_2 =\dfrac{q}{4}\left( {-\dfrac{\alpha }{\mu }\dfrac{a^4}{\rho ^3}+\dfrac{\alpha \left( {\kappa +1} \right)}{\mu }\dfrac{a^2}{\rho }+\dfrac{\rho }{\mu }} \right) \\ B_2 =\dfrac{q}{4}\left( {-\dfrac{\alpha }{\mu }\dfrac{a^4}{\rho ^3}-\dfrac{\alpha \left( {\kappa -1} \right)}{\mu }\dfrac{a^2}{\rho }-\dfrac{\rho }{\mu }} \right) \\ C_0 =\dfrac{q}{2}\left( {1+\beta \dfrac{a^2}{\rho }} \right) \\ C_2 =\dfrac{q}{2}\left( {1-4\alpha \dfrac{a^2}{\rho ^2}+3\alpha \dfrac{a^4}{\rho ^4}} \right) \\ D_2 =\dfrac{q}{2}\left( {-1-2\alpha \dfrac{a^2}{\rho ^2}+3\alpha \dfrac{a^4}{\rho ^4}} \right) \\ \end{array}} \right\} \end{eqnarray}$
其中, $\alpha $, $\beta $是弹性常数的组合, 如式(37)所示
(37) $ \begin{eqnarray} \label{eq37} \alpha =\dfrac{\mu -\mu _1 }{\kappa \mu _1 +\mu },\ \ \beta =\dfrac{\kappa \mu _1 -\mu \kappa _1 +\mu -\mu _1 }{\mu \kappa _1 -\mu +2\mu _1 } \end{eqnarray}$
将式(36)代入式(35)得到位移场$u_r $, $u_\theta$与除$\sigma _\theta $之外的应力场. $\sigma _\theta $可以由位移$u_r $, $u_\theta $代入几何方程, 再代入本构方程得出. 并将$\rho $仍写为$r$, 结果如式(38) 所示
(38) $ \begin{eqnarray} \label{eq38} \left. {\begin{array}{l} u_r =\dfrac{q}{2}\left( {-\dfrac{\beta }{2\mu }\dfrac{a^2}{r}+\dfrac{1}{4}\dfrac{\kappa -1}{\mu }r} \right)+ \\ \qquad\dfrac{q}{4}\left( {-\dfrac{\alpha }{\mu }\dfrac{a^4}{r^3}+\dfrac{\alpha \left( {\kappa +1} \right)}{\mu }\dfrac{a^2}{r}+\dfrac{r}{\mu }} \right)\cos 2\theta \\ u_\theta =\dfrac{q}{4}\left( {-\dfrac{\alpha }{\mu }\dfrac{a^4}{r^3}-\dfrac{\alpha \left( {\kappa -1} \right)}{\mu }\dfrac{a^2}{r}-\dfrac{r}{\mu }} \right)\sin 2\theta \\ \sigma _r =\dfrac{q}{2}\left( {1+\beta \dfrac{a^2}{r^2}} \right)+ \\ \qquad\dfrac{q}{2}\left( {1-4\alpha \dfrac{a^2}{r^2}+3\alpha \dfrac{a^4}{r^4}} \right)\cos 2\theta \\ \sigma _{r\theta } =\dfrac{q}{2}\left( {-1-2\alpha \dfrac{a^2}{r^2}+3\alpha \dfrac{a^4}{r^4}} \right)\sin 2\theta \\ \sigma _\theta =\dfrac{q}{2}\left( {1-\beta \dfrac{a^2}{r^2}} \right)-\dfrac{q}{2}\left( {1+3\alpha \dfrac{a^4}{r^4}} \right)\cos 2\theta \\ \end{array}} \right\} \end{eqnarray}$
研究夹杂区域$\varOmega ^{\rm f}$, 虚设一条边界$r=\rho <a$. 研究由$r<a$与$r=\rho$围成的环形区域, 此时式(18)变为
(39) $ \begin{eqnarray} \label{eq39} &&a\int_0^{2\pi} {\left( {u_r t_r^\ast +u_\theta t_\theta ^\ast } \right)_{r=a} {\rm d}\theta } -\rho \int_0^{2\pi} {\left( {u_r t_r^\ast +u_\theta t_\theta ^\ast } \right)_{r=\rho } {\rm d}\theta } = \\&& a\int_0^{2\pi} {\left( {w_r^\ast t_r +w_\theta ^\ast t_\theta } \right)_{r=a} {\rm d}\theta } -\\&&\rho \int_0^{2\pi} {\left( {w_r^\ast t_r +w_\theta ^\ast t_\theta } \right)_{r=\rho } {\rm d}\theta } \end{eqnarray}$
式(39)形式上与式(34)完全相同, 除了$r=\rho <a$. 在$r=a$处, 位移$u_r $, $u_\theta $与面力$t_r $, $t_\theta $仍如式(20)所示, 其中系数如式(30)和式(32)所示. 在$r=\rho $处, 仍设位移$u_r $, $u_\theta $与面力$t_r $, $t_\theta $设为式(40), 与式(35)形式相同, 只是待定系数的记号不同.
(40) $ \begin{eqnarray} \label{eq40} \left. {\begin{array}{l} \left( {u_r } \right)_{r=\rho } =A_0^{\rm f} +A_2^{\rm f} \cos 2\theta \\ \left( {u_\theta } \right)_{r=\rho } =B_2^{\rm f} \sin 2\theta \\ t_r =\left( {\sigma _r } \right)_{r=\rho } =C_0^{\rm f} +C_2^{\rm f} \cos 2\theta \\ t_\theta =\left( {\sigma _{r\theta } } \right)_{r=\rho } =D_2^{\rm f} \sin 2\theta \end{array}} \right\} \end{eqnarray}$
将式(20)和式(40)代入式(39), 并选取适当的位移$w_r^\ast $, $w_\theta ^\ast $与面力$t_r^\ast $, $t_\theta ^\ast $. 由于此环形区域既不包含原点也没有无穷远处做边界, 因此只满足位移单值条件即可. 因此预期可以得到6个方程, 解出6个未知系数. 所选取的位移试函数$w_r^\ast $, $w_\theta ^\ast $ 可以分为两类, 一类如表3 所示, 一类如表2 所示. 先考虑表3 中的$w_r^\ast $, $w_\theta ^\ast $, 这时有式(27)成立, 将其代入式(39)得到
(41) $ \begin{eqnarray} \label{eq41} \int_{r=\rho } {\left( {u_r t_r^\ast +u_\theta t_\theta ^\ast } \right){\rm d}s} =\int_{r=\rho } {\left( {w_r^\ast t_r +w_\theta ^\ast t_\theta } \right){\rm d}s} \end{eqnarray}$
式(41)与式(27)形式完全类似, 从数学上看只是做了符号替换, $r=a$换成了$r=\rho $、式(35)换成了式(40), 弹性常数也相同. 结果上也完全类似, 式(29)替换相应的符号得式(40)
(42) $ \begin{eqnarray} \label{eq42} \left. {\begin{array}{l} A_0^{\rm f} =\dfrac{\rho }{E_1 }\left( {1-\nu _1 } \right)C_0^{\rm f} \\ A_2^{\rm f} =\dfrac{\rho }{3E_1 }\left( {C_2^{\rm f} \nu _1 -2D_2^{\rm f} \nu _1 +3C_2^{\rm f} } \right) \\ B_2^{\rm f} =-\dfrac{\rho }{3E_1 }\left( {2C_2^{\rm f} \nu _1 -D_2^{\rm f} \nu _1 -3D_2^{\rm f} } \right) \\ \end{array}} \right\} \end{eqnarray}$
再考虑表2 中的位移$w_r^\ast $, $w_\theta ^\ast $, 替换弹性常数(用$E_1 $, $\nu _1 $, $\mu _1 $替换$E$, $\nu $, $\mu )$, 再代入式(39), 面力$t_r^\ast $和$t_\theta ^\ast $由式(21)求出或者直接查表得到[33 ] 代入式(39), 界面位移与界面面力式(20)和式(40)代入式(39), 积分整理后, 得到式(41)
(43) $ \begin{eqnarray} \label{eq43} \left. {\begin{array}{l} \dfrac{c_0 -C_0^{\rm f} }{2\mu _1 }+\dfrac{a_0 }{a}-\dfrac{A_0^{\rm f} }{\rho }=0 \\ (C_2^{\rm f} +D_2^{\rm f} )\rho +6\mu _1 (A_2^{\rm f} +B_2^{\rm f} )=0 \\ \dfrac{(1+\kappa _1 )C_2^{\rm f} -(\kappa _1 -1)D_2^{\rm f} -2\kappa _1 c_2 }{4\mu _1 }+\\ \qquad \dfrac{2A_2^{\rm f} +B_2^{\rm f} }{\rho }=\dfrac{a_2 }{a} \\ \end{array}} \right\} \end{eqnarray}$
从式(43)中求得$C_0^{\rm f} $, $C_2^{\rm f} $, $D_2^{\rm f} $, 并利用式(30)和 式(32)得
(44) $ \begin{eqnarray} \label{eq44} \left. {\begin{array}{l} C_0^{\rm f} =c_0 =\dfrac{q}{2}\dfrac{(1+\kappa )\mu _1 }{\mu \kappa _1 -\mu +2\mu _1 } \\ C_2^{\rm f} =c_2 =\dfrac{q}{2}\dfrac{\mu _1 (1+\kappa )}{\kappa \mu _1 +\mu } \\ D_2^{\rm f} =d_2 =-\dfrac{q}{2}\dfrac{\mu _1 (1+\kappa )}{\kappa \mu _1 +\mu } \\ \end{array}} \right\} \end{eqnarray}$
从式(44)得知, 夹杂内部的应力与界面处相同, 不随极径变化. 利用式(44)简化式(42), 并用$r$替换$\rho $, 得到
(45) $ \begin{eqnarray} \label{eq45} A_0^{\rm f} =\dfrac{\left( {\kappa _1 -1} \right)r}{4\mu _1 }c_0 ,\ \ A_2^{\rm f} =\dfrac{r}{2\mu _1 }c_2 ,\ \ B_2^{\rm f} =-\dfrac{r}{2\mu _1 }c_2 \end{eqnarray}$
式(45)代入式(40), 并利用式(30), 得到夹杂内的位移与应力
(46) $ \left. {\begin{array}{l} u_r =\dfrac{\left( {\kappa _1 -1} \right)r}{4\mu _1 }\beta ^{\rm f}\dfrac{q}{2}+\dfrac{r}{2\mu _1 }\alpha ^{\rm f}\dfrac{q}{2}\cos 2\theta \\ u_\theta =-\dfrac{r}{2\mu _1 }\alpha ^{\rm f}\dfrac{q}{2}\sin 2\theta \\ \sigma _r =\beta ^{\rm f}\dfrac{q}{2}+\alpha ^{\rm f}\dfrac{q}{2}\cos 2\theta \\ \sigma _{r\theta } =-\alpha ^{\rm f}\dfrac{q}{2}\sin 2\theta \\ \sigma _\theta =\beta ^{\rm f}\dfrac{q}{2}-\alpha ^{\rm f}\dfrac{q}{2}\cos 2\theta \end{array}} \right\} $
\begin{eqnarray*} &&\beta ^f=\dfrac{\left( {1+\kappa } \right)\mu _1 }{\mu \kappa _1 -\mu +2\mu _1 },\ \ \alpha ^f=\dfrac{\mu _1 \left( {1+\kappa } \right)}{\kappa \mu _1 +\mu } \end{eqnarray*}
结果与文献[17 ] 相同. 同边界元法一样, 此边界积分法也可以用于求解振动问题[35 ] .
3 结论
本文参考了边界元的思路, 从Somigliana等式出发, 利用格林函数的不唯一性, 得到了适用于本文的边界积分方程. 可以用此方程求解弹性力学问题的解析解. 求解步骤也与边界元类似, 先求出未知边界位移与面力, 再求域内位移与面力. 对于含有有限边界的平面弹性问题来说, 第一步可以将边界上位移、面力进行傅里叶级数展开, 利用三角函数的正交性, 求解边界上未知位移与面力. 第二步类似矩阵传递法. 知道边界上的位移与面力后, 虚设边界通过域内的点, 再次利用第一步的方法求解域内位移与应力.
为了验证本方法, 具体说明本方法求解思路. 求解了单向均布应力下平板含圆形夹杂问题, 得到了精确解. 在特殊情况下可以化为含圆孔或刚性夹杂的解析解. 结果说明了此方法的有效性.
参考文献
View Option
[1]
Hartmann F . Introduction to Boundary Elements: Theory and Applications
New York: Springer , 1989
[本文引用: 1]
[2]
Gaul L , Martin K , Marcus W . Boundary Element Methods for Engineers and Scientists: An Introductory Course with Advanced Topics
Berlin: Springer , 2003
[3]
Katsikadelis JT . The Boundary Element Method for Engineers and Scientists: Theory and Applications . New York : Academic Press , 2016
[4]
姚振汉 , 王海涛 . 边界元法 . 北京 : 高等教育出版社 , 2010
[本文引用: 2]
( Yao Zhenhan , Wang Haitao . Boundary Element Methods. Beijing : Higher Education Press , 2010 (in Chinese))
[本文引用: 2]
[5]
马西奎 . 电磁场积分方程法、积分微分方程法和边界元法 . 北京 : 科学出版社 , 2017
( Ma Xikui . Integral Equation Method, Integral Differential Equation Method and Boundary Element Method for Electromagnetic Field. Beijing : Science Press , 2017 (in Chinese))
[6]
肖洪天 , 岳中琦 . 梯度材料断裂力学的新型边界元法分析 . 北京 : 高等教育出版社 , 2011
[本文引用: 1]
( Xiao Hongtian , Yue Zhongqi . New Boundary Element Analysis of Fracture Mechanics in Functionally Graded Mater. Beijing : Higher Education Press , 2011 (in Chinese))
[本文引用: 1]
[7]
程万 , 金衍 . 基于边界元法的水力压裂数值模拟技术 . 北京 : 科学出版社 , 2018
[本文引用: 1]
( Cheng Wan , Jin Yan . Numerical Simulation of Hydraulic Fracturing Based on Boundary Element Method. Beijing : Science Press , 2018 (in Chinese))
[本文引用: 1]
[8]
周斌珍 , 陈中飞 . 波物相互作用的全非线性边界元数值方法与应用 . 哈尔滨 : 哈尔滨工程大学出版社 , 2018
( Zhou Binzhen , Chen Zhongfei . Boundary Element Method and Application for Fully Nonlinear Wave-Structure Interaction. Harbin : Harbin Engineering University Press , 2018 (in Chinese))
[9]
李成勇 , 刘启国 , 周珺 等 . 点源函数和边界元方法求解油藏渗流问题 . 北京 : 科学出版社 , 2016
( Li Chengyong , Liu Qiguo , Zhou qun , et al . Point Source Function and Boundary Element Method for Reservoir Percolation Problem. Beijing : Science Press , 2016 (in Chinese))
[10]
程长征 . 涂层结构和V形切口界面强度的边界元法分析研究 . 合肥 : 合肥工业大学出版社 , 2012
( Cheng Changzheng . Study on Interface Strength of Coating Structure and V-notch by Boundary Element Method. Hefei : Hefei University of Technology Press , 2012 (in Chinese))
[11]
覃新川 . 电磁理论中的边界元方法探索 . 北京 : 科学出版社 , 2017
( Tan Xinchuan . Exploration of Boundary Element Method in Electromagnetic Theory. Beijing : Science Press , 2017 (in Chinese))
[12]
李顺才 , 董正筑 , 赵慧明 . 弹性薄板弯曲及平面问题的自然边界元方法 . 北京 : 科学出版社 , 2011
( Li Shuncai and Dong Zhengzhu , Zhao Huiming . Natural Boundary Element Method for Bending and Plane Problems of Elastic Thin Plates. Beijing : Science Press , 2011 (in Chinese))
[13]
祝家麟 , 袁政强 . 边界元分析 . 北京 : 科学出版社 , 2009
( Zhu Jialin , Yuan Zhengqiang . Boundary Element Analysis. Beijing : Science Press , 2009 (in Chinese))
[14]
余德浩 . 自然边界元方法的数学理论 . 北京 : 科学出版社 , 1993
( Yu Dehao . Mathematical Theory of Natural Boundary Element Method. Beijing : Science Press , 1993 (in Chinese))
[15]
吴正鹏 . 自然边界元在非线性问题及电磁场中的应用 . 合肥 : 安徽大学出版社 , 2011
( Wu Zhengpeng . Application of Natural Boundary Element in Nonlinear Problems and Electromagnetic Fields. Hefei : Anhui University Press , 2011 (in Chinese))
[16]
Ang WF . Hypersingular Integral Equations in Fracture Analysis. UK : Woodhead Publishing Limited , 2013
[本文引用: 1]
[17]
陈磊磊 , 卢闯 , 徐延明 等 . 细分曲面边界元法的黏附吸声材料结构拓扑优化分析
力学学报 , 2019 ,51 (3 ):884 -893
[本文引用: 2]
( Chen Leilei , Lu Chuang , Xu Yanming , et al . Topology optimization analysis of adhesive sound absorbing materials structure with subdivision surface boundary element method
Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics , 2019 ,51 (3 ):884 -893 (in Chinese))
[本文引用: 2]
[18]
周琪 , 陈永强 . 轴对称薄壁结构自由振动的边界元分析
力学学报 , 2019 ,51 (1 ):146 -158
( Zhou Qi , Chen Yongqiang . Free vibration analysis of thin-walled axisymmetric structures with boundary element method
Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics , 2019 ,51 (1 ):146 -158 (in Chinese))
[19]
余远锋 , 李泽卫 , 郑晓亚 . 粗糙表面之间接触热阻反问题研究
力学学报 , 2018 ,50 (3 ):479 -486
[本文引用: 1]
( Yu Yuangfeng , Li Zewei , Zheng Xiaoya . The inverse problem of thermal contact resistance between rough surfaces
Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics , 2018 ,50 (3 ):479 -486 (in Chinese))
[本文引用: 1]
[20]
Kazumi W . Integral Transform Techniques for Green's Function . Switzerland : Springer International Publishing , 2014
[本文引用: 2]
[21]
Selvadurai APS . An application of Betti' s reciprocal theorem for the analysis of an inclusion problem
Engineering Analysis with Boundary Elements , 2000 ,24 (10 ):759 -765
[本文引用: 1]
[22]
Love AEH . A Treatise on The Mathematical Theory of Elasticity. Cambrdge : Cambridge University Press , 1927
[本文引用: 1]
[23]
Michell JH . . On the direct determination of stress in an elastic solid, with application to the theory of plates
Proceedings of the London Mathematical Society , 1899 ,31 (1 ):100 -124
[本文引用: 1]
[24]
Martin H S . Elasticity: Theory, Applications, and Numerics
New York: Elsevier Butterworth-Heinemann , 2005
[本文引用: 1]
[25]
Little RW . Elasticity
Englewood Cliffs: Prentice Hall , 1973
[本文引用: 1]
[26]
Goodier JN . Concentration of stress around spherical and cylindrical inclusions and flaws
Trans, ASME , 1933 ,55 (1 ):39 -44
[本文引用: 1]
[27]
Muskhelishvili NI . Some Basic Problems on the Mathematical Theory of Elasticity
Berlin: Springer Netherlands , 1953
[28]
Dundurs J , Hetenyi M . The elastic plane with a circular insert, loaded by a radial force
ASME, Journal of Applied Mechanics , 1961 ,28 (1 ):103 -111
[29]
王敏中 , 王炜 , 武际可 . 弹性力学教程 . 北京 : 北京大学出版社 , 2011
( Wang Minzhong , Wang Wei , Wu Jike . A Course on Elasticity. Beijing : Beijing University Press , 2011 (in Chinese))
[30]
Edmonds DV , Beevers CJ . The effect of inclusions on the stress distribution in solids
Journal of Materials Science , 1968 ,3 (5 ):457 -463
[本文引用: 1]
[31]
徐芝纶 . 弹性力学(第四版) . 北京 : 高等教育出版社 , 2014
[本文引用: 2]
( Xu Zhilun . Elasticity (The Fourth Edition). Beiing : Higher Education Press , 2014 (in Chinese))
[本文引用: 2]
[32]
Kachanov ML , Shafiro B , Tsukrov I . Handbook of Elasticity Solutions
Berlin: Springer Science & Business Media , 2003
[33]
Barber JB . Elasticity (3rd Edition)
New York: Springer Netherlands , 2010
[本文引用: 3]
[34]
Timoshenko S , Goodier JN . Theory of Elasticity.
New York: Mcgraw-Hill , 1951
[本文引用: 1]
[35]
郭树起 . 边界积分法在振动问题中的应用
// 中国振动工程学会, 第十三届全国振动理论及应用学术会议论文集 , 2019 : 178 -183
[本文引用: 1]
( Guo Shuqi . Application of boundary integral methods to vibration problems
// Chinese Society for Vibration Engineering, Proceedings of the 13th National Conference on vibration theory and Application , 2019 : 178 -183 (in Chinese))
[本文引用: 1]
Introduction to Boundary Elements: Theory and Applications
1
1989
... 边界元方法[1 -6 ] 作为一种非常成功的数值方法, 在力、热、电、磁等多个物理分支都得到了广泛的应用[7 -16 ] . 对于难于求得解析解的问题, 可以采用边界元法进行数值求解[17 -19 ] . 边界元法通常导致边界积分方程, 也称边界积分方程方法. ...
Boundary Element Methods for Engineers and Scientists: An Introductory Course with Advanced Topics
2003
2
2010
... 由于线弹性算子$\mathcal{L}_{ik} $的零空间是非平凡的, 因此格林函数不唯一. 利用此不唯一性, 记两个任意的格林函数为$u_{mj}^{\ast 1}$, $u_{mj}^{\ast 2}$, 均满足方程(3a), 将其代入到Somigliana等式(1)中[4 ,20 ] ,将得到的两个方程相减得到 ...
... 其中, $(\ )^{(1)}$和$(\ )^{(2)}$分别表示同一物体的线弹性边值问题I, II的位移$u_j $, 面力$t_j $与体力$f_j $. 但$w_j^\ast $并不是某个力学边值问题的解, 而是需要满足无体力的齐次方程(8)或(9). Somigliana等式可以从Betti互易定理推导而来[4 ] , 即把格林函数定义式(5)代入式(10). 式(7)也可以由Betti互易定理得到. 在式(10)中令$f_i^{(2)} =0$, 所得方程即与式(7)含义相同, 只是记号不同. 将$f_i^{(2)} =0$代入应力平衡方程$\sigma_{ji,j}^{(2)} +f_i^{(2)} =0$中. 即得无体力的应力平衡方程, $\sigma _{ji,j}^{(2)} =0$. 在式(8)和式(9)中代入本构方程与几何方程, 同样得无体力的应力平衡方程. ...
2
2010
... 由于线弹性算子$\mathcal{L}_{ik} $的零空间是非平凡的, 因此格林函数不唯一. 利用此不唯一性, 记两个任意的格林函数为$u_{mj}^{\ast 1}$, $u_{mj}^{\ast 2}$, 均满足方程(3a), 将其代入到Somigliana等式(1)中[4 ,20 ] ,将得到的两个方程相减得到 ...
... 其中, $(\ )^{(1)}$和$(\ )^{(2)}$分别表示同一物体的线弹性边值问题I, II的位移$u_j $, 面力$t_j $与体力$f_j $. 但$w_j^\ast $并不是某个力学边值问题的解, 而是需要满足无体力的齐次方程(8)或(9). Somigliana等式可以从Betti互易定理推导而来[4 ] , 即把格林函数定义式(5)代入式(10). 式(7)也可以由Betti互易定理得到. 在式(10)中令$f_i^{(2)} =0$, 所得方程即与式(7)含义相同, 只是记号不同. 将$f_i^{(2)} =0$代入应力平衡方程$\sigma_{ji,j}^{(2)} +f_i^{(2)} =0$中. 即得无体力的应力平衡方程, $\sigma _{ji,j}^{(2)} =0$. 在式(8)和式(9)中代入本构方程与几何方程, 同样得无体力的应力平衡方程. ...
1
2011
... 边界元方法[1 -6 ] 作为一种非常成功的数值方法, 在力、热、电、磁等多个物理分支都得到了广泛的应用[7 -16 ] . 对于难于求得解析解的问题, 可以采用边界元法进行数值求解[17 -19 ] . 边界元法通常导致边界积分方程, 也称边界积分方程方法. ...
1
2011
... 边界元方法[1 -6 ] 作为一种非常成功的数值方法, 在力、热、电、磁等多个物理分支都得到了广泛的应用[7 -16 ] . 对于难于求得解析解的问题, 可以采用边界元法进行数值求解[17 -19 ] . 边界元法通常导致边界积分方程, 也称边界积分方程方法. ...
1
2018
... 边界元方法[1 -6 ] 作为一种非常成功的数值方法, 在力、热、电、磁等多个物理分支都得到了广泛的应用[7 -16 ] . 对于难于求得解析解的问题, 可以采用边界元法进行数值求解[17 -19 ] . 边界元法通常导致边界积分方程, 也称边界积分方程方法. ...
1
2018
... 边界元方法[1 -6 ] 作为一种非常成功的数值方法, 在力、热、电、磁等多个物理分支都得到了广泛的应用[7 -16 ] . 对于难于求得解析解的问题, 可以采用边界元法进行数值求解[17 -19 ] . 边界元法通常导致边界积分方程, 也称边界积分方程方法. ...
1
2013
... 边界元方法[1 -6 ] 作为一种非常成功的数值方法, 在力、热、电、磁等多个物理分支都得到了广泛的应用[7 -16 ] . 对于难于求得解析解的问题, 可以采用边界元法进行数值求解[17 -19 ] . 边界元法通常导致边界积分方程, 也称边界积分方程方法. ...
细分曲面边界元法的黏附吸声材料结构拓扑优化分析
2
2019
... 边界元方法[1 -6 ] 作为一种非常成功的数值方法, 在力、热、电、磁等多个物理分支都得到了广泛的应用[7 -16 ] . 对于难于求得解析解的问题, 可以采用边界元法进行数值求解[17 -19 ] . 边界元法通常导致边界积分方程, 也称边界积分方程方法. ...
... 结果与文献[17 ] 相同. 同边界元法一样, 此边界积分法也可以用于求解振动问题[35 ] . ...
细分曲面边界元法的黏附吸声材料结构拓扑优化分析
2
2019
... 边界元方法[1 -6 ] 作为一种非常成功的数值方法, 在力、热、电、磁等多个物理分支都得到了广泛的应用[7 -16 ] . 对于难于求得解析解的问题, 可以采用边界元法进行数值求解[17 -19 ] . 边界元法通常导致边界积分方程, 也称边界积分方程方法. ...
... 结果与文献[17 ] 相同. 同边界元法一样, 此边界积分法也可以用于求解振动问题[35 ] . ...
粗糙表面之间接触热阻反问题研究
1
2018
... 边界元方法[1 -6 ] 作为一种非常成功的数值方法, 在力、热、电、磁等多个物理分支都得到了广泛的应用[7 -16 ] . 对于难于求得解析解的问题, 可以采用边界元法进行数值求解[17 -19 ] . 边界元法通常导致边界积分方程, 也称边界积分方程方法. ...
粗糙表面之间接触热阻反问题研究
1
2018
... 边界元方法[1 -6 ] 作为一种非常成功的数值方法, 在力、热、电、磁等多个物理分支都得到了广泛的应用[7 -16 ] . 对于难于求得解析解的问题, 可以采用边界元法进行数值求解[17 -19 ] . 边界元法通常导致边界积分方程, 也称边界积分方程方法. ...
2
2014
... 其中, $\lambda $和$G$是Lamé常数. $u_j^\ast$, $u_{mj}^\ast $称格林函数[20 ] . ...
... 由于线弹性算子$\mathcal{L}_{ik} $的零空间是非平凡的, 因此格林函数不唯一. 利用此不唯一性, 记两个任意的格林函数为$u_{mj}^{\ast 1}$, $u_{mj}^{\ast 2}$, 均满足方程(3a), 将其代入到Somigliana等式(1)中[4 ,20 ] ,将得到的两个方程相减得到 ...
An application of Betti' s reciprocal theorem for the analysis of an inclusion problem
1
2000
... 方程(7)与式(10)所示的Betti互易定理[21 -22 ] 形式上类似. ...
1
1927
... 方程(7)与式(10)所示的Betti互易定理[21 -22 ] 形式上类似. ...
On the direct determination of stress in an elastic solid, with application to the theory of plates
1
1899
... 利用式(12)求得未知的边界位移与面力. 对于无体力平面问题来说, 位移函数$w_j^\ast$可以采用相应于Michell解的位移函数[23 -25 ] . 一般来说, 边界位移与面力假设中一般包含不止一个待定常数, 因此需要符合题意的多个位移函数$w_j^\ast$以及面力函数$t_j^\ast $. 这样的函数在此称为{\bf 试函数}. 边界位移与边界面力全部已知后, 边界元法用Somigliana等式计算域内位移. 本文则继续用式(12)求域内位移, 避免使用格林函数带来奇异积分问题. 基本步骤是作一条虚拟边界$L^\ast$经过需要计算位移与应力的点, 即式(12)变为 ...
Elasticity: Theory, Applications, and Numerics
1
2005
... 其中, $w_r^\ast $, $w_\theta ^\ast $采用Michell解的位移部分[24 ] . 由于Michell的位移解以Fourier级数形式出现, $w=\sum\limits_{n=0}^\infty {\left[ {a_n \left( r \right)\cos n\theta +b_n \left( r \right)\sin n\theta } \right]} $. 根据三角级数的正交性, 式(19)中位移$w_r^\ast $, $w_\theta ^\ast$只能出现常数项与$n=2$的项. 所以$t_r $, $t_\theta $, $u_r $, $u_\theta$也只能出现$n=0$与$n=2$的项. 再根据对称性, $r$为常数时, $u_r \left( \theta \right)=u_r\left( {-\theta } \right)$, $u_r \left( \theta \right)=u_r \left( {\pi -\theta } \right)$, $u_\theta \left( {-\theta } \right)=-u_\theta \left(\theta \right)$, $u_\theta \left( \theta \right)= -u_\theta \left({\pi -\theta } \right)$. 因此位移$u_r $, $u_\theta $与面力$t_r $, $t_\theta $ 在$r=a$的位移设为 ...
Elasticity
1
1973
... 利用式(12)求得未知的边界位移与面力. 对于无体力平面问题来说, 位移函数$w_j^\ast$可以采用相应于Michell解的位移函数[23 -25 ] . 一般来说, 边界位移与面力假设中一般包含不止一个待定常数, 因此需要符合题意的多个位移函数$w_j^\ast$以及面力函数$t_j^\ast $. 这样的函数在此称为{\bf 试函数}. 边界位移与边界面力全部已知后, 边界元法用Somigliana等式计算域内位移. 本文则继续用式(12)求域内位移, 避免使用格林函数带来奇异积分问题. 基本步骤是作一条虚拟边界$L^\ast$经过需要计算位移与应力的点, 即式(12)变为 ...
Concentration of stress around spherical and cylindrical inclusions and flaws
1
1933
... 圆形夹杂问题是弹性力学的一个经典问题, 通常采用Airy应力函数法与复变函数法求解[26 -30 ] . 理论结果被实验所验证[31 ] . 在此用边界积分法求其解析解. 如图1 所示, 无限大平板上有半径$r=a$的圆形夹杂, 夹杂内的弹性常数与基体不同.基体的弹性常数用$E$, $\nu $, $\mu $分别来表示杨氏模量、泊松比、剪切模量, 夹杂内的弹性常数用下标1以示区别, 如$E_1$, $\nu _1$, $\mu _1 $. 夹杂所在区域为$\varOmega^{\rm f}$, 其他不含夹杂的区域为$\varOmega $. ...
Some Basic Problems on the Mathematical Theory of Elasticity
1953
The elastic plane with a circular insert, loaded by a radial force
1961
The effect of inclusions on the stress distribution in solids
1
1968
... 圆形夹杂问题是弹性力学的一个经典问题, 通常采用Airy应力函数法与复变函数法求解[26 -30 ] . 理论结果被实验所验证[31 ] . 在此用边界积分法求其解析解. 如图1 所示, 无限大平板上有半径$r=a$的圆形夹杂, 夹杂内的弹性常数与基体不同.基体的弹性常数用$E$, $\nu $, $\mu $分别来表示杨氏模量、泊松比、剪切模量, 夹杂内的弹性常数用下标1以示区别, 如$E_1$, $\nu _1$, $\mu _1 $. 夹杂所在区域为$\varOmega^{\rm f}$, 其他不含夹杂的区域为$\varOmega $. ...
2
2014
... 圆形夹杂问题是弹性力学的一个经典问题, 通常采用Airy应力函数法与复变函数法求解[26 -30 ] . 理论结果被实验所验证[31 ] . 在此用边界积分法求其解析解. 如图1 所示, 无限大平板上有半径$r=a$的圆形夹杂, 夹杂内的弹性常数与基体不同.基体的弹性常数用$E$, $\nu $, $\mu $分别来表示杨氏模量、泊松比、剪切模量, 夹杂内的弹性常数用下标1以示区别, 如$E_1$, $\nu _1$, $\mu _1 $. 夹杂所在区域为$\varOmega^{\rm f}$, 其他不含夹杂的区域为$\varOmega $. ...
... 所选位移试函数$w_r^\ast $, $w_\theta ^\ast $与相应的应力函数$\varphi $ 如表2 所示. 函数$w_r^\ast $, $w_\theta ^\ast $, $t_r^\ast $, $t_\theta ^\ast$需要满足无穷远处趋于零的边界条件, 另外还需满足位移单值条件. 表2 的$\varphi$相应于位移$w_r^\ast $、$w_\theta ^\ast $的Airy应力函数[31 , 34 ] , 其中, $\mu =E/(2+2\nu )$. 平面应力, $\kappa =(3-\nu )/(1+\nu)$; 平面应变$\kappa =3-4\nu$, 相应的边界上的面力为 ...
2
2014
... 圆形夹杂问题是弹性力学的一个经典问题, 通常采用Airy应力函数法与复变函数法求解[26 -30 ] . 理论结果被实验所验证[31 ] . 在此用边界积分法求其解析解. 如图1 所示, 无限大平板上有半径$r=a$的圆形夹杂, 夹杂内的弹性常数与基体不同.基体的弹性常数用$E$, $\nu $, $\mu $分别来表示杨氏模量、泊松比、剪切模量, 夹杂内的弹性常数用下标1以示区别, 如$E_1$, $\nu _1$, $\mu _1 $. 夹杂所在区域为$\varOmega^{\rm f}$, 其他不含夹杂的区域为$\varOmega $. ...
... 所选位移试函数$w_r^\ast $, $w_\theta ^\ast $与相应的应力函数$\varphi $ 如表2 所示. 函数$w_r^\ast $, $w_\theta ^\ast $, $t_r^\ast $, $t_\theta ^\ast$需要满足无穷远处趋于零的边界条件, 另外还需满足位移单值条件. 表2 的$\varphi$相应于位移$w_r^\ast $、$w_\theta ^\ast $的Airy应力函数[31 , 34 ] , 其中, $\mu =E/(2+2\nu )$. 平面应力, $\kappa =(3-\nu )/(1+\nu)$; 平面应变$\kappa =3-4\nu$, 相应的边界上的面力为 ...
Handbook of Elasticity Solutions
2003
Elasticity (3rd Edition)
3
2010
... 先研究基体部分, 即夹杂之外的区域$\varOmega $. 把位移与应力分解为均匀场部分与扰动部分[33 ] , $u_i =u_i +u_i^0 ,\sigma _{ij} =\tau _{ij} +\sigma _{ij}^0 $, 并考虑式(15a)和式(15b), 有 ...
... 将式(20)和式(35)代入式(30), 并选取适当的位移试函数$w_r^\ast $, $w_\theta ^\ast$与面力$t_r^\ast $, $t_\theta ^\ast $. 由于此环形区域既不包含原点也没有无穷远处做边界, 因此只满足位移单值条件即可. 所选取的$w_r^\ast $, $w_\theta ^\ast $、应力函数$\varphi $如表2 与表3 所示, 此时表3 中的$\mu _1 $, $\kappa _1 $应替换为$\mu $, $\kappa $. 面力$t_r^\ast $, $t_\theta ^\ast $由式(21)求出或者直接查表得到[33 ] . 并利用式(25)、$c_2 +d_2 =0$与$a_2 +b_2 =0$, 所得方程如下 ...
... 再考虑表2 中的位移$w_r^\ast $, $w_\theta ^\ast $, 替换弹性常数(用$E_1 $, $\nu _1 $, $\mu _1 $替换$E$, $\nu $, $\mu )$, 再代入式(39), 面力$t_r^\ast $和$t_\theta ^\ast $由式(21)求出或者直接查表得到[33 ] 代入式(39), 界面位移与界面面力式(20)和式(40)代入式(39), 积分整理后, 得到式(41) ...
Theory of Elasticity.
1
1951
... 所选位移试函数$w_r^\ast $, $w_\theta ^\ast $与相应的应力函数$\varphi $ 如表2 所示. 函数$w_r^\ast $, $w_\theta ^\ast $, $t_r^\ast $, $t_\theta ^\ast$需要满足无穷远处趋于零的边界条件, 另外还需满足位移单值条件. 表2 的$\varphi$相应于位移$w_r^\ast $、$w_\theta ^\ast $的Airy应力函数[31 , 34 ] , 其中, $\mu =E/(2+2\nu )$. 平面应力, $\kappa =(3-\nu )/(1+\nu)$; 平面应变$\kappa =3-4\nu$, 相应的边界上的面力为 ...
边界积分法在振动问题中的应用
1
2019
... 结果与文献[17 ] 相同. 同边界元法一样, 此边界积分法也可以用于求解振动问题[35 ] . ...
边界积分法在振动问题中的应用
1
2019
... 结果与文献[17 ] 相同. 同边界元法一样, 此边界积分法也可以用于求解振动问题[35 ] . ...