基于尺度效应及记忆效应的多场耦合问题动态响应研究

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在经典傅里叶热传导理论的理论框架内热具有无限大的传播速度。在实际生产中,若传热过程稳定,传热时间长,傅里叶热传导定律则适用于这样的稳态传热过程。但是随着新型材料的出现和理论的不断完善,经典的傅里叶热传导理论已不能满足一些领域的研究现状而表现出了一定的局限性。当一些材料的热传导过程呈非稳态且出现极端传热条件和非常规传热时,此时傅里叶热传导理论不能够精确描述这些现象。因此,为了解决这些问题学者们建立了像双相滞后和三相滞后热传导模型等这样的非傅里叶热传导模型。在研究非傅里叶热传导理论的过程中学者们又发现了在传播过程中具有热波,于是研究提出了热弹耦合理论,并在发展过程中形成了各种广义热弹耦合理论。目前研究较为成熟的例如有Lord-Shulman型广义热弹性理论,Green-Lindsay型广义热弹性理论和Green-Naghdi型广义热弹性理论。近年来随着科学技术的进步和材料的革新,经典的热传导理论和广义热弹性理论已经无法准确描述这些材料在热传导过程中发生的力学行为,例如多孔材料、生物材料和复合材料等和反常传导、反常扩散等特殊物理过程。因此在广义热弹耦合理论的基础上,在微尺度效应和热传导等领域引入了分数阶微积分来准确描述这些热弹性行为。而在石墨烯、碳纳米管等微纳米尺度结构中,在热传导过程中出现了显著的空间尺度效应,对于这种现象经典热传导理论和广义热传导理论同样无法准确描述结构的动态响应。为了描述这样的空间非局部特性,学者们提出了非局部理论,建立了受非局部效应影响的广义热弹性理论。本文基于广义热弹耦合理论、分数阶微积分、非局部理论,运用拉普拉斯变换和拉普拉斯反变换对半无限大薄板和球形空腔无限大体的多场耦合的热冲击动态响应问题做了一些研究。内容如下:(1)在记忆依赖效应热弹扩散理论的基础上,引入非局部效应,研究了对无限大平面薄板动态响应的影响,并做了不同核函数对各个无量纲物理量的影响规律的研究,获得了该模型的位移、应力、化学势、温度和浓度等受记忆依赖微分和非局部效应影响时的分布规律。数值分析结果表明,非局部算子和核函数的改变会对应力、位移、化学势和浓度产生不同程度的影响。(2)本章在Sherief型分数阶热弹理论的基础之上,引入非局部效应,研究了它对含球形空腔无限大体动态响应的影响,并研究了选择不同的分数阶参数α时对各个无量纲物理量的影响,获得了该模型的温度、位移、环向应力和径向应力等受分数阶微积分和非局部效应影响时的分布规律。数值分析结果表明,非局部算子对各物理量的动态响应都有一定的影响,而在非局部效应之下,分数阶算子的不同也会造成各物理量动态响应结果的不同。
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