三峽庫區(qū)巖土體主要?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)指標(biāo)體系研究

該項(xiàng)目在充分調(diào)研、搜集庫區(qū)歷年來大量的地質(zhì)勘察、地球物理勘探、巖土工程試驗(yàn)資料的基礎(chǔ)上，選擇茅坪、巴東、巫山、奉節(jié)、萬州等典型地段、典型巖性地區(qū)進(jìn)行了巖土體類型的劃分與地球物理特征研究；在所選試驗(yàn)區(qū)完成了地震波法、聲波法、電阻率及松散巖土類場地地脈動(dòng)測(cè)試任務(wù)，采集巖芯或巖塊76個(gè)，測(cè)試露頭30組，照片400多張，對(duì)采集的巖芯進(jìn)行了室內(nèi)超聲波測(cè)試，得到了大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和研究資料。通過典型地區(qū)巖土體主要?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)的地球物理測(cè)試，結(jié)合收集到的庫區(qū)有關(guān)地質(zhì)勘察、物探、巖石土工試驗(yàn)資料，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、計(jì)算，回歸分析和預(yù)測(cè)模式的曲線擬合，建立了數(shù)學(xué)模型，形成了三峽庫區(qū)巫山、奉節(jié)、巴東、萬州、秭歸（茅坪）等典型地區(qū)的巖土體動(dòng)力學(xué)參數(shù)指標(biāo)體系；建立了庫區(qū)巖土體主要?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)指標(biāo)體系及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，充實(shí)了三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治工程信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的相應(yīng)的數(shù)據(jù)。（1）進(jìn)行了巖土體類型的劃分與地球物理特征研究；（2）通過典型地區(qū)巖土體主要?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)的地球物理測(cè)試，結(jié)合收集到的庫區(qū)有關(guān)地質(zhì)勘察、物探、巖石土工試驗(yàn)資料，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、計(jì)算，回歸分析和預(yù)測(cè)模式的曲線擬合，建立了數(shù)學(xué)模型，形成了三峽庫區(qū)巫山、奉節(jié)、巴東、萬州、秭歸（茅坪）等典型地區(qū)的巖土體動(dòng)力學(xué)參數(shù)指標(biāo)體系；（3）進(jìn)行了松散堆積體（土）場地地脈動(dòng)與面波測(cè)試研究；（4）總結(jié)了庫區(qū)三期地質(zhì)災(zāi)害防治規(guī)劃庫岸地球物理勘測(cè)資料；（5）建立了庫區(qū)巖土體主要?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)指標(biāo)體系及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，為今后系統(tǒng)的擴(kuò)展打下了的良好基礎(chǔ)。

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的研究內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)研究和理論分析兩個(gè)方面。

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究

在18～19世紀(jì)，大量的實(shí)驗(yàn)研究不僅為理論分析奠定了基礎(chǔ)，而且成為當(dāng)時(shí)解決實(shí)際工程問題的主要手段。例如，19世紀(jì)對(duì)橋梁和路軌在移動(dòng)載荷作用下的響應(yīng)所作的實(shí)驗(yàn)，曾對(duì)鐵路運(yùn)輸工程的發(fā)展作出重要貢獻(xiàn)。即使在理論分析已較為完善的今天，實(shí)驗(yàn)仍不可缺少。20世紀(jì)60年代，美國在研制土星V運(yùn)載火箭時(shí)就不惜耗費(fèi)50萬美元，制作一個(gè)1/10的動(dòng)力相似模型，以測(cè)定其動(dòng)力特性。至于材料和結(jié)構(gòu)阻尼特性的測(cè)定、振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)等工作，則主要依靠實(shí)驗(yàn)研究。

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中有以下幾個(gè)課題：①材料性能的測(cè)定：包括測(cè)定動(dòng)態(tài)應(yīng)力－應(yīng)變曲線、沖擊載荷作用下的極限強(qiáng)度(見材料的力學(xué)性能)、重復(fù)載荷作用下的疲勞強(qiáng)度(見疲勞)、材料或結(jié)構(gòu)的阻尼特性等;②結(jié)構(gòu)動(dòng)力相似模型的研究：包括各種情況下的動(dòng)力相似條件、相似模型的設(shè)計(jì)和制作等;③結(jié)構(gòu)固有(自由)振動(dòng)參量的測(cè)定:對(duì)結(jié)構(gòu)或其相似模型施加一定方式的激勵(lì)，如頻率可調(diào)的簡諧力、沖擊力或隨機(jī)力，然后根據(jù)響應(yīng)確定結(jié)構(gòu)的固有頻率、振動(dòng)形態(tài)(振型)以及振型阻尼系數(shù)等參量；④振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)：在現(xiàn)場或在能模擬振動(dòng)環(huán)境的試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)結(jié)構(gòu)或其相似模型進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，用以確定結(jié)構(gòu)的工作可靠性或使用壽命；⑤其他專業(yè)性試驗(yàn)。

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論分析

結(jié)構(gòu)的質(zhì)量是一連續(xù)的空間函數(shù)，因此結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程是一個(gè)含有空間坐標(biāo)和時(shí)間的偏微分方程，只是對(duì)某些簡單結(jié)構(gòu)，這些方程才有可能直接求解。對(duì)于絕大多數(shù)實(shí)際結(jié)構(gòu)，在工程分析中主要采用數(shù)值方法。作法是先把結(jié)構(gòu)離散化成為一個(gè)具有有限自由度的數(shù)學(xué)模型，在確定載荷后，導(dǎo)出模型的運(yùn)動(dòng)方程，然后選用合適的方法求解。

（1）教學(xué)模型

將結(jié)構(gòu)離散化的方法主要有以下三種：①集聚質(zhì)量法：把結(jié)構(gòu)的分布質(zhì)量集聚于一系列離散的質(zhì)點(diǎn)或塊，而把結(jié)構(gòu)本身看作是僅具有彈性性能的無質(zhì)量系統(tǒng)。由于僅是這些質(zhì)點(diǎn)或塊才產(chǎn)生慣性力，故離散系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程只以這些質(zhì)點(diǎn)的位移或塊的位移和轉(zhuǎn)動(dòng)作為自由度。對(duì)于大部分質(zhì)量集中在若干離散點(diǎn)上的結(jié)構(gòu)，這種方法特別有效。②瑞利－里茲法(即廣義位移法)：假定結(jié)構(gòu)在振動(dòng)時(shí)的位形(偏離平衡位置的位移形態(tài))可用一系列事先規(guī)定的容許位移函數(shù)f_i(它們必須滿足支承處的約束條件以及結(jié)構(gòu)內(nèi)部位移的連續(xù)性條件)之和來表示，例如，對(duì)于一維結(jié)構(gòu)，它的位形u(x)可以近似地表為：

式中的q_j稱為廣義坐標(biāo)，它表示相應(yīng)位移函數(shù)的幅值。這樣，離散系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程就以廣義坐標(biāo)作為自由度。對(duì)于質(zhì)量分布比較均勻，形狀規(guī)則且邊界條件易于處理的結(jié)構(gòu)，這種方法很有效。③有限元法：可以看作是分區(qū)的瑞利－里茲法，其要點(diǎn)是先把結(jié)構(gòu)劃分成適當(dāng)數(shù)量的區(qū)域(稱為單元)，然后對(duì)每一單元施行瑞利－里茲法。通常取單元邊界上(有時(shí)也包括單元內(nèi)部)若干個(gè)幾何特征點(diǎn)(例如三角形的頂點(diǎn)、邊中點(diǎn)等)處的廣義位移q_j作為廣義坐標(biāo)，并對(duì)每個(gè)廣義坐標(biāo)取相應(yīng)的插值函數(shù)作為單元內(nèi)部的位移函數(shù)(或稱形狀函數(shù))。在這樣的數(shù)學(xué)模型中，要求形狀函數(shù)的組合在相鄰單元的公共邊界上滿足位移連續(xù)條件。一般地說，有限元法是最靈活有效的離散化方法，它提供了既方便又可靠的理想化模型，并特別適合于用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析，是目前最為流行的方法，已有不少專用的或通用的程序可供結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析之用。

（2）載荷確定

載荷有三個(gè)因素，即大小，方向和作用點(diǎn)。如果這些因素隨時(shí)同緩慢變化，則在求解結(jié)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)，可把載荷作為靜載荷處理以簡化計(jì)算。載荷的變化或結(jié)構(gòu)的振動(dòng)是否“緩慢”，只是一個(gè)相對(duì)的概念。如果載荷的變化周期在結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)周期的五、六倍以上，把它當(dāng)作靜載荷將不會(huì)帶來多少誤差。若載荷的變化周期接近于結(jié)構(gòu)的自由振動(dòng)周期，即使載荷很小，結(jié)構(gòu)也會(huì)因共振(見線性振動(dòng))而產(chǎn)生很大的響應(yīng)，因而必須用結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的方法加以分析。

動(dòng)載荷按其隨時(shí)間的變化規(guī)律可以分為：①周期性載荷，其特點(diǎn)是在多次循環(huán)中載荷相繼呈現(xiàn)相同的時(shí)間歷程，如旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置因質(zhì)量不平衡而引起的離心力。周期性載荷可借助傅里葉分析分解成一系列簡諧分量之和。②沖擊載荷，其特點(diǎn)是載荷的大小在極短的時(shí)間內(nèi)有較大的變化。沖擊波或爆炸是沖擊載荷的典型來源。③隨機(jī)載荷，其時(shí)間歷程不能用確定的時(shí)間函數(shù)而只能用統(tǒng)計(jì)信息描述。由大氣湍流引起的作用在飛行器上的氣動(dòng)載荷和由地震波引起的作用在結(jié)構(gòu)物上的載荷均屬此類。對(duì)于隨機(jī)載荷，需要根據(jù)大量的統(tǒng)計(jì)資料制定出相應(yīng)的載荷時(shí)間歷程(載荷譜)。對(duì)于前兩種載荷，可以從運(yùn)動(dòng)方程解出位移的時(shí)間歷程并進(jìn)一步求出應(yīng)力的時(shí)間歷程。對(duì)于隨機(jī)載荷，只能求出位移響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)信息而不能得到確定的時(shí)間歷程，因而須作專門分析才能求出應(yīng)力響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)信息。

在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析中，動(dòng)載荷的確定是一項(xiàng)重要而困難的工作。近年來發(fā)展的“載荷識(shí)別”是一項(xiàng)新技術(shù)，它根據(jù)結(jié)構(gòu)在實(shí)標(biāo)工作情況下測(cè)得的響應(yīng)資料反推結(jié)構(gòu)所受到的載荷資料。

（3）運(yùn)動(dòng)方程

可用三種等價(jià)但形式不同的方法建立，即：①利用達(dá)朗伯原理引進(jìn)慣性力，根據(jù)作用在體系或其微元體上全部力的平衡條件直接寫出運(yùn)動(dòng)方程；②利用廣義坐標(biāo)寫出系統(tǒng)的動(dòng)能、勢(shì)能、阻尼耗散函數(shù)及廣義力表達(dá)式，根據(jù)哈密頓原理或其等價(jià)形式的拉格朗日方程導(dǎo)出以廣義坐標(biāo)表示的運(yùn)動(dòng)方程；③根據(jù)作用在體系上全部力在虛位移上所作虛功總和為零的條件，即根據(jù)虛功原理導(dǎo)出以廣義坐標(biāo)表示的運(yùn)動(dòng)方程。對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)，應(yīng)用最廣的是第二種方法。

通常，結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程是一個(gè)二階常微分方程組，寫成矩陣形式為：

式中q(t)為廣義坐標(biāo)矢量，是時(shí)間t的函數(shù)，其上的點(diǎn)表示對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)；M、D、K分別為對(duì)應(yīng)于q(t)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣，Q(t)是廣義力矢量。

（4）方程解法

運(yùn)動(dòng)方程(2)可用振型疊加法或逐步積分法求解。

①振型疊加法 先求出結(jié)構(gòu)作自由振動(dòng)時(shí)的固有頻率和振型，然后利用求得的振型作為廣義位移函數(shù)再對(duì)運(yùn)動(dòng)方程作—次坐標(biāo)變換，進(jìn)而求出方程的解。

一個(gè)n個(gè)自由度的結(jié)構(gòu)具有n個(gè)固有頻率ω_j和n個(gè)振型φ_j(j=1，2，…，n)。φ_j規(guī)定了n個(gè)廣義坐標(biāo)q_i(i=1，2，…，n)在第j個(gè)振型中的相對(duì)大小。振型滿足下列關(guān)系式：

式中上標(biāo)“T”為矩陣轉(zhuǎn)置符號(hào)；M_j為第j個(gè)振型的廣義質(zhì)量。i≠j時(shí)的關(guān)系式稱為振型的正交條件。正交條件在物理上意味著不同的振型之間不存在能量交換，即結(jié)構(gòu)在作自曲振動(dòng)時(shí)各個(gè)振型都是獨(dú)立進(jìn)行的。振型疊加法可以有條件地用于有阻尼的情況。若結(jié)構(gòu)的阻尼矩陣可表為：

D=αKβM， (4)

式中α和β是常數(shù)，則稱之為比例阻尼矩陣。對(duì)應(yīng)的振型滿足

式中ξ_j稱為第j個(gè)振型的阻尼系數(shù)。同時(shí)，有阻尼的自振頻率將改變?yōu)?

條件(4)還可放寬為

通過振型及相應(yīng)的廣義坐標(biāo)Y_j(t)，可將方程(2)中的廣義坐標(biāo)矢量q(t)表示為：

代入方程(2)，并左乘以，利用正交條件(3)和(5)，可將方程(2)轉(zhuǎn)化為：

式中P_j(t)=φ_j-Q(t)是對(duì)應(yīng)于第j個(gè)振型的廣義力。方程(7)可以通過時(shí)域分析法或頻域分析法求解。時(shí)域分析法是利用卷積積分給出方程(7)的解，可用于任意變化的載荷情況。頻域分析法是利用傅里葉分析把周期性載荷展開為一系列簡諧分量之和，然后計(jì)算結(jié)構(gòu)對(duì)每一簡諧分量的響應(yīng)，最后疊加各簡諧響應(yīng)項(xiàng)而獲得結(jié)構(gòu)的總響應(yīng)。這種方法適用于周期性載荷情況。對(duì)于非周期性載荷，也可以利用傅里葉變換技術(shù)。1965年出現(xiàn)了快速傅里葉變換——一種用計(jì)算機(jī)計(jì)算離散傅里葉變換的方法，它在效率和功能方面的優(yōu)點(diǎn)，使得頻域分析方法能和傳統(tǒng)的時(shí)域分析方法相媲美，并正在引起結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的變革。

由于運(yùn)動(dòng)方程(7)可以逐個(gè)獨(dú)立地求解，使得振型疊加法具有很大的優(yōu)越性，因而它已成為結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中一個(gè)應(yīng)用最廣泛的分析方法。對(duì)于大多數(shù)類型的動(dòng)載荷，各個(gè)振型的響應(yīng)是不同的，一般是頻率最低的振型響應(yīng)最大，高頻振型的響應(yīng)則趨向減小，因而在疊加過程中只需要計(jì)及頻率較低的若干項(xiàng)，若得到的響應(yīng)已達(dá)到精度要求，就可舍棄頻率較高的各項(xiàng)，從而可以大大減少計(jì)算工作量。振型疊加法只適用于線性振動(dòng)問題。

②逐步積分法 可用于直接求解耦合的運(yùn)動(dòng)方程(2)，而且對(duì)阻尼矩陣的性質(zhì)不需要附加任何限制，也適用于使振型疊加法失效的非線性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力分析，因此是一種普遍適用的方法。該法是把時(shí)間劃分為一系列很短的時(shí)段，按照初始條件確定初始時(shí)刻的廣義位移q和廣義速度，通過運(yùn)動(dòng)方程(2)解出廣義加速度，然后可設(shè)在這一時(shí)段內(nèi)為常量，通過積分求出在這一時(shí)段結(jié)束時(shí)刻的q和值，并以它們作為下一時(shí)段的初始值，如此一步一步求解下去，就能得到最終的結(jié)果。如果結(jié)構(gòu)是非線性系統(tǒng)，同樣可假設(shè)結(jié)構(gòu)參量(如剛度)在每一時(shí)段內(nèi)是常量并取為該時(shí)段開始時(shí)刻的瞬時(shí)參量值。逐步積分法是一種近似的方法，為了減小積累誤差，必須把時(shí)段取得非常短，因而其計(jì)算工作量很大。為了提高效率，可以假設(shè)加速度在每一時(shí)段內(nèi)為線性函數(shù)(或其他簡單函數(shù))。這樣，即使取時(shí)段(即積分步長)為運(yùn)動(dòng)周期的十分之一甚至五分之一也可以得到合理的結(jié)果。

水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展欄目方向

• 報(bào)道內(nèi)容

《水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展》主要報(bào)道能源開發(fā)、海洋工程、船舶工程、水利工程、反應(yīng)堆工程、化學(xué)工程、環(huán)境工程、生物工程等部門的有關(guān)理論，計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究成果 。

• 主要欄目

《水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展》設(shè)有學(xué)術(shù)論文、學(xué)術(shù)活動(dòng)及其他、專欄論文（第二十九屆水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)論文精選）、專欄論文、研究簡報(bào)、書評(píng)、國家重大科技專項(xiàng)論文 。

水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展人員編制

據(jù)2019年第4期《水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展》頁內(nèi)顯示，《水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展》編輯部有顧問編委12人、編委282人 。

研究磁流體運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的科學(xué)，又稱流體磁學(xué) (hydromagnetics) 或 磁氣動(dòng)力學(xué) ( magnetogas dynamics)。動(dòng)力學(xué)的分支，電動(dòng)力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)的交叉學(xué)科。研究對(duì)象是與磁場相互作用的流體運(yùn)動(dòng)。

磁流體動(dòng)力學(xué)的主要研究內(nèi)容：①液態(tài)金屬的運(yùn)動(dòng)性質(zhì);②電離氣體或等離子體流動(dòng)性的理論研究及應(yīng)用研究。包括受控?zé)岷朔磻?yīng)、超聲飛行條件的模擬、對(duì)外空間推進(jìn)的離子動(dòng)力、重返大氣層的空間飛 行器的制動(dòng)、高能粒子加速器、微波發(fā)生器、熱離子 能量轉(zhuǎn)換裝置、薄金屬敷層的應(yīng)用以及宇宙和上層大 氣現(xiàn)象的研究等。