薄壁梁中的瞬态波和强不连续性
1. 瞬态波的基本概念
在结构动力学中,瞬态波是指在结构中传播的瞬时应力和应变波。这些波通常由突然的外部载荷引起,如冲击、爆炸或快速振动。瞬态波的特点是它们在短时间内传播,并且在传播过程中会引起结构内部的应力和应变场的不连续性。对于薄壁梁,这些瞬态波的特性尤为重要,因为薄壁梁在现代桥梁、航空和土木工程中广泛应用,其动态行为直接影响结构的安全性和耐久性。
1.1 瞬态波的分类
瞬态波可以根据其传播特性分为两类:准纵向波和准横向波。准纵向波主要表现为沿梁轴线的纵向位移和应力,而准横向波则表现为沿梁横截面的横向位移和剪切应力。这两种波在薄壁梁中的传播速度和特性有所不同,具体如下:
- 准纵向波 :这种波的传播速度接近于细长弹性杆中的纵向波速度,通常以 ( G_L = \sqrt{\frac{E}{\rho}} ) 传播,其中 ( E ) 是弹性模量,( \rho ) 是材料密度。
- 准横向波 :这种波的传播速度接近于三维弹性介质中的剪切波速度,通常以 ( G_T = \sqrt{\frac{\mu}{\rho}} ) 传播,其中 ( \mu ) 是剪切模量。
1.2 波面的几何特性
瞬态波的传播伴随着波面的形成,波面是瞬态波的前沿,标志着应力和应变场的不连续性。波面可以被视为一个具有厚度 ( h ) 的极限层,在这个层内,所需的场 ( Z ) 从大小 ( Z^+ ) 连续单调地变化到大小 ( Z^- )。波面的几何特性可以通过以下公式描述:
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