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有限挠度下Timoshenko梁中的非线性弯曲波及其-应用数学和力学.pdf

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摇 , 31 11 Applied Mathematics and Mechanics摇 摇 2010年11月15 日出版 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 Vol.31,No.11,Nov.15,2010 文章编号:1000鄄0887(2010)11鄄1276鄄11 訫 应用数学和力学编委会,ISSN 1000鄄0887 有限挠度下Timoshenko梁中的非线性 弯曲波及其混沌行为* 张善元,摇 刘志芳 (太原理工大学 应用力学与生物医学工程研究所,太原030024) (王银邦推荐) 摘要:摇 以Timoshenko梁理论为基础,引入了有限挠度和轴向惯性,建立了支配梁运动的非线性偏 微分方程组,采用行波法求解,通过某些积分技巧,将其转化为一个非线性常微分方程.常微分方 程的定性分析表明,在一定条件下,系统存在异宿轨道,预示着有冲击波解存在.借助Jacobi椭圆 函数展开求解,得到了非线性波动方程的准确周期解及其当模数m 1退化情况下的冲击波解. 寅 进而考虑阻尼和外加横向载荷对系统的摄动,利用Melnikov 函数给出了横截异宿点出现的阈值条 件,从而表明系统具有Smale马蹄意义下的混沌性质. 关摇 键摇 词:摇 Timoshenko 梁;摇 有限挠度;摇 冲击波;摇 混沌运动;摇 Jacobi 椭圆函数展开;摇 Melnikov 函数 中图分类号:摇 O347.4摇 摇 摇 文献标志码:摇 A DOI:10.3879/ j.issn.1000鄄0887.2010.11.002 引摇 摇 言 上世纪60年代,孤子和混沌等复杂现象被揭示,意味着横跨自然学科各分支学科的非线 性科学已成为现代科学发展的重要标志.半个世纪以来,孤子和混沌在许多领域开展了广泛地 研究,并获得了一些重要应用.从数学上来看,两者都是非线性的产物,然而孤子和混沌分处完 全可积分和不可积系统的两个极端,它们的运动形态呈现出截然不同的行为.孤子解是一种稳 定的行波解,两孤子间的作用表现出犹如粒子碰撞一样的守恒性质.而混沌解却对初始条件表 现出极度的敏感性,以至系统的长期行为不可预测.一般孤子解是在Hamilton 系统讨论的,如 果该系统受到摄动(如阻尼、外力等的作用),运动将如何演化? 这是一个很自然的问题.另 外,在这两类问题的定性分析中,在一定条件下都可能出现同宿或异宿轨道,在非线性波的问 题中,同宿轨道对应着孤立波,异宿轨道对应着冲击波,而在混沌研究中同(异)宿轨道的破裂 将是通向混沌运动的一个途径. 由此可以得到启示,两类貌似截然不同的非线性运动现象,将 有可能在某些方面有所关联,这正是本文工作的一个基本出发点. * 收稿日期:摇 2010鄄03鄄10;修订日期:摇 2010鄄09鄄03 基金项目:摇 国家自然科学基金资助项目 作者简介:摇 张善元(1942—),男,山西人,教授(联系人.Tel:+86鄄351鄄6010918;E鄄mail:syzhang@tyut. edu.cn). 1276 张摇 摇 善摇 摇 元摇 摇 摇 刘摇 摇 志摇 摇 芳 1277 混沌动力学问题通常是处理时域上的初值问题,即所谓的时域混沌(temporal chaos),似 [1] [2] 乎空间域上的边值问题被排除在混沌之外.然而,上世纪80 年代,Thompson 等 ,Hunt 等 [3] 和El Naschie 等一批学者考虑静力、动力之间的对偶,将描述一个细长弹性结构的空间
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