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固体力学跨尺度计算若干问题研究
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作者 庄茁 严子铭 +2 位作者 姚凯丽 崔一南 柳占立 《计算力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第1期40-46,共7页
本文展示了固体力学领域跨尺度计算的若干问题和研究概况。(1)建立位错动力学与有限元耦合DDD-FEM的计算模型,实现了能够基于纳米尺度离散位错运动机制计算分析连续介质有限变形晶体塑性问题,提出微纳尺度(200 nm~10μm)晶体塑性流动应... 本文展示了固体力学领域跨尺度计算的若干问题和研究概况。(1)建立位错动力学与有限元耦合DDD-FEM的计算模型,实现了能够基于纳米尺度离散位错运动机制计算分析连续介质有限变形晶体塑性问题,提出微纳尺度(200 nm~10μm)晶体塑性流动应力解析公式,结合试验数据揭示了在无应变梯度下强度和变形的尺寸效应;(2)建立具有微相分离结构的纳米尺度粗粒化分子动力学模型CG-MD,计算获得聚脲材料在时域和频域下的存储模量和损耗模量,通过动态加载分析的DMA试验和超声波试验的数据验证,解决了连续介质尺度下微相分离高分子共聚物的设计难题;(3)通过数据驱动关联高分辨率的微米尺度CT影像和临床低分辨率的毫米尺度CT影像的特征值,建立了围关节松质骨小梁的等效模量和结构张量,为骨组织增材制造点阵结构设计和实现个性化骨缺损重建奠定了基础。 展开更多
关键词 计算固体力学 跨尺度 微纳米晶体塑性流动应力 粗粒化分子动力学 数据驱动骨缺损重建
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壳体断裂力学统一计算理论与飞行器结构设计
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作者 庄茁 王恒 +3 位作者 宁宇 王翔 柳占立 张志楠 《工程力学》 EI CSCD 北大核心 2023年第2期1-7,共7页
断裂力学理论和方法在飞行器结构设计中发挥着不可替代的作用。依据断裂准则划分为阻止或者驱动裂纹扩展。阻止裂纹扩展是避免飞行器结构发生灾难性事故的最后一道防线,如机翼、机身等重要结构的止裂安全性设计、广布疲劳损伤容限设计等... 断裂力学理论和方法在飞行器结构设计中发挥着不可替代的作用。依据断裂准则划分为阻止或者驱动裂纹扩展。阻止裂纹扩展是避免飞行器结构发生灾难性事故的最后一道防线,如机翼、机身等重要结构的止裂安全性设计、广布疲劳损伤容限设计等;驱动裂纹扩展是实现飞行器结构快速分离的关键技术,如运载火箭级间和星箭分离、飞行员和航天员逃逸救生等。板壳是飞行器结构的主要形式,开展板壳断裂力学研究具有重要的科学意义和工程价值。该文提出了基于连续体的壳体断裂力学统一计算理论,发展了壳体扩展有限元方法。基于该理论和方法,阐述了大变形曲面壳体裂纹扩展与止裂的计算分析过程,展示了在国产大飞机机翼整体结构件设计、天和号核心舱结构研制和高级教练机穿盖弹射救生系统设计等飞行器工程中的成功应用。 展开更多
关键词 壳体 断裂力学 计算理论 飞行器结构 扩展有限元
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颅脑爆炸伤数值模拟研究进展:建模、力学机制及防护 被引量:1
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作者 康越 马天 +4 位作者 黄献聪 庄茁 柳占立 曾繁 黄超 《爆炸与冲击》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第6期1-36,共36页
爆炸致创伤性脑损伤是现代战争和爆炸事故中最常见的伤亡之一。近年来由爆炸波引起的轻度原发性颅脑冲击伤在士兵伤患中占大多数,引起了研究人员重视。由于伦理和技术方面的限制,人体爆炸实验难以开展,数值模拟已经成为研究颅脑爆炸伤... 爆炸致创伤性脑损伤是现代战争和爆炸事故中最常见的伤亡之一。近年来由爆炸波引起的轻度原发性颅脑冲击伤在士兵伤患中占大多数,引起了研究人员重视。由于伦理和技术方面的限制,人体爆炸实验难以开展,数值模拟已经成为研究颅脑爆炸伤的重要手段之一。合理的物理建模结合可靠的模型和参数,能够定量给出爆炸冲击波作用下人体头部和大脑的生物力学响应,揭示大脑损伤的力学机制,这些对于认识颅脑爆炸伤的生物力学特性以及单兵防护装备的设计和优化都具有重要的意义。本文旨在为研究人员提供有关原发性颅脑爆炸伤数值模拟方面研究现状的背景信息,以及在计算建模、力学机制和防护3个方面的进展。重点针对大脑的多尺度性质及颅脑爆炸伤的生物力学建模,介绍了脑组织的线弹性、超弹性和黏超弹性本构模型,人头有限元模型在大脑结构、网格尺寸等方面的发展和演化,以及颅脑爆炸伤的宏观、介观和多尺度建模和数值模拟方法。针对颅脑爆炸伤的波传播直接作用、脑血管系统的影响,以及全身响应的连续过程,分析和讨论了数值模拟得到的力学机制证据。介绍了颅脑爆炸伤防护策略的数值模拟研究进展,如提高头部封闭性的重要性、新结构和新材料的应用。最后,对当前颅脑爆炸伤的数值模拟研究和应用进行了总结,并确定了未来需要发展和改进的地方。 展开更多
关键词 创伤性脑损伤 冲击波 建模 致伤机制 防护
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亚微米尺度晶体反常规塑性行为的离散位错研究进展 被引量:13
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作者 庄茁 崔一南 +1 位作者 高原 柳占立 《力学进展》 EI CSCD 北大核心 2011年第6期647-667,共21页
近十年来,随着实验技术的发展,人们对亚微米尺度晶体材料塑性行为的研究和认识不断深入,实验观测到许多由离散位错主导的新的应力-应变现象,它们是基于宏观尺度的经典塑性理论和基于微米尺度的应变梯度塑性理论所无法阐释的.研究者们试... 近十年来,随着实验技术的发展,人们对亚微米尺度晶体材料塑性行为的研究和认识不断深入,实验观测到许多由离散位错主导的新的应力-应变现象,它们是基于宏观尺度的经典塑性理论和基于微米尺度的应变梯度塑性理论所无法阐释的.研究者们试图寻求新的理论模型和计算方法,提出了考虑位错近程相互作用由背应力主导的缺陷能理论和以离散位错动力学为代表的亚微米尺度晶体塑性计算方法,旨在描述位错形核、增殖、匮乏和湮灭,揭示该尺度下塑性流动的机理.本文从实验观测数据、理论分析模型、离散位错动力学及其与之耦合的连续介质力学计算方法等方面,综述了亚微米尺度晶体反常规塑性行为的离散位错研究进展. 展开更多
关键词 亚微米尺度实验 晶体塑性理论 离散位错动力学 有限元 本构关系
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力学在飞机结构设计中的应用与发展 被引量:7
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作者 庄茁 王向东 +4 位作者 张朝晖 林勇文 赵志明 滕锦 王璞 《工程力学》 EI CSCD 北大核心 2007年第z2期1-7,共7页
首先阐述了飞机结构中的力学问题。基于我们近几年的研究工作,从若干方面介绍了力学在飞机结构设计中的应用与发展,如机身的广布疲劳损伤蔓延的断裂力学计算和风险评估,鸟撞驾驶舱盖和起落架落震的强度问题,以及低速冲击作用下机翼的复... 首先阐述了飞机结构中的力学问题。基于我们近几年的研究工作,从若干方面介绍了力学在飞机结构设计中的应用与发展,如机身的广布疲劳损伤蔓延的断裂力学计算和风险评估,鸟撞驾驶舱盖和起落架落震的强度问题,以及低速冲击作用下机翼的复合材料层合板的脱层和基体断裂问题等。 展开更多
关键词 飞机结构 疲劳损伤蔓延 鸟撞 落震 层合板脱粘
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固体力学研究生课程建设和质量管理的研讨 被引量:3
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作者 庄茁 郑泉水 +1 位作者 冯西桥 李喜德 《学位与研究生教育》 CSSCI 北大核心 2005年第2期36-41,共6页
探讨了固体力学博士研究生培养过程中的课程建设和管理模式,与国外著名大学对比,提出在巩固基础求原创的同时,改革现有的教学内容,增加代表新的研究方向的课程,加强培养过程的管理和建立质量保证体系。
关键词 固体力学 课程建设 质量管理 研究生教育 高校 教学内容
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发展附加质量模型分析储液罐的动力响应 被引量:4
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作者 庄茁 刘焕忠 李青 《现代制造工程》 CSCD 2006年第1期69-73,共5页
提出一种表述附加质量分布规律的公式和有限元单元模型,接入ABAQUS有限元软件对储液罐动力试验模型进行数值模拟,分析对比弹塑性屈曲“象足效应”和“钻石效应”的实验数据,证明所提出公式的合理性和有效性,并指出原经验公式在分析动水... 提出一种表述附加质量分布规律的公式和有限元单元模型,接入ABAQUS有限元软件对储液罐动力试验模型进行数值模拟,分析对比弹塑性屈曲“象足效应”和“钻石效应”的实验数据,证明所提出公式的合理性和有效性,并指出原经验公式在分析动水压力问题上的缺陷。模拟中考虑了储液罐壁动力响应加速度的方向对液体惯性作用力的影响,从而更加准确地模拟了储液罐壁与液体的相互作用问题,为储液罐结构的抗震性能分析提供了一种非线性动力响应有限元方法。 展开更多
关键词 附加质量 储液罐 象足效应 动力响应 有限元
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能量平衡结合有限元数值计算分析天然气管道裂纹稳定扩展问题 被引量:12
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作者 庄茁 O‘Do.,PE 《工程力学》 EI CSCD 北大核心 1997年第2期59-67,共9页
本文提出了在天然气管道裂纹稳定扩展问题中,应用能量平衡方法结合有限元数值计算结果来分析计算裂纹驱动力。能量数值计算采用了可模拟动裂纹在管道上扩展的有限元程序PFRAC,它包括了对未开裂管道和裂纹扩展管道的能量计算。通... 本文提出了在天然气管道裂纹稳定扩展问题中,应用能量平衡方法结合有限元数值计算结果来分析计算裂纹驱动力。能量数值计算采用了可模拟动裂纹在管道上扩展的有限元程序PFRAC,它包括了对未开裂管道和裂纹扩展管道的能量计算。通过分析外力作功和内部能量在裂纹扩展时的变化率,应用能量平衡方法计算了裂纹驱动力。 展开更多
关键词 断裂力学 管道 天然气 有限元 裂纹扩展
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断裂动力学有限元程序的开发及在天然气管道裂纹扩展问题上的应用 被引量:10
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作者 庄茁 《工程力学》 EI CSCD 北大核心 1999年第1期105-114,共10页
许多工程问题是由于流(气)体压力导致了结构开裂,裂纹迅速扩展或者止裂,这被认为是断裂动力学最前沿的研究领域。本文描述了应用于分析流体/结构/断裂耦合作用问题的计算程序PFRAC(PipelineFRactureAna... 许多工程问题是由于流(气)体压力导致了结构开裂,裂纹迅速扩展或者止裂,这被认为是断裂动力学最前沿的研究领域。本文描述了应用于分析流体/结构/断裂耦合作用问题的计算程序PFRAC(PipelineFRactureAnalysisCode),和它在天然气管道裂纹迅速扩展问题上的应用。基于断裂动力学的模式,提出了裂纹扩展和止裂的判据。对于裂纹驱动力的计算,给出了节点力释放技术和能量平衡方法的具体应用。根据实际管道开裂试验的数据,提出了便于非耦合作用计算的裂纹后面气体压力衰减模式。针对钢制和塑料制天然气工程管道,给出了部分计算和试验的结果。 展开更多
关键词 断裂力学 管道 有限元 天然气管道 裂纹扩展
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天然气管道裂纹稳定扩展问题的分析模型和最小二乘法解答 被引量:6
10
作者 庄茁 O'DonoghueP.E 《固体力学学报》 CAS CSCD 北大核心 1997年第3期229-239,共11页
应用最小二乘法求解了模拟天然气管道裂纹稳定扩展问题的等效梁模型.在Williams等效梁模型的基础上,通过管道裂纹后部截面开裂后的变形协调条件,补充了弹性地基对于等效梁的作用,推导出梁的分析模型,并应用最小二乘法求得了裂纹驱... 应用最小二乘法求解了模拟天然气管道裂纹稳定扩展问题的等效梁模型.在Williams等效梁模型的基础上,通过管道裂纹后部截面开裂后的变形协调条件,补充了弹性地基对于等效梁的作用,推导出梁的分析模型,并应用最小二乘法求得了裂纹驱动力和位移的解答.其结果与Leevers所给出的不考虑弹性地基对于梁的作用结果比较,改进了梁模型的计算精度,使裂纹驱动力成为合理的有限值,与已有的试验结果吻合较好. 展开更多
关键词 断裂动力学 天然气管道 计算模型 最小二乘法
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大型钢筋混凝土沉井结构分析和优化设计 被引量:1
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作者 庄茁 张荣钢 《工程力学》 EI CSCD 北大核心 1998年第A01期664-673,共10页
本文针对目前全国规模最大的钢筋混凝土工业沉井,提出了力学分析和结构优化设计的方法,对于沉井下沉,封底板和全用的不同阶段,合理地确定了土壤摩阻力值和地下压力值,采用解析计算与ABAQUS有限元数拟相结合进行了力学分析,... 本文针对目前全国规模最大的钢筋混凝土工业沉井,提出了力学分析和结构优化设计的方法,对于沉井下沉,封底板和全用的不同阶段,合理地确定了土壤摩阻力值和地下压力值,采用解析计算与ABAQUS有限元数拟相结合进行了力学分析,结果表明,底板弯矩和位移是优化前的1/7,井壁比原设计节约了1/5的材料用量,仅混凝土一项就节省了1500多吨。 展开更多
关键词 沉井 钢筋混凝土 优化设计 结构分析 有限元
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天然气管道止裂构件的分析和设计 被引量:4
12
作者 庄茁 Dono.,PE 《固体力学学报》 CAS CSCD 北大核心 1998年第3期213-227,共15页
在钢制天然气输送管道上,经常应用机械止裂构件来防止可能发生的裂纹迅速扩展事故.这些止裂构件的作用是减小管壁开裂后的张开变形,降低裂纹驱动力的峰值,其结果使止裂可能发生,这被认为是在不能阻止裂纹起裂的情况下,防止裂纹扩... 在钢制天然气输送管道上,经常应用机械止裂构件来防止可能发生的裂纹迅速扩展事故.这些止裂构件的作用是减小管壁开裂后的张开变形,降低裂纹驱动力的峰值,其结果使止裂可能发生,这被认为是在不能阻止裂纹起裂的情况下,防止裂纹扩展灾难性破坏的第二道防线.基于流体/结构/断裂耦合计算程序PFRAC,该文发展了分析这些止裂构件的方法.推导了含平面初曲率三维曲梁的动力学有限元模型并结合入PFRAC程序之中,用来模拟这些止裂构件的性能;描述了各种止裂构件的分析过程和管壁与止裂构件的接触条件;并给出了部分数值分析例题。 展开更多
关键词 断裂力学 有限元 管道 止裂构件 天然气管道
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打开学科围墙,拓展专业空间——迎接人工智能的挑战和机遇 被引量:2
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作者 庄茁 由小川 +2 位作者 刘彬 柳占立 高原 《中国高新科技》 2019年第1期46-49,共4页
人工智能正在引领产业革命和社会变革,其创新研究的核心是解决科学和工程问题,这既对高等院校人才培养体系的传统专业划分提出了挑战,也带来了机遇。人工智能将改变大学的学科体系和课程设置,大学要充分发挥自身的优势,承担起人工智能... 人工智能正在引领产业革命和社会变革,其创新研究的核心是解决科学和工程问题,这既对高等院校人才培养体系的传统专业划分提出了挑战,也带来了机遇。人工智能将改变大学的学科体系和课程设置,大学要充分发挥自身的优势,承担起人工智能基础理论创新的重任。在可预见的未来,中国教育必将改变封闭的学科体系,专业空间不断拓展和融合,形成人工智能时代的新工科。面对这一重大历史机遇,广大科技工作者正在努力发挥作用,致力于做人工智能领域的引领者。 展开更多
关键词 人工智能 创新驱动 学科交叉 专业拓展 新工科
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高压高韧性管道裂纹减速扩展研究
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作者 庄茁 由小川 +2 位作者 霍春勇 冯耀荣 庄传晶 《现代制造工程》 CSCD 2005年第12期9-13,共5页
将动态断裂力学的基本原理、方法和止裂判据与壳体动力学的有限元相结合,形成了求解输气管道裂纹扩展问题的数值分析方法。根据瞬态裂纹扩展条件下的整体能量平衡方程,在有限元中构造了求解瞬时速度的迭代算法。其中以材料的热耗散比率... 将动态断裂力学的基本原理、方法和止裂判据与壳体动力学的有限元相结合,形成了求解输气管道裂纹扩展问题的数值分析方法。根据瞬态裂纹扩展条件下的整体能量平衡方程,在有限元中构造了求解瞬时速度的迭代算法。其中以材料的热耗散比率为主要构成的动态断裂韧性由实验测得,在计算中作为裂纹扩展速度的函数代入,形成韧性减速机理。为了测定计算需要的参数,推导了双试件DWTT法测定热耗散比率的公式。研究成果为国家西气东输工程提供了可靠性评估的依据。 展开更多
关键词 动态断裂 减速机理 数值模拟 韧性实验 输气管道
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纤维增强PE材料增韧效果的研究
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作者 庄茁 郭永进 +1 位作者 曲绍兴 董亚民 《工程力学》 EI CSCD 北大核心 2000年第5期67-73,51,共8页
以聚乙烯(PE)材料为基体,应用玻璃纤维随机或定向分布,增加材料的强度、刚性和断裂韧性,是发展高压大口径复合材料天然气管道的需要。本文基于PFRAC程序的动态断裂分析能力^[1],增加了各向异性材料的本构条件,发展了对纤维增强... 以聚乙烯(PE)材料为基体,应用玻璃纤维随机或定向分布,增加材料的强度、刚性和断裂韧性,是发展高压大口径复合材料天然气管道的需要。本文基于PFRAC程序的动态断裂分析能力^[1],增加了各向异性材料的本构条件,发展了对纤维增强复合材料未开裂和开裂管道的计算功能。由力学性能的试验结果,提供了材料的本构关系,对未开裂和开裂的管道进行了计算分析。结果表明,PE管道经纤维增强之后,与纯PE材料的管道相比,其环向位移下降到53%(纤维随机分布)-5%(纤维沿管道轴向80度分布);裂纹驱动力相应下降到50%-17%,充分反映了纤维对PE材料的增强和增韧效果。 展开更多
关键词 断裂力学 有限元 复合材料 管道 聚乙烯 增韧 天然气
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适应全球化的基于仿真的工程与科学 被引量:5
16
作者 庄茁 《中国制造业信息化(应用版)》 2009年第12期58-60,共3页
人类需要借助各种工具来增强、延伸和扩大自己认识世界并获取知识的能力,基于仿真的工程与科学(Simulation-based Engineering and Science)正是用高科技手段构造出一种人工环境,帮助工程师和科学家创造一个时域和空域可变的虚拟世界,... 人类需要借助各种工具来增强、延伸和扩大自己认识世界并获取知识的能力,基于仿真的工程与科学(Simulation-based Engineering and Science)正是用高科技手段构造出一种人工环境,帮助工程师和科学家创造一个时域和空域可变的虚拟世界,使人们能够在这个虚拟世界中纵观古今,瞬扶四海,实现从必然王国到自由王国的认识过程。 展开更多
关键词 科学家 工程师 仿真 全球化 虚拟世界 高科技手段 人工环境 认识过程
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全国非线性有限元讲习班简介
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作者 庄茁 岑松 《力学进展》 EI CSCD 北大核心 2004年第4期579-579,共1页
为了提高非线性有限元的教学和科研水平,经中国力学学会和北京市力学学会批准,清华大学工程力学系于2004年6月17日~19日在北京举办了全国非线性有限元讲习班,聘请了美国西北大学Ted Belytschko教授讲学3天,题目为非线性有限元与计算力学.
关键词 非线性偏微分方程 有限元法 介质力学 多尺度计算
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第四届国际固体断裂与强度会议简介
18
作者 庄茁 白树林 《力学进展》 EI CSCD 北大核心 2000年第4期626-627,共2页
关键词 固体力学 断裂 强度 会议
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大型容器活塞中心圆筒的计算
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作者 庄茁 孙仁博 王玳瑜 《沈阳建筑工程学院学报》 1989年第3期23-33,共11页
本文将活塞桁架对中心圆筒的作用等效为均布线荷载,将中心圆筒作为闭合圆柱壳、圆板,环板的弯曲和弹性力学平面问题的组合结构问题处理,给山了其内力和位移的解析解及数值算例,结果具有较大的工程应用价值.
关键词 圆柱壳 圆筒 容器 活塞 内力
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分段荷载作用下组合柱壳的精确解
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作者 庄茁 《沈阳建筑工程学院学报》 1990年第4期1-7,共7页
将活塞桁架对中心圆筒的作用简化为均布径向面荷载,将中心圆筒作为闭合圆柱壳,圆板,环板的弯曲和弹性力学平面应力问题的组合结构问题处理,给出了其内力和位移的解析解,并列举了数值算例。
关键词 组合柱壳 容器 圆筒 内力 位移
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