Los logros científicos y tecnológicos de Cai Siwei
La razón es que la nueva piscina de Bengbu Waterworks se construyó en 1954, lo que provocó que la piscina original cercana se agrietara. En ese momento, Hefei organizó expertos para inspeccionar el accidente y también invitó a Cai Siwei. A la reunión asistieron muchos antiguos expertos, la mayoría de los cuales culparon a las deficiencias en el antiguo diseño de la piscina. Cai Siwei argumentó que la causa del accidente fue la tensión adicional desigual en los cimientos de la piscina antigua causada por la carga en la piscina nueva, lo que provocó un asentamiento desigual y agrietamiento de la piscina antigua. También hizo recomendaciones para restaurar la antigua piscina. Sus argumentos fueron finalmente elogiados y adoptados por unanimidad por los expertos presentes en la reunión. A partir de entonces prestó gran atención a la interacción de las tensiones de cimentación entre edificios adyacentes. En la década de 1950, la solución en serie del profesor Qian Lingxi se utilizó ampliamente en el cálculo de vigas de cimentación elásticas (ver "Chinese Journal of Civil Engineering" 1954). Cai Siwei añadió la influencia de las cargas adyacentes a la fórmula de Qian. Las fórmulas y métodos propuestos se utilizaron ampliamente en el diseño del proyecto de la esclusa de Fuyang en Anhui a finales de la década de 1950 y demostraron ser eficaces. Posteriormente, también citó el análisis y cálculo de la influencia de los edificios adyacentes en su solución de vigas de cimentación elásticas. El estudio de estructuras hidráulicas sobre cimientos de suelo arenoso es la clave para el diseño de estructuras hidráulicas sobre cimientos de suelo arenoso y los problemas de infiltración de cimientos. La filtración no sólo hace que los edificios estén sujetos a flotabilidad, sino que también los gradientes de filtración, especialmente los gradientes de escape de la filtración, también son extremadamente importantes. En ese momento, el método de cálculo y análisis de filtración de cimientos de arena propuesto por A.N Khosla de la India solo era aplicable a cimientos de arena infinitamente profundos. En proyectos reales, muchos cimientos eran cimientos de filtración limitada. Cai Siwei introdujo e introdujo por primera vez el método de solución de H. H. Pavlovsky (лавоовсииииии), teniendo en cuenta la necesidad de diseñar el contorno de la base de la puerta superior en la capa de filtración limitada, y luego calculó el área de filtración real basándose en la escritura de la imagen conforme. método de la función de variable compleja.
Investigaciones sobre llenado hidráulico y represas En la década de 1950 se realizaron investigaciones sobre relleno hidráulico y terraplenes de presas de tierra en el extranjero. Para adquirir nuestra propia experiencia en investigación, el Ministerio de Recursos Hídricos creó el Experimento de Campo del Río Huaihe en 1956, y Cai Siwei participó en este trabajo. Durante este período, propuso resultados de investigación sobre el método de análisis de estabilidad de presas de llenado hidráulico y la teoría de la filtración de presas. Las presas de llenado hidráulico forman naturalmente muros centrales, con partículas finas de suelo, drenaje lento y flujo plástico a largo plazo. A partir del estado de flujo plástico del muro central, propuso un método de análisis para la estabilidad conjunta del cuerpo de la presa y el cuerpo de la presa y los cimientos, y derivó una fórmula de cálculo de filtración basada en la ley de Daisy. Esta parte de los resultados se publicó posteriormente en "Hydropower" (1957). En el pasado, la mayoría de los métodos de cálculo hidráulico para alcantarillas consistían en calcular el caudal en función de la diferencia de altura entre aguas arriba y aguas abajo de la alcantarilla y el área de la alcantarilla, o diseñar el área de la alcantarilla en función del caudal. Cai Siwei cree que los métodos utilizados habitualmente no son razonables. Propuso realizar cálculos de diseño razonables basados en varios factores como el área de drenaje de la alcantarilla, las formas de entrada y salida de agua, la longitud del túnel, la pendiente de la pendiente, etc. También explicó en detalle los diversos patrones de flujo del agua de la alcantarilla y escribió un artículo "Culvert Hole Flow", que fue publicado en "Engineering Construction" (1956).
Después de la publicación de los resultados de la investigación en los aspectos anteriores, Cai Siwei recibió cartas de muchos ingenieros, invitándolo a ayudar a resolver problemas técnicos y de ingeniería. Sus métodos han sido ampliamente utilizados en ingeniería, lo que lo inspiró y promovió enormemente, impulsándolo a explorar campos de investigación más nuevos y más profundos. Investigación sobre vigas de cimentación elásticas
Después de 1962, fue trasladado a la universidad para ejercer la docencia. Para satisfacer las necesidades de la docencia, desde entonces se especializa en mecánica estructural.
En el pasado, el análisis de vigas de cimentación elásticas en mi país se limitaba a la teoría de Winker. A finales de la década de 1950, debido a las necesidades de la construcción económica a gran escala del país, la comunidad de ingenieros reconoció gradualmente la superioridad de la teoría del cuerpo semiinfinito y fue necesario estudiar un método de cálculo más razonable y eficaz para la elasticidad. vigas de cimentación.
En ese momento, bajo el liderazgo del profesor Qian Lingxi, académico de la Academia de Ciencias de China, hubo un aumento en la comunidad de ingenieros para llevar a cabo este trabajo de investigación. Inspirándose en los trabajos y resultados de la investigación del profesor Qian Lingxi, Cai Siwei propuso un nuevo método para resolver el problema de las vigas sobre cimientos elásticos, que se publicó en "Science China" (1961) y "Chinese Journal of Civil Engineering" (1959). , y fue escrito como "Vigas sobre cimientos elásticos". El libro fue publicado por Shanghai Science and Technology Press en 65438. En aquel momento, la comunidad de ingenieros concedió gran importancia a los resultados de su investigación y lo llamó "método de Chuai". Este método ha sido ampliamente utilizado en ingeniería. El libro "Diez años de ciencia china", compilado por la Academia de Ciencias de China en 1959, valoró muy positivamente el "método de Cai" y dijo: "Recientemente se ha propuesto un método muy eficaz, que consiste en escribir la ecuación básica de Liang en forma de diferencia: en la ecuación , Yi es la deflexión de la viga, que es igual al valor de asentamiento de la superficie de cimentación debido a condiciones continuas, y es función de una fuerza de reacción desconocida Pk según el segmento. número n, la parte derecha de la ecuación aparece como una expresión ya preparada Pk (k = 1, 2,...,n) se obtienen de la fórmula de la mecánica elástica, y Mi en el lado izquierdo de la ecuación es el El par de torsión de la sección I, que es función de la carga externa y la fuerza de reacción PK, se puede escribir directamente, por lo que es muy fácil enumerar n-1 ecuaciones simples, más las dos ecuaciones de equilibrio ∑ y = el número. de ecuaciones es n 1, que es dos menos que el método de Zymochkin. Se puede decir que el trabajo de escribir estas ecuaciones es mucho más simple que cualquier método actual. También vale la pena señalar que este método puede resolver fácilmente el problema de las variables. vigas de cimentación transversales ". Además, el profesor Pan, un famoso científico y académico de la Academia de Ciencias de China, dijo en su libro "Vigas y marcos sobre cimentaciones elásticas" que "el método de Cai... es diferente de los métodos anteriores. Hay una gran diferencia... El método propuesto por Chua es un paso muy inteligente... y la mayor parte del trabajo se puede compilar en tablas de antemano para una verificación práctica, simplificando así el trabajo de cálculo. base para resolver vigas sobre cimientos elásticos. Un método novedoso y eficaz para ecuaciones "Puede simplificar el establecimiento y cálculo de ecuaciones y tiene un gran valor de aplicación".
Desde la perspectiva de la tecnología informática moderna, el método de Chua. todavía tiene su singularidad. La ventaja es que es conveniente trabajar en la computadora. En la monografía "Métodos numéricos en ingeniería" publicada en los últimos años por el profesor C.S. Desai de la Universidad Estatal de Virginia en los Estados Unidos, se recomendó y reimprimió el método de Chua. Investigación sobre el método de matrices estructurales y el método de elementos finitos A finales de la década de 1960, Cai Siwei se enteró de que se habían llevado a cabo a nivel internacional una gran cantidad de investigaciones y aplicaciones sobre el método de matrices de mecánica estructural y el método de elementos finitos. Él cree que este método combinado con aplicaciones informáticas es un método de análisis de mecánica estructural muy eficaz y tiene amplias perspectivas de aplicación. En las difíciles condiciones de información limitada, falta de datos y falta de equipo informático, exploró y llevó a cabo trabajos de investigación solo en este campo.
Entre los métodos matriciales de estructuras de varillas extrañas, un método consiste en establecer ecuaciones basadas en el equilibrio de momentos de los nodos y luego resolverlas de forma iterativa. Tomaron los momentos de las barras cerca de los nodos como cantidades desconocidas y el orden de la ecuación aumentó con el número de nodos y barras. Cai Siwei propuso cambiar la suma de los momentos de flexión proximales de cada nodo a un número desconocido, y el orden de la ecuación se redujo considerablemente. Finalmente, simplemente distribuya la suma de los momentos flectores proximales de cada nodo para obtener el momento flector proximal de cada nodo. Este método reduce en gran medida la carga de trabajo computacional manteniendo la precisión. En el análisis matricial del método de desplazamiento extraño, la carga de trabajo de (a′ka)-1 se calcula a partir de la siguiente fórmula: a medida que aumenta el elemento R de desplazamiento del nodo, aumenta el orden de la matriz de rigidez K. Cai Siwei propuso que los elementos de las matrices a1, a2, a3, ..., R de A se descompongan inmediatamente, luego se elimine r1 y luego se proceda paso a paso. Derivó k(1), k(2)...k(m-1),..., que es fácil de obtener. Debido a que cuando se utiliza este método, se pueden eliminar varios elementos R al mismo tiempo en cada paso, se denomina método de iteración de bloques.
El método de transferencia de matriz es una sustitución continua de matriz entre los parámetros (desplazamiento y fuerza final) en ambos extremos de la viga. Finalmente, el parámetro de fulcro más a la izquierda se usa para representar el parámetro de fulcro más a la derecha de la viga continua, y las condiciones de soporte en ambos extremos se usan para resolver el problema. La dificultad de este método es incluir el término de influencia de carga a mitad del tramo.
Por lo tanto, Cai Siwei propuso convertir el problema en una superposición de un estado fijo y un estado relajado. La carga del nodo en el estado relajado es el momento flector desequilibrado del fulcro bajo la acción de la carga externa entre los tramos en el estado fijo. Solo necesita transmitirse y fijarse continuamente a través del estado relajado. La superposición de estados se puede resolver, lo que simplifica enormemente el problema. Al mismo tiempo propuso algunos diagramas para facilitar el cálculo y la aplicación.
Los resultados de la investigación en los aspectos anteriores se incluyen en su monografía "Matrix Methods of Structural Mechanics", que fue publicada por Science Press en 1975. El libro se imprimió tres veces seguidas.
El análisis de elementos finitos de objetos sándwich extremadamente delgados es un método propuesto para el análisis de bobinas de dispositivos tokamak de fusión nuclear. Cai Siwei usó unidades cuadriláteras ordinarias para agregar términos NAUA NBUB y NAVA NBVB a los modos de desplazamiento originales u=∑NiUi y υ=∑NiVi respectivamente, y seleccionó razonablemente las formas funcionales de NA y NB para que la energía de deformación en la unidad pudiera ser bien entendido Satisfacer las características de los entrepisos, de modo que la unidad utilizada pueda extenderse a la situación donde hay varios entrepisos en una unidad. Este contenido fue informado y publicado en el Seminario Internacional por Invitación de Hefei en China sobre Elementos Finitos celebrado por el Ministerio de Maquinaria en 1981, y posteriormente publicado en el "Revista de la Universidad Tecnológica de Hefei".
El método de transferencia de matriz es una sustitución continua de matriz entre los parámetros (desplazamiento y fuerza final) en ambos extremos de la viga. Finalmente, el parámetro de fulcro más a la izquierda se usa para representar el parámetro de fulcro más a la derecha de la viga continua, y las condiciones de soporte en ambos extremos se usan para resolver el problema. La dificultad de este método es incluir el término de influencia de carga a mitad del tramo. Por lo tanto, Cai Siwei propuso convertir el problema en una superposición de un estado fijo y un estado relajado. La carga del nodo en el estado relajado es el momento flector desequilibrado del fulcro bajo la acción de la carga externa entre los tramos en el estado fijo. Solo necesita transmitirse y fijarse continuamente a través del estado relajado. La superposición de estados se puede resolver, lo que simplifica enormemente el problema. Al mismo tiempo propuso algunos diagramas para facilitar el cálculo y la aplicación.
Los resultados de la investigación en los aspectos anteriores se incluyen en su monografía "Matrix Methods of Structural Mechanics", que fue publicada por Science Press en 1975. El libro se imprimió tres veces seguidas.
El análisis de elementos finitos de objetos sándwich extremadamente delgados es un método propuesto para el análisis de bobinas de dispositivos tokamak de fusión nuclear. Cai Siwei usó unidades cuadriláteras ordinarias para agregar términos NAUA NBUB y NAVA NBVB a los modos de desplazamiento originales u=∑NiUi y υ=∑NiVi respectivamente, y seleccionó razonablemente las formas funcionales de NA y NB para que la energía de deformación en la unidad pudiera ser bien entendido Satisfacer las características de los entrepisos, de modo que la unidad utilizada pueda extenderse a la situación donde hay varios entrepisos en una unidad. Este contenido fue reportado y publicado en el Seminario Internacional por Invitación de Hefei en China sobre Elementos Finitos celebrado por el Ministerio de Maquinaria en 1981, y luego fue publicado en la Revista de la Universidad Tecnológica de Hefei. Investigación sobre la mecánica estructural de materiales compuestos y carcasas unidas multicapa.
La estructura compuesta de fibra aparece en forma de moldeado de unión multicapa, y su investigación teórica ha recibido gran atención a nivel internacional. muchos libros. Según los resultados de la investigación de los últimos 20 años, generalmente existen dos métodos de análisis teórico, a saber, el proceso de jerarquía analítica y el método de análisis teórico de alto orden. Cai Siwei propuso sus propias soluciones nuevas a estas dos teorías. En términos de análisis de delaminación, propuso tomar el desplazamiento entre capas como la cantidad básica desconocida y considerar el efecto de corte transversal. Antes de establecer las ecuaciones diferenciales de control de cada capa, se introducen las condiciones de equilibrio de tensiones entre capas y, finalmente, las ecuaciones diferenciales de control de cada capa se resuelven en función de las condiciones de contorno generales. Este método garantiza que todas las ecuaciones de la mecánica elástica y las condiciones de continuidad de la tensión y el desplazamiento entre capas, así como las condiciones de contorno generales, se cumplan en cada capa, por lo que es una solución analítica de alta precisión. En el método de delaminación clásico, los desplazamientos y los ángulos de rotación normales (o tensiones cortantes interlaminares) en cada capa son esencialmente desconocidos. Por el contrario, el número total de cantidades desconocidas en el método propuesto por Cai Siwei es mucho menor que el del método clásico, lo que aporta una gran comodidad al análisis y cálculo. En términos de análisis de alto orden, Cai Siwei propuso inicialmente: establecer la distribución del esfuerzo cortante transversal de la sección y derivar una ecuación de control con dos funciones de esfuerzo cortante y una deflexión en el plano medio como variables desconocidas. Este método de tres funciones desconocidas consigue el mismo efecto que el método clásico de cinco cantidades desconocidas (es decir, el desplazamiento y la rotación normal del plano intermedio son cantidades desconocidas).
Sin embargo, dado que el método clásico y el método que propuso no pueden satisfacer todas las condiciones para el equilibrio de tensiones entre capas o la continuidad del desplazamiento, no se detuvo allí y propuso además introducir la función de Heaviside al establecer la distribución de tensiones cortantes transversales para garantizar que la capa intermedia Se cumplen las condiciones de continuidad. Al final, este método solo controlaba 5 ecuaciones diferenciales y los resultados obtenidos tienen la misma precisión que el método de orden más alto actual, que controla hasta 9 ecuaciones diferenciales.
Los resultados anteriores han sido publicados en "Chinese Journal of Mechanics" (1988), "Journal of Composite Materials" (1988, 1989), "The First International Conference on Composite Materials (Beijing) (1986) " y Estructura de "Materiales Compuestos Británicos" (4, 6). Además, en el caso de estructuras viga-losa adheridas multicapa bajo cargas concentradas, propuso un método que combina soluciones teóricas con configuración de límites para resolver el problema de concentración de tensiones bajo el foco. El profesor Fessler de la Universidad de Nottingham en el Reino Unido demostró la precisión de este método mediante experimentos. Hay un artículo sobre este tema en las Actas de la 7ª Conferencia Internacional sobre Composites. Otras investigaciones relacionadas con materiales compuestos incluyen "Concentración de tensión de materiales compuestos de fibra bajo carga transversal" y "Análisis de la singularidad de la tensión en la punta de la grieta en materiales anisotrópicos", publicados en "Chinese Journal of Solid Mechanics" (1982) y "Seventh Proceedings of the Congreso Internacional de Materiales Compuestos. Además, también escribió el libro "Mecánica estructural de materiales compuestos", publicado por People's Publishing House, 1988. Este libro se incluyó en los "Excelentes libros de ciencia y tecnología de China" publicados en 1990. Investigación sobre materiales compuestos de fibra corta
En la década de 1980, cuando Cai Siwei trabajaba en la Universidad de Nottingham en el Reino Unido, aprendió que los materiales compuestos de fibra corta tienen muchas ventajas, como buena isotropía, producción automatizada sencilla, y bajo costo. Se dio cuenta de que la investigación y la aplicación de este material se han desarrollado rápidamente en el extranjero en los últimos años, por lo que comenzó a investigar en esta área después de regresar a China del 65438 al 0988. El trabajo de investigación contó con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China y los departamentos pertinentes. Además de investigar plásticos reforzados con fibras cortas, también llevó a cabo experimentos relevantes y trabajos de análisis teóricos sobre concreto de fibras cortas de acero para pavimentos para satisfacer las necesidades del departamento de transporte. Algunos de los resultados de la investigación ganaron el Premio al Progreso Científico y Tecnológico de la provincia de Anhui y el Ministerio de Comunicaciones en 1991 y 1993. Al mismo tiempo, Cai Siwei propuso el uso de hormigón asfáltico reforzado con fibras cortas como material de pavimento. Después de estudiar sistemáticamente las propiedades de resistencia, tenacidad y crecimiento de grietas de este material, señaló que este material tiene características viscoelásticas a temperaturas normales de la carretera y puede clasificarse como un material simple con flujo de calor. Utilizando la equivalencia tiempo-temperatura y la ecuación WLF se puede obtener la ecuación constitutiva del material a diferentes temperaturas. También señaló que a la misma temperatura, por lo tanto, señaló que la resistencia de un material a cualquier temperatura y tasa de deformación se puede obtener a partir de la relación entre la tasa de deformación y la resistencia a una determinada temperatura. Además de elaborar teóricamente sobre la viabilidad técnica y la racionalidad económica del hormigón asfáltico con fibra como pavimento, él y sus colaboradores también construyeron un pavimento de prueba en la provincia de Anhui para probar su teoría. Los resultados de la investigación sobre materiales compuestos de fibra corta se publicaron principalmente en "Actas de la Novena Conferencia Internacional sobre Materiales Compuestos" (1993), "Progress in Composite Materials" (Aviation Industry Press 1994) y "Journal of Composite Materials" (1994). Además, People's Communications Press publicó en 1994 el libro de Cai Siwei "Teoría y aplicación de materiales compuestos de fibra corta". Este libro resume algunas de las investigaciones que él y sus colaboradores han realizado en los últimos años.