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张维教授百年诞辰纪念文集 [:1705978096]
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2.1.5 薄壳结构力学应用研究
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1．在核工业中的应用研究
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张维作为我国核反应堆结构力学第一、二、三届学术会议主席之一，并且几次连续参加每两年一次的国际反应堆结构力学会议（SmiRT）了解国际学术界的动态，进行国际交流，有力地促进了我国自行设计核电站的工作。他对于核结构力学的贡献如下：
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（1）超高速离心机设计技术与转子动力学理论研究取得重大成果
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同位素的超高速离心机技术涉及军用核燃料的提取，德、苏、英、荷、美等国均对此技术严格保密。张维从1961年起培养该领域的第一个研究生赵鸿宾，解决离心机的关键部件——转子强度、刚度和振动问题，为高速离心机设计奠定了技术基础。他的工作有：
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①张维指导清华大学工程物理系赵鸿宾等[2.25]在高速旋转的转轴中引入圆环壳以降低其固有频率，进行了理论分析，并以实验验证。在他指导下，赵鸿宾等应用壳体强度和振动理论，在1961—1965年间解决了离心机转子强度、转筒与端盖之间过盈配合的优化理论，并引入配合面衰减长度的概念，从而实现了某型号高速离心机的稳定运转。1978年此工作获全国科学大会奖状。
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②1978年以后，张维指导赵鸿宾等进一步研究了薄壁旋转圆筒的振动问题，这是在强离心力、大变形情况下，典型的非线性壳体理论问题。张维指导他们采用了渐近解和摄动理论，解决了此课题，同时还进一步发展了圆环壳理论。计算了某型号离心机带波纹管的转子强度、刚度和振动问题，为新式离心机的设计提供了理论依据。这些工作都是在没有任何国外资料的情况下，我国独立自主的研究工作，从而使我国分离同位素的高速离心机的设计达到了先进水平。1985年该型离心机的研究获国家科技进步二等奖。
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（2）正交各向异性圆环壳理论在核聚变托克马克装置设计中的应用
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张维带领他的研究团队，深入我国核聚变研究所，研究了核聚变托克马克装置真空室的波纹环壳结构。他指导其科研助手夏之熙、任文敏等将波纹圆环壳折算为正交各向异性圆环壳进行了求解[2.26]，针对聚变堆托克马克具体装置，适用范围是E1/E2＞0.3，这里E1、E2分别是子午线方向和平行圆方向的折算弹性模量。给出了λ=1（各向同性）、λ=0.75和λ=0.3在对称载荷下的弯曲解。
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（3）核电站的充液容器、管道系统中流致振动问题的研究与解决
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张维指导研究团队夏之熙、潘安平、郑思梁、任文敏、薄智泉等带领研究生周敏[2.27]、汪正兴[2.28,2.29]、洪亦仁[2.30]和武卫东等研究核电站的充液容器、管道系统中的力学问题，包括管道内水锤压力波传播、流致振动和结构疲劳问题，通过引入波纹管消减了振动，为我国核电站设计提供了一定的理论依据。并将该理论分析和计算技术推广到石油化工行业，在北京、锦州等地炼油厂的管道技术改造中发挥了积极作用，受到生产建设单位的好评。
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张维（后坐者）在“充液设备流固耦合抗震分析”科研成果鉴定会上
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潘安平和清华大学振动实验室戴诗亮、张元润在东方红炼油厂管道系统改造现场进行测试
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（4）压力管道工业中膨胀节的合理设计方法研究
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波纹管在核动力工业、油气输送系统、热力系统等工业部门的管道系统中被广泛应用，是吸收热膨胀、减小管道热应力的主要元件之一。张维考虑到世界上不少发达国家，如美国、德国等都有与管道系统配套的膨胀节研究机构和相应标准，而我国却没有，在20世纪七八十年代，我国对于膨胀节的设计尚不规范，不合理的设计浪费很大。他曾多次带领课题组去当时主管此事的第一机械工业部有关部门，直至找到部长林宗棠（清华大学校友），建议我国设立类似机构，制定标准，规范我国管道系统中膨胀节的设计与施工。张维指导课题组、博士生朱益民[2.31]、硕士生和本科生进行了波纹管膨胀节的计算与实验研究。朱益民用有限元法分析了单层波纹管的非线性特性，研究了多层波纹管膨胀节考虑层间摩擦的轴对称与非轴对称变形和单层波纹管的轴对称与非轴对称振动，解决了前人尚未很好解决的一些问题。
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在清华大学力学实验室中进行波纹管膨胀节实验
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2．薄壳结构力学在水下舰船工业中的应用研究
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（1）针对深水外压下潜艇端部的稳定性问题进行锥壳和斜锥壳屈曲研究[2.32]
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锥壳和斜锥壳是潜水艇的艇艏和艇尾的基本结构，在水压下的耐压性是潜艇下潜深度的决定性指标。20世纪60年代，张维深入船舶工业系统，开展水下结构的稳定性研究。他指导研究生叶清环将“均匀外压下斜锥壳体的强度和稳定性理论与实验研究”作为论文题目[2.31]，并安排她到上海船舶研究所调研。斜圆锥壳是可展的非对称壳体。叶清环计算出薄膜应力分布和边界效应的一次近似解。
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至于实验研究部分，张维亲自到校实习工厂，找到了技术精湛的王亥辰师傅商议，经过王师傅的努力，终于加工出了一个光亮的、厚度薄且均匀的精车钢制斜锥壳。叶清环用这个“宝贝”在学友刘宝琛（时为杜庆华的研究生）设计、并参与加工的压力容器中，用电测法测试了壳体的内力分布，并做了外压下的稳定性试验，测定了斜圆锥壳的临界压力。1959年清华大学土木工程系毕业的叶清环在张维指导下，在研究生论文工作中得到了理论与实践的锻炼与提高，为她毕业分配到核工业部九院工作、作出优秀成绩打下了坚实基础。
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