Please wait a minute...
Frontiers of Structural and Civil Engineering

ISSN 2095-2430

ISSN 2095-2449(Online)

CN 10-1023/X

邮发代号 80-968

2019 Impact Factor: 1.68

Frontiers of Structural and Civil Engineering  2015, Vol. 9 Issue (3): 215-249   https://doi.org/10.1007/s11709-015-0298-6
  本期目录
Yue’s solution of classical elasticity in n-layered solids: Part 1, mathematical formulation
Zhong-qi Quentin YUE()
Department of Civil Engineering, The University of Hong Kong, Hong Kong, China
 全文: PDF(434 KB)   HTML
Abstract

This paper presents the exact and complete fundamental singular solutions for the boundary value problem of a n-layered elastic solid of either transverse isotropy or isotropy subject to body force vector at the interior of the solid. The layer number n is an arbitrary nonnegative integer. The mathematical theory of linear elasticity is one of the most classical field theories in mechanics and physics. It was developed and established by many well-known scientists and mathematicians over 200 years from 1638 to 1838. For more than 150 years from 1838 to present, one of the remaining key tasks in classical elasticity has been the mathematical derivation and formulation of exact solutions for various boundary value problems of interesting in science and engineering. However, exact solutions and/or fundamental singular solutions in closed form are still very limited in literature. The boundary-value problems of classical elasticity in n-layered and graded solids are also one of the classical problems challenging many researchers. Since 1984, the author has analytically and rigorously examined the solutions of such classical problems using the classical mathematical tools such as Fourier integral transforms. In particular, he has derived the exact and complete fundamental singular solutions for elasticity of either isotropic or transversely isotropic layered solids subject to concentrated loadings. The solutions in n-layered or graded solids can be calculated with any controlled accuracy in association with classical numerical integration techniques. Findings of this solution formulation are further used in the companion paper for mathematical verification of the solutions and further applications for exact and complete solutions of other problems in elasticity, elastodynamics, poroelasticty and thermoelasticity. The mathematical formulations and solutions have been named by other researchers as Yue’s approach, Yue’s treatment, Yue’s method and Yue’s solution.

Key wordselasticity    solution    layered solid    graded material
收稿日期: 2015-04-23      出版日期: 2015-09-30
Corresponding Author(s): Zhong-qi Quentin YUE   
 引用本文:   
. [J]. Frontiers of Structural and Civil Engineering, 2015, 9(3): 215-249.
Zhong-qi Quentin YUE. Yue’s solution of classical elasticity in n-layered solids: Part 1, mathematical formulation. Front. Struct. Civ. Eng., 2015, 9(3): 215-249.
 链接本文:  
https://academic.hep.com.cn/fsce/CN/10.1007/s11709-015-0298-6
https://academic.hep.com.cn/fsce/CN/Y2015/V9/I3/215
1 Wang  R, Ding  Z Y, Yin  Y Q. Fundamentals of Solid Mechanics. Beijing: Geological Publishing House, 1979 (in Chinese)
2 Wang  R. A short note on the inversion of tectonic stress fields. Tectonophysics, 1983, 100(1−3): 405–411
3 Li  Z Q. Calculation of surface movement caused by excavations with Fourier integral transformation. Journal of China Coal Society, 1983, 8(2): 18–25 (in Chinese)
4 Li  Z Q. Calculation of surface movement caused by excavations with Fourier integral transformation part II – horizontal coal beds in three-dimensional space. Journal of China Coal Society, 1985, 10(1): 18–22 (in Chinese)
5 Yue  Z Q. Analytical Solution of Transversely Isotropic Elastic Layered System and its Application to Coal Mining. MSc Thesis, Department of Geology, Peking University, Beijing, July, 1986 (in Chinese)
6 Yue  Z Q, Wang  R. Static solutions for transversely isotropic elastic N-layered systems. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, 1988, 24(2): 202–211 (in Chinese)
7 Wu  J K, Wang  M Z. An Introduction to Elasticity. Beijing: Peking University Press, 1981
8 Wang  M Z. Advanced Elasticity, Beijing: Peking University Press, 2002 (in Chinese)
9 Fan  T Y. Fundamentals of Fracture Mechanics. Jiangsu Science and Technology Press, 1978 (in Chinese)
10 Fan  T Y. Mathematical Theory of Elasticity of Quasicrystals and Its Applications. Berlin: Springer Verlag; Beijing: Science Press, 2011
11 Yue  Z Q. On generalized Kelvin solutions in multilayered elastic media. Journal of Elasticity, 1995, 40(1): 1–44
12 Yue  Z Q. Elastic fields in two joined transversely isotropic solids due to concentrated forces. International Journal of Engineering Science, 1995, 33(3): 351–369
13 Yue  Z Q, Svec  O C. Effect of tire-pavement contact pressure distribution on the response of asphalt concrete pavements. Canadian Journal of Civil Engineering, 1995, 22(5): 849–860
14 Yue  Z Q. On elastostatics of multilayered solids subjected to general surface traction. Quarterly Journal of Mechanics and Applied Mathematics, 1996, 49(3): 471–499
15 Yue  Z Q. Closed-form Green’s functions for transversely isotropic bi-solids with a slipping interface. Structural Engineering and Mechanics. International Journal (Toronto, Ont.), 1996, 4(5): 469–484
16 Yue  Z Q, Yin  J H. Closed-form fundamental solutions for transversely isotropic bi-materials with inextensible interface. Journal of Engineering Mechanics, ASCE, 1996, 122(11):1052–1059
17 Yue  Z Q. Elastic field for an eccentrically loaded rigid plate on multilayered solids. International Journal of Solids and Structures, 1996, 33(27): 4019–4049
18 Argue  G L. Canadian Airfield Pavement Engineering Reference. Ottawa, September, 2005, 737
19 Yue  Z Q, Palmer  J H L. Application of multilayered theory to airfield pavement design. Final Report submitted to Transport Canada. NRC Client reports No.A7504.3, Ottawa, March, 1996
20 Yue  Z Q. Computational analysis to determine the elastic moduli of flexible pavement structural components. Final report submitted to Public Works and Government Services of Canada, HK, November, 1996
21 Argue  G L, Yue  ZQ, Palmer  J H L, Denyes  B, Bastarache  A. Layered elastic design criteria for airfield asphalt pavements. Submitted to Transport Canada, Ottawa, April, 1996
22 Merkel  R, Kirchgeßner  N, Cesa  C M, Hoffmann  B. Cell force microscopy on elastic layers of finite thickness. Biophysical Journal, 2007, 93: 3314–3323
23 Maloney  J M, Walton  E B, Bruce  C M, Van Vliet  K J. Influence of finite thickness and stiffness on cellular adhesion-induced deformation of compliant substrata, Physical Review E 2008, 78: 041923–1–041923–15.
24 Yue  Z Q. Yue’s solution of classical elasticity in layered solids: Part 2, mathematical verification. Frontiers of Structural and Civil Engineering, 2015, 9(3): 250–284
https://doi.org/10.1007/s11709-015-0299-5
25 Galilei  G. The Discourses and Mathematical Demonstrations Relating to Two New Sciences (Discorsi e dimostrazioni matematiche, intorno à due nuove scienze), published in Leiden (Holland), 1638
26 Todhunter  I. A History of the Theory of Elasticity and of the Strength of Materials from Galilei to the Present Time. Cambridge University Press, 1893
27 Love  A E H. A Treatise on the Mathematical Theory of Elasticity. Second Edition, Cambridge (Eng.): University press, 1906, 551
28 Love  A E H. A Treatise on the Mathematical Theory of Elasticity. Fourth Edition, Cambridge (Eng.): University press, 1927, 643
29 Sokolnikoff  I S. Mathematical Theory of Elasticity, with the collaboration of R. D. Specht. New York: McGraw-Hill, 1946, 373
30 Sokolnikoff  I S. Mathematical Theory of Elasticity. Second Edition. New York: McGraw-Hill, 1956, 476
31 Timoshenko  S P. 1878−1972. Theory of Elasticity. New York: McGraw-Hill, 1934, 416
32 Timoshenko  S P, Goodier  J N. Theory of Elasticity. New York: McGraw-Hill, 1970. Third edition, 565
33 Qian  W C, Ye  K Y. Elasticity. Beijing: Scientific Publisher, 1956 (in Chinese)
34 Borg  S F. Fundamentals of Engineering Elasticity. Princeton, N.J.: Van Nostrand, 1962, 276
35 Muskhelishvili  N I. Singular Integral Equations: boundary problems of functions theory and their applications to mathematical physics. Moscow 1946. rev. translation from the Russian edited by J. R. M. Radok, Groningen, Holland: P. Noordhoff N. V., 1953, 447
36 Kupradze  V D. Potential Methods in the Theory of Elasticity. Moscow 1963, translated from the Russian by H. Gutfreund, translation edited by I. Meroz. Jerusalem: Israel Program for Scientific Translations, 1965, 339
37 Kupradze  V D. Three-dimensional Problems of the Mathematical Theory of Elasticity and Thermoelasticity. Amsterdam: North Holland Publ. Co., 1979, p929
38 Fabrikant  V I. Mixed Boundary Value Problems of Potential Theory and Their Applications in Engineering. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 1991, 451
39 Davis  R O, Selvadurai  A P S. Elasticity and Geomechanics. Cambridge University Press, England, 1996
40 Chau  K T. Analytic Methods in Geomechanics. Boca Raton, FL: CRC Press, 2013, 437
41 Thompson, W (Lord Kelvin). Note on the integration of the equations of equilibrium of an elastic solid. Cambridge and Dublin Mathematical Journal, 1848, 1: 97–99
42 Boussinesq  J. Application des potentiels à l'étude de l'équilibre et du mouvement des solides élastiques. Gauther-Villars, Paris, 1885. Reprint Paris: Blanchard 1969
43 Mindlin  R D. Force at a point in the interior of a semi-infinite solid. Physics, 1936, 7: 195–202
44 Poulos  H G, Davis  E H. Elastic Solutions for Soil and Rock Mechanics. John Wiley & Sons, Inc., New York. 1974, 411
45 Rongved  L. Force interior to one or two joined semi-infinite solids. Proc. Sec. Midwest. Conf. Solid Mech., Lafayette, Indiana, Purdue University, 1955, 1–13
46 Dundurs  J, Hetenyi  H. Transmission of force between two semi-infinite solids. Journal of Applied Mechanics, ASME, 1965, 32: 671–674
47 Plevako  K P. A point force inside a pair of cohering halfspace. Osnovaniya Fundamenty i Mekhanika Gruntov, Moscow, Russia, 1969, No.3: 9–11 (in Russian)
48 Suresh  S. Graded materials for resistance to contact deformation and damage. Science, 2001, 292(29): 2447–2451
49 Holl  D L. Stress transmission in earths. Proceedings of Highway Research Board, 1940, 20: 709–721
50 Burminster  D M. The general theory of stresses and displacements in layered systems I, II, III. Journal of Applied Physics, 1945, 16: 89–93, 126–127, 296–302
51 Lemcoe  M M. Stresses in layered elastic solids. Journal of the Engineering Mechanics Division, 1960, 86(4): 1–22
52 Schiffman  R L. General analysis of stresses and displacements in layered elastic systems. In: Proceedings of the 1st International Conference on the Structural Design and Asphalt Pavements. University of Michigan, Ann Arbor, Michigan, USA, 1962: 369–384
53 Michelow  J. Analysis of Stresses and Displacements in an N-layered Elastic System under a Load Uniformly Distributed on a Circular Area.Chevron Research Corporation, Richmond, California, 1963
54 Gibson  R E. Some results concerning displacements and stresses in a non-homogeneous elastic layer. Geotechnique, 1967, 17: 58–67
55 Bufler  H. Theory of elasticity of a multilayered medium. Journal of Elasticity, 1971, 1: 125–143
56 Small  J C, Booker  J R. Finite layer analysis of layered elastic material using a flexibility approach. Part 2- circular and rectangular loading. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 1986, 23: 959–978
57 Wang  L S. The initial parameter method for solving three-dimensional axisymmetrical problems of layered foundations. Lixue Xuebao, 1986, 18(6): 528–537 (in Chinese)
58 Benitez  F G, Rosakis  A J. Three-dimensional elastostatics of a layer and a layered medium. Journal of Elasticity, 1987, 18(1): 3–50
59 Kausel  E, Seale  S H. Static loads in layered half-spaces. Journal of Applied Mechanics, ASME, 1987, 54: 403–408
60 Pindera  M J. Local/global stiffness matrix formulation for composite materials and structures. Composites Engineering, 1991, 1(2): 69–83
61 Conte  E, Dente  G. Settlement analysis of layered soil systems by stiffness method. Journal of Geotechnical Engineering, 1993, 119(4): 780–785
62 Ozturk  M, Erdogan  F. Axisymmetric crack problem in bonded materials with a graded interfacial region. International Journal of Solids and Structures, 1996, 33(2): 193–219
63 Selvadurai  A P S. The settlement of a rigid circular foundation resting on a half-space exhibiting a near surface elastic non-homogeneity. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 1996, 20: 351–364
64 Ta  L D, Small  J C. Analysis of piled raft systems in layered soils. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 1996, 20: 57–72
65 Cheung  Y K, Tham  L G. Some applications of semi-analytical methods in geotechnical engineering. Proceedings of the Ninth International Conference on Computer Methods and Advances in Geomechanics, Wuhan, China, November 2 to 7. 3−14 (Keynote Lecture), 1997
66 Selvadurai  A P S. The analytical method in geomechanics. Applied Mechanics Reviews, 2007, 60(3): 87–106
67 Huber  M T. Probleme der statik technisch wichtiger orthotroper platten, Nakładem Akademji nauk technicznych, Warzawa, 1929, 165
68 Elliott  H A, Mott  N F. Three-dimensional stress distributions in hexagonal aeolotropic crystals. Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society, 1948, 44(04): 522–553
69 Hu  H C. On the three-dimensional problems of the theory of elasticity of a transversely isotropic body. Scientia Sinica, 1953, 2: 145–151
70 Hu  H C. On the equilibrium of a transversely isotropic elastic half space. Scientia Sinica, 1954, 3(4): 247–260
71 Pan  Y C, Chou  T W. Green's functions for two-phase transversely isotropic materials. Journal of Applied Mechanics, ASME, 1979, 46: 551–556
72 Ding  H J, Xu  X. The equilibrium of transversely isotropic elastic layers. Journal of Zhejiang University, 1982, No.2: 141–154
73 Ding  H J, Xu  B H. General solution of axisymmetric problems in transversely isotropic body. Applied Mathematics and Mechanics, 1988, 9(2): 143–151
74 Pan  E. Static response of a transversely isotropic and layered half-space to general surface loads. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 1989, 54(3−4): 353–363
75 Lin  W, Keer  L M. Three-Dimensional Analysis of Cracks in Layered Transversely Isotropic Media. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences, 1867, 1989(424): 307–322
76 Ding  H J, Chen  W Q, Zhang  L C. Elasticity of Transversely Isotropic Materials. Dordrecht: Springer, 2006. 435
77 Yue  Z Q, Yin  J H. Backward transfer-matrix method for elastic analysis of layered solid with imperfect bonding. Journal of Elasticity, 1998, 50(2): 109–128
78 Yue  Z Q, Yin  J H. Layered elastic model for analysis of cone penetration testing. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 1999, 23(8): 829–843
79 Yue  Z Q, Yin  J H, Zhang  S Y. Computation of point load solutions for geo-materials exhibiting elastic non-homogeneity with depth. Computers and Geotechnics, 1999, 25(2): 75–105
80 Yue  Z Q, Xiao  H T, Tham  L G, Lee  C F, Yin  J H. Stresses and displacements of a transversely isotropic elastic halfspace due to rectangular loadings. Engineering Analysis with Boundary Elements, 2005, 29(6): 647–671
81 Xiao  H T, Yue  Z Q. Elastic fields in two joined transversely isotropic media of infinite extent as a result of rectangular loading. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 2013, 37(3): 247–277
82 Fourier  J B. Joseph. Théorie Analytique de la Chaleur (The Analytical Theory of Heat), Paris: Chez Firmin Didot, père et fils. Translated by Freeman, Alexander in 1878, The University Press, 1822
83 Condon  E U. Immersion of the Fourier transform in a continuous group of functional transformations. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1937, 23: 158–164
84 Sneddon  I N. Fourier Transforms. McGraw-Hill, New York, 1951
85 Sneddon  I N. Mixed Boundary Value Problems in Potential Theory. North-Holland, Amsterdam, 1966
86 Sneddon  I N. Lowengrub  M. Crack Problems in the Classical Theory of Elasticity, New York: Wiley, 1969. 221
87 Sneddon  I N. The Use of Integral Transforms. New York: McGraw-Hill, 1972, 539
88 Bateman  H. Tables of Integral Transforms. McGraw-Hill, New York, 1954, 2
89 Eason  G, Ogend  R W. Elasticity: mathematical methods and applications: the Ian N. Sneddon 70th birthday. Chichester England: E. Horwood, 1990, 412
90 Debnath  L. Integral Transforms and Their Applications. New York: CRC Press Inc, 1995, 457
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed