《力学学报》由首任主编钱学森等创刊于1957年,由中国科学院主管、中国力学学会和中国科学院力学研究所主办。历任主编为钱学森、郭永怀、郑哲敏、林同骥、黄克智、吴承康、王自强、杨卫、程耿东、郑泉水,现任主编魏悦广(北京大学)。本刊是力学学科的综合性学术刊物,获得首届国家期刊奖、第二届国家期刊奖百种重点期刊、《共和国期刊60年》(力学学科唯一入选)、百种中国杰出学术期刊奖、中国科协top50、全国科技百强期刊、数字影响力100强等多项荣誉。本刊的报道方向包括在理论和应用力学所有领域里,在理论、方法和实验方面的研究进展。期刊鼓励发表与力学相关的交叉学科的研究成果,力求成为力学与其他工程和科学分支的桥梁,成为有助于中国力学年青学子成长和推动与中国重大工程建设合作的平台。 更多>>
2020年 第52卷 第6期 刊出日期:2020-11-18
航天动力学与控制专题
航天动力学与控制专题序
王天舒
2020, 52(6):  1547-1547.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-377
摘要 ( 11 )   PDF (47KB) ( 9 )  
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折叠翼飞行器的动力学建模与稳定控制1)
宋慧心, 金磊
2020, 52(6):  1548-1559.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-115
摘要 ( 58 )   PDF (2131KB) ( 22 )  
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折叠翼飞行器在变形过程中,其动力学模型呈现多刚体、多自由度和强非线性特点,同时气动力/力矩、压心、质心和转动惯量等参数也会大幅度变化,严重影响飞行稳定性. 由此,本论文将对飞行器的多刚体动力学建模与变形稳定控制进行研究.基于凯恩方法建立了折叠翼飞行器的多刚体动力学模型,并从中得到了变形所产生的附加力和力矩表达式.通过气动计算拟合出气动参数与折叠角之间的函数关系,由此分析了不同折叠角速度下飞行器的纵向动态特性, 结果表明,折叠翼飞行器变形过程中速度、高度和俯仰角均会发生变化,飞行器无法保持稳定飞行.为此提出了一种基于自抗扰理论的飞行器变形过程中的稳定控制方法.将折叠翼飞行器纵向非线性动力学模型中存在的非线性项、耦合项以及参数时变项都视为系统内外总扰动,利用扩张状态观测器对总扰动进行实时估计和补偿, 针对补偿后的系统设计PD控制器,实现了速度通道和高度通道的解耦控制.通过Lyapunov稳定性原理证明了系统的稳定性, 并进行数学仿真验证. 仿真结果表明,基于自抗扰理论设计的稳定控制器能够解决飞行器变形所带来的强非线性和参数时变等问题,保证飞行器的高精度稳定控制.
基于机动目标滤波估计的航天器主动规避策略1)
李皓皓, 张进, 罗亚中
2020, 52(6):  1560-1568.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-113
摘要 ( 71 )   PDF (377KB) ( 21 )  
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随着空间操控技术的发展, 航天器在轨安全问题日益受到重视.具有主动机动能力的航天器对目标航天器的自主接近严重威胁航天器的在轨安全.航天器近距离追逃博弈时,相对位置、速度、加速度等状态获取是追逃双方博弈策略形成的基础.本文在追逃双方信息获取不完全的情况下,提出了基于机动目标滤波估计与最大化视线偏转率的主动规避逃脱策略.追逃双方航天器基于当前统计模型滤波算法获得对方的相对位置、速度、加速度等导航信息.追踪航天器采用比例导引律自主接近逃逸航天器.逃逸航天器计算相对于追踪航天器的视线方向及视线偏转率,采用基于最大化视线偏转率的主动规避策略进行逃脱.对不同规避策略及不同工况进行仿真分析, 结果表明:逃逸航天器的机动能力达到追踪航天器的60%以上时,所提出的规避策略可有效规避追踪航天器的自主接近;规避策略对观测设备的测量精度和工作频率不敏感;规避效果与规避策略的响应时间有关, 逃逸航天器收到预警信息越早, 规避效果越好.
含间隙铰接的柔性航天器刚柔耦合动力学与控制研究1)
孙杰, 孙俊, 刘付成, 朱东方, 黄静
2020, 52(6):  1569-1580.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-109
摘要 ( 76 )   PDF (8591KB) ( 41 )  
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大型柔性航天器展开锁定后,运动副中仍存在大量无法消除的间隙. 铰链间隙直接影响柔性航天器的姿态 运动和有效载荷的指向精度及稳定度,会对航天器的动力学特性造成较大的影响. 针对这一问题, 提出一种含间隙铰 接的航天器刚柔耦合动力学建模与控制方法. 首先建立含间隙的铰链精确动力学模型,从而构建含间隙铰接的柔性结构 动力学模型. 然后利用哈密顿原理和模态离散方法,建立含间隙铰接柔性航天器离散形式的刚柔耦合非线性动力学 模型,采用 Newmark 算法对非线性动力学方程进行求解. 基于压电纤维复合材料 (macro fiber composite, MFC) 驱动器 构建航天器的刚-柔-电耦合动力学方程,采用最优控制设计控制律. 分析了铰链参数、中心刚体转动惯量、间隙尺寸和间隙数目对航天器动力学特性的影响,着重研究了铰链间隙对航天器姿态运动和结构振动的影响作用. 最后采用 MFC 驱动器对航天器施加主动控制. 结果表明,铰链参数和中心刚体转动惯量影响航天器的固有频率;随着铰链间隙尺寸的增大及间隙数目的增多,航天器的整体刚度逐渐减小,而航天器的姿态角和振动位移响应不断增大;通过基于 MFC 的主动控制,能够实现含间隙铰接航天器姿态运动与结构振动的协同控制,并缓解间隙对系统动态特性造成的影响.
基于改进人工势函数的航天器近距离安全控制方法1)
许丹丹, 张进
2020, 52(6):  1581-1589.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-112
摘要 ( 64 )   PDF (3952KB) ( 23 )  
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针对航天器近距离操作的安全问题,提出了一种基于人工势函数改进的碰撞规避控制算法.根据航天器与目标、障碍物之间的实时状态, 利用人工势函数算法,计算航天器的实时加速度, 规划航天器的轨迹. 为改进人工势函数方法的适用性,提出三个方面的改进措施: 首先, 在人工势函数算法中, 为提高碰撞预警的准确性,减少额外机动, 碰撞预警采用碰撞概率代替相对距离. 其次, 为了提高对接安全,降低接近目标航天器的相对速度, 利用相对速度的安全接近走廊来计算目标排斥力.最后, 针对大多航天器不能提供任意连续变化推力的情况, 设置两种实用的推力形式,如bang-bang控制的推力形式和恒定变化率的推力形式, 代替连续变推力形式.通过对不同算例的比较,成功地揭示了主要任务参数(如碰撞预警方法、速度安全边界和实际加速度形式)对近距离操作安全的影响.结果表明, 该方法可以提高航天器近距离操作的安全性、效率性, 并且结构简单,实时性强.
基于抱爪式对接机构捕获缓冲系统动力学仿真研究
沈涛, 张崇峰, 王卫军, 冯文博, 邱华勇
2020, 52(6):  1590-1598.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-108
摘要 ( 22 )   PDF (12081KB) ( 18 )  
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现有在轨服务的对接机构由于其尺寸大、结构复杂、对接目标单一等局限性因素,无法很好地为后续我国探月工程任务提供有力支撑,且受限于运载能力,对接机构的轻量化也是必不可少的一项环节.为研究可服务于未来月球空间站以及载人登月等高轨道任务的对接机构,设计了一种新型抱爪式对接机构,其采用异体同构周边式构型,可以实现主/被动飞行器之间的互换.利用 V 型槽与爪钩等结构部件实现飞行器对接过程中的捕获以 及能量消耗功能,从而实现两飞行器之间的稳固联接.该对接机构具备尺寸小、重量轻、结构简单、功能易实现等优势. 对其捕获缓冲系统进行了动力学分析,计算了缓冲元器件的参数对其捕获性能的影响,在 ADAMS 完成了数字虚拟样机的建立,结合实际两种典型的对接初始条件工况进行了仿真研究.研究结果表明,两种工况下的对接过程能量消耗满足设计要求,能够以较小的 V 型槽的碰撞力完成捕获,结果证明了捕获缓冲系统的可行性以及该构型对接机构具备较好实现任务的能力.
低轨纳卫星质量矩姿态控制技术研究1)
胡远东, 陆正亮, 廖文和
2020, 52(6):  1599-1609.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-116
摘要 ( 48 )   PDF (3301KB) ( 13 )  
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针对气动力矩严重影响低轨纳卫星姿态控制效果的问题,创新性地提出了利用质量矩技术将气动干扰转化为控制力矩的解决方法.由于气动力矩矢量垂直于大气来流速度方向,因而采用质量矩与磁力矩相结合的方式三轴全驱动控制卫星姿态,从而避免系统欠驱动. 建立双执行机构控制方式的姿态动力学模型,并根据各干扰项的影响简化了控制方程.针对气动力不确定、星体参数误差、未知环境影响等复杂干扰,设计了针对理想控制力矩基于干扰观测器的滑模控制器. 为减小滑块附加干扰力矩,研究了理想控制力矩的最优分配策略. 最后, 为双执行机构搭建了半物理仿真平台,结果表明: 姿态机动过程中, 与滑块加速度相关的附加惯性力矩远大于其他干扰项,最优力矩分配策略能够大幅减小快时变的附加干扰, 优化效果明显; 姿态保持过程中,干扰观测器能有效观测系统慢时变干扰, 提高滑模控制律的姿态控制精度,姿态角收敛误差小于$\pm $0.1$^\circ$.最终验证了在低轨纳卫星上利用质量矩技术控制姿态的可行性.
考虑气动参数扰动的再入轨迹快速优化方法
杨奔, 雷建长, 王宇航
2020, 52(6):  1610-1620.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-117
摘要 ( 8 )   PDF (8510KB) ( 18 )  
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针对传统再入轨迹优化方法收敛速度慢、对初值敏感程度高等的局限性,提出了一种基于序列凸优化的再入轨迹快速求解方法.该方法以倾侧角的变化率作为控制量,改进了现有凸化策略,考虑到抑制数值优化过程中由于数值离散方式带来的锯齿化现象,采用 B 样条曲线离散控制量,同时为避免算法在初始猜想值附近出现伪不可行的问题,增加额外虚拟控制量,通过一种"回溯直线"搜索的方法,提高算法的稳定性、快速性和寻优结果的光滑性.为研究飞行器再入过程中的气动参数扰动问题,采用采样点少、易于实现,计算效率高的广义混沌多项式理论研究方法,建立了基于广义混沌多项式和凸优化相结合的再入轨迹鲁棒优化模型,该模型在优化过程中考虑气动参数扰动对寻优结果的影响作用,避免了传统轨迹与制导律的复杂迭代设计环节,可有效降低优化轨迹对气动参数扰动的敏感程度,在气动参数不确定条件的干扰下,依然可以保证飞行器顺利安全的完成飞行任务.最后,以美国某可重复使用飞行器的再入任务为例,验证了基于序列凸优化的再入轨迹优化方法的快速性以及鲁棒优化模型对气动参数扰动的抗干扰性能力,表明了该方法具有一定的工程应用性.
航天器单脉冲机动可达域求解算法1)
杜向南, 杨震
2020, 52(6):  1621-1631.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-111
摘要 ( 5 )   PDF (17923KB) ( 11 )  
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航天器轨道机动可达域是表征其在未来时间可能到达空间位置集合的有效方式,对维护航天器在轨安全、改善空间态势感知能力具有重要意义.现有关于可达域计算的方法仍然存在模型复杂、初值敏感性高导致计算效果较差等缺点,因此有必要发展更加简洁有效的可达域包络求解算法.本文基于近心点坐标系建立了基于未来可达位置矢量极值求解的可达域求解模型,首先定义任意指向的矢量描述方法并给出未来该指向位置是否可达的判据;其次,设置转移轨道面内机动方位角,将可达域求解问题转化为当前可达位置矢量方向的单变量极值求解问题,利用极值点处可达域包络面函数梯度需为零的条件确定转移轨道面机动方位角的取值,从而确定航天器的轨道机动可达域;此外根据二体轨道动力学特性,利用包络的对称性减少可达域求解计算量;最后通过蒙特卡洛打靶仿真对提出的可达域求解方法进行仿真验证.结果表明,本文方法对航天器单脉冲轨道机动可达域的计算结果与蒙特卡洛打靶仿真吻合良好,模型更加简洁且计算精度优于现有方法.
流体力学
低雷诺数沟槽表面湍流/非湍流界面特性的实验研究1)
李思成, 吴迪, 崔光耀, 王晋军
2020, 52(6):  1632-1644.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-211
摘要 ( 10 )   PDF (2896KB) ( 11 )  
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湍流/非湍流界面是流动中湍流和无旋流的边界,其相关研究在加深对湍流与无旋流之间的物质、动量和能量交换的理解有重要意义.本文采用时间解析的二维粒子图像测速技术,分别对零压梯度光滑、顺流向锯齿形沟槽表面平板在不同雷诺数下对湍流/非湍流界面的几何特征及动力学特性进行了实验研究.实验雷诺数为$Re_{\tau } =400\sim1000$.本文采用了湍动能准则对湍流/非湍流界面进行了识别,并分析界面高度分布、分形特征及界面附近的条件平均速度和涡量.结果表明在不同雷诺数下, 无论是光滑壁面还是沟槽壁面,界面平均高度在0.8 $\sim$ 0.9$\delta_{99} $附近. 对于沟槽壁面而言,减阻时对应的界面高度的概率密度分布与光滑壁面基本一致, 均遵循正态分布,而当阻力增大时, 界面高度分布偏离正态分布出现正的偏度. 在本实验情况下,界面分形维度、跨界面速度跳变均会随着雷诺数增大而增大. 此外,不同壁面情况下无量纲条件平均涡量在界面附近的分布相近,而界面附近无量纲速度梯度最大值近似为常数.
流向磁场作用下圆柱绕流的直接数值模拟1)
郝乐, 陈龙, 倪明玖
2020, 52(6):  1645-1654.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-217
摘要 ( 71 )   PDF (4273KB) ( 12 )  
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绕流是托卡马克装置中液态包层内常见的流动形态,对流场与热量分布有着重要的影响.本文通过直接数值模拟(DNS),研究了不同磁场强度下$Re=3900$的圆柱绕流,分析了磁场强度对于湍流尾迹的影响.无磁场情况下,直接数值模拟的结果与前人的实验及模拟结果吻合很好.圆柱下游的尾迹中,随着流向距离的增大, 流向速度剖面逐渐从U型进化呈V型, 并慢慢趋于平缓,这表明尾迹中的流动结构受圆柱影响逐渐减小.圆柱后方两侧的剪切层中,由于Kelvin-Helmholtz不稳定性的影响,可以清晰地看到小尺度剪切层涡的脱落.通过对无磁场的计算结果施加流向磁场,本文计算了哈特曼数($Ha$)分别为20, 40和80的工况,以研究磁场效应对于湍流的影响.结果表明磁场较弱时,流动依然呈三维湍流状态.随着磁场增强, 近圆柱尾流区受磁场抑制明显,回流区被拉长,剪切层失稳位置向下游转移.圆柱后方的涡结构由于受到竖直方向洛伦兹力的挤压作用,随着哈特曼数的增加尾迹区域逐渐变窄.相比于无磁场情况的涡结构,由于磁场的耗散作用,相应的涡结构尺度变小.该研究不仅扩展了现有磁场下湍流运动的参数范围,对于液态包层的设计及安全运行同样具有重要的理论指导意义和工程应用价值.
RM不稳定过程中预混火焰界面演化及混合区增长预测1)
汪洋, 董刚
2020, 52(6):  1655-1665.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-278
摘要 ( 10 )   PDF (4793KB) ( 4 )  
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预混火焰界面的RM (Richtmyer-Meshkov)不稳定导致的界面混合区增长过程在自然界和工程实践中十分常见,但化学反应对其增长的影响机理仍不明确,反应性界面混合区增长速率的预测也未见报道, 因此,开展RM不稳定过程中火焰界面演化和混合区预测的研究十分必要.本文采用带单步化学反应的Navier-Stokes方程和高精度数值格式,研究了正弦形预混火焰界面在平面入射激波及其反射激波作用下的RM不稳定过程.结果表明, 在入射激波作用后的阶段,除RM不稳定本身导致的界面演化为"钉-帽"和"泡"形结构外,化学反应一方面以预混火焰传播的方式促进了界面中"泡"结构的增长,另一方面通过与涡结构的复杂相互作用促进了"钉-帽"结构的增长.化学反应活性越强, 火焰界面的"泡" 结构和"钉-帽"结构的增长越快.在第一次反射激波作用后的阶段,化学反应以相同的火焰传播方式对"泡"和"钉-帽"结构产生影响, 两者效应相抵,因而导致反射激波作用后的阶段中界面混合区增长不受化学反应活性的影响.根据以上分析,分别针对入射激波和第一次反射激波作用后的火焰界面混合区增长速率提出了相应的预测模型,为探索反应性RM不稳定过程的理论预测方法提供了有益参考.
基于Stereo-PIV技术的三维发卡涡结构定量测量研究1)
田海平, 伊兴睿, 钟山, 姜楠, 张山鹰
2020, 52(6):  1666-1677.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-203
摘要 ( 28 )   PDF (15144KB) ( 17 )  
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发卡涡是湍流相干结构研究中最为关注的内容,实现发卡涡三维结构的定量测量并进行流体动力学分析,对深入研究湍流相干结构、实现湍流精准控制等具有重要意义.本研究通过对合成射流装置进行合理控制,使得层流边界层中产生了规则的人造发卡涡结构,进而用体视图像粒子测速仪(Stereo-PIV)锁相实验技术对发卡涡结构所在的三维空间流场进行了定量测量,并得到了一个完整周期内形成的发卡涡三维结构的空间流场. 结果发现,重构所得的三维发卡涡结构质量较高, 实验技术和方案具有可行性.发卡涡结构所在空间流场情况,符合目前人们对于发卡涡、高低速条带、喷射和扫掠事件的常规认识. 此外,对近壁二次流向涡、展向涡量集中区域的展向涡头和强剪切区域、与低速喷射流体相关的汇聚流动和发散流动等有了更细致的认识.同时, 也探讨了"基于二维脉动流场的相关特征去重构发卡涡三维流场"的可行性.为进一步定量探究发卡涡结构的形成演化、不同涡结构的融合及二次诱导等壁湍流相干结构问题提供思路.
风力机翼型动态失速等离子体流动控制数值研究1)
张卫国, 史喆羽, 李国强, 杨永东, 黄明其, 白云卯
2020, 52(6):  1678-1689.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-090
摘要 ( 10 )   PDF (8132KB) ( 3 )  
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针对动态失速引起的风力机翼型气动性能恶化的问题,本文基于动网格和滑移网格技术, 开展了大涡模拟数值计算研究,探索了非定常脉冲等离子体的动态流动控制机理. 结果表明,等离子体气动激励能够有效控制翼型动态失速, 改善平均和瞬态气动力,减小力矩负峰值和迟滞环面积. 压力分布在等离子体施加范围内出现了负压"凸起",上翼面吸力峰值明显增大.脉冲频率和占空比这两个非定常控制参数对流动控制影响显著,无因次脉冲频率为1.5时等离子体控制效果较好,占空比为0.8时即可接近连续工作模式下的气动收益. 翼型深失速状态,等离子体促使流动分离位置明显向后缘移动, 抵抗了大尺度动态失速涡的发生,分离涡结构破碎耗散、重新附着, 涡流影响范围减小; 浅失速状态,等离子体激励具有较强的剪切层操纵能力, 诱导了翼型边界层提前转捩,促进了与主流的动量掺混. 等离子体气动激励诱导出前缘附近贴体翼面"涡簇",起到了虚拟气动外形的作用.不同尺度、频域的动态涡结构与等离子体气动激励的非线性、强耦合作用导致了气动力/力矩的谐波振荡.
固体力学
低速冲击激励下嵌入黏弹性阻尼芯层的纤维金属混杂层合板动态响应预测模型1)
李则霖, 李晖, 王东升, 任朝晖, 祖旭东, 周晋, 官忠伟, 王相平
2020, 52(6):  1690-1699.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-165
摘要 ( 4 )   PDF (8415KB) ( 6 )  
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本文首次从解析角度建立了低速冲击激励下嵌入黏弹性阻尼芯层的纤维金属混杂层合板动态响应预测模型. 首先,结合经典层合板理论和冯$\cdot$卡门假设,建立了嵌入黏弹性芯层的纤维金属混杂层合板弹性损伤本构关系. 然后,将层合板受冲击时的变形分成接触和拉伸两个区域,在接触区域内,对金属层采用 Von Mises 失效准则,纤维层采用 Tsai-Hill 失效准则和对黏弹性层采用指数 Drucker-Prager 失效准则判断层合板损伤情况. 考虑不同材料层对冲击动态响应的贡献来修正两个变形区域的位移公式,进而计算结构因弹性变形产生的应变能,以及接触区域因塑性变形消耗的能量,实现每次失效事件发生后各层材料的能量、位移和冲击接触力的理论求解,并给出了结构动态响应分析的具体流程图. 最后,以嵌入 Zn33 黏弹性芯层的 TA2 钛合金混杂 T300 碳纤维/树脂层合板为研究对象,开展落锤冲击实验. 验证结果表明,理论预测与测试获得的冲击接触力、位移响应以及冲击载荷-位移曲线吻合较好,且关注的峰值点计算误差最大不超过 9%,进而验证了所提出的理论模型的有效性.
面内随机堆叠石墨烯复合材料压阻传感机理与压阻性能1)
李正, 杨庆生, 尚军军, 刘夏
2020, 52(6):  1700-1708.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-197
摘要 ( 74 )   PDF (10085KB) ( 36 )  
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面内随机堆叠石墨烯复合材料(graphene composites, GC)是可穿戴柔性传感器的基础材料之一, 但是其压阻传感机理与压阻性能仍然有待深入研究. 本文基于GC的微观结构特征, 利用0 $\sim$ 1间均匀分布随机数获得石墨烯在复合材料中的位置和方向, 建立了二维GC压阻传感器模型. 根据GC均匀变形的特点和有限单元法发展了GC压阻性能的计算方法, 计算得到了相对电阻、灵敏度系数、石墨烯片的微观形态与电流密度云图. 研究结果表明, GC中的压阻效应是由于在变形过程中石墨烯形态的改变, 包括GC中石墨烯片的密度随应变变化、石墨烯片滑移、分离导致电子迁移路径和无效片数量的改变, 而GC中石墨烯片密度随应变的变化是影响压阻效应的主要因素. 石墨烯片间的相对滑移产生线性传感特征, 分离反之. 高面分比GC与大尺寸石墨烯的GC拥有较大的感知范围, 低面分比GC和小尺寸石墨烯的GC具有更高的灵敏度系数. 最后将接触面的面内电阻率设为应变的函数, 研究了石墨烯片的接触效应对GC压阻性能影响, 解释了GC压阻性能的接触效应和影响机理. 研究结论可为GC生产方法的改进与创新、以及GC压阻传感器件的制备提供理论依据和技术参考.
铜基非晶合金热效应和剪切模量变化起源1)
张浪渟, Vitaly A Khonik, 乔吉超
2020, 52(6):  1709-1718.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-233
摘要 ( 6 )   PDF (12767KB) ( 5 )  
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剪切模量在非晶合金黏性流动、扩散及结构弛豫等行为中起着重要作用. 宏观剪切弹性决定非晶合金热流变化.探索非晶合金在结构弛豫和玻璃转变过程中宏观力学性能与热流的关联有助于理解其力学行为起源. 本研究基于自间隙理论对Cu$_{49}$Hf$_{42}$Al$_{9}$非晶合金热流、剪切模量及黏度进行研究,建立剪切模量与热流之间的关联. 通过测量剪切模量精确测定自间隙缺陷浓度演化规律.从能量角度出发,通过激活能图谱探索自间隙缺陷浓度对非晶合金热力学性能的影响. 借助于动态力学分析仪研究非晶合金从室温到过冷液相区的动态弛豫行为,探索物理时效引起的结构弛豫以及内耗演化规律. 研究结果表明,自间隙理论可准确描述非晶合金的弛豫动力学、剪切软化及结构弛豫诱导的力学行为. 结合热流数据可以很好描述铸态和弛豫态非晶合金剪切模量随温度演化过程,激活能图谱直观表述了单位激活能可激活的自间隙缺陷浓度. 自间隙缺陷在结构弛豫中湮灭,表现为玻璃体系结构向更稳定状态迁移.在玻璃化转变过程中,缺陷浓度显著升高伴随热吸收,表现为原子大规模协同运动和剪切软化. 物理时效诱导非晶合金内耗和原子移动性降低. 过冷液相区内原子移动性高至消除了结构弛豫影响.
一种新型介电弹性体仿生可调焦透镜的变焦分析1)
史惠琦, 王惠明
2020, 52(6):  1719-1729.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-212
摘要 ( 6 )   PDF (10631KB) ( 3 )  
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介电弹性体 (dielectric elastomer) 是电活性聚合物智能材料的一种,在外加电场作用下,可产生多种形式的响应.在驱动柔性透镜的变焦方面,相对于传统的机械操控变焦方法 显示出独特的优势.针对一款在电压激励下可高效调节焦距的介电弹性体仿人眼变焦透镜,该透镜由上下两层介电弹性薄膜和固定框架构成,并在封闭腔内充入盐水,上层薄膜涂覆环形柔性电极.在电压激励下,上层膜发生变形,由于盐水的体积保持恒定,引 起下层膜随之变形,使得透镜的焦距发生改变.采用 neo-Hookean 模型,利用变分原理导出了该透镜的控制方程、边界条件和连 续条件.利用打靶法求解了该非线性问题并高效地处理了非线性问题的界面连续条件. 理论分析结果与实验结果相吻合. 利用此模型开展了广泛的参数分析,研究表明,透镜的几何形状、初始焦距、介电弹性体薄膜的预拉伸率、涂覆的电极面积、材料的剪切模量等对透镜焦距的调节性能都有重要的影响.所建立的理论分析模型可为柔性仿生透镜的设计和参数优化提供有效的分析方法.
动力学与控制
随机空间柔性多体系统动力学分析1)
郭祥, 靳艳飞, 田强
2020, 52(6):  1730-1742.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-273
摘要 ( 4 )   PDF (697KB) ( 3 )  
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轻质、高精度的柔性多体系统被广泛应用于实际工程领域中.由于实际设计公差、制造误差及环境温度等多种不确定因素的存在,使得柔性多体系统的结构参数(物理参数和几何参数)表现出随机性.具有随机结构参数的动力学模型能够客观地反映出真实系统的动力学行为,且结构参数的不确定性对空间柔性多体系统动力学响应的影响是不容忽视的.针对具有多个随机参数的空间柔性多体系统,提出了一种基于广义alpha算法的非侵入式随机柔性多体系统动力学计算方法.采用绝对节点坐标公式(absolute node coordinate formulation, ANCF)来描述柔性体, 推导建立多体系统动力学模型.利用混沌多项式展开(polynomial chaos expansion, PCE)法构建系统随机动力学方程的代理模型,然后将随机响应面法(stochastic response surface method, SRSM)嵌入广义-alpha方法中,分别采用改进抽样的回归方法(regression method of improved sampling, RMIS)和单项求容积法则(Monte Carlo simulation, MCR)来确定样本点.将数值计算结果与蒙特卡洛模拟(Monte Carlo simulation, MCS)结果进行对比, 验证了所提算法的有效性.在相同的定积分精度的条件下,根据单项求容积法则确定的样本点的计算结果稳定性更强, 且其计算效率更高.
一类阻尼控制半主动隔振系统的解析研究1)
张婉洁, 牛江川, 申永军, 杨绍普, 王丽
2020, 52(6):  1743-1754.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-147
摘要 ( 38 )   PDF (6783KB) ( 28 )  
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研究了一类基于相对速度反馈的含立方刚度的单自由度非线性半主动隔振系统.通过平均法得到了系统分别在基于加速度-相对速度反馈的加速度驱动阻尼控制策略、速度-相对速度反馈的天棚阻尼控制策略和位移-相对速度反馈的地棚阻尼控制策略下主共振响应的近似解析解,并利用数值解验证了近似解析解的准确性.通过 Lyapunov 理论对不同控制策略下系统的稳定性进行了分析,讨论了系统参数对控制效果的影响.分析结果表明,对 3 种基于相对速度反馈的控制策略进行解析研究时,切换条件中的控制参数具有相同的表达式;在抑制共振响应振幅方面,基于速度-相对速度反馈的天棚阻尼控制策略在低频时的减振效果最好,而基于加速度-相对速度反馈的加速度驱动阻尼控制策略在高频时的减振效果最优;在抑制瞬态响应振幅方面,基于速度-相对速度反馈的天棚阻尼控制策略的减振效果最好.此类解析研究方法可应用到其他半主动开关控制策略中,为半主动隔振系统的控制策略研究提供了有效的方法和手段.
三相驱动下非光滑振动驱动系统的动力学分析1)
朱诗慧, 周震, 吕敬, 王琪
2020, 52(6):  1755-1764.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-177
摘要 ( 67 )   PDF (942KB) ( 11 )  
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可移动式机器人已成为机器人研究领域的重要分支,为实现其在狭小特殊环境中的运动, 学者们提出并研究了振动驱动移动系统.本文基于二维LuGre摩擦模型和拉格朗日方程,给出了一类振动驱动系统在各向同性摩擦环境中的动力学建模方法和数值算法.这类振动驱动系统结构简单且密封性好,依靠箱体与地面间的摩擦力实现自身的定向运动.该系统由一个外部箱体和两个内部质量块构成,两个质量块在箱体内的两个平行轨道上作三相振动驱动,箱体通过三个刚性支撑足与地面保持接触. 二维LuGre摩擦模型的利用,可有效避免库伦摩擦模型的不连续性给动力学方程的数值求解带来的困难,且可有效揭示该系统在运动过程中的黏滞-滑移切换现象. 数值仿真结果表明,通过调整其内部质量块的驱动参数,可实现箱体的直线平移、定轴转动和平面一般运动,且箱体在移动和转动过程中会出现擦滑、穿滑、回滑和不黏等4种现象; 另外,通过调节驱动参数, 不仅可以改变箱体移动和转动的快慢,还可以改变箱体形心运动轨迹的曲率半径.
弱非线性动力学方程的 Noether 准对称性与近似 Noether 守恒量1)
张毅
2020, 52(6):  1765-1773.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-242
摘要 ( 3 )   PDF (129KB) ( 3 )  
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自然界和工程技术领域存在大量的非线性问题,它们通常需要用非线性微分方程来描述. 守恒量在微分方程的求解、约化和定性分析方面发挥重要作用. 因此,研究非线性动力学方程的近似守恒量具有重要意义. 文章利用 Noether 对称性方法研究弱非线性动力学方程的近似守恒量. 首先,将弱非线性动力学方程化为一般完整系统的 Lagrange 方程,在 Lagrange 框架下建立 Noether 准对称性的定义和广义 Noether 等式,给出近似 Noether 守恒量. 其次,将弱非线性动力学方程化为相空间中一般完整系统的 Hamilton 方程,在 Hamilton 框架下建立 Noether 准对称性的定义和广义 Noether 等式,给出近似 Noether 守恒量. 再次,将弱非线性动力学方程化为广义 Birkhoff 方程,在 Birkhoff 框架下建立 Noether 准对称性的定义和广义 Noether 等式,给出近似 Noether 守恒量. 最后,以著名的 van der Pol 方程,Duffing 方程以及弱非线性耦合振子为例,分析三个不同框架下弱非线性系统的 Noether 准对称性与近似 Noether 守恒量的计算. 结果表明:同一弱非线性动力学方程可以化为不同的一般完整系统或不同的广义 Birkhoff 系统;Hamilton 框架下的结果是 Birkhoff 框架的特例,而 Lagrange 框架下的结果与 Hamilton 框架的等价. 利用 Noether 对称性方法寻找弱非线性动力学方程的近似守恒量不仅方便有效,而且具有较大的灵活性.
基于参激共振的受摄小行星悬停轨道设计方法1)
司震, 钱霙婧, 杨晓东, 张伟
2020, 52(6):  1774-1788.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-141
摘要 ( 80 )   PDF (5286KB) ( 36 )  
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本文将太阳引力摄动视为受摄不规则小行星系统的组成部分,借鉴非线性振动理论中参数激励共振的概念,创新性地设计了不规则小行星平衡点附近稳定的悬停观测轨道.为了同时考虑不规则小行星引力和太阳引力, 本文采用受摄粒杆模型描述系统.通过对未扰系统平衡点以及固有频率的分析, 给出系统存在参激共振轨道的条件.再以第二类参激主共振和1:3内共振为例,采用多尺度方法求得参数激励共振轨道的稳态解, 并对稳态解的稳定性进行判断.通过受摄小行星系统的幅频响应曲线以及力频响应曲线分析了系统的非线性特性以及参数激励效应.此外, 对内共振引起的长短周期能量转移现象进行了分析.本文的研究成果可以拓展现有小行星系统周期轨道族设计方法.
一类三维非线性系统的复杂簇发振荡行为及其机理1)
马新东, 姜文安, 张晓芳, 韩修静, 毕勤胜
2020, 52(6):  1789-1799.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-231
摘要 ( 6 )   PDF (4697KB) ( 4 )  
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由多时间尺度耦合效应引起的簇发振荡行为是非线性动力学研究的重要课题之一.本文针对一类参数激励下的三维非线性电机系统(该系统可以描述两种自激同极发电机系统的动力学行为,两种系统在数学上等效),研究了当参数激励频率远小于系统自然频率时的各种复杂簇发振荡行为及其产生机理.通过快慢分析方法, 将参数激励作为慢变参数,得到了非自治系统对应的广义自治系统及快子系统和慢变量,并给出了快子系统的稳定性和分岔条件以及系统关于典型参数的单参数分岔图.借助转换相图与分岔图的叠加, 分析了对称式delayed subHopf/fold cycle簇发振荡的产生机理及其动力学转迁, 即delayed subHopf/fold cycle簇发振荡、焦点/焦点型对称式叉形分岔滞后簇发振荡和焦点/焦点型叉形分岔滞后簇发振荡.研究结果表明, 系统会出现两种不同的分岔滞后形式, 一种是亚临界Hopf分岔滞后,另一种是叉形分岔滞后,而且控制参数显著影响平衡点的稳定性和分岔滞后区间的宽度.同时初始点的选取则会影响系统动力学行为的对称性.本文的研究进一步加深了对由分岔滞后引起的簇发振荡的认识和理解.
含集中质量悬臂输流管的稳定性与模态演化特性研究1)
易浩然, 周坤, 代胡亮, 王琳, 倪樵
2020, 52(6):  1800-1810.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-280
摘要 ( 6 )   PDF (4308KB) ( 4 )  
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本文主要研究通过调控集中质量对悬臂输流管稳定性和振动模态特性的影响规律,为输流管动力学性能的可控性提供理论指导和实验依据. 首先基于扩展的哈密顿原理,建立了含集中质量悬臂输流管的非线性动力学理论模型. 基于线性动力学特性分析,研究发现集中质量沿管道轴向位置变化对输流管发生颤振失稳的临界流速有重要影响.并通过伽辽金前四阶模态截断处理线性矩阵方程式,定性地分析了集中质量位置与质量比的变化对于输流管稳定性影响的变化.实验结果表明, 输流管的颤振失稳模态随集中质量位置的变化发生了转迁. 此外,基于动力学理论分析, 发现集中质量比值对失稳临界流速也有重要的影响,且主要取决于集中质量的安装位置. 基于非线性特性,进一步分析了集中质量对输流管振动幅值的影响. 实验和理论研究发现,集中质量位置从固定端向自由端变化时, 输流管振幅表现出先增大后减小趋势,且振动模态也从二阶转迁到三阶.本研究有望为输流管振动驱动应用提供理论支撑与指导意义.
生物、工程及交叉力学
主动脉瓣倾斜角度血流动力学的 PIV 实验研究1)
刘赵淼, 薛贺波, 杨刚, 逄燕, 房永超, 李梦麒, 齐轶鹏, 史艺
2020, 52(6):  1811-1821.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-229
摘要 ( 71 )   PDF (31896KB) ( 32 )  
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瓣叶血栓是主动脉瓣置换术后典型的继发性瓣膜疾病,血流动力学特征异常在其发展过程中至关重要.本文利用粒子图像测速 (particle image velocimetry,PIV) 系统,实验研究了主动脉瓣开口纵向轴线与升主动脉纵向轴线之间倾斜角度 ($\alpha =0^\circ$, $\alpha=5^\circ$,$\alpha =10^\circ$ 和 $\alpha =15^\circ$) 对速度、涡度和黏性剪应力分布等血流动力学特性的影响.研究结果表明:当 $\alpha =0^\circ$ 时,主动脉根部跨瓣血液流动为中心对称流动,而 $\alpha =5^\circ$,$\alpha=10^\circ$ 和 $\alpha =15^\circ$ 时跨瓣血液流动向升主动脉的左冠状动脉一侧倾斜.随着倾斜角度增大,跨瓣血液流动方向倾斜程度增加,血液流动冲击升主动脉壁,损伤内皮细胞导致血栓形成.主动脉瓣倾斜时主动脉窦血液流动速度增大,涡旋也更向主动脉窦底部运动,不利于血液从冠状动脉口流出向心肌供血.同时,主动脉根部的高涡度和高黏性剪应力区域也向升主动脉的左冠状动脉一侧倾斜,主动脉窦的高涡度区域位于主动脉窦底部、高黏性剪应力区域分布于主动脉窦壁面处.主动脉瓣存在倾斜角度时,涡度和黏性剪应力较大,特别是 $\alpha =10^\circ$ 和 $\alpha=15^\circ$,为血栓形成提供了有利环境.研究结果可为临床主动脉瓣置换术参数选择以及继发性瓣膜疾病的避免提供理论依据和技术参考.
互逆规划的拓宽和深化及其在结构拓扑优化的应用1)
铁军, 隋允康, 彭细荣
2020, 52(6):  1822-1837.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-188
摘要 ( 80 )   PDF (9782KB) ( 16 )  
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本文的工作涉及数学与力学两方面,数学方面:(1) 将数学规划论中新提出的互逆规划,从 s-m 型 (或称为 m-s 型) 发展出 s-s 型和 m-m 型互逆规划 (其中 s 意为单目标,m 意为多目标),从而使互逆规划的定义完备成为 3 种;(2) 从 KKT 条件审视互逆规划的两方面,得到了互逆规划双方求解涉及拟同构和拟同解的 3 个定理,并且予以证明,提供了在求解中对于互逆规划双方在求解中相互借鉴的理论基础;(3) 对一对互逆规划双方皆合理的情况和某一方不合理的情况,皆给出了求解策略和具体解法. 力学方面:(1) 给出结构优化设计模型合理与否的诠释;(2) 在互逆规划对结构拓扑优化的应用中,提出了不合理结构拓扑优化模型的求解策略;(3) 给出了借助 MVCC 模型 (多个柔顺度约束下的体积最小化) 解决 MCVC 模型 (对于给定体积下的多个柔顺度的最小化) 的途径,其中的建模基于 ICM (独立连续映射) 方法. 用 Matlab 编程给出了数值算例. 其中两个数学问题图示了互逆规划的双方关系;其中,结构拓扑优化问题是众多结构拓扑优化中的两个个案;数值结果均支持了本文提出的互逆规划理论.
采用黏弹性人工边界单元时显式算法稳定性的改善研究1)
李述涛, 刘晶波, 宝鑫
2020, 52(6):  1838-1849.  DOI: 10.6052/0459-1879-20-224
摘要 ( 30 )   PDF (12594KB) ( 15 )  
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黏弹性人工边界单元是目前常用的处理半无限空间波动问题的数值模拟方法,可有效吸收计算区域内产生的外行波动.黏弹性人工边界单元具有与内部介质不同的质量密度、刚度和阻尼,受其影响,对整体模型进行显式时域逐步积分时,在边界区域易发生失稳现象,影响整体系统显式积分的计算效率. 针对该问题目前尚无行之有效的解决方法.本文针对二维黏弹性人工边界单元,建立可代表整体系统典型特征的侧边子系统和角点子系统,利用传递矩阵谱半径分析方法,基于传统中心差分格式,推导得到局部子系统稳定性条件的解析解.在此基础上通过研究解析解中各物理参数对稳定性条件的影响,给出通过增加人工边界单元的质量密度,以改善采用黏弹性人工边界单元时显式算法稳定性的方法.均匀和成层半空间波动问题算例分析表明,将内部单元质量密度设置为人工边界单元质量密度的上限,可以在保证黏弹性人工边界计算精度的前提下,有效改善整体系统显式时域逐步积分的数值稳定性,大幅提高计算效率.
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  • 主 编 陆夕云
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