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本期目录
2018年 第50卷 第3期 刊出日期:2018-05-15
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  • 研究综述
    大涡模拟的壁模型及其应用
    吴霆, 时北极, 王士召, 张星, 何国威
    力学学报. 2018, 50(3):  453-466.  doi:10.6052/0459-1879-18-071
    摘要 ( 859 )   HTML ( 4 )   PDF (9520KB) ( 686 )  
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    大涡模拟是研究湍流的非定常特性的重要方法. 但解析壁面层的大涡模拟所需的计算量与直接数值模拟相当,是大涡模拟在高雷诺数壁湍流数值模拟中所面临的主要困难. 解析壁面层所需的网格尺度与壁面黏性长度同量级,是引起壁湍流大涡模拟计算量增加的主要原因. 壁模型通过模化近壁流动避免了完全解析壁面层,可以显著地降低壁湍流大涡模拟的计算量,是克服上述困难的有效方法. 本文介绍了大涡模拟壁模型的主要类型;详细讨论了常用的壁面应力模型,特别是平衡层模型和双层模型的构建思路和特点;基于近壁流动的特征讨论了应力边界条件的必要性和适用性;指出了壁面应力模型的局限性以及考虑非平衡效应修正的各种方法;讨论了壁面应力模型的研究历史、最新进展和发展趋势,给出了常用的壁面应力模型的分支与发展关系图;并基于Werner-Wengle模型实现了周期山状流的大涡模拟.

    折纸及其折痕设计研究综述
    李笑, 李明
    力学学报. 2018, 50(3):  467-476.  doi:10.6052/0459-1879-18-031
    摘要 ( 791 )   HTML ( 15 )   PDF (6125KB) ( 939 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    折纸是指不经剪裁和粘接,将二维平面纸张折叠成三维立体的方法,具有设计简单、成形迅速、适用范围广等优点,在可展开式结构、结构组装与自成型等领域有着广阔的应用前景. 本文首先简述了多种典型的新式折纸应用,如屈曲诱导的微尺度三维结构、可折叠太阳能电池板、DNA螺旋组装结构等;根据折纸的曲线折痕数量、相对运动、刚性折叠面、使用纸张数量界定折纸的分类;然后 折痕设计是实现折纸结构的核心问题,着重阐述了折纸的折痕设计方面,包括梳理折痕设计的基本条件,给出若干典型折痕设计如三浦折痕设计、水弹折痕设计、吉村式折痕设计和对角线型折痕设计,介绍典型折痕设计的显著特点及几何条件,将目前折纸折痕设计的创新方法归纳为对经典折痕设计适当改进、形成折痕设计数据库、利用拓扑优化方法、借助成型的汇编算法等;最后,基于当前折纸的研究进展对未来的研究方向进行了展望,其中涉及到可重构折纸结构、四维折纸、多材料折纸和多尺度折纸等.
    热应力专题文章
    粗糙表面之间接触热阻反问题研究
    余远锋, 李泽卫, 郑晓亚
    力学学报. 2018, 50(3):  479-486.  doi:10.6052/0459-1879-18-076
    摘要 ( 271 )   HTML ( 4 )   PDF (1346KB) ( 413 )  
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    当两个固体表面相互接触时,由于接触面粗糙度的影响,界面间就形成了非一致接触,这种接触导致热流收缩,进而产生接触热阻. 目前的理论研究主要集中在正问题研究,对反问题的研究相对较少. 接触热阻反问题研究是通过研究部分边界温度、热流和部分测量点的温度来反演得到界面上的接触热阻. 反问题研究在很多工程领域都有应用,如航空航天、机械制造、微电子等,是工程中确定接触热阻一种快速有效的方法. 本文采用边界元法和共轭梯度法研究了二维空间随坐标变化的接触热阻反问题. 为了验证方法的准确性和可行性,假定在已知部分测量点温度和真实接触热阻的情况下,反演计算得到界面的温度和热流,进而得到接触热阻,并与真实接触热阻进行比较. 结果表明采用边界元法和共轭梯度法在无测量误差的情况下,可以准确反演获得界面的真实接触热阻. 若存在测量误差,反演计算结果对测量误差极其敏感,反演结果误差会由于测量误差的引入而被放大. 为处理这种不适定性, 采用最小二乘法对反演计算结果进行校正,结果表明采用最小二乘法能够避开反问题中一些偏离实际值较大的测量点,显著提高反演计算结果的准确性.
    多物理场下FCBGA焊点电迁移失效预测的数值模拟研究
    张元祥, 梁利华, 张继成, 陈俊俊, 盛玉峰
    力学学报. 2018, 50(3):  487-496.  doi:10.6052/0459-1879-18-077
    摘要 ( 229 )   HTML ( 2 )   PDF (24128KB) ( 237 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    随着微电子封装技术的快速发展, 焊点的电迁移失效问题日益受到关注. 基于有限元法并结合子模型技术对倒装芯片球栅阵列封装(flip chip ball grid array, FCBGA)进行电-热-结构多物理场耦合分析, 详细介绍了封装模型的简化处理方法, 重点分析了易失效关键焊点的电流密度分布、温度分布和应力分布, 发现电子流入口处易产生电流拥挤效应, 而整个焊点的温度梯度较小. 基于综合考虑“电子风力”、温度梯度、应力梯度和原子密度梯度四种电迁移驱动机制的原子密度积分法, 并结合空洞形成/扩散准则及失效判据, 分析FCBGA焊点在不同网格密度下的电迁移空洞演化过程, 发现原子密度积分算法稳定, 不依赖网格密度. 采用原子密度积分法模拟真实 工况下FCBGA关键焊点电迁移空洞形成位置和失效寿命, 重点研究了焊点材料和铜金属层结构对电迁移失效的影响. 结果表明, 电迁移失效寿命随激活能的增加呈指数级增加, 因此Sn3.5Ag焊点的电迁移失效寿命约为63Sn37Pb的2.5倍, 有效电荷数对电迁移寿命也有一定的影响;铜金属层结构的调整会改变电流的流向和焊点的应力分布, 进而影响焊点的电迁移失效寿命.
    高温下编织复合材料热相关参数识别方法研究
    费庆国, 姜东, 陈素芳, 秦福溶
    力学学报. 2018, 50(3):  497-507.  doi:10.6052/0459-1879-18-078
    摘要 ( 262 )   HTML ( 0 )   PDF (10640KB) ( 217 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    为了获取高温下编织复合材料的准确弹性参数与热膨胀系数,提出一种基于均匀化理论的热相关参数识别方法. 首先,在编织复合材料单胞有限元模型基础上,基于均匀化理论和热弹性理论,施加周期性位移边界条件和温度边界条件,预测编织复合材 料的热弹性相关参数. 然后,考虑到等效过程中编织复合材料应力分布不均匀等因素引起的误差,将复合材料精细模型的热模态数据作为补 充信息,识别编织复合材料热相关参数,对预测的材料参数进行校准. 本文在二维编织结构单胞模型基础上,开展等效预测和识别方法研 究,验证所提出方法的有效性和准确性. 对比等效和识别后热模态的误差,结果表明:本文提出的基于等效预测的参数识别方法,能够 准确识别高温下编织复合材料宏观热相关参数.
    考虑非局部效应和记忆依赖微分的广义热弹问题
    张培, 何天虎
    力学学报. 2018, 50(3):  508-516.  doi:10.6052/0459-1879-18-079
    摘要 ( 309 )   HTML ( 1 )   PDF (1370KB) ( 419 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    现有的广义热弹理论主要适用于求解时间尺度极短但空间尺度仍属宏观尺度的广义热弹问题的动态响应,而当所研究的弹性体的特征几何尺寸也属微尺度时,弹性体的力学响应将呈现出强烈的尺寸相关性,现有的广义热弹理论不再适用. 本文基于通过非局部效应和记记依赖微分修正的广义热弹性理论,研究了两端固定、受移动热源作用的有限长热弹杆的动态响应. 建立了问题的控制方程,给出了问题的初始条件及边界条件,运用拉普拉斯变换及其数值反变换,对方程进行了求解. 数值计算中,首先考察了时间延迟因子对模型所预测各物理量分布的影响;然后对比了模型中的时间延迟因子在两种不同类别核函数下(通过归一化条件修正和未修正形式)对各物理量分布的影响效应;最后考察了考虑新的可以描述尺寸效应的非局部因子对无量纲温度、位移及应力的影响,并用图形进行了示例. 结果表明, 时间延迟因子增大,各物理量的峰值变大,传播距离变小,且时间延迟因子在归一化条件修正过的核函数下影响更加显著;非局部参数几乎不影响无量纲温度的分布,轻微影响无量纲位移的分布,但对无量纲应力的峰值的影响显著.
    老化对PP/SSFs导电复合材料结构及 应力松弛性能的影响
    朱振华, 邵柏军, 王俊, 邵宇, 陈建康, 张明华
    力学学报. 2018, 50(3):  517-526.  doi:10.6052/0459-1879-18-080
    摘要 ( 256 )   HTML ( 2 )   PDF (590KB) ( 397 )  
    参考文献 | 相关文章 | 多维度评价
    导电高聚物复合材料具有柔性好、导电性可调、容易成型及生产成本低等优点,并具有抗静电、电磁屏蔽/吸波、压力/温度敏感性 等特点,可以作为功能材料在诸多领域应用. 但是在加工、储运和使用过程中,由于多种因素综合影响,不可避免发生老化并导致其性能劣化. 通过熔融共混、注塑成型的方法制备不锈钢短纤维(SSFs)填充聚丙烯(PP)导电复合材料,将其进行加速湿热老化和紫外老化,测定应 力松弛曲线以及松弛条件下电阻率变化规律,通过X射线粉末衍射仪分析老化前后结晶度的变化,借助扫描电子显微镜(SEM)观察研究老化前后材 料的微观形貌,并进行能谱(EDS)分析. 研究结果表明,应力松弛曲线有明显的三阶段特征,且湿热老化材料松弛后的应力水平降低. 材料的初始电阻率随填料含量的增加而降低,老化使材料的初始电阻率增大. 由于导电高聚物的压阻效应,使得达到应力松弛起始应力前,即材料在获得特定应力的加载阶段,电阻率随载荷增加显著降低,而在随后 的松弛阶段,材料电阻率则趋于一个稳定值并在较小的范围内波动. SEM/EDS分析结果表明,随着老化时间的延长,试样表面氧元素含量增加,且氧元素含量随距表面深度的增加而减小. XRD分析结果表明,材料的结晶度随填料含量的增加而减小,随老化时间的延长也呈减小趋势. 研究结果可为研究导电高聚物复合材料的老化性能提供实验依据.
    流体力学
    非结构网格二阶有限体积法中黏性通量离散格式精度分析与改进
    王年华, 李明, 张来平
    力学学报. 2018, 50(3):  527-537.  doi:10.6052/0459-1879-18-037
    摘要 ( 364 )   HTML ( 2 )   PDF (9712KB) ( 265 )  
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    非结构网格二阶有限体积离散方法广泛应用于计算流体力学工程实践中,研究非结构网格二阶精度有限体积离散方法的计算精度具有现实意义. 计算精度主要受到网格和计算方法的影响,本文从单元梯度重构方法、黏性通量中的界面梯度计算方法两个方面考察黏性流动模拟精度的影响因素. 首先从理论上分析了黏性通量离散中的“奇偶失联”问题,并通过基于标量扩散方程的制造解方法验证了“奇偶失联”导致的精度下降现象,进一步通过引入差分修正项消除了“奇偶失联”并提高了扩散方程计算精度;其次,在不同类型、不同质量的网格上进行基于扩散方程的制造解精度测试,考察单元梯度重构方法、界面梯度计算方法对扩散方程计算精度的影响,结果显示,单元梯度重构精度和界面梯度计算方法均对扩散方程计算精度起重要作用;最后对三个黏性流动算例(二维层流平板、二维湍流平板和二维翼型近尾迹流动)进行网格收敛性研究,初步验证了本文的结论,得到了计算精度和网格收敛性均较好的黏性通量计算格式.
    改进虚拟边界算法在超声速流动问题求解中的应用
    张阳, 邹建锋, 郑耀
    力学学报. 2018, 50(3):  538-552.  doi:10.6052/0459-1879-17-424
    摘要 ( 354 )   HTML ( 3 )   PDF (19393KB) ( 203 )  
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    提出了一种改进的虚拟单元浸没边界法, 并与一种高阶格式的有限差分算法相结合, 运用于求解超声速复杂几何绕流问题.该算法的核心思想在于在固体边界的内部和外部分别施加满足边界关系的作用点, 使得几何边界离散更加细化, 起到了壁面附近网格局部加密的作用.采用源空间内流体点作为反距离插值算法的重构点, 有效避免了插值点数目过少而与作用点相重合情况.通过对二维激波反射现象 (马赫数为 2.81) 和三维超声速球体绕流问题 (马赫数为 1.2) 的数值模拟, 与实验结果对比表明, 本文改进算法相对一般的虚拟边界法来说能显著提高数值精度, 减小计算误差.计算结果揭示了球体绕流中剪切层、压缩波系和尾迹的相互作用导致自由剪切层失稳的机理.剪切层厚度和湍流雷诺脉动经历了线性增长、大幅度震荡和小幅度波动三个阶段, 导致剪切层表面褶皱因子变化呈指数规律增长.其湍流结构表现出明显的各向异性, 具体在流向雷诺正应力在湍流脉动中占主导地位, 激波的压缩作用对不同方向雷诺正应力的影响存在空间迟滞效应.
    纳米阵列中气体驱替液体的流动特征
    宋付权, 胡箫, 朱根民, 朱维耀
    力学学报. 2018, 50(3):  553-560.  doi:10.6052/0459-1879-17-343
    摘要 ( 329 )   HTML ( 0 )   PDF (7319KB) ( 283 )  
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    纳米尺度下气体驱动液体流动特征在纳流控芯片及页岩气开发中具有广泛的应用前景. 利用管径规格为292.8 nm,206.2 nm,89.2 nm,67.0 nm,26.1 nm的氧化铝膜为纳米阵列,进行气驱水实验和单相气体流动实验,分析纳米尺度下气驱水流动特征. 实验表明,纳米阵列中气驱水时气体流量随驱动压力变化经历三个阶段:第一阶段流量缓慢增大,且比单相气体流量降低约一个数量级;第二阶段纳米阵列中的水被大量驱替出,流量迅速增大;第三阶段纳米阵列中的水全部被驱替出,流动特征与单相气体流动保持一致. 分析表明,气驱水第一阶段存在气液界面毛细管力的“钉扎”作用及固液界面相互作用力的影响,是产生非线性流动的主要原因;而一旦“钉扎”作用破坏,气体进入管道推动界面运动,气柱与液柱之间的毛细曲面曲率变化,毛细管力减小,气体流量急剧增大,其中毛细管力随驱替压力增大急剧变化,是造成第二阶段气体流量突变的主要原因.
    可压缩旋转气体中超空化射流的热稳定性
    吕明, 宁智, 阎凯
    力学学报. 2018, 50(3):  561-569.  doi:10.6052/0459-1879-17-403
    摘要 ( 168 )   HTML ( 0 )   PDF (1622KB) ( 218 )  
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    液体射流热稳定性研究是对射流稳定性问题的更深层次的探讨,可以进一步加深对液体射流分裂与雾化机理的认识,具有重要的学术意义和工程应用价值. 基于射流稳定性理论,在同时考虑射流周围气体旋转、射流和周围气体可压缩性以及射流液体中含空化气泡的条件下,建立了描述可压缩旋转气体中超空化射流热稳定性的数学模型,并对数学模型及其求解方法进行了验证分析;在此基础上,分析了液体射流表面与周围气体间温差及射流内部温度梯度同时作用下对射流稳定性的影响;并进一步探讨了超空化射流的热稳定性. 结果表明,射流表面扰动波的最大扰动增长率、最不稳定频率以及最大扰动波数皆随气液温差的增大呈近似线性增大趋势;射流内部温度梯度的存在使得气液温差对射流的失稳作用更加显著;射流内部温度梯度会抑制超空化对射流稳定性的影响,但气液温差会在一定程度上促进超空化对射流的失稳作用.
    阶梯型加速段对旋流喷嘴雾化特性的影响
    刘赵淼, 王凯峰, 王治林, 郑会龙, 张谭, 康振亚
    力学学报. 2018, 50(3):  570-578.  doi:10.6052/0459-1879-18-006
    摘要 ( 242 )   HTML ( 2 )   PDF (13190KB) ( 146 )  
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    旋流内芯是压力旋流式喷嘴最主要的旋流发生构件, 其几何特征直接影响压力旋流式喷嘴的喷雾特性.目前采用平滑型加速段的旋流内芯导流效率较低.为减小高流量条件下的能量损失, 使喷嘴旋流内芯加速段对喷雾介质产生预旋效应, 增强旋流强度, 本文设计喷嘴旋流内芯加速段为阶梯型, 其下段阶梯相对上段阶梯旋转15°, 旋向与喷嘴旋流槽方向相同.利用粒子动态分析仪(particle dynamics analysis system, PDA) 和高速摄影(charge coupled device, CCD)系统实验研究了加速段结构改进前后喷嘴的喷雾流量、雾场索特尔平均直径(Sauter mean diameter, SMD)、雾滴速度以及喷雾锥角, 并分析了SMD、 雾滴速度的轴向和径向分布特性. 结果表明, 背压差0.08~0.46 MPa 范围内, 阶梯型加速段对喷雾介质具有较好的预旋效果.喷嘴的流量提高了48.0% ~ 51.8%; 喷雾的轴向速度提升了31.4% ~ 32.8%, 径向速度提升了1.6% ~ 16.8%; 喷雾锥角减小了4.21°~6.57° 较高背压差下喷雾下游的SMD减小了9.8%.与平滑型加速段相比, 阶梯型加速段的设计有效地提高了喷嘴的雾化质量.

    固体力学
    求解I型裂纹构元J积分的半解析方法
    贺屹, 蔡力勋, 陈辉, 彭云强
    力学学报. 2018, 50(3):  579-588.  doi:10.6052/0459-1879-18-026
    摘要 ( 398 )   HTML ( 3 )   PDF (4576KB) ( 278 )  
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    表征裂纹尖端应力应变场程度的J积分是一个定义明确、理论严密的弹塑性断裂力学基础参量. 目前J积分的计算主要是依靠塑性因子法和有限元法,但对各类裂纹构元获得J积分以及载荷-位移关系的解析公式以实现材料断裂韧性理论预测和材料测试是断裂力学的重要和困难的任务. 以J积分为参量的材料断裂测试中应用最广的是I型裂纹试样的断裂韧性测试. 本文在平面应变条件下,针对断裂韧性测试中使用的6种I型裂纹构元,基于能量等效假设,提出了J积分-载荷和载荷-位移的工程半解析统一表征方法,进而结合有限元分析的少量计算获得J积分-载荷和载荷-位移关系的半解析公式待定参数. 分析表明,6种I型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移统一公式的预测结果与有限元结果吻合良好. 新提出的J积分-载荷工程半解析公式包含了材料的弹性模量、应力强度系数和应变硬化指数,能够广泛适应不同的材料,且运用该公式能够方便获取任意载荷点对应的J积分值. 应用新方法可便于获得各类I型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移工程半解析公式.
    基于临界状态的砂土本构模型研究
    姚仰平, 张民生, 万征, 王乃东, 朱超祁
    力学学报. 2018, 50(3):  589-598.  doi:10.6052/0459-1879-17-334
    摘要 ( 577 )   HTML ( 0 )   PDF (2667KB) ( 375 )  
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    砂土孔隙比及所受压力是其力学特性的重要影响因素. 本文基于砂土临界状态线特性分析,采用以e-(p/pa)ξ平面内的线性关系描述其等向压缩线. 通过对比分析两种不同压缩线函数 与临界状态线函数之间的关系提出更适合描述砂土在等向压缩下的参考压缩线,并给出了基于参考压缩线的等向硬化规律. 建议了适用于 描述砂土剪切特性的屈服面函数,并给出利用等向压缩和等p路径确定屈服面形状参数μ的方法. 将不同应力比对应的压缩线作为砂土状态参量参考线,以获取潜在强度Mf与特征状态应力比Mc,进而描述砂土压缩与剪切特性;基于等向压缩与等p路径建立了当前应力比与状态参量参考线之间的相关关系,从而实现了砂土状 态参量参考线由参考压缩线向临界状态线平稳过渡. 建立的砂土本构模型共11个参数,均能够通过常规土工试验或经验获取. 基于模型预测与Toyoura砂的等向压缩、三轴不排水剪切试验及排水剪切试验的对比结果,本文建立的砂土本构模型很好地描述了Toyoura 砂在不同孔隙比和不同压力下的压缩与剪切特性.
    动载下裂纹应力强度因子计算的改进型扩展有限元法
    文龙飞, 王理想, 田荣
    力学学报. 2018, 50(3):  599-610.  doi:10.6052/0459-1879-18-030
    摘要 ( 296 )   HTML ( 4 )   PDF (16609KB) ( 251 )  
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    相较于常规扩展有限元法(extended finite element method, XFEM), 改进型扩展有限元法(improved XFEM) 解决了现有方法线性相关与总体刚度矩阵高度病态问题, 在数量级上提升了总体方程的求解效率, 克服了现有方法在动力学问题中的能量正确传递、动态应力强度因子数值震荡、精度低下问题. 本文基于改进型XFEM, 采用Newmark 隐式时间积分算法, 重点研究了动载荷作用下扩展裂纹尖端应力强度因子的求解方法, 与静力学方法相比, 增加了裂纹扩展速度项与惯性项的贡献. 通过数值算例研究了网格单元尺寸、质量矩阵、时间步长、裂尖加强区域、惯性项、扩展速度项及相互作用积分区域J-domain的网格与单元尺寸对动态应力强度因子求解精度的影响, 验证了改进型XFEM计算动态裂纹应力强度因子方法的有效性. 针对文献中具有挑战性的 "I 型半无限长裂纹先稳定后扩展"问题, 改进型XFEM给出目前为止精度最好的动态应力强度因子数值解.
    考虑破损-安全的连续体结构拓扑优化ICM方法
    彭细荣, 隋允康
    力学学报. 2018, 50(3):  611-621.  doi:10.6052/0459-1879-17-366
    摘要 ( 497 )   HTML ( 1 )   PDF (4126KB) ( 274 )  
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    本文瞄准连续体在破损-安全考虑下的结构拓扑优化问题,旨在克服传统模型求解所得最终构型存在的弊病,避免结构因缺乏合理的冗余结构而敏感于局部破坏,实现破损-安全的目标. 首先,梳理了以往虽然用到却并不明晰的4个概念:结构局部破损模式、结构局部破损区域、结构破损状况、结构破损状况的预估分布. 之后,基于独立连续映射(ICM)方法,对该问题建立了力学性能约束下结构体积极小化的模型. 建立目标函数时,利用Minimax的概念将可能出现的结构破损状况对应的所有结构体积目标转化为原结构的唯一结构体积目标,克服了多目标问题的困难. 建立近似约束函数时,将可能出现的所有结构破损状况对应的力学性能的约束皆考虑进去,既能处理载荷单工况也能处理载荷多工况. 最后,以位移约束为例,建立了优化模型并求解. 单工况及多工况位移约束拓扑优化算例验证了算法的有效性. 结果表明:本方法相比于不考虑破损-安全的拓扑优化设计,得到的最优拓扑更复杂,体积比更大即所用材料更多,亦即最优结构具有更多的冗余,此正是考虑破损-安全设计原则的结果. 本文的研究对于航空、航天、其他水、陆等领域运载工具以及其他工程结构在意外破坏、战争创伤或恐怖袭击下的结构设计,乃是非常重要的进展.

    石英玻璃圆环高速膨胀碎裂过程的离散元模拟
    熊迅, 李天密, 马棋棋, 方继松, 郑宇轩, 周风华
    力学学报. 2018, 50(3):  622-632.  doi:10.6052/0459-1879-17-410
    摘要 ( 269 )   HTML ( 2 )   PDF (20994KB) ( 187 )  
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    采用离散元算法模拟了石英玻璃圆环受到外加动态载荷时的力学行为. 首先基于flat-jointed粘结模型,通过标准的单轴拉压、三点弯曲等数值实验来标定了石英玻璃的微观参数. 在此模型基础上,数值模拟再现了石英玻璃圆环在不同应变率下的膨胀碎裂过程. 为定量分析数值模拟结果,需要准确确定圆环的碎裂发生时刻. 模拟发现:伴随着石英玻璃圆环的断裂,圆环外表面粒子径向膨胀速度的时程曲线会发生突然升高然后下降的跳动;详细分析表明,这种跳动源自周向的脆性断裂诱发的卸载波(周向拉伸应力急剧下降)以及伴随而来的泊松膨胀,这种径向速度跳动现象为实验中检测脆性断裂发生时刻提供了可能. 进一步的数值研究表明:(1)石英玻璃圆环的断裂应变随着应变率的提高而增大,与韧性金属材料的膨胀环实验结果一致;(2)石英玻璃圆环的碎片平均质量随着应变率的增大而减小;(3)数值计算获得的碎片平均尺寸与已有的理论和实验结果比较吻合. 利用液压膨胀环实验装置对石英玻璃圆环进行了验证性实验,回收得到的碎片形貌及碎片个数与数值模拟的结果基本一致.
    机械结合面切向接触阻尼计算模型
    王雯, 吴洁蓓, 高志强, 傅卫平, 康维超, 刘雁鹏
    力学学报. 2018, 50(3):  633-642.  doi:10.6052/0459-1879-17-425
    摘要 ( 241 )   HTML ( 2 )   PDF (9435KB) ( 257 )  
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    针对两粗糙表面在法向力和切向力共同作用下相互接触时结合面切向阻尼的问题进行了研究。首先,根据KE模型对单个微凸体在弹性、弹塑性、塑性变形阶段的切向接触行为进行了分析,获得了微凸体在三个变形阶段的黏滑特性;然后,基于GW统计模型建立了一种在微凸体法向弹性、弹塑性和塑性变形机制基础上,考虑微凸体黏滑摩擦行为的机械结合面切向接触阻尼统计模型;最后,分别讨论了机械结合面的法向预载荷、切向激振频率和切向动态位移幅值对机械结合面切向阻尼的影响。研究表明:结合面切向接触阻尼系数随着结合面法向载荷的增大而增大,随着切向激振频率和切向动态位移幅值的增大而减小;在高频率、大幅值下,结合面切向接触阻尼系数几乎与动态位移幅值和激振频率无关。为了验证模型的准确性,构建了动态切向力作用下的结合面切向阻尼试验,其试验结果与理论仿真变化规律与量级基本一致,从而证明了本文所提出的切向阻尼模型的有效性。
    动力学与控制
    黏性流体环境下V型悬臂梁结构流固耦合振动特性研究
    胡璐, 闫寒, 张文明, 彭志科, 孟光
    力学学报. 2018, 50(3):  643-653.  doi:10.6052/0459-1879-18-028
    摘要 ( 284 )   HTML ( 3 )   PDF (9636KB) ( 240 )  
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    V型悬臂梁结构在原子力显微镜、微纳机械传感器件中得到了广泛应用, 该结构通常在黏性流体环境下实现精密检测、传感与性能表征,同时也会使得结构的流固耦合振动特性更为复杂, 直接影响器件的动态性能.本文针对V型结构变截面、变刚度等复杂几何特征, 建立了黏性流体环境下V型悬臂梁结构的流固耦合动力学模型, 导出了基于截面孔宽比参数的梁结构的修正水动力函数, 确定了截面孔宽比和频率参数影响下V型悬臂梁结构的水动力函数;理论分析得到了黏性流体中V型梁结构的频率响应特性.同时, 设计了多种不同几何尺寸的V型梁结构, 并在水环境中开展了实验验证, 结果表明, 实验所得频率响应与理论分析结果吻合较好, 验证了V型梁结构水动力函数修正表达式及流固耦合动力学模型.此外, 基于该流固耦合动力学模型, 详细分析了不同流体黏度、V 型梁角度及尺寸变化对耦合系统振动特性的影响.

    考虑剪切效应的旋转FGM楔形梁刚柔耦合动力学建模与仿真
    高晨彤, 黎亮, 章定国, 钱震杰
    力学学报. 2018, 50(3):  654-666.  doi:10.6052/0459-1879-18-011
    摘要 ( 237 )   HTML ( 0 )   PDF (3600KB) ( 313 )  
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    本文对一类中心刚体-柔性梁系统在大范围转动下的刚柔耦合动力学问题进行了研究. 柔性梁为功能梯度材料(functionally graded materials, FGM)楔形变截面梁,材料体积分数在梁轴向呈幂律分布变化. 以弧长坐标来描述柔性FGM梁的几何位移关系,分别使用倾角和拉伸应变变量描述柔性梁的横向弯曲和纵向拉伸变形,并计及剪切效应. 采用假设模态法离散变形场,运用第二类拉格朗日方程进行方程推导,得到系统考虑剪切效应的刚柔耦合动力学模型. 基于全新的刚柔耦合动力学建模理论,研究不同轴向材料梯度分布的FGM楔形梁,通过数值仿真计算,分析讨论不同的转速、梯度分布规律以及变截面参数对系统动力学特性的影响. 结果表明,剪切效应对大高跨比的FGM楔形梁的变形影响较为明显,不容忽略;材料梯度分布规律和截面参数的选取均会对旋转FGM楔形梁的动力学响应和频率产生较大影响. 本文提出的考虑剪切效应的倾角刚柔耦合动力学模型是对以往非剪切模型的进一步完善,可应用于工程中的 Timoshenko梁结构的动力学问题求解.
    生物、工程及交叉力学
    基于涡旋识别方法的高速列车尾涡结构的讨论
    潘永琛, 姚建伟, 刘涛, 李昌烽
    力学学报. 2018, 50(3):  667-676.  doi:10.6052/0459-1879-17-383
    摘要 ( 365 )   HTML ( 0 )   PDF (15291KB) ( 278 )  
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    利用改进型延迟分离涡模拟方法对缩尺比例1:30的高速列车简化模型的绕流流场进行数值计算,主要针对近尾流区的涡旋结构展开具体讨论. 通过不同的涡旋识别方法,发现在尾涡结构中,高涡量的强涡旋主要聚集于尾车附近,而涡量较低但处于相对稳定状态的涡旋分布在大部分尾流空间中. 对此,主要基于最新提出的涡旋定义及其物理意义认为,由于边界层在尾部发生的流动分离,剪切变形以及高涡量的扩散对强涡旋的形成发挥着重要的作用,而涡旋会被较强的剪切旋转拉伸,使得局部复杂的流动表现出突出的湍流特性;另一方面,尽管涡强度明显下降,但是在强剪切应变迅速衰减的情况下,流向涡核中的涡旋涡量是主要的,此时,在较接近地面的情况下,流体微团以涡核为中心的旋转运动使得涡旋与地面之间的相互作用成为主导的流动机制. 虽然涡强度会相对缓慢地衰减,但是从湍流能量产生的角度,该机制对涡旋的自维持发挥重要的作用,从而使尾涡结构能够相对稳定地存在于尾流流动中.
    预测结构性能退化的混合粒子滤波方法
    关雪雪, 陈建桥, 郑瑶辰, 张晓生
    力学学报. 2018, 50(3):  677-687.  doi:10.6052/0459-1879-18-014
    摘要 ( 180 )   HTML ( 0 )   PDF (8212KB) ( 194 )  
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    由于载荷,环境以及材料内部因素的作用,结构的性能一般随时间而逐渐退化. 为了评估结构服役期间的状态,常采用随机变量模型来描述结构性能的退化规律. 即,采用含不确定性模型参数的物理模型来逼近结构响应特性. 利用同类型结构的先知数据集信息可确定模型参数的先验分布. 结合结构服役期间的检测信息和贝叶斯原理,对模型参数进行更新,从而提高物理模型的准确性. 本文提出一种混合粒子滤波方法(particle filter-differential evolution adaptive Metropolis,PF-DREAM)用于模型更新,即:在确定参数先验分布时,采用证据理论(Dempster-shafer theory, DST)初始化模型参数;结合差分进化自适应 Metropolis 算法(differential evolution adaptive Metropolis, DREAM)和粒子滤波(particle filter, PF)算法,来计算更新公式中的复杂的高维积分. 相比于传统的 PF 算法,混合 PF-DREAM 方法可以有效提高样本粒子的多样性,解决重采样算法中粒子多样性匮乏的问题,从而得到更加合理的物理模型. 为了证明该方法的有效性,将提出的方法分别应用于电池性能退化和裂纹扩展规律预测. 算例表明采用本文提出的模型参数确定方法,使得物理模型更加合理,性能预测更加准确. 用于更新的数据越多,模型参数的分散性越小. 本文方法应用于高维问题或隐式函数问题时,计算原理和步骤不发生改变,但函数评价次数和计算时间会随之增大.
    粒子法中压力振荡的机理研究
    朱跃, 姜胜耀, 杨星团, 段日强
    力学学报. 2018, 50(3):  688-698.  doi:10.6052/0459-1879-17-294
    摘要 ( 177 )   HTML ( 0 )   PDF (30261KB) ( 158 )  
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    移动粒子半隐式法(moving particle semi-implicit method, MPS)是一种适用于不可压缩流体的无网格方法, MPS方法常应用于自由表面大变形问题.MPS 方法提出至今一直存在着严重的压力振荡问题. 本研究针对MPS 方法中存在的压力振荡现象, 首先将实际的物理问题简化为一维模型, 并从粒子之间相互位置关系的角度说明了MPS 方法中压力波动产生的原因.在采用MPS方法进行模拟时, 加入了粒子碰撞模型, 通过对碰撞系数的选择从而控制粒子之间的相互位置关系.并且对经典的溃坝问题进行了模拟, 结果表明随着碰撞系数的增加, 粒子数密度偏差的波动幅度都会减小, 从而压力振荡的幅度得到了有效的抑制.并且对比了两种不同核函数对压力振荡的影响, 结果表明: 采用高斯核函数时, 压力振荡的幅度更小, 这是因为采用高斯核函数时, 相同的粒子位置波动幅度将会得到较小的粒子数密度偏差的波动.由于在模拟过程中粒子运动的随机性, 这将导致粒子数密度偏差产生随机的波动, 从而产生压力振荡, 因此粒子法中的压力振荡很难彻底消除.
    一种改进的高浓度风沙图像的动态灰度阈值分割算法
    梅凡民, 雒遂, 陈金广
    力学学报. 2018, 50(3):  699-707.  doi:10.6052/0459-1879-18-040
    摘要 ( 199 )   HTML ( 0 )   PDF (3667KB) ( 228 )  
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    风沙跃移是塑造干旱区地貌的最主要的动力,其伴生的粉尘的释放、输送和沉降不但严重地影响了大气环境质量,也引起了全球气候 系统和海洋系统的变化. 单个沙粒轨迹形成是理解粒--床碰撞过程和风沙两相流耦合过程的重要纽带. 高浓度风沙图像处理算法是深入理解沙粒轨迹形成机制的关键技术. 为了实现对高浓度风沙图像精细处理, 本文提出了不依赖于经验参数的动态灰度阈值分割算法,它包括背景模板去噪、绿光通道灰度化处理、图像微分、灰度方差阈值目标检测和 最大类间方差灰度阈值分割等,其中背景模板去噪和灰度方差阈值目标检测等是新算法的主要亮点. 高浓度风沙图像分割实验显示, 扣减背景模板去除了条纹状和斑点状的稳定噪声;图像微分和灰度方差阈值目标检测显著地提高了暗沙粒识别的数量并有效地去除了随机噪声; 改进算法的沙粒有效识别个数(人 机判读坐标一致的沙粒数目)、查全率(计算机提取沙粒数目与人工判读的实际沙粒数比值)和查准率(有效沙粒数目与实际沙粒数目的比值) 分别为461, 71%和86%,显著地高于传统算法对应的85, 13%和82%,这表明新算法对高浓度风沙图像的分割效果良好. 避免单粒子分割和表观重叠问题是进一步完善高浓度风沙图像的分割算法的可能途径.

    科学基金
    2018年度力学科学处基金项目受理情况介绍
    詹世革, 白坤朝, 曹东兴, 王刚
    力学学报. 2018, 50(3):  708-709.  doi:10.6052/0459-1879-18-143
    摘要 ( 667 )   HTML ( 2 )   PDF (75KB) ( 331 )  
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    介绍了2018年度国家自然科学基金委员会数理科学部力学科学处受理的面上项目、青年科学基金项目、地区科学基金项目、重点项目、优秀青年科学基金和国家杰出青年科学基金项目的申请情况.