高超声速液膜冷却技术是通过一系列狭缝或孔洞压出冷却工质, 在飞行器表面边界层形成一层低温冷却膜, 阻止高超声速气流对飞行器的气动加热. 其作为一种主动冷却方式在高超声速飞行器表面热防护有着巨大的应用潜力. 文章采用数值方法, 结合VOF模型, 研究25 km飞行高度和Ma=5气流条件下的液膜铺展情况, 并通过不同冷却工质的入射速度、角度、表面张力和黏性系数条件, 讨论了液膜在平板上的演化过程和冷却机理. 结果表明, 在气流作用下, 液膜向壁面下游发展, 液膜的存在导致边界层分离, 连续液膜会在一定位置断裂为液块, 然后进一步破碎为液滴. 入射条件和液体性质的改变, 会影响液膜沿流向的发展, 具体表现在连续液膜断裂点的位置和连续液膜的厚度. 在所设定的计算域内, 壁面热流降低了80% ~ 95%, 液膜对壁面的冷却效率随着液膜形态的变化而变化.
2023, 55(5): 1039-1052.
doi: 10.6052/0459-1879-22-512
喷流干扰是高超声速飞行高精度控制的一种有效手段, 研究者们以往大部分都主要集中于连续流条件下喷流干扰效应的机理研究, 并给出了喷流干扰流场的典型结构, 而稀薄流条件下喷流干扰特性的实验数据还十分匮乏. 本文利用JFX爆轰激波风洞产生高超声速稀薄自由流, 基于平板模型开展不同喷流压力和自由来流参数对横向喷流干扰特性影响的实验研究, 采用高速纹影成像及图像处理技术, 获得稀薄流条件下喷流干扰流场演化过程及流场结构的变化规律. 相比于无喷流条件形成的流场, 横向喷流与稀薄自由流相互作用形成的流场结构更为复杂, 喷流压力由于受到稀薄来流的扰动, 斜激波会短暂穿透喷流干扰流场并延伸至楔形体上部. 喷流干扰流场内桶状激波的影响范围随着喷流压力的升高而逐渐变宽, 位于三波点上游的斜激波空间位置不会随喷流压力的变化而改变, 而位于三波点下游的弓形激波则向上游移动, 当喷流压力过低时, 桶状激波不会与其他两种激波交汇形成三波点. 高超声速稀薄来流压力的降低同样会使桶状激波的影响范围变宽, 弓形激波同样也会向上游移动, 但基本不会对斜激波空间位置产生任何影响.
2023, 55(5): 1053-1062.
doi: 10.6052/0459-1879-22-599
脉冲激光等离子体与超声速流场相互作用在飞行器减阻隔热、点火助燃等方面具有重要的应用价值. 纹影实验方法只能定性或半定量地反映流动状态. 为定量研究速度分布和旋涡结构, 针对激光等离子体及其与正激波相互作用过程开展粒子图像测速PIV实验研究. 在激波管实验平台上建立了纳秒脉冲激光能量沉积系统和PIV测量系统, 通过定量测量, 探明了激光等离子体引致的激光空气泡以及热核的流动特性, 揭示了激光等离子体在正激波冲击下的流动特性与演化规律, 并给出了激光能量大小和位置对相互作用过程的影响. 结果表明: 激光空气泡内的速度分布在激光入射方向上并不关于击穿点对称, 而是在靠近激光入射方向一侧的流速略大于远离激光入射方向一侧; 斜压导致热核在演化初期产生涡环, 后期则由剪切主导; 正激波与激光空气泡界面、热核界面相互作用时, 产生斜压涡量, 当激光能量为87.8 mJ、正激波马赫数1.4时, 热核在正激波作用下产生的涡量比在静止空气中演化时大1个数量级; 激光与正激波相互作用的关键过程是热核在正激波冲击下演化成涡环, 在激波波前注入激光能量能够获得更加显著的涡环.
2023, 55(5): 1063-1074.
doi: 10.6052/0459-1879-22-580
为便于数值分析, 蜿蜒河流水动力和演变模型中一般隐性假设二次时均流−二次涡的关系与明渠流时均流-明渠湍流的关系相同, 但由于高雷诺数下的DNS算力限制和实验尺度限制, 这种隐含假设是否成立目前尚无相关湍流研究来支撑. 文章试图通过分析明渠湍流和二次湍流发展初期的研究, 侧面揭示其湍流结构的异同. 通过对曲线正交坐标系下的平面二维NS方程使用双参数摄动的方法, 建立了一种求解蜿蜒边界弱非线性层流的摄动解法, 并推导得出一个适用于蜿蜒边界的EOS方程以及其特征值问题的解法. 蜿蜒边界下弱非线性层流解为一系列蜿蜒谐波分量的叠加, 其中线性部分使得两壁产生流速差, 非线性部分随着雷诺数增大呈指数增长. 水流的扰动增长率特征谱的第一模态与直道流相似, 由3条曲线、4个波段合成, 但其长波段和短波段的扰动流场与直道流不同, 所有短波段的扰动流速近似于KH涡. 蜿蜒边界对内部水流扰动有一定的选择性. 偏角幅值越大扰动增长越快; 蜿蜒波数的影响则为先增后减, 有一个使扰动增长最快的蜿蜒波数. 扰动流场由一个典型的TS波和一对波包形式的二次涡叠加而成, 波包只有纵向流速分量, 包络线由蜿蜒波数控制, 波包内是与直道扰动波参数相同的TS波.
2023, 55(5): 1075-1086.
doi: 10.6052/0459-1879-22-570
对湍槽流的减阻研究具有科学意义和工程应用价值, 已有大量研究表明向单相湍流中添加离散物质是一种有效的被动减阻方法. 相比于被动减阻技术, 主动减阻技术如壁面震荡减阻的可控性更高, 近年来也得到广泛的关注, 但对于壁面展向震荡诱导减阻的研究主要针对单相湍槽流, 还未见有相关研究将这一手段用于含颗粒湍槽流的减阻. 因此, 文章采用直接数值模拟方法开展了壁面展向震荡诱导颗粒湍槽流减阻的机理研究. 一方面关注壁面震荡对颗粒湍槽流的调制效果及机理. 另一方面关注颗粒和震荡对单相湍槽流的耦合减阻效应. 结果表明: 壁面震荡可以达到有效减阻, 存在最优震荡周期使减阻率达到最大, 且最优震荡周期与单相流结果相近. 在相同体积分数下, 施加壁面震荡的小颗粒湍槽流减阻效果更好. 相比于单相湍槽流, 当震荡周期小于最优周期时, 震荡和颗粒的耦合效应对减阻率的额外贡献较小且可能为负, 当大于最优周期时额外贡献逐渐增大, 对整体减阻率的占比最高可达10%左右.
2023, 55(5): 1087-1098.
doi: 10.6052/0459-1879-22-590
非等温黏弹性流体广泛存在于自然界和工业生产中, 准确预测黏弹性流体的非等温流动机理和复杂流变特性有着重要的应用价值. 文章提出一种改进的光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)方法对非等温黏弹性复杂流动进行了数值模拟, 其中流体的黏弹特性通过eXtended Pom-Pom本构模型来表征. 为了提高模拟结果的精度, 采用了一种核函数梯度的修正算法; 为了灵活地施加边界条件, 发展了边界粒子和虚拟粒子相联合的边界处理方法; 为了消除流动过程中的拉伸不稳定性, 施加了粒子迁移技术. 运用改进SPH方法数值模拟了液滴撞击固壁和F型腔注塑成型问题, 通过与Basilisk软件得到的结果进行比较验证了改进SPH方法求解非等温黏弹性流体的有效性. 通过利用不同粒子初始间距进行计算, 评价了改进SPH方法的数值收敛性. 研究了非等温流动相较于等温流动的不同流动特征, 深入分析了不同热流变参数对流动过程的影响. 数值结果表明, 文章提出的改进SPH方法可稳定、准确地描述非等温黏弹性复杂流动的传热机理、复杂流变特性和自由面变化特性.
2023, 55(5): 1099-1112.
doi: 10.6052/0459-1879-22-602
经过多年的研究, 由中国学者提出和研发的膜力因子法和饱和分析方法已被证明是分析和预测冲击、爆炸等强动载荷作用下梁、板等结构件的塑性大变形行为的有力工具. 在这两套理论工具相结合所获得的一系列最新成果的基础上, 文章提出一种对梁和板在强脉冲作用下的最大挠度的直接预测方法. 考虑了膜力和弯矩相互作用的准确屈服条件, 同时假定位移场近似地按照与准静态破损机构相似的模态发生变化, 该方法直接从膜力因子的表达式出发, 依据外载作的功与塑性耗散相等的能量条件, 只需要求解初等方程就可以简单明晰地得到梁和板在矩形脉冲作用下的最大挠度, 极大地简化了数学推导. 与同时考虑准确屈服条件和瞬态响应阶段的完全解以及具有上下界的模态解相比, 这一方法能够同样准确但更简单地计入膜力对结构大变形承载能力的效应, 为工程设计提供比完全解更简明、比模态解更精准的梁和板最大塑性变形的估算公式; 再同改进的脉冲等效技术相结合, 这种直接预测方法有望进一步拓展到更复杂的结构件, 获得广泛的工程应用.
2023, 55(5): 1113-1123.
doi: 10.6052/0459-1879-22-607
过渡段动力稳定性问题已成为制约400 km/h及以上高铁路基设计的关键难题, 亟需从波动和能量的角度探究由基础非均匀引发的线路系统动力响应放大机理. 文章将轨下基础简化为上表面自由、底端固定的刚性基弹性层, 将高铁过渡段车致弹性波传播问题提炼为非均匀介质刚性基弹性层中波的散射问题, 建立双介质耦合刚性基弹性层平面应变模型, 优化该类波导结构频散方程在复平面求根方法, 并结合岩土类介质特征展开刚性基弹性层频散分析, 以明确其多模式导波特性及散射能量分配, 最后, 围绕弹性层厚度、刚度比等影响因素开展对比分析. 结果表明: 刚性基弹性层各模式导波均具有截止频率, 弹性层厚度越小, 杨氏模量越大, 各阶导波模式的截止频率越高; 入射波在双介质刚性基弹性层发生散射后, 透射场基阶模式导波会占据主体能量, 随着高阶导波模式被逐一激发, 反射场及透射场高阶模式能量占比会在全频率范围呈现“此消彼长”状态; 交换两侧弹性层材料, 改变弹性层厚度及两弹性层刚度比不会显著改变能量分布规律, 但总体来看, 能量更易集中在较软侧弹性层中, 各模式导波在激发初始频段会更为活跃, 可分配到更多能量.
2023, 55(5): 1124-1137.
doi: 10.6052/0459-1879-22-573
渗透率各向异性是沉积岩层理结构中一个非常典型的现象, 一方面它由原生沉积结构决定, 即原生各向异性, 另一方面它受到总应力和孔隙压力影响, 即诱发各向异性. 为研究真三向应力条件下储层砂岩渗透率原生与诱发各向异性, 以中国东北部S6储气库储层砂岩为研究对象, 采用东北大学自主研制的硬岩真三轴应力−渗流耦合装置对储层砂岩进行渗流实验, 通过稳态法完成同一砂岩3个相互垂直方向的渗透率测试. 实验结果表明: 储层砂岩在施加的应力和孔隙压力范围内, 平行层理方向的渗透率${k_x}$ 为100.94 ~ 113.98 mD, ${k_y}$ 为98.34 ~ 111.41mD, 垂直层理方向的渗透率${k_z}$ 为54.98 ~ 63.29mD; 储层砂岩3个正交方向渗透率均随主应力增加而减少, 随孔隙压力加载而递增; 与气体渗流方向垂直的应力对渗透率的影响大于与气体渗流方向平行的应力对渗透率的影响; 当外部应力方向都垂直于气体渗流方向时, 与层理垂直的应力对渗透率的影响大于与层理平行的应力对渗透率的影响; 孔隙压力对储层砂岩渗透率的线弹性响应并不是各向同性的, 孔隙压力对水平层理方向所产生的渗透率增量超过了垂直层理方向. 研究结论为地下储气库储层砂岩渗透率准确预测提供了参考依据, 为地下储气库的运行和管理提供了新的岩石物性资料.
2023, 55(7): 1-12.
doi: 10.6052/0459-1879-23-051
颗粒-湍流两相流中的相间能量传递问题是学者们关注的重点之一, 而静电力作用是影响颗粒-槽道湍流两相流中颗粒倾向性分布和相间能量输运的一个重要因素. 本文对携带辐射加热带电颗粒的竖直槽道湍流两相流进行了数值研究, 重点研究了颗粒在槽道中的空间分布形态以及对空间分布对相间能量输运的影响. 流体相采用基于欧拉观点的直接数值模拟, 颗粒相采用拉格朗日点-粒追踪模型, 考虑了颗粒与流体之间的动量交换与热交换. 通过对颗粒局部聚集特性、颗粒与流体速度相关性和两相间能量交换的分析, 探究了静电力作用下的颗粒运动和分布特点以及两相间动能和热交换的变化规律. 研究结果表明, 同种电荷颗粒之间互相排斥的静电力作用弱化了颗粒在近壁面处低速条带区的聚集现象, 颗粒的空间分布更加均匀, 且均匀性与颗粒所带的电荷量正相关. 同时发现较强的静电力作用使位于近壁区的颗粒对流体的跟随性减弱, 较之斯托克斯阻力, 静电力所起的作用占主导地位. 颗粒在空间上的均匀分布提高了流体的平均温度和速度, 强化了槽道中间区域颗粒与流体之间的动能交换与热交换并减弱了壁面附近两相之间的动能交换与热交换.
2023, 55(6): 1-11.
doi: 10.6052/0459-1879-23-163
流动聚焦式液滴微流控技术借助流动聚焦效应和离散相液丝界面失稳, 实现单分散微液滴的连续生成. 该技术中的多相界面流动对于构型参数有较强的依赖性, 表现出丰富的微尺度流动特征. 本研究在前期发展的基于毛细管可变几何微流控装置的基础上, 采用数值模拟方法研究关键参数对于液滴生成模态和尺寸的影响规律. 经过合理简化后, 研究建立实验装置的轴对称模型, 并结合自适应网格加密技术, 提高了数值模拟效率; 通过多个实验工况的对比, 验证了数值模拟的准确性. 研究发现: 在所选择的流体组合、几何和流量参数范围内, 液滴生成过程存在滴流、串滴、射流和不稳定4个模态; 在固定的离散相和连续相流量组合下, 上游和下游毛细管端部间距的变化会改变滴流和串滴模态下液滴的长度, 而对射流模态下液滴的大小影响很小; 在固定的几何参数下流量变化时, 液滴长度的变化在滴流和串滴模态转换时基本连续, 而在射流模态发生时产生骤降; 下游毛细管的内径对模态相图影响显著, 大内径下滴流模态占主导, 且射流模态下液丝的射流长度变化明显, 而小内径下射流模态占主导, 且在大的连续相流量下存在不稳定模态. 研究结果表明关键结构参数对于流动聚焦式微流控液滴的生成有重要影响, 合理改变这些参数可以控制液滴尺寸和改善液滴的单分散性, 可为设计和优化流动聚焦式液滴生成装置提供依据.
2023, 55(7): 1-10.
doi: 10.6052/0459-1879-23-094
针对油藏不同尺度复杂几何特征描述和动态连通性识别等难题, 近年来发展了一种基于非欧物理连通网络具有无网格特征的油藏数值模拟连接元方法. 文章将连接元法推广到裂缝性油藏, 从流体流动的角度, 利用连接单元将油藏离散为物理连通网络; 根据节点物性参数、影响域半径和加权最小二乘法给出了压力扩散项的广义差分近似; 结合物质守恒方程计算节点控制体积、基质节点间传导率、裂缝节点间传导率以及基质节点与裂缝节点间传导率; 从而构建渗流控制方程组的全隐式离散格式, 求解压力、饱和度以及含水率等生产动态参数; 引入图论深度优先搜索算法, 基于每个时间步求解的节点间压力梯度, 计算各时间步注入井的劈分系数, 定量表征井节点间的流动关系和连通性. 算例验证表明, 相较基于网格体系的传统方法, 该方法能够自由灵活地刻画包括裂缝复杂分布、不规则油藏边界在内的复杂油藏几何, 在粗化模型情况下能够保留更丰富的流动拓扑结构, 实现计算精度和计算效率的更优平衡, 能更好满足实际大规模裂缝性油藏的生产动态模拟预测需求, 同时为具有多尺度几何特征的裂缝性油藏及复杂边界油藏的数值模拟提供了新思路.
2023, 55(7): 1-12.
doi: 10.6052/0459-1879-23-069
电磁冶金中氩气通常作为动力和载体将脱硫剂、脱氧剂吹入到液态金属中, 因此存在磁场环境下气泡在液态金属中自由运动的问题, 而绕流作为自由运动的特殊形态, 是研究自由运动问题的第一步. 本文通过有限元方法研究流向磁场作用下球形气泡绕流的全局线性稳定性, 讨论$\mathit{Re}\leqslant 1000,N\leqslant 60$ 参数范围内稳态轴对称基本流对时间−方位角模态小扰动的响应, 发现了8个不稳定的驻定模态, 并绘制它们在$ \mathit{Re}-N $ 参数平面与$ \mathit{Re}-Ha $ 参数平面的中性曲线. 结果显示方位角波数$ m = 1 $ 的驻定模态首先导致第一次常规分岔, 该模态已被广泛证实为轴对称绕流中最不稳定的模态, 使轴对称尾迹转变为由一对反向旋转涡组成的单平面对称尾迹. 同时第一次分岔的中性曲线展示磁场对球形气泡绕流先失稳后致稳的作用. 后续分岔依次由$m = 2, 3, \cdots, 8$ 的不稳定模态导致. 这些分岔为认识磁场环境下气泡绕流的尾迹结构提供重要的参考价值.
2023, 55(7): 1-10.
doi: 10.6052/0459-1879-23-101
自然界中的大多数鱼类通过波状摆动的方式实现推进, 这是动态变形的鱼体和周围流体相互作用的结果, 研究推进中流体对鱼体变形的响应不仅可以增强对波状推进的认识, 还可以为流动控制提供依据. 以鲹科模式推进的仿生二维模型为研究对象, 通过数值计算获得鱼体波动产生的流场以及鱼体受到的流体力数据. 基于虚功率原理, 将鱼体受力分解为4部分, 分别是鱼体边界变速运动的瞬时贡献, 流场中流体旋转和应变速率相对大小的贡献, 壁面剪切应力的类摩阻分量和壁面摩阻分量. 结果表明, 当鱼体波状摆动产生推力时, 鱼体边界变速运动是主要的正推力来源, 并且该项80%的推力贡献来源于20%的鱼尾部分的边界变速运动. 鱼尾两侧边界层中的流体旋转和应变速率的相对大小和壁面摩阻对推力都是负贡献. 对于低雷诺数的情况, 流体旋转和应变速率的相对大小的负贡献低于壁面摩阻的负贡献, 而在高雷诺数的情况下, 流体旋转和应变速率的相对大小的负贡献强于壁面摩阻的负贡献. 壁面类摩阻分量相对于其他3项总是较小的. 结合标度律分析, 在摆动推进的标度关系中, 与雷诺数无关的推力部分是由边界的变速运动、流场中流体旋转和应变速率共同提供, 且流体旋转和应变速率也贡献了摆动推力中与雷诺数有关的部分, 而这一部分接近类摩阻和摩阻的一半, 同时, 类摩阻和摩阻还提供了常阻力分量.
2023, 55(7): 1-12.
doi: 10.6052/0459-1879-23-076
介绍一种全新的数值方法——分区有限线法 (zonal finite line method, ZFLM), 并将其应用于求解复合结构中的热应力问题. FLM是一种配点型的强形式算法, 对于每个配置点, 由过其的两条(二维问题)或三条(三维问题)线段建立一个交叉线系, 采用拉格朗日插值多项式对每条线段的坐标与物理量进行函数表征, 并用沿弧长方向求导法创建任意物理量对总体坐标的一阶偏导数解析计算式, 通过递推技术, 由一阶偏导数公式建立二阶偏导数计算式. 采用建立的偏导数计算式, 可直接由问题的控制微分方程及其边界条件建立离散的总体系统方程组. 为了建立高效的有限线法和能够求解复杂的由多种材料组成的复合结构问题, 提出一种分区计算方法, 即: 根据材料的不同或几何与载荷的不规则性, 将所分析的问题划分为若干个结构化计算区域, 在每个区域由插值函数自动产生一系列配置点, 并用有限线法建立每个配置点的离散方程. 对于区域间的公共节点, 由物理量的协调条件以及界面力的平衡条件建立界面节点代数方程; 对于几何不规则或载荷跳跃问题, 采用面力方程叠加法建立非规则节点的代数方程, 以提高计算结果的稳定性. 采用本文方法对二维/三维结构的热应力进行分析. 计算结果表明本文方法具有很好的精度, 且在边界上的应力更为精确, 应力集中的效果更为明显.
2023, 55(7): 1-13.
doi: 10.6052/0459-1879-23-003
现代工业的发展对材料性能和结构尺寸提出更高的要求, 机电器件的设计越来越偏向于小型化、高频化和智能化. 最新研究成果表明, 磁电耦合复合材料不仅能够以较强的磁电转换效率实现磁能、机械能和电能之间的相互转换, 还可以避免结构与机械驱动源的直接接触, 实现非接触调控, 这对于制备多功能微纳米器件具有重要意义. 文章基于Mindlin所发展的多物理场结构理论分析方法, 结合宏观压磁理论和偶应力挠曲电理论, 研究由单个挠曲电电介质层和两个对称压磁层构成的三明治型夹层板在外部横向磁场驱动下的动态力电耦合响应, 其中通过引入曲率将经典力电耦合理论拓宽到中心对称材料. 夹层板在正弦型全局磁场和均布局部磁场驱动下的动态数值算例表明: 位移和电势具有一定的频率依赖性, 当激振频率达到固有频率时, 振幅达到最大值; 此外, 对称式驱动压磁层分布方式趋于提高多层复合板的力电耦合性能. 文章理论模型和研究结果可为磁控机电器件的优化设计提供新的改进思路.
2023, 55(7): 1-9.
doi: 10.6052/0459-1879-23-103
玻璃态聚合物在大变形过程中会出现应变强化行为，早期的理论模型主要采用Neo-Hookean模型和八链模型来模拟强化行为。本文中，我们建立了玻璃态聚合物的粘塑性模型，针对强化效应，分别采用三链模型、八链模型、全链模型和p-root模型这四种超弹性模型来构建背应力。模型预测结果与文献中的实验数据进行对比，结果显示，基于p-root模型和八链模型的方法能够更好的模拟玻璃态聚合物在单轴加载和平面应变条件下的变形行为。其中p-root模型比八链模型表现稍好，且这两个模型的误差均显著小于三链模型和全链模型。本文的结果能为后续玻璃态聚合物强化效应的理论建模提供参考。
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火星大气中会发生不同规模的沙尘暴, 大气中蕴含的尘埃颗粒会对高速进入的火星探测器表面造成侵蚀并导致壁面热流增加, 给探测器的热防护系统设计带来巨大挑战. 本文针对高超声速火星进入环境两相流动问题, 基于Euler-Lagrange框架建立了非平衡流场与颗粒的单向耦合计算方法, 采用模态半径为0.35 μm的火星大气颗粒分布模型, 研究了不同尺寸颗粒在流场中的运动轨迹, 获得了高温相变模型对颗粒运动的影响以及不同粒径颗粒的撞击能量分布. 结果表明, 颗粒在高温流场中运动会吸热融化甚至蒸发, 高温相变模型导致的颗粒直径减小对小尺寸颗粒运动轨迹有较大影响; 当前计算状态下, 直径3 μm以上的颗粒具有较大的Stokes数且颗粒半径在运动过程中基本保持不变, 其运动轨迹受流场影响较小, 该尺寸颗粒的撞击分数均达95%以上, 是造成壁面撞击的主要颗粒尺寸; 撞击能量分数结果表明, 直径3-10 μm之间的颗粒是撞击能量的主要来源, 约占总撞击能量的80%.
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doi: 10.6052/0459-1879-23-192
机器人在轨移动组装空间结构是建造大型航天器最有潜力的方式之一，但机器人在结构表面作业时两者存在严重的动力学耦合效应，给空间结构建造带来新挑战。针对一种三分支机器人行走在空间柔性结构上形成的耦合动力学问题，提出了一种机器人-结构耦合动力学建模与步态优化方法。首先，基于拉格朗日方程和欧拉-伯努利梁模型建立了耦合动力学模型，该模型可以用于预测机器人在结构表面行走时的耦合动力学响应。然后，基于耦合动力学方程推导出机器人运动与结构振动的关系，研究了机器人不同行走方式对空间结构动力学响应的影响；并开展了机器人行走步态优化研究。最后，以三分支机器人行走在悬臂空间结构上为例，给出了机器人蠕动步态运动下空间结构的动力学响应数值仿真。结果表明，空间结构动力学响应与机器人运动步态密切相关，步频越快、步长越长、抬起高度越高，结构振动会越显著。通过对机器人步态优化可以有效抑制结构振动。
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任何物体间的表面摩擦均可看成是粗糙面间的摩擦，且大部分粗糙表面具有分形特征。为探究分形粗糙表面的摩擦行为，利用分子动力学-格林函数法(GFMD)建立微观分形粗糙表面模型，采用位移加载控制分形粗糙表面的接触和摩擦过程，并根据广度优先搜索算法识别接触团簇分布。之后分别计算原子尺度、接触团簇尺度和界面尺度下的最大摩擦系数和摩擦力，同时利用影响矩阵法研究摩擦过程中接触团簇之间的相互作用，分析接触团簇之间的距离和面积对相互作用的影响。结果表明：在摩擦过程中，摩擦系数从小尺度到大尺度逐渐减小；摩擦力随位移呈现周期性波动，接触团簇并非同时达到最大摩擦力，而是发生局部滑移，整体滑移模型预测的摩擦力是分子模拟结果的上限值；所提出的影响矩阵法可以较好地模拟接触团簇之间的相互作用，利用影响矩阵计算得到的摩擦力与GFMD模型结果基本一致，而不考虑局部滑移影响计算得到的摩擦力比GFMD模型结果大20%，并且接触团簇之间的相互作用与距离成反比，与面积成正比。结果可为粗糙表面的界面分析、优化提供理论依据。
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一体化热防护结构通常处于严酷的非稳态热环境, 热载荷作用的时间效应(即瞬态热效应)明显. 为了避免瞬态热分析的巨大计算消耗, 以往的一体化热防护结构优化设计研究通常将瞬态传热等效为相同热边界条件下的稳态传热, 将稳态传热分析的温度场作为设计热载荷. 然而, 已有的研究表明稳态传热无法准确等效瞬态传热的作用效果, 瞬态热效应对结构设计结果具有重要影响. 本文研究了考虑瞬态热效应的一体化热防护结构优化设计问题, 建立了一种考虑瞬态温度和应力约束的一体化热防护结构拓扑优化方法. 该方法以SIMP (Solid Isotropic Material with Penalization) 法为基础, 构建了两种针对一体化热防护结构的热弹性结构拓扑优化模型: 1.考虑材料体积分数、最大应力和底面最大温度约束, 以最小化结构应变能为目标的刚度设计模型; 2.考虑最大应力和底面最大温度约束, 以最小化材料体积分数为目标的轻量化设计模型. 通过求解瞬态热力耦合方程获得结构的热力耦合静力分析结果; 通过响应量在空间和时间域的凝聚积分函数表征结构响应在时域内的最大值, 并以此构建相应的约束和目标函数; 采用伴随法推导了约束和目标函数的灵敏度表达式. 通过3个数值验证了本文方法的有效性. 数值算例结果表明, 在瞬态传热条件下, 本文方法能够准确反映瞬态热效应对一体化热防护结构设计结果的影响; 相比于基于稳态热分析的设计结果, 考虑瞬态热效应的设计结果具有更优的性能.
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doi: 10.6052/0459-1879-22-598
