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研究综述
平面叶栅气动试验研究进展与展望
张庆典, 马宏伟, 杨益, 肖安琪
平面叶栅气动试验传统上是验证压气机、涡轮的基元性能的主要手段, 近年来国内外研究人员利用平面叶栅开展了大量的流动测量试验, 以揭示叶栅内部复杂流动现象的本质和规律、探索减小叶栅内流动损失的方法. 本文从试验装置、测试技术和研究内容三个方面, 综述了近年来平面叶栅气动试验研究的进展情况. 首先介绍了平面叶栅试验装置的发展及提高平面叶栅试验段流场品质的措施; 其次介绍了叶栅气动试验采用的部分流场测试技术, 包括叶片表面压力场、叶片表面温度场、内流速度场及流场可视化等测试技术, 分析了这些测试技术的进展和存在的问题; 然后梳理了近年来平面叶栅试验研究的相关科学问题及进展, 包括跨音速叶栅中的激波研究, 叶顶间隙泄漏流动研究, 叶型优化研究, 多尺度非定常旋涡结构研究, 振动环境下叶栅流场研究等; 最后对平面叶栅气动试验研究方向进行了展望. 通过了解叶栅内复杂流动现象及本质, 为进一步探索和提高压气机、涡轮的气动性能提供技术支撑.
2022, 54(7): 1755-1777.   doi: 10.6052/0459-1879-21-684
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基于数据驱动的非线性车辆系统动力学研究专题
基于数据驱动的非线性车辆系统动力学研究专题序
王开云, 李韶华
随着信息技术、人工智能、数据挖掘等技术的快速发展, 这些新技术已经与交通行业产生了深度融合, 极大地丰富了车辆动力学领域的研究内涵和外延, 对于加快智慧交通建设、提升本质安全水平具有重要意义. 为了系统报道该领域的交叉研究进展, 《力学学报》组织了“基于数据驱动的非线性车辆系统动力学研究”专题, 包括1篇综述和9篇研究论文.
2022, 54(7): 1778-1779.   doi: 10.6052/0459-1879-22-294
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基于数据驱动的非线性车辆系统动力学研究专题
高速列车轴箱轴承健康监测与故障诊断研究综述
顾晓辉, 杨绍普, 刘文朋, 刘泽潮
随着我国高速列车的发展, 针对其运营维护中的故障预测与健康管理问题日益受到关注. 轴箱轴承是高速列车走行部中的关键旋转部件, 在复杂的轮轨相互作用下极易出现由疲劳、过载等原因导致的失效, 影响列车的行车效率和运行安全. 而现有诊断方法和技术难以满足高速列车动态化、系统化的安全保障需求, 亟待进一步发展轴箱轴承健康监测和诊断技术. 首先, 介绍了工程中维修检测、轨边监测和车载监测系统的主要内容和发展现状. 然后, 从动力学正、反问题两个方面, 分析和总结了在轴箱轴承的理论建模方法和轴箱轴承与列车耦合系统的动态特性分析、基于先进信号处理技术和机器学习技术的诊断方法等方面的研究思路和研究进展. 最后, 对轴箱轴承健康监测与故障诊断技术的发展趋势进行了展望, 评述了在指导列车故障预测与健康管理方面的不足.
2022, 54(7): 1780-1796.   doi: 10.6052/0459-1879-22-007
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基于数据驱动的非线性车辆系统动力学研究专题
基于优化多核极限学习机的车轮多边形磨耗识别
谢博, 陈是扦, 徐明坤, 杨云帆, 王开云
多边形车轮是铁路机车车辆中普遍存在的一种磨损现象, 随着列车运营里程的增加, 车轮磨耗程度显著提升, 严重影响着列车乘坐舒适性和运营安全性, 借助于列车运营监测大数据开展多边形车轮动态检测方法研究具有重要意义. 本研究基于列车轴箱垂向加速度建立了多边形车轮定量识别模型, 首先通过阶次分析识别出轴箱加速度中包含的多边形车轮主要阶次, 同时获取各阶次对应的加速度幅值信息, 在此基础上引入加速度信号熵特征共同构建多边形车轮磨耗幅值识别特征矩阵, 然后建立遗传变异粒子群优化多核极限学习机 (GMPSO-MELM) 识别模型, 通过特征矩阵与磨耗幅值的映射关系, 进一步实现了车轮多边形磨耗幅值识别. 通过仿真与现场实测数据研究结果表明, 所提出的识别模型能有效地从轴箱加速度中提取多边形车轮主要阶次, 磨耗幅值的识别精度均优于对比模型且具有较高的检测效率, 可实现均方根误差为0.0010 (仿真结果) 与0.0134 (试验结果) 的精确识别, 本文提出的多边形车轮磨耗识别模型可为列车车轮检测与智能维护提供理论基础.
2022, 54(7): 1797-1806.   doi: 10.6052/0459-1879-22-083
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基于数据驱动的非线性车辆系统动力学研究专题
轮对非线性动力学系统蛇行运动的解析解
史禾慕, 曾晓辉, 吴晗
在对铁路车辆系统的极限环幅值和非线性临界速度进行分析时通常采用数值方法, 不便于研究其随系统参数的变化规律. 轮对系统保留了影响车辆系统动力学性能的几个关键要素: 如轮轨几何非线性约束、轮轨接触蠕滑关系和悬挂系统等, 可以反映铁路车辆系统蛇行运动的本质特性. 轮对系统自由度少、参数少, 可以采用解析方法进行分析. 本文选取合适的特征量把轮对非线性动力学方程无量纲化, 得到了带有小参数的两自由度微分方程; 采用多尺度方法对该方程进行了解析求解; 给出了轮对系统极限环幅值的解析表达式并对其稳定性进行了判定; 给出了轮对系统的分岔速度解析表达式, 并进而获得系统的非线性临界速度的解析表达式. 在对得到的解析解用数值结果进行验证后, 用得到的解析解进行了系统参数影响分析. 传统的分岔图计算方法(如降速法、路径跟踪法等)需对微分方程进行大量数值积分计算方可求解系统的非线性临界速度值, 而通过本文获得的解析表达式可直接给出系统的非线性临界速度值和极限环幅值, 便于研究轮对系统动力学特性随参数的变化规律,进行快速方案比对和筛选, 为转向架结构优化设计提供参考.
2022, 54(7): 1807-1819.   doi: 10.6052/0459-1879-22-003
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基于数据驱动的非线性车辆系统动力学研究专题
复杂机车振动环境下牵引电机轴承服役寿命评估
刘禹清, 陈再刚, 閤鑫, 王开云
牵引电机是铁路机车的动力源, 其关键零部件(支承轴承等)的服役性能直接影响机车传动系统的稳定性和可靠性. 对于重载机车, 传统轴承服役寿命评估方法主要基于定载荷工况, 难以准确评估轨道不平顺等复杂外部激励作用下电机轴承的服役寿命. 因此, 本文根据车辆-轨道耦合动力学理论, 考虑轨道车辆运行过程中的轮轨相互作用和齿轮啮合作用, 建立了具有牵引动力传动系统的机车-轨道耦合动力学模型; 采用线性损伤累积准则和ISO 281标准计算方法, 评估了复杂机车振动环境下牵引电机轴承的服役寿命. 结果表明, 在轨道随机不平顺激励下, 机车轮轨垂向力、齿轮啮合力、牵引电机内部转子离心力、不平衡磁拉力等明显增大; 在复杂机车振动环境中, 电机轴承内部滚子-滚道相互作用加剧, 传动端与非传动端轴承的疲劳寿命缩短; 随着线路状态的不断恶化和机车运行速度的提高, 牵引电机轴承的预测寿命里程不断减小; 由于传动端轴承承受较大的外部动态载荷, 传动端轴承的服役寿命明显低于非传动端轴承. 本文提出的评估方法可为机车牵引电机轴承的设计、选型和寿命评估提供理论指导.
2022, 54(7): 1820-1829.   doi: 10.6052/0459-1879-21-545
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基于数据驱动的非线性车辆系统动力学研究专题
基于实测载荷谱的重载铁路货车车钩钩尾框剩余寿命预测
秦天宇, 任鑫焱, 胡飞飞, 刘宇杰, 奥妮, 阚前华, 吴圣川, 康国政
随着我国重载铁路货车运行规模及开行频次的增加, 车钩钩尾框断裂破坏问题日益严重. 本文以国产16/17型车钩钩尾框(锻造E级钢)为研究对象, 首先通过系统的材料试验获得了锻造E级钢的基本力学性能和断裂性能参数; 其次建立了含初始裂纹缺陷的钩尾框有限元模型; 最后基于实测线路载荷谱, 采用NASGRO方程开展了伤损钩尾框剩余寿命预测. 计算结果表明: 当裂纹形貌比a/c为0.8, 0.5, 0.3时计算得到的车钩钩尾框剩余寿命逐渐减小, 疲劳裂纹从深度2 mm扩展至20 mm的计算剩余寿命分别为36, 32, 26万公里, 均不足一个段修期; 3种裂纹形貌比下裂纹扩展至12 mm后的剩余寿命占比均较小, 仅为总剩余服役里程的4.7%, 4.0%, 2.2%, 因此可将12 mm作为钩尾框损伤容限止裂判据较为合理; 为研究近门槛区对裂纹扩展寿命的影响, 当裂纹形貌比为0.5且初始裂纹的尺寸降低至0.5 mm时, 裂纹将处于裂纹扩展门槛区附近, 剩余服役里程约为156万公里, 约为2 mm初始裂纹的4.9倍, 跨越了三个段修期. 论文研究结果可为重载铁路货车钩尾框检修周期的优化提供基本参考.
2022, 54(7): 1830-1838.   doi: 10.6052/0459-1879-21-687
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基于数据驱动的非线性车辆系统动力学研究专题
变转速工况下高速列车轴承转子系统特性分析
王宝森, 刘永强, 张斌
高速列车的发展使得其关键零部件——轴承的安全问题日益突出. 现有的轴承模型均是建立在匀速工况下, 不能描述系统在变转速工况下运动状态. 为了解决这个问题, 建立了一个变转速工况下高速列车轴箱轴承转子系统动力学模型, 模型通过角度迭代计算得到了滚动体在不均匀时间内转过的总角度, 进而确定了滚动体在任意时刻的空间位置. 在匀速工况和变转速工况下, 对具有外圈故障的轴承模型进行了实验对比, 验证了模型的有效性. 利用轴心轨迹定性分析了外圈故障、内圈故障和滚动体故障对系统稳定性的影响, 并通过实验验证了分析结果的可靠性. 利用二维不变矩作为特征指标定量分析了三类故障对系统稳定性的影响. 分析结果表明: 当轴承角加速度较小时, 外圈故障对系统稳定性影响最大; 当轴承角加速度较大时, 滚动体故障对系统稳定性影响最大, 但是影响程度随着故障尺寸的变大而逐渐减小. 同样地, 利用二维不变矩作为特征指标进行了系统的稳定性临界状态分析, 确定了在不同转速工况下和不同故障类型下临界状态对应的最大故障尺寸. 研究结果表明: 随着轴承内圈转速的上升, 不同故障类型对应的最大尺寸都会减小, 其中滚动体故障尺寸大都是最小的, 说明滚动体故障对系统稳定性影响最大.
2022, 54(7): 1839-1852.   doi: 10.6052/0459-1879-22-067
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生物、工程及交叉力学
P-CS不确定性量化模型与其性能数据驱动更新方法
何佳琦, 贾晓璇, 吴伟达, 钟杰华, 罗阳军
在实际工程中, 广泛存在大量的不确定性信息, 直接或间接影响着工程结构形式设计、结构性能评估与预测以及在役结构损伤识别等工作的开展与决策. 这些多源不确定性信息往往需要用多种不同的不确定性量化模型加以描述; 与此同时, 不确定性变量在使用过程中可能随时间变化且难以直接测量, 需要间接根据性能测试信息在使用工程中更新不确定性量化模型. 为兼顾上述两个问题, 本文基于等概率变换原则提出了一种P-CS (Probability-Convex Set) 不确定性量化模型, 该模型将不确定性变量用概率随机变量与非概率凸集变量组合表征, 可统一表达概率模型、非概率模型以及非精确概率模型, 实现多源、多类型不确定性的统一量化. 本文进一步基于贝叶斯理论提出了一种针对该P-CS不确定性量化模型的性能数据驱动更新方法. 该更新方法根据性能测试数据信息更新P-CS不确定性量化模型参数取值的信度分布, 从而根据后验信度分布计算得出当前P-CS不确定性量化模型参数集合. 通过数值算例详述了P-CS不确定性量化模型的构建方法与其概率、非概率特性, 并验证了性能数据驱动更新P-CS模型方法的适用性.
2022, 54(10): 1-17.   doi: 10.6052/0459-1879-22-173
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纪念郑哲敏先生逝世周年专刊
流体弹塑性理论模型的历史意义和发展前景
邓国强, 杨秀敏
郑哲敏与合作者一起创建的流体弹塑性理论, 是研究强作用下物质力学行为特征的一门基础工程科学. 该理论从创建至今近60年, 经历了模型化、软件化、工程化等发展阶段, 日臻成熟, 从中研发出的系列工程化模型, 对解决强爆炸效应等科学计算难题, 起到了核心支撑作用. 具体工程应用中, 尚须进一步发展, 需要做到: 完善的理论能真实反映岩石力学多变行为、成熟的模型能全面描述强作用下岩石破坏过程、新型计算框架能满足基础理论普适性要求、多种材料试验能提供仿真全方位数据需求、破坏分区能精细刻画常规侵彻爆炸破坏特征. 做到上述内容, 需继续完善该理论模型, 建立起国家层面的工程化构架和标准, 并研发可外挂到数值仿真软件系统的流体弹塑性模型软件包和相应数据库.
2022, 54(8): 1-10.   doi: 10.6052/0459-1879-22-240
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纪念郑哲敏先生逝世周年专刊
CoCrFeMnNi高熵合金冲击波响应与层裂强度的分子动力学研究
杜欣, 袁福平, 熊启林, 张波, 阚前华, 张旭
高熵合金未来有望应用于航空航天和深海探测等领域, 并且不可避免地会受到极端冲击载荷作用, 甚至会发生层裂. 本文采用分子动力学(MD)方法, 研究了CoCrFeMnNi单晶高熵合金冲击时的冲击波响应、层裂强度以及微观结构演化的取向相关性和冲击速度相关性. 模拟结果表明, 在沿[110]和[111]方向进行冲击时产生了弹塑性双波分离现象, 且随着冲击速度的增加呈现出先增强后减弱的变化趋势, 但在沿[100]方向冲击时未出现双波分离现象. 在冲击过程中, 大量无序结构产生且随冲击速度的增加而增加, 使得层裂强度随冲击速度的增加而减小. 此外, 层裂强度也具有取向相关性. 沿[100]方向冲击时产生了大量体心立方(BCC)中间相, 抑制了层错以及无序结构的产生, 使得[100]方向的层裂强度最高; 层裂初期微孔洞形核区域无序结构含量大小关系的转变, 使得[111]方向的层裂强度在冲击速度较低时(Up≤0.9 km/s)大于[110]方向, 而在冲击速度较大时(Up≥1.2 km/s)略小于[111]方向. 研究成果有望为 CoCrFeMnNi高熵合金在极端冲击条件下的应用提供理论支撑和数据积累.
2022, 54(8): 1-10.   doi: 10.6052/0459-1879-22-239
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动力学与控制
双振子同异步振动主动控制湍流边界层减阻实验研究
白建侠, 赵凯芳, 程肖歧, 姜楠
本文以镶嵌在平板上沿展向对放的两个压电陶瓷振子为主动控制激励器,自主设计了零质量射流主动控制湍流边界层减阻实验方案.在风洞中开展了双压电振子同步和异步振动主动控制湍流边界层减阻的实验研究,实现了压电振子的周期扰动对湍流边界层多尺度相干结构的干扰和调制,施加控制后减小了壁面摩擦阻力,获得减阻效果.当异步控制100 V160 Hz工况时得到最大减阻率为18.54%.小波多尺度分析结果表明,施加控制工况中PZT振子的周期性扰动使得小尺度结构的湍流脉动强度增强,改变了近壁区大尺度和小尺度结构的含能分布,且异步控制工况比同步控制工况的减阻效果好.当双振子振动频率为160 Hz时,流向脉动速度的小波系数PDF曲线呈现出波动特征,尾部变宽显著,近壁湍流脉动更加有序和规则,湍流间歇性减弱.对小尺度脉动进行条件相位平均的结果表明,施加PZT周期扰动后使得大尺度结构破碎成为小尺度结构,小尺度脉动强度增强,实现减阻.随着流向位置离PZT振子越来越远,周期性扰动对相干结构的调制作用逐渐减弱.
2022, 54(10): 1-10.   doi: 10.6052/0459-1879-22-248
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生物、工程及交叉力学
LNG耐超低温柔性管道研究进展综述—工业应用与结构设计分析
杨亮, 刘淼儿, 范嘉堃, 李方遒, 英玺蓬, 步宇峰, 曹慧鑫, 张凯仑, 杨建业, 杨志勋
LNG(液化天然气)耐超低温柔性管道是开采、运输、存储LNG过程中的关键装备之一, 被誉为是LNG外输系统的“血管”. 近年来, 随着LNG的开发逐渐由近海走向深远海, 耐超低温柔性管道作为LNG外输系统中的核心输运装备迎来了更加广阔的发展前景, 同时也面临着由更加严苛的海洋环境带来的结构失效的挑战. 本文针对LNG耐超低温柔性管道的工程应用背景、结构设计、内流分析等方面进行了调研与综述, 总结了LNG耐超低温柔性管道上述各项技术的研究进展. 分析了LNG耐超低温柔性管道的波纹管状结构、螺旋缠绕结构和高分子材料的柔顺性结构特征的力学机理, 总结了实现柔顺性结构的方法, 梳理了LNG耐超低温柔性管道管内流体计算分析的规律, 并对LNG耐超低温柔性管道相关技术的未来研究热点提出了展望. 我国在LNG耐超低温柔性管道相关技术的研究工作中起步相对较晚, 突破LNG耐超低温柔性管道的结构设计分析与工业应用中的关键力学问题, 实现LNG耐超低温柔性管道的国产化研制, 对于实现我国深远海天然气资源开发的“卡脖子”技术的自主可控, 助力“碳达峰”国家战略目标的实现具有重要意义.
2022, 54(10): 1-18.   doi: 10.6052/0459-1879-22-115
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纪念郑哲敏先生逝世周年专刊
含分布浮体的复杂构型深海缆线的动响应及其时空演化
郭双喜, 陈伟民, 严定邦, 宋吉祥, 沈义俊
深水柔性缆线是深海资源开采系统的重要组成部分, 随着水深的增加, 深水缆线长径比达103, 结构柔性变得很大, 且沿展向非均匀分布的浮力模块, 使得缆线构型变得更加复杂、张力等结构参数沿展向变化, 这使得环境载荷作用、海面船体运动等激励作用下的缆线流固耦合响应变得更加复杂, 给结构安全带来严峻挑战. 本文针对Double-stepped这种新构型深水缆线, 基于其流固耦合特性和载荷模型表征, 建立了含分布浮体的深水缆线动力学控制方程, 并结合有限元数值模拟和水箱模型实验, 进行了复杂构型缆线的动响应研究. 考察规则波和极端波浪环境载荷作用、海面船体运动等激励因素对结构响应的影响, 给出位移和张力等响应的时空演化规律, 并基于WKB理论分析了变参数结构响应幅值和波长的演化规律和机理. 结果表明: 结构响应沿着缆线长度向下传播过程中非单调变化, 在低张力区域会出现局部峰值; 由于分布浮体的存在使得结构参数轴向变化且不连续, 响应时空演化变得更加复杂, 呈现驻波、行波混合效应, 而且张力不但会影响位移幅值, 还会引起响应传播过程中的波长改变.
2022, 54(8): 1-14.   doi: 10.6052/0459-1879-22-238
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动力学与控制
基于图像四叉树的改进型比例边界有限元法研究
孙立国, 江守燕, 杜成斌
为提高数值计算的精度, 断裂力学问题的数值模拟需要在裂纹扩展的局部区域采用较密的网格, 而远离裂纹扩展的区域可采用较疏的网格, 且对于裂纹扩展问题的数值模拟, 大多数数值方法又存在局部网格重剖分的问题. 论文提出了一种基于图像四叉树的改进型比例边界有限元法用于模拟裂纹扩展问题, 该方法可根据结构域几何外边界的图像全自动进行四叉树网格剖分, 无需任何人工干预, 网格剖分效率极高, 由于比例边界有限元法本身的优势, 四叉树网格的悬挂节点可以直接地视为新的节点, 无需任何特殊处理. 通过引入虚节点的思想, 将裂纹与四叉树单元边界交叉点作为虚节点, 虚节点的自由度作为附加自由度处理, 并采用水平集函数表征材料内部的裂纹面, 含不连续裂纹面的子域可通过节点水平集函数识别, 使得裂纹扩展时无需进行网格重剖分, 界面的几何特征通过比例边界有限元子域的附加自由度表征. 最后, 通过若干算例验证了该方法的性能, 建议的改进型比例边界有限元法在求解复合型应力强度因子和模拟材料内部裂纹扩展路径时均具有较高的精度.
2022, 54(10): 1-10.   doi: 10.6052/0459-1879-22-189
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固体力学
基于微观结构非均匀性演化的非晶合金应力松弛动力学
郝奇, 乔吉超
本文研究了Zr48(Cu5/6Ag1/6)44Al8 非晶合金应力松弛行为与固有微观结构非均匀性之间的关联. 非晶合金是典型非平衡固体, 其应力松弛过程伴随着老化效应, 本文首次考虑了经典KWW方程最可几特征时间$\tau $和扩展指数$\beta $在应力松弛过程中的耦合演化, 这表明探究应力松弛过程中应力松弛响应必须考虑结构状态的时间依赖性. 基于所研究非平衡状态非晶合金结构状态的演化, 厘清了非晶合金应力松弛行为中老化效应. 研究结果表明, 非晶合金应力松弛行为具有典型非指数特征, 单一特征时间的指数弛豫形式与有限特征时间的有限谱方法均无法合理描述非晶合金应力松弛实验, 这是由于非晶合金微观结构非均匀性所导致的特征时间谱连续分布. 此外, 非晶合金的名义弹性区域应力松弛行为与初始应变无关, 这主要是因为非晶合金应力松弛行为的流变本质, 即弹性和滞弹性可逆性变形随时间推移逐渐转化为粘塑性不可逆变形. 最后, 考虑了老化效应引起的结构参量演化以及进一步导致的变形行为改变, 应力松弛特征时间随时间逐渐增加, 扩展指数随时间逐渐减小.
2022, 54(10): 1-10.   doi: 10.6052/0459-1879-22-255
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流固耦合破坏分析的多分辨率PD-SPH方法
姚学昊, 陈丁, 武立伟, 黄丹
流固耦合破坏是一类涉及结构变形与破坏以及复杂自由表面现象的强非线性力学问题。结合近场动力学(peridynamics, PD)与光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)各自的优势并考虑其计算效率问题,提出一种适用于分析流固耦合破坏问题的多分辨率PD-SPH混合方法。分别采用SPH和PD方法以不同的空间和时间分辨率对流体和结构进行离散与求解,利用具有与流体粒子相同光滑长度的虚粒子处理流-固界面,以高精度满足界面边界条件。通过两个经典算例:液柱静压力下弹性板的变形和溃坝流体冲击弹性闸门的变形问题,表明提出的多分辨率PD-SPH方法兼具较高的计算精度和计算效率;对含裂缝的Koyna重力坝水力劈裂问题进行模拟计算,所得裂缝扩展路径与文献结果吻合,说明该方法适用于涉及结构破坏的流固耦合问题仿真。最后尝试采用该方法进行流体冲击作用下含裂纹混凝土板崩塌过程数值仿真,准确描述混凝土板的断裂破坏和全过程中的流体运动。多分辨率PD-SPH混合方法或可为流固耦合作用下的结构损伤破坏仿真提供一种新选择。
当前状态:
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增强六手臂缺失支柱手性拉胀超材料力学性能理论研究
朱一林, 江松辉, 于超
前期研究工作中, 基于有限元分析, 作者发展了一种在大变形范围内具有可调恒定负泊松比的新型增强六手臂缺失支柱手性拉胀超材料. 为了揭示微观结构−力学性能关系, 并进一步指导超材料目标参数设计, 本文在小变形框架下基于能量法建立了表征该拉胀材料等效泊松比和弹性模量的理论模型. 增强六手臂缺失支柱手性拉胀材料由“Z”型手臂元件组成. “Z”型手臂可以被假设为两端简支的欧拉−伯努利梁. 因此, 本文首先推导了两端受集中力和力偶的任意形状欧拉−伯努利梁的应变能. 然后, 考虑平衡条件和变形协调条件进一步给出了材料等效泊松比和弹性模量的理论表达式. 研究表明只有“Z”型梁的内外手臂比为2:1时, 理论表达式才有简洁的形式. 为了更好的利用所推导的理论表达, 基于理论推导, 本文开发了MATLAT图形用户界面 (GUI). 在GUI中输入可描述该超材料几何形状的独立几何参数, 即可直接获取其等效泊松比和弹性模量. 最后, 基于理论结果, 本文系统讨论了超材料微结构几何参数对其等效力学性能的影响, 并将理论解与有限元计算结果进行了对比. 结果表明, 可以通过调控微结构几何参数获取大范围的目标力学性能.
当前状态:  doi: 10.6052/0459-1879-22-188
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页岩储层应力敏感性定量评价: 思路及应用
杜书恒, 沈文豪, 赵亚溥
应力敏感性定量评价是页岩油气勘探开发中公认的关键工程难题之一, 然而变应力条件下页岩孔缝尺寸及渗透率下降规律等问题至今尚无定论, 亟待深入探索. 本文从Griffith经典弹性力学解出发, 在充分刻画非均质页岩孔隙和微裂缝的基础上, 通过建立横截面为椭圆的柱体管束模型, 推导得到应力作用下岩石渗透率保持水平的计算公式, 基于此给出适宜于非均质页岩油储层的应力敏感性评价思路及覆压渗透率计算公式, 最后在中国西部和中部典型页岩油储层中开展了工程应用. 研究显示: (1) 相同应力状态下, 页岩油储层应力敏感程度由杨氏模量、储渗空间初始长短轴比值及泊松比共同控制; (2) 裂缝型页岩由于发育长短轴比值较高, 其应力敏感程度略高于裂缝发育程度较低的基质型页岩, 且杨氏模量越小, 两类页岩应力敏感程度差异性越大; (3) 在40 MPa的有效应力作用下, 裂缝型和基质型页岩油储层渗透率损耗程度最高值分别不足10%和8%, 证明页岩应力敏感程度总体较低. 应力敏感性对于页岩油原位储量及实际产能的影响程度亟需在工程实际中予以重新审视. 研究成果将为页岩油储量的精确评估和采收率的高效提升提供新的理论与实践依据.
当前状态:  doi: 10.6052/0459-1879-22-262
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连接组合结构协同动力学拓扑优化设计
文明, 王栋
工程实际结构通常是由多个部件组合而成, 且各部件通过连接构件传递彼此间的载荷和振动能量. 连接构件的布局设计与约束状况对整个结构的拓扑构型、动态性能以及承载能力等均有较大的影响. 本文研究连接组合结构构型与部件间连接构件布局的协同动力学优化问题, 使整体结构在简谐激励作用下动柔顺度达到最小. 以弹簧连接单元模拟连接构件的约束及承载状况, 将承力构件材料的相对密度与弹簧连接单元的相对刚度同时作为设计变量. 在材料体积约束以及连接构件个数约束的条件下, 采用移动渐近优化算法开展组合结构的拓扑构型与连接构件的布局协同优化设计. 通过与无连接约束构件的单体式结构拓扑优化结果进行对比, 展示了组合结构拓扑构型的变化, 以及连接约束的布局设计对整体材料分布和结构动力性能的影响. 数值结果表明, 虽然组合结构协同优化设计的动柔顺度总是大于单体式结构的结果, 但结构固有频率的变化却确具有一定的偶然性, 即可提供更优越的结构构型与连接布局设计.
当前状态:  doi: 10.6052/0459-1879-22-292
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流体弹塑性理论模型的历史意义和发展前景
邓国强, 杨秀敏
郑哲敏与合作者一起创建的流体弹塑性理论,是研究强作用下物质力学行为特征的一门基础工程科学。该理论从创建至今近60年,经历了模型化、软件化、工程化等发展阶段,日臻成熟,从中研发出的系列工程化模型,对解决强爆炸效应等科学计算难题,起到了核心支撑作用,但也遇到了基础数据不全面、工程模型不统一、细节处理不到位等发展瓶颈,制约了流体弹塑性理论的工程应用。突破瓶颈,需继续完善该理论模型,建立国家层面的工程化构架和标准,并研发可外挂到数值仿真软件系统的流体弹塑性模型软件包。
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完全拉格朗日SPH在冲击问题中的改进和应用
王璐, 徐绯, 杨扬
光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)在模拟固体大变形、破碎和裂纹扩展等问题中有天然的优势,但SPH固有的拉伸不稳定缺陷是SPH在计算固体力学领域进一步应用的一大障碍。完全拉格朗日SPH(Total Lagrangian-SPH, TL-SPH)方法是一种有效的改善拉伸不稳定的措施,但其仍面临边界区域精度低、界面条件难以施加、损伤裂纹难以模拟等缺陷。因此,首先将可达到二阶精度的高阶SPH方法与TL-SPH耦合,为了节省高阶方法的计算量,进一步简化粒子选取模式,提出TL-SFPM(TL-Simplified Finite Particle Method)方法;其次,将可提高界面精度的DFPM(Discontinuous Finite Particle Method)方法与TL-SPH结合,并提出一种基于黎曼解的界面接触算法,通过在不同材料粒子间建立黎曼模型求解不同材料间的相互作用,分别应用于流体-固体接触和固体-固体接触中;再者,为了捕捉固体受外载荷后的损伤程度及破坏模式,提出一种完全拉格朗日框架下的粒子损伤破坏模型;最后,通过流-固冲击的带弹性挡板溃坝算例和固-固冲击的子弹撞击靶板算例验证提出的TL-SFPM方法、界面接触算法和损伤破坏模型的合理性和精确性,进一步扩展TL-SPH方法在计算固体冲击问题中的应用。
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基于Welch法的协方差随机子空间方法的模态参数识别
李雪艳, 官宇航, 罗铭涛, 吴博宇
对工程结构进行环境激励下的模态参数识别具有重要意义,而随机子空间法作为适合环境激励下模态参数识别的时域方法,由于噪声和复杂激励的原因,会产生虚假模态、真实模态遗漏、系统自动定阶难和计算效率等问题,这些问题阻碍了该方法在实际工程中的广泛应用。本文提出了基于Welch法的随机子空间方法,通过Welch法对振动响应在频域进行去噪、降低环境激励和其它不确定性因素影响的处理,把结构固有模态从噪声和激励频率中突显出来,形成富含更多结构模态的Toeplitz矩阵,然后进行奇异值分解和状态矩阵计算,最后特征值分析。为了实现自动定阶,对不同奇异值分量构建的状态矩阵得到的特征参数,进行模糊C均值聚类分析和模态的平均相位偏移分析,剔除虚假模态,实现结构模态参数的自动识别。并把本文所提出方法应用于一座大跨悬索桥的实测加速度响应分析,和一座七十层的高层建筑的加速度响应分析,跟频域分解法、传统随机子空间法和基于相关分析的随机子空间法的计算结果进行了比较,验证了所提方法的有效性。
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固体跨尺度压痕标度律的研究与展望
於之杰, 魏悦广
压痕标度律是对通过压痕试验方法测定固体材料力学性能参量问题所给出的一般性力学物理结论,具有重要的理论意义,是探寻材料力学性能潜在力学物理规律的方法论研究。本综述论文系统而简要地介绍如下主要内容:采用传统理论对传统固体材料压痕标度律的研究回顾;采用跨尺度力学理论对先进固体材料的跨尺度压痕标度律的研究回顾。总结并得到了如下主要结论:传统固体材料压痕标度律可由一空间曲面完整描绘,若已知某类无量纲独立参量的取值范围,则该空间曲面可退化为系列平面曲线族;先进固体材料(新材料)的跨尺度压痕标度律可由一三维函数关系完整描绘,若存在某类独立无量纲参量取值范围已知,则该三维函数关系将退化为系列空间曲面族。压痕标度律的未来展研究仍将重点集中在建立新材料的跨尺度压痕标度律上,朝着从根本上解决新材料力学性能标准规范难以建立的理论问题。除此之外也将重点关注建立各类功能新材料的多尺度及跨尺度压痕标度律规律。该综述论文的章节组成如下:作为研究背景的引言;关于传统固体材料的压痕标度律的若干研究;关于在压痕标度律建立过程中量纲分析发挥的重要作用;关于刻画先进固体材料跨尺度力学行为的跨尺度力学理论;跨尺度压痕标度律的表征研究;跨尺度硬度标度律的未来发展展望。
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