力学学报 (月刊) Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics
2023, 55(1): 1-2.
聚脲是一种由异氰酸酯组分和氨基组分反应生成的新型弹性体高聚物. 由于聚脲具有断裂伸长率高、应变率强化、高耗能等一系列优异的力学性能, 其在国防、能源、交通等领域显示出广阔的应用前景. 目前, 国内外学者针对聚脲在不同温度、不同应变率下的静动态力学性能开展了大量研究, 在此基础上提出了多种本构模型, 对温度、应变率等因素相关的力学行为进行了描述和预测. 这些工作为深刻理解聚脲抗冲击机理及材料的进一步应用奠定了基础. 文章首先简要介绍了聚脲弹性体的微相分离结构及特点; 然后从小变形线性黏弹性和大变形非线性黏弹性两个方面概述了关于聚脲力学性能的研究, 包括相应测试技术的发展和聚脲黏弹性影响因素的研究; 进一步从变形梯度乘法分解法、遗传积分法、应变-时间解耦法等不同建模方法出发对已建立的聚脲本构模型进行综述, 并从应变率范围、温度范围、压力相关性、软化行为表征及模型参数数量的角度对比了不同类型模型的区别; 最后针对聚脲力学性能与本构关系下一步研究值得重点关注的问题提出了几点建议.
2023, 55(1): 1-23.
doi: 10.6052/0459-1879-22-455
G.K. Batchelor是20世纪国际流体力学大师, 在均匀湍流理论和低雷诺数微流体力学领域做出了开创性的贡献, 他对流动追求物理和定量性理解的思想影响了近百年流体力学的发展, 是流体力学顶级期刊Journal of Fluid Mechanics的创刊人, 也是剑桥大学应用数学与理论物理系(DAMTP)的创建者, 培养并影响了一大批在流体动力学理论、实验流体力学、湍流及稳定性、环境流体力学、多相流体力学、磁流体力学、微纳米尺度流体动力学等诸多领域建树卓越的学者. 本文以G.K. Batchelor诞辰100周年纪念活动为契机, 简要回顾了流体力学近300年的发展历程. 概述了流体力学发展历经的以数学和物理为基础建立理论框架的经典流体力学、以应用需求为导向促使自身跨越发展的近代流体力学和以学科融合为特点外延丰富的现代流体力学三个重要阶段; 以师承关系、代表性学者及其主要学术贡献为线索, 总结了现代流体力学四大学派的形成及其近百年的传承沿革; 以历史和发展的视角浅谈当代流体力学发展的动力和趋势, 并以风沙环境力学为例, 简述流体力学为分支学科发展提供的支撑和引领作用, 分支学科的需求为流体力学内生发展提供驱动力的螺旋生长关系; 最后是对未来流体力学发展进步和创新的展望.
2023, 55(1): 24-37.
doi: 10.6052/0459-1879-22-531
基于深度神经网络DNN构建了从层流流场无量纲速度梯度、流向涡强度等物理量到横流转捩模态下间歇因子间的映射关系, 获得一种新的数据驱动转捩模型. 通过将数据驱动转捩模型与SST k-ω湍流模型耦合, 有效简化了转捩模型输运方程求解, 实现高效、准确的亚音速三维边界层横流转捩流场计算. DNN训练数据来自变雷诺数的NLF(2)-0415无限展长后掠翼计算结果, 并以两种工况进行测试, 数据驱动转捩模型预测精度与γ-Reθ转捩模型近似. 将数据驱动转捩模型用于其他典型横流转捩算例的计算, 以验证其泛化能力. 对于变后掠角的NLF(2)-0415后掠翼, 数据驱动转捩模型与γ-Reθt-CF模型预测的转捩位置几乎一致, 并且能够预测出后掠角从45°增长到65°的过程中, 转捩位置先向前再向后移动的现象; 对于标准椭球体, 使用低分辨率网格进行计算, 数据驱动转捩模型依然能够实现转捩位置预测, 对椭球体表面Cf的计算结果与多个平台的横流转捩模型、实验结果基本一致. 研究表明, 以横流转捩相关物理量作为输入对DNN进行训练, 并将获得的数据驱动转捩模型与SST k-ω湍流模型耦合, 可以实现对横流转捩的有效预测, 且具有较强的泛化能力. 数据驱动转捩模型对网格分辨率要求更低, 在保证计算精度的前提下, 具有较高的计算效率.
2023, 55(1): 38-51.
doi: 10.6052/0459-1879-22-448
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 V, 160 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.
2023, 55(1): 52-61.
doi: 10.6052/0459-1879-22-248
为了探究垂向间距和攻角对双蝠鲼在沿垂向分布集群滑翔时的水动力性能影响, 根据蝠鲼的实际外形建立了蝠鲼计算模型, 设置了4种间距排布即0.25, 0.5, 0.75, 1倍体厚排布以及9种攻角状态即−8°~8°, 随后借助Fluent软件进行了双蝠鲼变攻角、变垂向间距的集群滑翔数值模拟, 结合流场压力云图以及速度云图对集群系统平均升/阻力以及集群中各单体的升/阻力进行了分析. 数值计算结果表明: 双蝠鲼沿垂向分布在攻角范围为−8°~8°进行集群滑翔时系统平均阻力均高于单体滑翔时所受阻力. 单体在集群滑翔过程中获得减阻收益, 当双蝠鲼以负攻角集群滑翔时, 下方蝠鲼阻力减小, 且垂向间距越小, 减阻效果越明显; 当以正攻角集群滑翔时, 上方蝠鲼获得减阻收益. 当双蝠鲼以负攻角滑翔时, 系统平均升力大于单体滑翔时所受升力; 当双蝠鲼以负攻角滑翔时, 系统平均升力小于单体滑翔时所受升力, 系统平均升力几乎不受垂向间距影响. 下方蝠鲼升力始终大于上方蝠鲼升力, 但随着垂向间距的增大, 升力差距逐渐减小.
2023, 55(1): 62-69.
doi: 10.6052/0459-1879-22-353
涡波一体宽速域乘波飞行器通过在低速引入涡效应, 显著改善了传统乘波体在低速状态下的升阻特性, 具有在未来宽速域空天飞行器总体气动设计当中得到广泛应用的巨大潜力. 但是, 该设计方法的研究尚不完善, 特别是在基准流场建立过程中忽略了三维效应、低速效应、黏性效应以及头部/前缘的钝化效应, 因此其高低速气动特性均有优化设计的空间. 针对此问题, 本文结合高保真RANS求解器、自由变形参数化方法、鲁棒的结构网格变形方法、离散伴随方法以及序列二次规划算法, 发展了基于离散伴随的宽速域飞行器气动优化设计方法. 基于上述方法, 针对涡波一体乘波飞行器开展了兼顾低速与高超声速气动性能的三维整机气动优化设计研究, 获得了宽速域优化构型并对其进行了流动机理分析. 结果表明, 相较于初始构型, 宽速域优化构型可以将飞行器高超声速状态下升阻特性略微提升的同时, 显著增强低速状态飞行器背风面的旋涡效应, 进而使飞行器低速状态的升力和升阻比均提升10%以上, 改善了涡波一体宽速域乘波飞行器的高低速气动性能.
2023, 55(1): 70-83.
doi: 10.6052/0459-1879-22-412
微生物是自然生态系统的重要组成部分, 掌握微生物在复杂流体中的运动特性可以为微型器件的设计制造提供理论指导. 壁面效应是微生物游动研究中的重要问题之一, 已有研究表明微生物在壁面附近存在复杂的行为特征. 然而已有研究大多集中于微生物在牛顿流体中的游动模拟, 仅有少数涉及黏弹性流体等非牛顿流体. 本文采用直接力虚拟区域法与乔列斯基分解相结合的数值方法, 引入Squirmer微生物游动模型, 研究了微生物在黏弹性流体中的游动问题. 首先给出求解黏弹性流体本构方程的数值格式; 并将该方法应用于研究微生物游动中的壁面效应. 研究结果表明, 游动方向是影响微生物颗粒壁面效应的重要因素. 流体弹性应力会对微生物产生一个反向转矩, 影响微生物的游动方向, 从而阻碍微生物逃离壁面. 微生物颗粒在黏弹性流体中与壁面作用时间较长, 几乎达到牛顿流体的两倍以上.
2023, 55(1): 84-94.
doi: 10.6052/0459-1879-22-372
随着增材制造技术的迅速发展, 点阵结构由于其高比强度、高比刚度等优异力学性能受到广泛关注, 但其单胞分布设计大多基于均布式假设, 导致其承载能力相对较差. 基于拓扑优化技术提出了一种梯度分层的点阵结构设计方法. 首先, 基于水平集函数建立点阵单胞几何构型的显式描述模型, 引入形状插值技术实现点阵单胞的梯度构型生成; 其次, 构建基于Kriging的梯度点阵单胞宏观等效力学属性预测模型, 建立宏观有限单元密度与微观点阵单胞等效力学属性的内在联系; 然后, 以点阵结构刚度最大为优化目标, 结构材料用量和力学控制方程为约束条件, 构建点阵结构的梯度分层拓扑优化模型, 并采用OC算法进行数值求解. 算例结果表明, 所提方法可实现点阵结构的最优梯度分层设计, 充分提高了点阵结构的承载性能, 同时可保证不同梯度点阵单胞之间的几何连续性. 最后, 开展梯度分层点阵结构与传统均匀点阵结构和线性梯度点阵结构的准静态压缩仿真分析, 仿真结果表明, 与传统均匀点阵结构和线性梯度点阵结构相比, 梯度分层点阵结构的承载能力明显提高. 研究结果可为高承载点阵结构设计提供理论参考.
2023, 55(2): 294-305.
doi: 10.6052/0459-1879-22-363
针对肌纤维微观结构模型与显微镜下观察的图像存在一定差异、微观组分生物力学模型无法有效捕获骨骼肌剪切变形时的力学行为、骨骼肌多尺度数值模型计算成本高的问题, 本文从实验、多尺度建模和仿真的角度研究骨骼肌被动力学特性, 提出以曲边泰森多边形作为肌纤维截面形状, 并建立骨骼肌微观尺度代表性体元RVE; 提出新的生物力学模型(MMA模型), 并将MMA模型作为肌纤维和结缔组织生物力学模型, MMA模型采用完全的应变不变量${I}_{4},\;{I}_{5},\;{I}_{6}和{I}_{7}$ , 使骨骼肌的剪切行为从材料属性层面得以体现; 结合骨骼肌力学实验结果、RVE模型、肌纤维和结缔组织的生物力学模型, 建立骨骼肌多尺度数值模型. 根据实验结果确定生物力学模型参数, 通过多尺度均匀化方法实现微观尺度和宏观尺度之间的连接, 最终获得骨骼肌宏观力学行为, 通过纵向拉伸、横向拉伸、平面外纵向剪切和平面内剪切4种变形形式的仿真结果验证骨骼肌多尺度数值模型的收敛性. 研究了生物力学模型中模型参数、肌纤维体积分数和肌纤维结构对骨骼肌宏观力学行为的影响, 最后通过实验验证多尺度数值模型的有效性. 本文骨骼肌多尺度数值模型不仅能够用于研究骨骼肌微观因素对宏观力学行为的影响, 也可用于研究疾病对骨骼肌生物力学特性的影响及模拟骨骼肌重塑和再生.
2023, 55(2): 507-529.
doi: 10.6052/0459-1879-22-496
磁流体发电装置作为一种特殊的高功率脉冲电源, 具有效率高、容量大、启动快的优点, 制约其发展的关键在于如何获得高电导率的发电工质. 爆轰驱动具有远超常规方式的驱动能力, 在提供高温、高电导率气体方面独具优势. 将爆轰驱动激波管技术应用于磁流体发电, 有利于突破磁流体发电技术瓶颈, 故据此开展了基于爆轰驱动激波管技术的惰性气体磁流体发电试验研究. 爆轰驱动根据激波管点火位置不同分为反向和正向两种运行模式, 反向爆轰驱动可提供时间较长、状态稳定的试验气流, 而正向爆轰优势在于产生高焓试验气流. 试验系统由爆轰驱动激波管、拉瓦尔喷管、发电通道、电磁铁和真空罐等组成, 试验中分别以反向爆轰和正向爆轰驱动激波管产生发电工质, 利用激波将惰性气体压缩至高温从而发生电离, 形成的等离子体经喷管加速后, 最终在法拉第直线型发电机内切割磁感线输出电能. 磁场强度0.9 T的条件下, 反向爆轰在负载3.5 Ω时获得了较稳定的1.9 kW输出功率, 持续时间1.5 ms; 外接35 mΩ负载时, 正向爆轰在0.3 ms内短时输出功率高达212 kW, 功率密度为0.2 GW/m3. 试验成功验证了基于爆轰驱动激波管技术的惰性气体磁流体发电方案的可行性, 为高功率脉冲电源的应用与发展提供了新的方法.
2023, 55(2): 1-9.
doi: 10.6052/0459-1879-22-576
薄板结构仅在较小的荷载下就能产生较大的位移、旋转, 甚至引发结构产生裂纹并扩展, 进而发生结构整体断裂, 因此, 建立薄板结构在大变形过程中的裂纹扩展及断裂仿真模型, 具有重要的工程实际意义. 文章建立了用于薄板结构几何大变形和断裂分析的近场动力学(PD)和连续介质力学(CCM)耦合模型. 首先基于冯·卡门假设, 采用更新的拉格朗日法得到薄板在几何大变形增量步下的虚应变能密度增量公式, 并利用虚功原理和均质化假设求出几何大变形微梁键的本构模型参数; 接着分别建立几何大变形薄板PD模型与CCM模型的虚应变能密度增量, 并建立了薄板几何大变形PD-CCM耦合模型; 最后模拟了薄板结构在横向变形作用下的渐进断裂过程, 得到与实验结果高度一致的仿真结果, 验证了所提出的几何非线性PD-CCM耦合模型的精度. 结果表明: 本文所提出的薄板PD-CCM耦合模型具有简单高效, 无需考虑材料参数限制和边界效应的特点, 可以很好地用于预测薄板结构在几何大变形过程中的局部损伤和结构断裂, 有利于薄板结构的断裂安全评价和理论发展.
2023, 55(2): 285-293.
doi: 10.6052/0459-1879-22-519
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控制方程EOS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(2): 1-13.
doi: 10.6052/0459-1879-22-570
静气动弹性问题考虑弹性结构与定常气动力间的相互耦合作用, 对飞行器的性能和安全具有显著的影响. 在现代飞行器设计阶段, 计算流体力学CFD/计算结构力学CSD直接耦合方法是精确考察静气动弹性影响的重要手段. 然而, 基于CFD技术的气动力仿真手段在耦合过程中计算量大且耗时长, 难以满足设计阶段的需求. 因此, 为了兼顾计算精度与效率, 文章采用本征正交分解POD和Kriging代理模型相结合的模型降阶方法, 替代CFD求解过程并耦合有限元分析FEA方法, 建立了高效、准确的静气动弹性分析框架. 相较于传统的以模态法为主的静气动弹性分析方法, 该方法能够解决更为复杂的静气动弹性问题以及提供静气动弹性变形过程中的气动分布载荷. 针对典型三维跨声速HIRENASD机翼模型开展的马赫数、迎角变化的算例验证表明: 由建立的静气动弹性分析方法与CFD/CSD直接耦合方法计算得到机翼翼梢处的静变形量间的相对误差在5%以内; 同时该方法预测静平衡位置处的气动分布载荷的误差在5%以内, 静气动弹性分析的计算效率至少提升了6倍.
2023, 55(2): 1-10.
doi: 10.6052/0459-1879-22-523
斜爆轰推进系统在高超声速推进领域具有广阔的应用前景, 其释热迅速、比冲高、燃烧室结构简单的优点吸引研究人员的持续关注. 然而, 斜爆轰的地面试验同时涉及到高速试验环境模拟、燃料与氧化剂混合、高温燃烧流场结构测量等技术难点, 当前国内外系统的试验研究仍然十分有限, 难以支撑斜爆轰发动机的研制. 为了研究自持传播的斜爆轰激波结构与波面流动特性, 基于爆轰驱动二级轻气炮开展了高速弹丸诱导斜爆轰实验研究, 使用直径30 mm球头圆柱形弹丸发射进入充满氢/氧可燃混合气体的实验舱中以起爆斜爆轰波, 并采用两种阴影技术对实验流动结构进行测量. 实验中在不同速度、不同充气压力下观察到三种弹丸诱导激波结构, 即激波诱导燃烧、弹丸起爆爆轰波和相对弹丸驻定的斜爆轰波, 实验舱充气压力下降则会造成爆轰横波尺度增加与波面流动失稳. 实验中, 斜爆轰激波角与理论分析结果吻合较好, 弹丸气动不稳定带来较大的弹丸攻角会对激波角测量带来一定偏差. 通过对斜爆轰波波面法向传播速度的测量发现, 随着远离弹丸, 斜爆轰传播速度由弹丸飞行速度衰减至接近实验气体CJ速度, 弹丸速度的降低会加速斜爆轰波传播速度的衰减.
2023, 55(2): 382-390.
doi: 10.6052/0459-1879-22-536
变体飞行器通过光滑连续的结构变形改变气动特性, 从而提高飞行器的飞行性能, 具有很大的应用前景. 由于这类新概念飞行器主要通过改变自身结构形状以获得最佳工作性能的需求, 因此具有变形大、质量轻等特点, 较容易发生结构振动响应. 本文研究了一种以柔性变后缘作为变体形式的二维柔性机翼等效建模方法, 基于非均匀梁模型假设, 建立了该柔性翼的动力学模型. 通过利用Frobenius方法得到解析解及固有频率, 并用有限元方法进行对比验证, 发现前4阶固有频率的误差均在1%以内, 每阶固有频率对应的振型一致. 通过3D打印工程塑料ABS和硅胶蒙皮材料制备了柔性机翼结构件, 并通过动态测量法和拉伸试验分别测定了打印材料和硅胶蒙皮材料的杨氏模量, 搭建振动响应实验平台对制备的柔性机翼试验件进行振动试验. 对比发现模型振动试验获得的基频与理论模型结果一致, 并与有限元方法误差在3%以内. 本文通过理论分析和实验验证, 建立了二维柔性机翼等效建模方法, 研究结果将为柔性变后缘结构动力学特性分析及其控制应用方面提供理论支持.
2023, 55(2): 1-10.
doi: 10.6052/0459-1879-22-551
大数据及人工智能技术的崛起推动了数智流体力学的快速发展。数智流体力学是将流体力学、大数据和人工智能相结合，以流体力学场景需求为导向，形成以“数”为基础，以“智”为核心，以算力为支撑的新研究范式。核心内涵是要以数据驱动为主，融合物理信息、专家经验等先验知识，利用智能化手段构建“数据+物理”双驱动的数智模型，解决场景需求问题。数智流体力学在建模灵活性、运算效率、计算精度方面具有十分明显的优势，其应用潜力已经在多尺度流动、多场耦合以及流场建模等方面得到验证。数智流体力学研究范式包括数据治理和智能算法构建，其中数据治理工作尤为重要，治理后的数据质量是智能算法能否发挥其价值的关键。智能算法中“数据+物理”协同驱动主要存在四种引入机制，分别是基于输入数据的嵌入机制、基于模型架构的嵌入机制、基于损失函数的嵌入机制和基于模型优化的嵌入机制。以油气领域应用为例，介绍了数智流体力学在储层物性参数预测、压裂效果评价以及注采参数优化等方面的一系列研究进展。数智流体力学是流体力学未来的重要发展方向之一，以场景需求为导向、深度融合物理信息等先验知识的新一代智能理论与方法是数智流体力学发展的必然趋势，能够从崭新的角度攻克诸多复杂多变的流体力学关键问题。
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自发渗吸驱油是致密油藏提高采收率的有效手段，但不同的孔隙划分方法会导致原油可动性精细定量表征存在差异性。基于此，以鄂尔多斯盆地延长组致密油藏为研究对象，开展了四种典型致密岩心的自发渗吸驱油实验，利用基于核磁共振分形理论的流体分布孔隙精细划分方法，区分了致密砂岩岩心孔隙类型，明确了不同类型岩心孔隙结构对原油可动性和自发渗吸驱油速率的控制特征。研究结果表明不同类型岩心自发渗吸模拟油动用程度介于22.07%~33.26%，核磁共振T2谱双峰型岩心自发渗吸模拟油动用程度高于单峰型岩心；致密砂岩岩心中P1和P2类孔隙中模拟油均有不同程度的动用，P1类孔隙作为致密岩心中主要孔隙，尤其是P1类孔隙中P1-2和P1-3类孔隙的数量决定了自发渗吸模拟油动用程度；P1-1、P1-2和P1-3类孔隙结构差异性对自发渗吸模拟油动用程度起决定性作用，较小尺寸孔径孔隙较大的孔隙结构差异性不仅提升了自发渗吸模拟油动用程度，而且提升了自发渗吸驱油速率；流体可动性指数较高的P1-2和P1-3类孔隙的致密砂岩岩心表现出较高的模拟油动用程度。
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为了提高列车运行平稳性, 在经典的天棚控制和加速度控制的基础上, 提出了一种新型混合控制策略, 对高速列车磁流变半主动悬挂控制系统进行了仿真和实验研究. 首先, 对磁流变阻尼器(Magnetorheological damper, MRD)的力学特性测试分析, 引入具有电流饱和特性的修正函数, 建立了MRD的修正扩展双曲正切模型. 然后, 设计了面向列车平稳性的新型混合控制策略, 通过分析车体加速度传递特性, 比较了不同控制策略在全频域内的控制效果. 此外, 从相频特性的角度阐释了新型混合控制策略在全频段的控制优势. 将MRD修正模型应用于悬挂控制, 利用UM和Simulink软件建立了整车磁流变半主动悬挂控制系统联合仿真模型, 分析不同控制策略对车辆动力学性能的影响. 最后, 构建了基于MRD的整车悬挂系统硬件在环实验台, 通过开展硬件在环实验分析不同控制策略下的车体响应. 结果表明, 相比传统的控制策略, 新型混合控制策略能兼顾低频段和高频段的振动控制效果, 不仅可以提高列车的运行平稳性, 而且不会恶化列车的运行安全性. 硬件在环实验证明了新型混合控制策略的有效性, 以及高速列车应用半主动控制悬挂的可行性.
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观察表明, 禽类颈部普遍具有刚柔耦合的特点, 在运动过程中, 可以辅助身体运动, 使得头部产生大变形. 在机器人、航空航天等领域普遍需要具有大变形、变刚度等特征的结构实现相关功能. 受禽类脖子结构的启发, 提出了一种仿鸡脖子刚柔耦合结构, 阐明仿鸡脖子的仿生机理并建立大变形模型. 首先, 从鸡颈部的生物解剖出发, 发现仿鸡脖子结构势必具有多自由度刚柔耦合的特征, 因此, 根据鸡脖子骨骼的构型构造出单节仿生标准单元, 根据肌肉的连接方式厘清节间弹性连接, 建立起仿鸡脖子刚柔耦合结构的力学模型; 然后, 通过定义连接矩阵描述节间弹性元件的分布和作用, 由此得到任意运动下的标准单元的力平衡方程; 最后, 选取了几种具有代表性的工况, 通过有限元分析验证理论建模方法的准确性并展示结构的非线性变刚度特征;在4种典型平面弯曲工况下得到不同变形与发力肌肉群的对应关系. 文章提出的仿鸡脖子刚柔耦合结构建模具有仿生机理清晰、适合大变形计算及结构具有非线性刚度特征等特点, 也解释了禽类颈部变形机理.
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doi: 10.6052/0459-1879-22-553
鲹科鱼类采用波状摆动可以实现非常高效的巡游游动, 在受力动态平衡下以很高的速度向前游动, 其性能远超传统的人造水下航行器, 因此, 探寻鱼体自主前游状态下流体力和前游速度的规律并建立相应的预测式具有重要的意义. 在开源OpenFOAM平台和柔性体自主推进算法基础上, 实现了波动鱼体自主游动的数值模拟, 以NACA0012翼型为典型鱼体外形, 对鲹科模式前向自主游动开展了系统的数值模拟. 由已获得的栓结模型下推力标度律的启发, 分别对自主巡游下的压差力系数和摩阻力系数进行标度研究. 结果表明在雷诺数从500到50000的范围内, 压差力系数和摩阻力系数分别具有形式一致的标度规律, 由此可根据数值结果给出定量的预测公式, 进而根据两作用力的匹配关系可以导出鱼体自主前游速度的标度律, 获得了根据已知的鱼体波动参数来预估巡游速度的方法. 此外, 探讨了雷诺数为500和50000工况, 不同摆尾幅度和频率组合下, 鱼体厚弦比对于巡游的水动力标度律和前游速度的影响, 并分析了不同鱼体外形对效能比的影响, 发现雷诺数越高, 获得最优效能比的鱼体越细长.
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doi: 10.6052/0459-1879-22-567
为满足航天工程对轨道计算精度和实时性的高要求, 近年来发展出了可以通过大步长积分修正实现快速精确求解的积分修正类方法. 积分修正类方法有可并行计算的特点, 然而在串行计算环境下会受到计算资源的限制, 无法充分发挥其可并行加速的优势. 此外, 合理的计算参数通常难以预先确定, 也使积分修正类方法大步长快速计算的优势难以充分体现. 针对以上问题, 利用积分修正类方法可并行计算的特点, 提出了并行加速的局部变分迭代法(PA-LVIM), 通过将传统局部变分迭代法(LVIM)的并行计算量均摊到多个计算节点上, 显著提高了计算速度. 此外, 还使用根据系统状态二阶导数分布确定计算参数的打磨法优化了PA-LVIM的计算参数, 进一步发挥了其大步长快速计算的优势. 求解了三个经典的轨道递推问题, 仿真结果表明, PA-LVIM的加速效果明显, 且经打磨法优化计算参数后, 其计算效率又进一步得到提高, 将当前主流方法的计算效率提高了5倍以上.
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doi: 10.6052/0459-1879-22-592
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契形体上部. 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.
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doi: 10.6052/0459-1879-22-599
II型荷载作用下裂纹变形模式也为II型的破坏问题称为真II型破坏. 准确定量地把握真II型破坏的全过程是具有挑战性的问题. 本文采用结构化变形驱动的非局部宏-微观损伤模型对真II型破坏问题进行了模拟. 根据结构化变形理论将点偶的非局部应变分解为弹性应变与结构化应变两部分, 进而利用Cauchy-Born准则与结构化应变计算点偶的结构化正伸长量. 在本文中, 结构化应变取为非局部应变的偏量部分. 当点偶的结构化正伸长量超过临界伸长量时, 微细观损伤开始在点偶层次发展. 将微细观损伤在作用域中进行加权求和得到拓扑损伤, 并通过能量退化函数将其嵌入到连续介质-损伤力学框架中进行数值求解. 进一步地, 本文采用Gauss-Lobatto积分格式计算点偶的非局部应变, 将积分点数目降低到4个, 显著降低了前处理和非线性分析的计算成本. 通过对II型加载下裂尖应变场的分析揭示了采用偏应变作为结构化应变的原因. 对两个典型真II型破坏问题的模拟结果表明, 本文方法不仅可以把握II型加载下的真II型裂纹扩展模式, 同时可以定量刻画加载过程中的荷载-变形曲线, 且不具有网格敏感性. 最后指出了需要进一步研究的问题.
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doi: 10.6052/0459-1879-22-280
