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振动能量俘获专题
振动能量俘获专题序
周生喜, 陶凯, 秦卫阳
振动能量俘获技术需要进行多学科交叉融合, 只有能量俘获结构与外接电路协同工作并形成自供能系统, 才能将环境或宿主结构的振动能量最终高效地转化为无线传感网络长久稳定的电能. 通过解决一些非常棘手的力学难题, 振动能量俘获系统的效率可以得到有效的提升, 这其中包括能量俘获结构设计、动力学建模、理论分析、力电耦合机理的研究等. 这是振动能量俘获技术在各个学科应用中所面临的挑战, 同时也是一个共同发展、相互促进的机遇. 通过突破振动能量俘获技术的瓶颈, 将能量俘获推向更广的商业应用平台. 为了提高振动能量俘获系统的效率及其实用性, 需要解决一些基本问题, 包括: (1)如何设计与环境或宿主结构振动特征相匹配的能量俘获结构?(2)如何建立振动能量俘获器的精确动力学模型?(3)如何揭示其中的力电耦合机理?(4)如何高效存储振动能量俘获器产生的能量?围绕上述问题, 《力学学报》组织了《振动能量俘获》这一专题. 由于篇幅限制, 该专题包含了3篇综述论文和11篇研究论文, 从侧面反映了国内科研人员在该方向上的一部分最新研究进展, 供读者参考.
2021, 53(11): 2891-2893.  
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振动能量俘获专题
非线性振动能量俘获技术的若干进展
杨涛, 周生喜, 曹庆杰, 张文明, 陈立群
随着工程中低功耗电子设备和自供能无线传感网络的迅速发展, 使得振动能量俘获在航空航天工程、机械工程、生物医学工程和可持续能源工程等领域得到了广泛地应用. 振动能量俘获不仅可以将振动能转化为可用的电能为微电子设备供电, 还能减少有害振动保护仪器设备. 根据振动能量不同转换机制, 可以将振动能量俘获系统分为静电式、电磁式、压电式、磁致伸缩式、摩擦起电式以及它们的混合式. 其中压电和电磁振动能量转化机制由于结构简单、容易组装、能量转换性能高等优点, 已被广泛应用于各种工程领域中. 受极端环境干扰, 工程中容易出现宽带、低频等振动, 迫使振动能量俘获技术向非线性方向迅猛发展, 进一步吸引了诸多学者对振动能量俘获系统的结构和电路进行优化设计研究. 本文首先综述了非线性振动能量俘获技术近十年来的研究进展, 主要包括设计技术基础、非线性结构设计、动力学分析等方面的研究现状. 其次, 重点阐述了振动能量俘获与振动抑制一体化的主要研究成果, 包括非线性准零刚度和非线性能量汇在振动能量俘获领域的应用. 最后, 总结了振动能量俘获外接电路和主动控制策略的优化设计, 分析了进一步提升非线性振动能量俘获效能的有效方法.
2021, 53(11): 2894-2909.   doi: 10.6052/0459-1879-21-474
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振动能量俘获专题
利用摩擦纳米发电机的流体能量俘获研究新进展
李申芳, 王军雷, 王中林
环境中的流体 (包括气体和液体) 动能是十分丰富且重要的清洁能源之一, 流体能量可通过不同的能量俘获技术 (电磁发电技术、压电能量俘获技术) 被转化为电能并供人们使用. 自2012年王中林研究团队发明摩擦纳米发电机 (triboelectric nanogenerator, TENG) 以来, TENG已成为了最重要的能量, 俘获技术之一, 并应用于流体能量俘获研究中. 论文综述了当前用于流体能量俘获的摩擦纳米发电机 (fluidic energy harvesting TENG, FEH-TENG) 的研究现状. 介绍了 FEH-TENG 中摩擦电材料之间的电荷转移原理以及基本的工作模式. 在气流动能俘获方面, 流致振动 (如涡激振动、驰振、颤振和尾流驰振等)是一种有效的将流体动力转化为机械能的物理机制, 基于该机制, 总结了FEH-TENG在风能和流致振动能量俘获中的研究进展以及各类能量俘获结构. 液体动能俘获方面总结了 FEH-TENG 在波浪和雨滴能量俘获中的研究进展. 介绍了基于 FEH-TENG的混合能量俘获系统和摩擦电材料优化在提升FEH-TENG流体能量俘获效率方面的研究. 接着介绍了FEH-TENG在不同领域中的应用. 最后讨论了目前 FEH-TENG 在流体能量俘获中存在的问题并提出了一些展望. 论文工作有助于推动FEH-TENG在流体能量俘获领域的发展以及促进相关研究人员对该领域的认识.
2021, 53(11): 2910-2927.   doi: 10.6052/0459-1879-21-411
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振动能量俘获专题
面向压电振动能量俘获的电能管理电路综述
陈楠, 刘京睿, 魏廷存
随着物联网(internet of things, IoT)技术的高速发展, 传统的电池供电方式已经不能满足其供电需求. 利用压电能量俘获技术将机械能转换为电能, 可为IoT提供持久的电能, 具有广阔的应用前景. 本文在讨论压电振动俘能器的电学特性基础上, 全面总结了面向压电振动俘能器的电能管理电路的最新研究成果. 电能管理电路通常由AC-DC变换和DC-DC开关变换器(包括控制算法)两部分组成, 前者用于将压电振动俘能器输出的交流电转变为直流电, 后者用于提高能量俘获效率. 首先, 针对AC-DC变换, 分析了全桥整流器、电压倍增器、同步开关电感电路和同步开关电容电路的工作原理和优缺点. 接着, 重点讨论了用于压电振动俘能器的典型开关变换器电路, 包括电感式、全电容式和变压器式DC-DC开关变换器以及AC-DC开关变换器, 分析了它们的特点和适用场合. 最后, 针对压电振动俘能器的特点, 分析了实现最大能量俘获的几种典型控制算法, 包括最大功率点跟踪、阻抗匹配和同步电荷提取控制算法. 本文通过对面向压电振动俘能器的电能管理电路的全面分析和综述, 揭示了该领域目前存在的瓶颈问题, 并展望了其未来发展方向, 对压电能量俘获自供电系统的研究和开发具有重要的参考价值.
2021, 53(11): 2928-2940.   doi: 10.6052/0459-1879-21-440
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振动能量俘获专题
磁力耦合道路能量收集设计与动力学分析
邹鸿翔, 郭丁华, 甘崇早, 唐曙光, 袁俊, 魏克湘, 张文明
通过在交通环境布置无线传感器等小型机电系统, 实现交通状况监测、交通系统管控、交通设施健康状态监测等, 可以使交通系统更加安全、有序、高效地运行. 但是, 如何为这些广泛分布的小型机电系统供能?本文提出了一种磁力耦合道路能量收集设计, 用以收集车辆滚压能量并转换成电能. 通过磁力耦合进行无接触能量传递, 减小了装置受到的冲击并使得装置具有良好密封性, 从而提升装置的鲁棒性. 通过升频齿轮机构、棘轮机构将车辆滚压激励转换为高速单向旋转, 并且通过换向齿轮机构能够继续收集复位弹性势能, 提高了收集装置的输出功率. 基于磁力耦合道路能量收集系统的工作原理建立了机电耦合动力学模型. 数值仿真探究了减速带限位距离和复位弹簧刚度等关键设计参数对能量采集系统动力学和电学性能的影响. 能量采集系统在车速为50 km/h时最大输出电压为76.28 V, 最大功率为59.94 W. 磁力耦合道路能量收集装置可以成为未来智慧交通系统的重要组成部分, 俘获交通环境能量为交通环境中小型机电系统提供可持续的绿色无碳电力.
2021, 53(11): 2941-2949.   doi: 10.6052/0459-1879-21-374
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振动能量俘获专题
带附加质量块的压电圆板能量采集器振动分析
孟莹, 丁虎, 陈立群
基于圆板的压电能量采集技术在取代化学电池为低功耗电子器件提供能源方面具有巨大的潜能. 本文通过理论建模和数值仿真研究了考虑附加质量接触面积的压电圆板能量采集器的采集性能. 首先, 基于基尔霍夫薄板理论, 用广义哈密顿原理推导了带附加质量块的压电圆板能量采集器的机电耦合方程, 并用伽辽金法对方程近似离散, 通过离散方程得到电压、功率输出和最优负载阻抗的闭合解. 用有限元仿真对所提出的理论模型进行了验证, 结果表明该理论模型可以成功地预测压电圆板能量采集器输出电压和功率. 最后, 基于闭合解探讨了负载阻抗、附加质量块、压电圆板的内外半径等相关参数对压电圆板能量采集器固有频率、输出电压和功率的影响. 结果表明, 当质量块与复合板的接触半径足够小(本文中接触半径小于板半径的1/14)时, 质量块与复合圆板的接触面积可以忽略; 相较于无孔的压电片, 内径位于2.5 ~ 4 mm范围内的压电片可以提高能量采集器的采集性能; 附加质量、压电片外径和负载阻抗的合理选择既可以降低压电圆板的固有频率, 还可以提高其采集性能.
2021, 53(11): 2950-2960.   doi: 10.6052/0459-1879-21-441
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振动能量俘获专题
压电与摩擦电复合型旋转能量采集动力学协同调控机制研究
赵林川, 邹鸿翔, 刘丰瑞, 魏克湘, 张文明
低转速激励下能量采集性能差是目前制约旋转能量采集技术应用的瓶颈问题. 本文提出了动力学协同调控机制, 并用于调控系统的动力学行为, 可以使器件在低转速激励下有效工作, 提高了旋转能量采集系统的电学性能. 旋转刚度软化、非线性磁力、几何边界的协同调控既可以增加系统在低速下的振动位移以及压电材料的形变, 也可调控系统的最大位移, 使其振动可控并限制位移过大提高可靠性. 此外, 几何边界可以方便地集成摩擦纳米发电机, 实现压电与摩擦两种机电转换机制在振动和碰撞过程中协同发电, 有效利用空间和提高输出电能. 基于哈密顿原理建立了系统的机电耦合动力学模型并进行了实验验证. 实验结果表明系统能够在0~250 r/min的低转速范围内有效工作, 在转速为250 r/min时, 压电单元和摩擦纳米发电机的最大峰峰值电压分别为132 V和1128 V, 总平均功率为1426 μW. 本文提出的动力学协同调控机制为能量采集系统动力学和电学性能改进提供新的途径, 有益于促进自供能物联网技术的发展与应用.
2021, 53(11): 2961-2971.   doi: 10.6052/0459-1879-21-410
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振动能量俘获专题
低频振动隔离和能量采集双功能超材料
赵龙, 陆泽琦, 丁虎, 陈立群
振动隔离和能量采集一体化是一种能够将有害振动隔离并转化为电能收集利用的动力学机制. 本文从局域共振超材料存在低频带隙特性出发, 研究了振动隔离和能量采集双功能超材料的动力学行为. 通过在球型磁腔内放置固接了感应线圈的球摆构成具有能量采集功能的球摆型谐振器, 并将其周期性的放置在基体梁中, 可以将带隙频率范围内的振动聚集在谐振器内, 以实现振动隔离和能量采集双功能. 建立了横向激励下双功能超材料梁的动力学方程, 应用Bloch's定理得到超材料的能带结构, 通过有限元仿真验证了理论模型和研究方法. 研究了不同参数下超材料梁的带隙特性. 进一步将一维拓展到二维, 研究了二维双功能超材料板的振动隔离和能量采集性能. 最后, 设计并建造了振动隔离和能量采集一体化双功能超材料动力学实验平台, 解析、数值和实验结果表明, 在局域共振带隙的频率范围内, 超材料梁主体的振动明显被抑制, 与此同时, 振动被局限在谐振器中, 使采集到的电压达到了最大值. 通过对附加谐振器和没有附加谐振器的能带结构和幅频响应的对比, 发现球摆型谐振器的加入可以在低频范围内形成了一个局域共振带隙, 有效提高了超材料梁在低频处的振动隔离和能量采集性能.
2021, 53(11): 2972-2983.   doi: 10.6052/0459-1879-21-471
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金属增材制造中的关键力学问题与前沿计算技术专题
金属增材制造中的关键力学问题与前沿计算技术主题序
廉艳平, 刘谋斌
增材制造(亦称“3D打印”)是以数字模型为基础, 将材料逐层堆积制造出实体构件的新兴制造技术, 涉及力学、光学、材料、机械、控制、计算机、软件等学科的交叉融合, 已成为现代制造业最具代表性的颠覆性技术, 也是《中国制造2025》规划的重要发展方向. 金属增材制造是3D打印技术的一个主要分支, 一般常采用高能束(激光、电子束等)作为输入热源, 通过熔化离散金属材料(粉材、丝材)进行逐层叠加打印制件, 从而弥补传统减材和等材制造的不足, 已在航空航天、汽车电子及生物医学等众多领域取得了典型应用. 然而, 从结构设计、制造过程到性能评价, 金属增材制造涉及众多的关键力学问题亟待解决. 例如, 由于金属粉材或丝材的离散效应, 如果工艺参数选择不当, 金属3D打印产品易出现内部缺陷和表面缺陷, 从而影响打印构件的宏观力学性能及服役可靠性.
2021, 53(12): 3179-3180.   doi: 10.6052/0459-1879-21-629
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流体力学
基于卷积神经网络的钝体尾迹识别研究
杜祥波, 陈少强, 侯靖尧, 张帆, 胡海豹, 任峰
针对相同特征长度不同钝体的尾迹结构相近, 肉眼难于分辨的问题, 提出了一种基于卷积神经网络的钝体尾迹识别方法, 并在竖直肥皂膜水洞的典型钝体模型尾迹实验中获得高准确率验证. 实验平台由自建竖直肥皂膜实验装置、钝体模型(方柱、圆柱和三角柱)及图像采集系统组成, 可基于光学干涉法实现对不同速度下钝体肥皂膜尾迹的高清持续拍摄. 所建立卷积神经网络识别模型由输入层、卷积层、池化层、全连接层和分类层组成, 其中, 卷积层和池化层用于提取尾迹的深层次特征信息, 而全连接层和分类层构成识别分类模式来分类输出图像对应的钝体类型或雷诺数. 通过将9000张尾迹图像数据集导入卷积神经网络模型, 以数据驱动方式建立了具有钝体形状或雷诺数识别能力的尾迹特征识别模型. 结果表明, 该模型对相同雷诺数下识别钝体形状的准确率达97.6%(识别300张不同形状钝体尾迹图像), 对不同雷诺数下识别钝体形状的准确率达96%(识别1200张不同雷诺数尾迹图像), 即使将不同钝体形状和雷诺数下尾迹图像混放一起, 其钝体形状和雷诺数识别准确率也可以达到91%(识别1500张混放尾迹图像). 该方法为进一步利用人工智能提取流体尾迹中的物理信息提供借鉴.
2022, 54(1): 1-9.   doi: 10.6052/0459-1879-21-404
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固体力学
X射线衍射法测量碳化硅单晶的残余应力
邓亚, 张宇民, 周玉锋
为了准确评估晶体的质量、提高器件的使用性能, 本文围绕单晶碳化硅材料残余应力方面开展了相关研究工作. 首先通过对原有的多重线性回归分析方法加以改进, 推导出适用于求解六方晶系单晶碳化硅试样所处应力状态的相关理论. 其次, 采用该方法对沿着$[10\overline 1 0]$取向生长的6H-SiC单晶片进行了残余应力检测, 同时选用{214}晶面族作为测量衍射面. 最后, 探究了来源于不同晶面组数的数据进行计算时对残余应力测量结果的影响. 结果显示: 采用多重线性回归分析方法可以实现单晶6H-SiC的面内残余应力的测定; 当给定无应力晶面间距d0的精确值时, 该应力结果的误差高于选用5组以上(hkl)晶面数计算得到的残余应力结果的误差; 如果d0未知, 则随着参与应力计算的晶面组数的增加, 平面残余应力的误差结果会逐渐降低并趋于平稳. 这表明实验测定的残余应力结果具有较高的精度. 另外, 为了保证实验测得的应力结果的可靠性, 应该选用六组及以上衍射面数通过多元回归分析方法来求解单晶碳化硅试样所处的残余应力状态.
2022, 54(1): 1-7.   doi: 10.6052/0459-1879-21-426
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固体力学
丙烯酸弹性体的率相关分数阶黏弹性模型研究
尹耀得, 赵德敏, 刘建林, 许增耀, 侯伟
丙烯酸弹性体VHB 4910作为一种重要的介电弹性体, 在软体机器人、致动器、俘能器和智能隔振器等领域有很好的应用前景. 但材料的非线性黏弹性对其力学行为有显著影响. 近来分数阶模型在复杂材料的建模中取得了成功. 本文基于分数阶有限变形Kelvin-Voigt流变学模型建立弹性体的三维张量本构, 并进一步推导单向拉伸情况下的本构关系. 随后对VHB 4910完成一系列不同拉伸速率下的单向拉伸实验. 基于本构方程的可加性, 首先分别利用Neo-Hookean, Mooney-Rivlin和Gent模型完成超弹性弹簧单元的参数识别, 随后完成可变阶数和固定阶数的分数阶模型的参数识别, 以探究弹性体材料分数阶本构关系的率相关性. 结果发现: Mooney-Rivlin模型弹簧模型的拟合精度最高; 两种拟合方式的分数阶模型均可以很好地模拟黏弹性弹性体的率相关黏弹性行为; 固定分数阶的阶数对模型拟合结果影响不大; 分数阶元件的黏性系数与伸长速率呈明显的非线性关系, 表明其具有非牛顿流体特性, 在此基础上, 发展一种修正的幂律定律来定量描述这种非线性关系, 该模型较Cross流体模型有更高的拟合精度.
2022, 54(1): 1-9.   doi: 10.6052/0459-1879-21-445
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动力学与控制
中性线修正型变截面梁类构件压电控制
于香杰, 游斌弟, 魏承, 赵阳, 夏斌, 刘朝旭
传统绝对节点坐标法(absolute nodal coordinate formulation, ANCF)在变截面梁类构件建模过程中常以几何中位线等效构造单元中性线, 难以对变截面单元位移场状态进行精确描述. 为解决此类问题, 本文以中细型变截面梁类构件为研究对象, 深入考虑变截面结构几何因素及复合材料属性对变截面梁类构件中性线位置所产生的偏差影响, 建立修正型变截面梁单元位移场描述方法. 并进一步结合负应变率压电控制策略, 通过传感型及作动型压电片提出变截面梁类构件在空间热载荷作用下的ANCF主动抑振抑变控制方法. 同时, 以变截面太阳帆桅杆在轨实际运行状态为算例, 通过所述方法分析验证了模型在动力学参数预测过程中的准确性及精确性, 并深入探究变截面梁类构件在不同压电安装策略下的动态行为参数演化规律. 据其分析结果可知, ANCF主动抑振抑变控制方法随作动型压电片与传感型压电片之间安装距离的增加, 其控制同步性将会降低; 且在一定程度内提高增益调节系数可加强控制系统的稳定性及灵敏性, 但该参数一旦发生超调亦会激励变截面梁类构件产生非稳定性振动.
2022, 54(1): 1-11.   doi: 10.6052/0459-1879-21-473
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生物、工程及交叉力学
冻融循环和不均匀冻胀下寒区隧道的塑性解答
张常光, 高本贤, 周渭, 李海祥
季冻区长期冻融循环造成围岩强度和变形性能劣化, 使得寒区隧道易进入塑性状态, 且寒区隧道围岩呈现以径向冻胀为主的不均匀冻胀. 合理考虑寒区隧道冻融循环对围岩性能的劣化以及围岩的不均匀冻胀属性, 基于Mohr-Coulomb准则推导了寒区隧道冻胀力、应力与位移的塑性解答, 同时给出相应的弹性解答和冻结围岩弹-塑性状态的判定方法, 对所得解答进行讨论和对比验证, 最后探讨了冻融循环、不均匀冻胀与体积冻胀率对寒区隧道应力分布、塑性区半径、洞壁位移和冻胀力的影响规律. 研究表明: 本文解答具有广泛的适用性和良好的可比性, 并得到文献塑性解答的退化验证; 冻胀力、洞壁位移与塑性区半径随冻融次数增加分别增大20.3%、8.44倍、2.16倍, 以量化长期冻融循环造成围岩性能的劣化效应; 冻结围岩由均匀冻胀转变为不均匀冻胀时冻胀力增大42.8%, 但塑性区半径几乎无变化; 4种体积冻胀率参数均显著影响冻胀力, 尤其是水热迁移系数可使冻胀力增大123.6%. 本文结果可为季冻区隧道设计与冻害问题解决提供一定的理论依据.
2022, 54(1): 1-11.   doi: 10.6052/0459-1879-21-401
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流体力学
基于局部偏转吻切方法的多级压缩乘波体设计
郑晓刚, 朱呈祥, 尤延铖
乘波体因优异的气动特性, 被认为是突破现有“升阻比屏障”的有效途径之一, 已成为高超声速飞行器气动设计的研究热点. 针对常规单级压缩乘波前体压缩量不足的问题, 基于局部偏转吻切方法提出一种多级压缩乘波体设计方法, 实现了多道非轴对称激波的逆向乘波设计. 通过引入多道非轴对称激波, 可充分发挥乘波前体的预压缩效果, 并为复杂外形条件下的高超声速飞行器设计提供新的思路. 以基于非轴对称椭圆锥激波的两级压缩乘波体为例阐述了该多级设计方法, 并在相同条件下设计了三种不同长短轴比的两级椭圆锥压缩乘波体. 设计状态下的数值模拟结果表明, 无粘条件下, 该设计方法得到的壁面压力分布与CFD结果基本一致, 且对应气动力参数的最大误差仅为0.3%左右, 证明了该方法的可靠性. 相较于两级圆锥压缩乘波体, 长短轴比大于1的两级压缩乘波体拥有更好的压缩性能和升阻特性, 但总压恢复系数和容积特性有所下降, 而长短轴比小于1的两级压缩乘波体性能恰好与之相反. 粘性条件下, 此类乘波体的激波系结构变化不大, 两道椭圆锥激波在底部截面基本相交, 仍具备较佳的乘波特性.
2022, 54(1): 1-11.   doi: 10.6052/0459-1879-21-357
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微重力专题
高径比对GaAs熔体液桥热毛细对流失稳的影响
周游, 曾忠, 刘浩, 张良奇
本文采用基于谱元法线性稳定性分析方法, 研究了高径比对GaAs熔体(Pr = 0.068)液桥热毛细对流失稳的影响, 同时结合能量分析揭示了热毛细对流的失稳机制. 研究结果表明: 与典型低普朗特数(例如Pr = 0.011)熔体静态失稳模式和典型高普朗特数(例如Pr>1)熔体振荡失稳模式不同, GaAs熔体热毛细对流失稳模式依赖于液桥高径比(As). 随高径比的变化, GaAs熔体热毛细对流存在两种失稳模式. 高径比As 在0.4≤As≤1.18范围内, 热毛细对流失稳是从二维轴对称定常对流转变为三维周期性振荡对流(振荡失稳); 高径比在1.20≤As≤2.5范围内, 热毛细对流失稳是从二维轴对称定常流动转变为三维定常流动(静态失稳). 典型的高普朗特数熔体液桥热毛细对流失稳机制是热毛细机制; 典型的低普朗特数液桥热毛细对流失稳机制是水动力学惯性机制. 我们基于扰动能量分析的结果表明: GaAs熔体热毛细对流失稳同时包括水动力学惯性失稳机制和热毛细失稳机制的贡献, 其中水动力学惯性失稳机制占主导作用, 两种机制对热毛细对流失稳能量贡献的占比随高径比的变化而变化.
2022, 54(1): 1-15.   doi: 10.6052/0459-1879-21-227
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基于高温气体效应的磁流体流动控制研究进展
罗凯, 汪球, 李逸翔, 李进平, 赵伟

高超声速飞行器强激波后高温气体形成具有导电性的等离子体流场,电离气体为磁场应用提供了直接工作环境.磁流体控制技术利用外加磁场影响激波后的离子或电子运动规律,可有效地改善高超声速飞行器气动特性,在飞行器气动力操控和热环境管理等方面均具有广阔的应用前景; 同时,超导材料及电磁技术的发展又重新推动了这一领域的研究热潮.虽然国内外在高超声速磁流体流动控制领域已开展了一些研究工作,但其实验研究依然极具挑战, 且由于实验条件及测量技术等限制,其压力、热流等参数的测量并没有得出较为系统的结论,因此需要对影响脱体激波距离、热流、压力变化的规律及机理进行深入研究; 同时,数值模拟方法和理论分析也亟待可靠的实验数据来对其进行验证.本综述调研和讨论了基于高温真实气体效应的磁流体流动控制技术研究,主要针对磁流体流动控制的试验技术、数值模拟、理论方法以及流动控制的主要研究方向等进行了总结,并对其发展趋势进行了讨论和展望.

2021, 53(6): 1515-1531.  doi: 10.6052/0459-1879-21-067
原子力显微镜在二维材料力学性能测试中的应用综述
高扬
以石墨稀为代表, 二维材料有着诸多优异的性质, 在下一代电子器件等领域拥有广阔的应用前景. 目前绝大多数关于二维材料的研究都集中在其电子学和光学的性质和应用, 对于其力学性质的研究则相对欠缺, 而力学性质在二维材料的研究和应用中都有着至关重要的意义. 原子力显微镜是低维材料力学性质表征的主要手段, 例如基于原子力显微镜的纳米压痕技术. 本文首先简要介绍了二维材料的基本背景以及原子力显微镜的工作原理. 进一步展示了纳米压痕技术的工作原理和理论背景, 并回顾了利用纳米压痕技术研究二维材料面内力学性质的相关实验和理论工作, 同时探讨了原子力显微镜在表征二维材料力学性能中存在的测量误差及来源. 由于二维材料展现出强烈的各向异性, 纳米压痕技术在能够很好地测量二维材料面内力学性质的同时, 对于二维材料层间力学性质表征等方面存在明显的局限性. 第三部分介绍了一种全新的基于原子力显微镜的埃(Å)压痕技术, 该技术能够将形变尺度控制在0.1 nm以内, 从而精确地表征和调控二维材料的层间范德华作用力, 即层间力学性质. 作者在第三部分介绍了通过埃压痕技术表征和调控的石墨烯、氧化石墨烯等二维材料的层间力学性质. 最后简要介绍了范德华异质结材料的基本性质, 探讨了埃压痕技术在该材料力学性质研究中的潜在应用.
2021, 53(4): 929-943.  doi: 10.6052/0459-1879-20-354
水中高压脉动气泡与浮体流固耦合特性研究
胡振宇, 曹卓尔, 李帅, 张阿漫
本文针对水中放电气泡与水面浮体流固耦合作用开展实验和数值研究, 采用边界积分法对气泡运动进行数值模拟, 利用辅助函数法提高非线性流固耦合问题的计算精度, 同时运用双节点法保证气-液-固三相交界线的计算稳定性. 实验中, 采用水下放电技术生成气泡, 使用高速摄影捕捉气泡动力学行为与浮体运动响应. 首先对比数值与实验结果, 二者吻合良好, 验证了数值计算模型的有效性和正确性. 然后通过对气泡与浮体的无量纲距离$\gamma_{s} $ (气泡最大半径为特征长度)进行系统研究发现: (1) $\gamma_{s} $从0.2增大至2时, 气泡在坍塌阶段分别形成了颈缩型环状射流($0.2\leqslant \gamma_{s} \leqslant 0.3)$、接触射流($0.4\leqslant \gamma_{s} \leqslant 0.6)$、非接触射流($0.7\leqslant \gamma _{s} \leqslant 1)$、对射流($1.1\leqslant \gamma_{s} \leqslant 1.3)$和反射流($1.4\leqslant \gamma_{s} \leqslant 2)$等5种典型射流模式; (2)正射流速度随$\gamma_{s} $先增大后减小再增大, 并且当$0.7\leqslant \gamma_{s} \leqslant 0.9$时, 速度可达约1000 m/s; 反射流速度随$\gamma_{s} $增大而增大; (3)在本文实验条件下, $\gamma_{s} <1.5$时浮体对气泡的Bjerknes吸引力强于自由液面的Bjerknes排斥力导致气泡在坍塌阶段向浮体迁移; 当$\gamma_{s} \geqslant 1.5$时自由液面对气泡的排斥作用更强, 气泡在坍塌阶段远离自由液面.
2021, 53(4): 944-961.  doi: 10.6052/0459-1879-20-357
不同壁面取向下超疏水平面直轨道上的气泡滑移
叶煜航, 凃程旭, 包福兵, 汪钰锟, 杨森森
利用特定几何分布的超疏水表面实现气泡定向输运在矿物浮选和生物孵化等领域具有广阔的应用前景, 对平面直线超疏水轨道而言, 其壁面取向是相关工程结构的关键参数, 但超疏水壁面取向对倾斜壁面气泡滑移的影响尚不明确. 本文采用高速阴影成像系统研究了不同壁面取向($-90^\circ\leqslant \beta \leqslant 90^\circ$)及轨道倾角($45^\circ\leqslant \alpha \leqslant 75^\circ$)下, 气泡($D_{eq}=2.4$ mm, $Re=500$ $\sim$ 700, $We=7$ $\sim$ 13)在轨道宽度为2 mm的超疏水直线轨道上的运动特性. 气泡在轨道上的滑移近似为匀速, 形状为具有多脊的半子弹型. 根据气液界面波动程度的不同, 滑移气泡可分为波动型和稳定型, 稳定型气泡只在较小倾角且较大方位角时出现($45^\circ\leqslant \alpha < 70^\circ$, $| \beta | \geqslant 45^\circ$). 根据倾角不同, 滑移速度关于$\beta $有2种变化规律: 当$\alpha \leqslant 65^\circ$, 气泡滑移速度近似为关于$\beta =0^\circ$ 的单峰分布($\beta =0^\circ$时, 气泡滑移速度最大); 当$\alpha \geqslant 70^\circ$, 气泡滑移速度在不同的方位角下基本保持稳定. 气泡的最大滑移速度可达0.66 m/s ($\beta =0^\circ$, $\alpha =70^\circ$), 远大于相同尺度的自由上升气泡($\approx0.25$ m/s), 这主要是壁面浸润性分布和惯性力的耦合效应所致. 轨道取向(方位角$\beta )$及轨道倾角($\alpha )$通过改变气泡沿轨道方向的驱动力和气泡迎风面积影响气泡的滑移速度和气液界面稳定性.
2021, 53(4): 962-972.  doi: 10.6052/0459-1879-20-405
基于WENO-THINC/WLIC模型的水气二相流数值模拟
韦志龙, 蒋勤
水气二相流与诸多领域的实际工程问题密切相关. 对二相流运动进行高精度的数值模拟是计算流体力学研究的难点和热点. 针对开敞水域的自由表面流运动问题, 将水和空气均视为不可压缩流体, 采用五阶加权基本无震荡(weighted essentially non-oscillatory, WENO)格式求解描述流体运动的纳维斯托克斯(Navier-Stokes, NS)方程, 利用以加权线性界面算法改进的多维双曲正切函数界面捕捉法(tangent of hyperbola for interface capturing with weighed line interface calculation, THINC/WLIC)追踪水气界面, 建立WENO-THINC/WLIC水气二相流运动数值模型. 模型采用分步计算法离散求解控制方程, 通过压力投影法求解压强场, 并利用三阶总变差递减(total variation diminishing, TVD)龙格库塔(Runge-Kutta, RK)法对时间项进行离散求解. 通过对环境速度场下Zalesak's disk和shearing vortex界面运动问题, 线性液舱晃荡问题以及溃坝问题的模拟结果与理论分析或试验结果的比较, 对所建立的水气二相流数值模型的适用性及模拟精度进行了验证. 结果表明, 本模型的模拟结果与物理模型或理论分析结果吻合良好, 能较为准确地再现不可压缩水气二相流运动现象. 鉴于WENO格式和THINC法本身在算法及应用等方面仍在不断改进, 本研究提出的WENO-THINC耦合模型为后续更高精度的二相流计算模型开发提供了一种研究思路.
2021, 53(4): 973-985.  doi: 10.6052/0459-1879-20-430
TSTO马赫7安全级间分离问题的数值研究
王粤, 汪运鹏, 薛晓鹏, 姜宗林
两级入轨(Two Stage To Orbit, TSTO)飞行器在高超声速来流条件下级间分离, 会在两级之间产生复杂的非定常气动干扰, 直接增加TSTO级间分离失败风险. 级间分离过程中的这种复杂气动干扰伴随着两级之间的激波与边界层干扰、马蹄涡、激波与尾流干扰的综合作用. 本研究将TSTO助推级和轨道级的复杂模型简化为两个三维楔, 采用重叠动网格技术, 耦合求解流动控制方程及六自由度刚体动力学方程组对级间分离过程开展模拟分析, 探究级间分离流动特性及其物理机制. 在数值分析过程中, 针对不同抬升角度下的TSTO三维流场进行了CFD(computational fluid dynamics)静态和动态数值模拟, 给出了不同抬升角度下的干扰流场流动规律和特性, 结合流场结构和壁面压力分布以及分离流动模式阐明了两级之间这种气动干扰对TSTO气动分离的影响机制, 并探讨了轨道级抬升角对TSTO安全分离的影响. 结果表明两级间的气动干扰强度随着轨道级抬升角的增大而增强, 并且在动态分离过程中随着两级间隙的增加而减弱; 在轨道级释放前两级间气动干扰和三维分离拓扑结构随着抬升角的增大变得更加复杂, 流动分离区域增大, 临界点数量增加; 在级间分离过程中, 两级气动特性变化幅度随着轨道级抬升角增大而增大, 分离时间则随之减小. 另外, 当轨道级抬升角度在6 ~ 8°时可实现该TSTO更加安全可靠的分离.
当前状态:  doi: 10.6052/0459-1879-21-423
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基于径向基点插值法的旋转Mindlin板高次刚柔耦合动力学模型
杜超凡, 郑燕龙, 章定国, 周晓婷
将无网格径向基点插值法(Radial point interpolation method, RPIM)用于中心刚体-旋转柔性板的动力学分析。基于浮动坐标系方法和一阶剪切变形理论即Mindlin板理论,考虑剪切变形的影响,并计入板面内变形的非线性耦合变形项,采用径向基点插值法描述板的变形场,保留动能中有关非线性耦合变形项的所有高阶量,通过构造高阶形函数避免了径向基点插值法出现剪切闭锁的现象,建立了既能处理薄板问题又能处理中厚板问题的作大范围运动矩形板的高次刚-柔耦合动力学模型。高阶形函数可通过添加高阶多项式的方式获得,静力学算例表明径向基点插值法中添加15项多项式可基本消除剪切闭锁。将零次近似模型、一次近似模型和高次模型的仿真结果对比,说明零次近似模型的缺陷,同时说明高次模型有更广的适用范围,可分析大变形问题。将径向基点插值法的仿真结果与有限元法和假设模态法进行比较分析,说明本文方法的正确性,也表明无网格径向基点插值法作为一种柔性体离散方法在刚柔耦合多体系统动力学的研究中具有可推广性。
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飞行Ma12条件超燃发动机流场及燃烧特征分析
何粲, 邢建文, 欧阳浩, 邓维鑫,
为提升针对高马赫数发动机的模拟能力,对计算方法进行了可压缩性修正,并针对飞行Ma12条件下超燃冲压发动机进行了多状态三维数值模拟,分析了发动机内波系、参数以及燃烧性能特征。研究结果表
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考虑时变刚度特性的复合材料微结构拓扑优化设计方法
徐世鹏, 丁晓红, 段朋云, 张横
理想的骨折内固定植入物在组织愈合或修复的过程中,其结构性能需要满足不同愈合阶段对生物力学的需求。提出一种对生物可降解复合材料微结构的时变刚度特性进行调控设计的拓扑优化方法,以达到理想的骨折内固定植入物特殊的时变刚度特性需求。使用具有不同降解速率和刚度的两种可降解材料,以相对密度作为设计变量来描述不同材料的分布,以特定降解时间步中间结构的刚度之和最大为优化目标,对复合材料微结构的构型进行拓扑优化设计,使其具有符合骨愈合规律的时变刚度特性。使用均匀腐蚀方法,利用与时间相关的材料残留率描述结构的降解过程,建立考虑时间维度材料降解的有限元模型,基于Heaviside函数和Kreisselmeier-Steinhauser函数建立降解更新的连续方程,利用均匀化方法得到不同降解时间步中间结构的力学性能,并计算优化目标对于设计变量的灵敏度。通过与仅使用单材料的结构和无时变刚度特性调控的拓扑优化结构进行对比,验证了所提出设计方法的有效性,并研究了不同参数对单胞优化构型和时变刚度特性的影响。
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竖直振动无粘液滴的法拉第不稳定性分析
刘德华, 黎一锴
由于外部周期性的振动而在液滴表面产生的Faraday不稳定效应广泛存在于超声雾化、喷涂加工等应用中,对Faraday不稳定性进行分析对研究振动液滴的表面动力学有着重要意义。本文将Faraday不稳定性问题从径向振动拓展到竖直振动,研究了竖直振动无粘液滴表面波的不稳定性。竖直方向的振动使得液滴动量方程为含有空间相关项和时间周期系数的Mathieu方程。采用Floquet理论进行求解,得到了竖直振动液滴表面波线性增长率与模态数以及流动参数之间的色散关系。通过求解一个关于表面变形模态的特征值问题,得到了竖直振动无粘液滴在Faraday不稳定性下的中性稳定边界,并比较了竖直振动与径向振动的液滴中性稳定边界的差异。通过大模态数假设下的近似计算,得到了仰角θ对中性不稳定边界的影响规律。结果表明竖直振动的液滴与径向振动相比,Faraday不稳定区域更小,激发的模态范围更窄,并且不会出现亚简谐的不稳定波。另外,对于竖直振动的液滴,仰角θ越大的位置,中性不稳定区域越小,在受到外部激励时液滴表面越容易保持稳定。
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基于移动可变形组件法(MMC)的运载火箭传力机架结构的轻量化设计
李佳霖, 赵剑, 孙直, 郭杏林, 郭旭
传力机架是运载火箭箭体与发动机连接的关键部件, 负责将发动机推力载荷有效的传递至箭体, 其结构的轻量化设计不仅可以保障火箭发动机的推重比、提高火箭的稳定性, 还可以为我国未来可重复使用式火箭的研究提供一定的参考. 本文在移动可变形组件(MMC)的框架下, 提出了一种解决传力机架结构轻量化设计的方法. 在该方法中, 机架结构的拓扑通过一组具有显式几何信息的组件来表示, 这使最终优化布局可以被少量的设计变量所描述. 通过分析传力机架结构设计的特点和要求, 以刚度最大化为目标, 体积分数(保证结构重量)为约束, 建立了基于MMC显式拓扑优化方法下的问题列式. 同时搭建了可对工程中传力机架结构轻量化设计的平台, 并进行相应结构的拓扑优化. 在两种载荷工况(即零位状态和摇摆状态)作用下, 最终优化结果在中间推力载荷区域与锥段相连位置之间, 形成的较大翼板结构增强了传力机架的抗弯能力. 通过与传统机架结构的对比, 证明了本文所提出方法在传力机架结构轻量化设计方面的有效性.
当前状态:  doi: 10.6052/0459-1879-21-309
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机翼尺度效应对等离子体分离流动控制特性的影响
阳鹏宇, 张鑫, 赖庆仁, 车兵辉, 陈磊
等离子体流动控制技术是一种以等离子体气动激励为控制手段的主动流动控制技术. 为了进一步提高等离子体激励器可控机翼尺度, 以超临界机翼SC(2)-0714大迎角分离流为研究对象, 以对称布局介质阻挡放电等离子体为控制方式, 以测力、粒子图像测速仪为研究手段, 从等离子体激励器特性研究出发, 深入开展了机翼尺度效应对等离子体控制的影响研究, 提出了适用于分离流控制的能效比系数, 探索了分离流等离子体控制机理, 掌握了机翼尺度对分离流控制的影响规律. 结果表明: (1)随着机翼尺度的增大, 布置到机翼上的激励器电极长度会相应增加; 在本文的参数研究范围内, 激励器的平均消耗功率不会随电极长度的增加而线性增大; 当电极长度达到一定阈值时, 激励器的平均消耗功率趋于定值; (2)在固定雷诺数的情况下, 随着机翼尺度的增大, 等离子体的控制效果并未降低, 激励器能效比系数提高; (3)等离子体在主流区诱导的大尺度展向涡与在壁面附近产生的一系列拟序结构成为分离流控制的关键. 研究结果为实现真实飞机的等离子体分离流控制, 推动等离子体流动控制技术工程化应用提供了技术支撑.
当前状态:  doi: 10.6052/0459-1879-21-379
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历届主编