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研究综述
多体空气动力学研究进展
宋威, 艾邦成
多体飞行器普遍存在于航空航天、空天和武器领域中, 主要有以下三大类型: (1) 多个飞行器相互不接触的近距离飞行; (2) 多体飞行器相互接触或组合飞行; (3) 多体飞行器回收或解锁分离过程的相对运动. 多体飞行器在飞行、回收或分离过程中存在相互的流场干扰或作用, 使多体飞行器具有不同于孤立体飞行器的流动物理或特征, 特别是在超声速、高超声速的多体流动中, 多体间存在多重激波反射、衍射以及激波与旋涡、激波与边界层相互干扰或作用, 这些复杂流动能显著地改变多体飞行器的空气动力学特性. 作者引入“多体空气动力学”概念对多体飞行器这一类问题进行概括和总结, 并阐述其基本内涵、应用场景和研究方法/手段及典型多体构型的超声速/高超声速流动结构和特征.
2022, 54(6): 1461-1484.   doi: 10.6052/0459-1879-22-096
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流体力学
k-ω SST湍流模式三维激波分离流动修正
杜一鸣, 高正红, 舒博文, 邱福生, 宋辰星
“激波−边界层分离”是航空气动领域的典型湍流非平衡流动问题, 准确模拟激波分离对于跨声速飞行器气动性能评估和优化设计具有重要意义. 然而传统涡黏性湍流模式中涡黏性系数的定义方式并不适用于非平衡流动, k-ω SST湍流模式为此引入的Bradshaw假设在应用于三维强逆压梯度和较大分离流动时反而限制了雷诺应力的生成, 导致包括k-ω SST在内的常用涡黏性湍流模式均无法对此类流动进行准确模拟. 同时, 现有的非线性雷诺应力本构关系也并不能有效提高模拟精度. 为此, 针对k-ω SST模式分别提出了基于Bradshaw假设和基于长度尺度的两种激波分离流动修正方法. 前者通过提高Bradshaw常数的方式放宽了对雷诺应力生成的限制, 后者则从湍流长度尺度概念出发, 利用混合长度理论、湍动能生成/耗散之比和一种新定义的长度尺度之比构造了ω方程耗散项修正函数, 提高了模式在三维激波分离流动中的建模长度尺度. 两种方法对ONERA M6机翼跨声速大攻角流动均能得到较雷诺应力模式更好的模拟结果. 进一步的雷诺应力分析表明, 三维激波分离流动中“主雷诺应力分量”的概念不再成立, 各雷诺应力分量大小接近. 网格收敛性分析、对其他攻角状态的验证以及湍流平板边界层壁面律验证进一步确认了所提出的两种修正方法的合理性、有效性和通用性.
2022, 54(6): 1485-1501.   doi: 10.6052/0459-1879-22-065
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流体力学
基于修正光滑粒子流体动力学算法的低能量耗散数值波浪水池开发
黄晓婷, 孙鹏楠, 吕鸿冠, 钟诗蕴
目前, 无网格光滑粒子流体动力学SPH粒子法在波浪与结构物相互作用研究方面得到广泛应用, 但该方法模拟波浪远距离传播时, 常常面临严重的能量耗散问题, 导致波高非物理性降低, 给大范围海域、长时间作用下的波-物耦合作用研究带来一定困难. 对此, 本文采用一种核函数修正算法, 在确保粒子间相互作用对称性的同时, 改进压力梯度离散项的计算精度, 设法解决SPH方法中能量非物理性耗散的难题. 相较于前人减缓能量非物理性衰减的方法, 本文的修正SPH算法避免了自由液面搜索等复杂处理过程, 并能保证动量守恒特性. 数值结果中, 采用振荡液滴、规则波、不规则波等算例, 验证本修正SPH算法的准确性和有效性. 结果表明, 该修正SPH算法能准确模拟振荡液滴形态变化, 且动能保持较好守恒性. 通过数值水池与物理水池两者规则波与不规则波结果的对比分析表明, 基于本文修正SPH算法建立的数值波浪水池具有较好的抗能量衰减效果, 能实现长时间、远距离波浪传播的准确模拟. 此外, 本算法能在低光滑长度系数条件下, 实现精确模拟, 将极大缩减三维SPH模拟的时间, 从而节约计算成本.
2022, 54(6): 1502-1515.   doi: 10.6052/0459-1879-22-041
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流体力学
中性润湿平板上液膜的惯性收缩
万其文, 陈效鹏, 胡海豹, 杜鹏
液滴撞击平板的动力学机理研究具有重要的理论与工程价值, 对该过程中液滴的形貌变化及主要影响因素的研究是科学技术界关注的重点之一. 液滴在高速撞击平板达到最大铺展半径以后发生毛细-惯性收缩, 收缩速率满足类Taylor-Culick公式. 结合实验与有限元方法, 对平板上铺展液滴的收缩过程进行了研究. 结果表明, 在中性润湿(接触角约为90°)平板上液滴/液膜的收缩在经历上述收缩过程以后, 会有一个慢匀速收缩过程, 速度约为第一阶段收缩速度的1/10. 对后一阶段的撞击参数影响测试显示, 该收缩过程主要与液体密度、液膜初始形状有关; 而与液体黏性、壁面润湿条件等无关——其仍然是一种毛细-惯性机制主导的液面演化行为, 类似于液体射流的Rayleigh-Plateau失稳. 尽管黏性效应对于液滴撞击的铺展行为有明显影响, 但上述结论在10倍黏性的液体测试中仍然成立. 本研究可以为液滴反弹机理研究和相关工艺控制提供参考.
2022, 54(6): 1516-1522.   doi: 10.6052/0459-1879-21-663
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流体力学
气动载荷下防热材料剥离颗粒输运特性的直接数值模拟研究
李婷婷, 李青, 涂国华, 袁先旭, 周强
高超声速飞行器防热材料在气动载荷下发生机械剥蚀, 进而影响绕流流态、气动性能、热载荷等, 相关颗粒剥离动力学是高超声速热防护系统设计及防热材料体系评价中的共性基础性科学问题. 研究通过近壁流动量纲分析, 将烧蚀颗粒剥离过程模化为单个圆球惯性烧蚀颗粒在Couette流动中的动力学问题, 并采用颗粒解析的直接数值模拟方法开展数值研究, 获得了烧蚀颗粒关键特征参量对颗粒输运动力学的影响规律. 研究发现, 随着颗粒/流体密度比$ {\rho _r} $越大, 颗粒惯性St越大, 则颗粒水平和法向输运速度均减小; 随着颗粒粒径${d_{\text{p}}}$越大, 颗粒惯性St越大, 则颗粒水平输运速度减小, 但是, 法向输运速度和位移均因大颗粒受到更大的Saffman升力而增大. 此外, 烧蚀颗粒法向位移远小于水平位移, 颗粒以水平输运为主. 本研究最终建立了颗粒启动速度归一化表达式, 发现归一化颗粒启动速度是颗粒和流体惯性的函数, 即颗粒水平输运速度等于流体微团或中性浮力颗粒的速度减去惯性修正项. 研究结果为烧蚀颗粒调制边界层作用机理研究提供支撑.
2022, 54(6): 1523-1532.   doi: 10.6052/0459-1879-21-604
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流体力学
碳氢燃料超声速燃烧分区实验研究
孟凡钊, 周芮旭, 李忠朋, 连欢
高保真度空天发动机数值模拟通常基于快速化学反应火焰面假设, 即超声速燃烧反应的特征尺度小于湍流Kolmgorov尺度, 该模型方法对于氢气燃料仿真计算结果较好, 但对于乙烯等碳氢燃料仍需进一步研究. 受限于极端环境特种非接触测量技术, 目前尚未见超声速燃烧火焰分区判别的实验研究, 导致目前超声速燃烧火焰面模型适用性以及分区燃烧物理模型认识不清, 进而也制约了数值发动机技术发展. 本工作基于自主研发的MHz发动机内窥光纤传感器, 针对单边扩张双模态冲压发动机超声速燃烧火焰分区开展实验研究, 通过化学自发光信号的最小香农熵定义超声速燃烧的特征时间${\tau _{sc}}$, 根据理论方法和来流工况估算了超声速燃烧的流动特征时间, 结合分区燃烧理论分析了双模态超燃冲压发动机内碳氢燃料燃烧的分区情况. 通过燃烧分区情况以及与泰勒尺度的比较结果, 验证了碳氢燃料超燃冲压发动机典型飞行条件下燃烧室内超声速燃烧处于旋涡小火焰区域(Re$ \cong $50000; Da∈1.80~2.60, B区 ), 多尺度湍流涡结构发挥重要作用, 并随着相对于泰勒尺度的不同大小, 分别对应了不同尺度的涡结构主导该过程. 同时给出了当量比、通量比以及来流马赫数对燃烧特征时间的影响规律. 实验发现, 在一定范围内随着当量比增加燃烧逐渐增强, 并且增强效果明显强于通量比的影响; 而通量比的变化会使得燃烧出现分岔等情况; 来流马赫数的变化对于燃烧的影响效果更为明显, 也表明了宽域来流影响作用机制是未来宽域湍流燃烧理论研究的重要方向.
2022, 54(6): 1533-1547.   doi: 10.6052/0459-1879-21-686
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流体力学
高马赫数下超声速燃烧的自点火查表方法
张锦成, 王振国, 孙明波, 汪洪波, 王亚男, 刘朝阳
超燃冲压发动机燃烧室工作在高马赫数工况时, 入口来流空气的总焓非常高, 自点火在高焓条件下成为维持火焰稳定的重要物理化学过程. 本文借鉴火焰面/进度变量模型的降维思路, 发展了一种基于化学动力学的自点火建表方法. 通过定义混合分数和进度变量将复杂多维的化学反应降维, 并成功将数据库方法结合到现有的大涡模拟求解器中. 经过测试和验证, 该方法初步具备对超声速自点火燃烧进行仿真描述的能力. 针对自点火诱导的超声速燃烧问题开展数值模拟, 该方法通过查表的方式有效降低了化学反应求解过程中的计算量. 在采用详细化学反应机理时能够准确地再现自点火行为和火焰结构, 并且预测的温度和重要组分分布与实验吻合较好.
2022, 54(6): 1548-1556.   doi: 10.6052/0459-1879-21-635
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流体力学
绕水翼空化流动多尺度数值研究
田北晨, 李林敏, 陈杰, 黄彪, 曹军伟
空化的多尺度效应是一种涉及连续介质尺度、微尺度空化泡以及不同尺度间相互转化的复杂水动力学现象, 跨尺度模型的构建是解析该多尺度现象的关键. 本文基于欧拉-拉格朗日联合算法, 通过界面捕捉法求解欧拉体系下大尺度空穴演化, 通过拉格朗日体系下离散空泡模型求解亚网格尺度离散空泡的运动及生长溃灭. 同时, 通过判断空泡与网格尺度间的关系判定不同尺度空化泡的求解模型. 基于建立的多尺度算法对绕NACA66水翼空化流动进行模拟, 将数值结果与实验进行对比, 验证了数值计算方法的准确性. 研究结果表明, 离散空泡数量与空化发展阶段密切相关, 在附着型片状空穴生长阶段, 离散空泡数量波动较小, 离散空泡主要分布在气液交界面位置; 在回射流发展阶段, 离散空泡逐渐增加并分布在回射流扰动区; 在云状空穴溃灭阶段, 离散空泡数量增多且主要分布在气液掺混剧烈的空化云团溃灭区. 在各空化发展阶段, 离散空泡直径概率密度函数均符合伽玛分布. 空化湍流流场特性对拉格朗日空泡空间分布具有重要影响, 离散空泡主要分布在强湍脉动区、旋涡及回射流发展区域.
2022, 54(6): 1557-1571.   doi: 10.6052/0459-1879-22-022
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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ED-LSTM的智能汽车神经网络横向动力学建模与控制
方培俊, 蔡英凤, 陈龙, 孙晓强, 王海
车辆动力学建模过程中通常会进行简化和假设, 导致模型在某些工况下无法准确反映车辆的实际动态特性, 影响控制精度甚至安全性. 鉴于此, 该文提出了一种基于数据驱动的非线性建模与控制方法, 建立了新型神经网络车辆横向动力学多步预测模型, 实现了智能汽车对参考轨迹的跟踪控制. 首先, 在分析车辆单轨模型并考虑轮胎非线性和纵向负载转移的基础上, 基于编码器-解码器结构设计神经网络横向动力学模型. 其中, 使用串行排列来扩展微分方程描述不完全的动力学信息, 隐藏层神经元学习车辆的高度非线性和强耦合特性, 进而提高模型全局计算精度. 利用所构建的数据集进行模型训练和测试, 结果表明, 相比于物理模型, 所提出的模型在不同路面附着系数条件下均具有更高的建模精度, 具有隐式预测路面摩擦条件能力. 其次, 利用提出的模型设计轨迹跟踪控制算法, 根据车辆稳态转向假设, 计算所需的前轮转向角和稳态质心侧偏角, 将稳态质心侧偏角纳入基于路径误差的转向反馈中, 实现参考轨迹跟踪控制. 最后, 使用CarSim/Simulink联合仿真及HIL实验测试进行不同工况试验的对比分析, 对所提出的基于神经网络模型的控制算法进行评价, 结果表明, 该模型能够实现智能汽车在高速下精确的跟踪控制效果, 并具有良好的横向稳定性.
2022, 54(7): 1-13.   doi: 10.6052/0459-1879-21-667
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生物、工程及交叉力学
融入压力分布信息的气动力建模方法
赵旋, 张伟伟, 邓子辰
气动外形优化设计与飞行器性能分析中, 直接运用数值模拟或风洞实验获取气动力的成本高, 构建代理模型是提高外形优化和性能分析效率的重要途径. 然而, 构建模型的过程中, 研究者只关注积分后的气动力和力矩信息. 本文通过充分利用采样过程中所产生的压力分布信息, 来提高建模的精度和泛化性, 进而降低样本获取的成本. 提出了一种小样本框架下融入压力分布信息的气动力建模方法, 首先通过数值模拟或风洞试验获得不同流动参数状态下翼型表面的压力分布信息和气动系数, 其次通过本征正交分解技术对压力分布信息进行特征提取, 获取不同输入参数状态下压力分布信息对应的POD系数, 之后结合输入参数通过Kriging算法对压力分布信息进行建模, 将压力分布信息积分得到低精度气动系数的预测模型, 最后低精度气动系数结合输入参数通过Kriging算法构造高精度的气动系数预测模型. 通过同状态变翼型算例以及CAS350翼型变状态算例进行验证, 该方法相比于传统的克里金模型直接预测气动力, 有效提高了气动力的预测精度和模型的鲁棒性, 同时缩小了学习样本的数据量.
2022, 54(9): 1-11.   doi: 10.6052/0459-1879-22-170
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动力学与控制
重力环境下液体大幅晃动运动脉动球模型及实验研究
卢煜, 岳宝增, 马伯乐
现代航天器通常携带大量的液体推进剂, 在航天器的姿态发生变化的过程中, 由于惯性力和重力的作用, 可能会导致液体燃料发生剧烈晃动, 由此产生附加的晃动力会对航天器造成重要影响. 为了得到液体晃动的规律并满足星载计算机实时计算的要求, 本文研究并验证了一种用于等效液体大幅晃动的动力学模型. 首先将液体大幅晃动运动脉动球模型(MPBM)推广到重力环境中, 通过脉动球的牛顿−欧拉动力学方程和“呼吸运动”过程中能量关系式, 推导出晃动力法向分量的表达式. 同时, 引入不参与晃动的液体的等效模型, 使得液体质心位置的计算更加准确. 通过和文献中实验数据以及CFD软件的计算结果进行比较, 分别验证了推广的MPBM模型在大幅晃动、零动量机动工况下的有效性, 并基于该等效模型, 研究了脉冲激励的不同时序对航天器中液体晃动响应的影响. 最后, 设计并搭建了用于精确测量液体晃动力的实验平台, 验证了MPBM模型在等效非球形储箱的液体晃动时也同样可以很好地反应出晃动力的变化趋势. 本文的研究工作对进一步研究重力环境中充液航天器刚–液耦合动力学行为具有重要的参考价值.
2022, 54(9): 1-9.   doi: 10.6052/0459-1879-22-187
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研究综述
倾斜圆柱结构涡激振动研究进展
徐万海, 马烨璇
圆柱结构涡激振动现象在生活中十分常见, 如海洋工程中的管道、土木工程中的高耸建筑、桥梁斜拉索, 核工程中的热交换器等频繁受到涡激振动影响, 诱发结构的疲劳损伤, 甚至破坏失效. 现阶段, 人们对垂直来流作用下圆柱结构涡激振动机理已有较为全面的认识. 然而, 当圆柱倾斜置于流场中, 结构后缘的尾流形态与垂直放置差异显著, 结构与流体的耦合作用机理更为复杂. 为简化倾斜圆柱涡激振动问题, 提出了不相关原则, 来流速度被分解为垂直圆柱结构轴向和平行圆柱结构轴向的两个速度分量, 仅考虑垂直结构轴向速度分量的影响, 忽略平行结构轴向速度分量的影响. 近年来, 针对倾斜圆柱涡激振动及不相关原则的适用性, 出现了大量实验和数值模拟研究成果. 为了深化对倾斜圆柱结构涡激振动相关机理的认知, 本文全面阐述了倾斜圆柱结构涡激振动响应规律、尾迹流场模式和流体力特性等方面的研究进展, 分析了不相关原则的适用范围, 探讨了倾斜圆柱结构涡激振动抑制措施, 并对今后该领域的研究进行了力所能及的展望.
2022, 54(9): 1-18.   doi: 10.6052/0459-1879-22-186
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研究综述
大型空间结构热−动力学耦合分析方法综述
薛明德, 向志海
近年来, 各种大型空间结构逐渐在我国航天工程中得到应用, 相应的热诱发振动问题也日益受到重视. 在此背景下, 有必要进一步梳理热诱发振动的机理和分析设计中的关键问题. 本文将结合作者的研究工作对此问题进行全面介绍, 并主要强调在分析复杂工程结构的热诱发振动问题时需要注意的特殊问题. 本文首先介绍了可以高效地分析空间薄壁杆件结构(包含开口和闭口薄壁杆件)在辐射换热条件下的瞬态温度场的Fourier有限元方法; 随后介绍了热诱发振动的线性和非线性分析方法, 强调了热−动力学耦合效应. 为了对复杂空间结构产生热诱发振动的必要条件给出解析表达式, 本文将瞬态温度场与振动位移场统一在模态空间中进行分析, 从而得到评价热诱发振动剧烈程度的一般性条件. 在此基础上, 本文进一步讨论了热诱发振动的运动稳定性问题, 以悬臂杆件的热颤振准则为例揭示了热诱发振动发散的物理机理, 并给出了评定复杂工程结构热颤振的分析方法. 论文最后概要地指出了在热诱发振动的地面试验和抑制方法中需要注意的问题, 并对将来的研究工作进行了展望.
2022, 54(9): 1-16.   doi: 10.6052/0459-1879-22-171
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动力学与控制
二元复合材料板的自由振动: 半解析法
薛坚, 牛牧青, 张文勇, 陈立群
二元复合材料板是超材料板结构中常见的单元之一. 针对由材料参数相差两个量级的基体和嵌入体组成的二元复合材料板, 提出结构自由振动的半解析模型, 并对其振动特性进行了研究. 基于区域分解法和二元材料的分布, 将二维平板分解成两个子区域. 通过在振型函数中附加区域试函数, 来描述复合材料板面内刚度突变引起局部位移和转角的非光滑性. 基于二元复合材料板的基本边界条件和两子区连接处的变形协调条件, 构造了新的振型函数. 基于经典薄板理论, 利用带特殊试函数的里兹法, 求得不同几何构型下二元复合材料板的固有频率和振型, 并研究了嵌入体的尺寸和位置对结构振动特性的影响规律. 通过收敛分析并与有限元仿真结果对比, 验证了本文方法的准确性. 研究结果表明: 传统的全局试函数在分析具有振动局部化的模态时会得到不准确的结果, 而附加区域试函数可以显著提高里兹法的收敛速度以及结果的准确性; 嵌入体位置对低阶固有频率的作用不明显, 却能显著改变低阶振型节线的分布和振动局部化发生的区域.
2022, 54(7): 1-9.   doi: 10.6052/0459-1879-22-160
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流体力学
自由场中液氮单空泡动力学特性的实验研究
陈家成, 陈泰然, 韩磊, 耿昊, 谭树林
本文专门设计搭建了低温介质空泡演化实验测试平台, 对液氮单空泡非定常演化过程和动力学特性开展了实验研究. 实验中利用电火花瞬态放电激发液氮汽化形成单空泡, 通过高速摄影系统对单空泡的瞬态特征进行了精细化捕捉. 为了进一步揭示低温介质独特的物理性质以及强热力学效应对单空泡演化过程的影响机制, 对比分析了在相同环境压力下, 77.41 K液氮和298.36 K水单空泡的演化过程和动力学特性. 基于实验得到空泡半径与界面速度等定量数据, 阐明了液氮单空泡球形与非球形演化阶段的非定常特性. 研究结果表明: (1) 在相同输入电压下, 液氮单空泡的整体尺寸比常温水更小, 当输入电压为400 V时, 液氮空泡的最大半径约为常温水空泡的0.69倍. 同时, 液氮单空泡经历了膨胀阶段—收缩阶段—振荡阶段以及上升阶段的演化过程; (2)液氮空泡的收缩过程主要由相界面的热传导主导, 没有明显的塌陷现象. 收缩阶段液氮空泡的最小收缩半径约为常温水的5.5倍; (3)在液氮空泡振荡初期, 空泡相界面传热增强, R-T不稳定与热力学效应共同引起了空泡界面的表面粗化效应. 在整个振荡阶段, 空泡界面附近存在破碎的小泡. 当输入电压较高时, 空泡底部的小泡数量显著增多; (4)由于液氮空泡浮力系数较大, 液氮空泡在演化后期空泡整体向上迁移显著, 液氮空泡底部收缩更快产生凹陷, 促使空泡变为环状.
2022, 54(9): 1-14.   doi: 10.6052/0459-1879-22-144
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生物、工程 及交叉力学
基于神经网络的核电厂设备易损性分析
刘鸿泉, 陈少林, 孙晓颖, 吴绍恒
核电结构的易损性分析是核电厂地震安全评估中至关重要的一环, 但是由于核电结构的复杂性以及考虑土−结相互作用SSI时较大的计算规模, 使得计算核电厂设备易损性曲线十分耗时. 为发展高效的核电厂设备易损性分析方法, 本文采用核电结构土−结相互作用分析的分区计算方法, 并利用有限的SSI分析结果建立神经元模型ANN代替有限元模型, 分别基于对数正态假定的回归法和蒙特卡洛法进行了设备易损性分析. ANN数值模拟包括了以下内容: (1)基于半偏相关系数选择最相关的地震动参数作为ANN输入, 并通过交叉检验建立神经元模型; (2)量化研究ANN数值模拟的预测不确定性, 其中包含了由于简化地震动输入引起的随机不确定性和训练样本缺失引起的认知不确定性; (3)基于ANN模型预测结果分别采用蒙特卡洛法和基于对数正态假定的回归法进行设备的易损性分析. 本文探讨了不同的地震强度指标以及土层材料的不确定性对易损性曲线的影响, 同时验证了回归法中对数正态模型假定的基本合理性, 为核电厂设备易损性分析提供了一种可能方向.
2022, 54(7): 1-12.   doi: 10.6052/0459-1879-21-466
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变质量力学系统的广义Gauss原理及其对高阶非完整系统的推广
张毅, 陈欣雨
Gauss原理由于它的极值特性,其研究意义不仅在于原理上的普遍性,而且具有很大的应用价值,例如机器人的设计与分析、非线性振动方程的近似解以及多体系统动力学等。本文研究变质量力学系统的广义Gauss原理及其对高阶非完整力学的推广。首先,建立变质量力学系统的Gauss最小拘束原理,并通过构建修正的拘束函数,将原理推广到二阶线性非完整约束系统。其次,提出变质量力学系统任意阶情形下的广义Gauss原理,在此基础上建立广义Gauss最小拘束原理,并通过构建广义拘束函数,将原理推广应用于变质量高阶非完整约束系统。研究表明:对具有双面理想约束的变质量高阶非完整力学系统,在每一瞬时 次加速度空间所有与约束相容的可能加速度之中,真实运动的加速度使广义拘束函数在 次Gauss变分下取得极小值。文末应用广义Gauss最小拘束原理导出沿粗糙水平面作惯性运动的燃烧匀质圆球和变质量Hamel问题的运动微分方程。
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热-动力学耦合多体系统建模与降阶
田青龙, 於祖庆, 兰朋, 陆念力
在轨运行的卫星天线受到太阳辐射热冲击后容易出现热致振动或指向不准确等问题。本文提出了一种基于改进模态综合法的刚柔热耦合多体系统建模与降阶方法。采用绝对节点坐标法单元形函数对柔性天线的位移场与温度场进行统一离散插值,并采用参考节点描述中心刚体。在系统方程中考虑了热流输入和表面自热辐射。利用泰勒展开对系统动力学和传热学方程进行了分段线性化,之后应用改进的模态综合方法划分子结构并缩减系统自由度。相邻子结构之间通过约束方程保证连接精度和连续性。通过数值算例验证本文所提出方法的有效性,在保证仿真精度的前提下缩减了系统规模,提高了仿真计算效率。
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基于FFUKF路面附着系数估计的汽车牵引力控制
汪洪波, 高含, 王春阳, 徐世寒
以后驱牵引车为研究对象,设计了基于路面附着系数估计的牵引力控制系统(Traction control system ,TCS)。在路面附着系数估计方面,针对传统卡尔曼滤波难以跟踪时变非线性系统的问题,本文将模糊控制理论和衰减记忆滤波思想引入无迹卡尔曼滤波,设计一种基于模糊遗忘因子的无迹卡尔曼滤波(Fuzzy forgetting factor Unscented Kalman filter,FFUKF)路面附着系数估计方法,提高了算法的跟踪性能。牵引力控制包括扭矩控制和制动控制。在TCS扭矩控制方面,分别利用路面附着系数和在驱动轮滑转率在目标滑转率附近时的车辆加速度计算目标基础扭矩,根据车辆行驶状态和抖振度参量,基于可拓控制理论划分经典域、可拓域和非域,通过可拓集的关联函数得到动态权重系数,将上述两种方法计算得到的目标基础扭矩进行可拓融合设计出基础扭矩。之后,以实际滑转率和目标滑转率之间的误差作为输入,采用模糊自整定PI控制器得到目标反馈扭矩。在制动控制方面,针对两种典型路面分别设计了PI控制压力和附着差压力。实车试验结果表明,基于模糊遗忘因子的无迹卡尔曼滤波算法能够更加快速的跟踪路面附着系数的变化,同时基于路面附着系数估计的TCS控制策略能够有效的抑制驱动轮过度滑转,将驱动轮滑转率控制在最佳范围内,显著提高了车辆的动力性。
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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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考虑非线性本构的非刚性折纸结构动力学建模与分析
袁婷婷, 任昆明, 方雨桥, 刘锦阳
折纸结构因其大收纳比, 高可控性, 可重构, 制造装配简单以及设计多样等优势, 在航天、生物医学、建筑、机器人、材料科学等工程领域有着广阔的应用前景. 随着折纸结构的工程应用越来越广泛, 针对低刚度折纸结构的动力学研究愈加重要. 本文将非刚性折纸结构等效为带卷簧的空间桁架结构, 建立了一种通用的杆–链动力学模型. 考虑材料的几何非线性, 采用基于Ogden超弹性本构的杆单元来模拟折痕和虚拟折痕, 可适用于作大范围运动并具有大变形的折纸结构. 引入非线性卷簧来体现折痕的抗弯作用, 相较于传统的卷簧本构模型, 本文提出的改进的非线性卷簧本构模型具有更强的通用性和鲁棒性, 能够有效避免接触碰撞动力学中折叠面的穿透. 基于虚功原理, 建立了考虑阻尼效应的非刚性折纸多体系统的动力学方程, 并采用变步长的广义-α 法求解. 最后, 对三种经典折叠形式的非刚性折纸结构进行动力学仿真, 验证了本文提出的杆–链动力学模型的准确性和高效性. 通过施加虚拟折痕和修正初始构型, 有效解决了刚性折纸模型中展开和收拢过程的锁定问题. 与刚性折纸模型相比, 杆–链动力学模型具有更好的数值模拟通用性, 并能够给出具有大变形张紧构型. 在此基础上, 揭示了非刚性折纸结构复杂的动力学行为, 并对多稳态、瞬态动力学和波动力学特性进行分析.
当前状态:  doi: 10.6052/0459-1879-22-176
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基于胡聿贤谱的带支撑广义Maxwell阻尼隔震结构随机响应分析
邹万杰, 刘美华, 李创第, 葛新广
工程中通过设置支撑将阻尼器和结构连接,但常为了简化分析,将支撑刚度看成无穷大,即不考虑支撑对耗能结构随机响应的影响。故有必要考虑有限刚度的支撑对耗能结构响应的影响,为考虑支撑影响的广义Maxwell耗能隔震结构在胡聿贤谱地震激励下的响应分析,提出一种简明解析解法。将带支撑广义Maxwell阻尼器等效本构关系、结构运动方程以及胡聿贤谱滤波方程联合组成非经典阻尼系统,运用复模态法对该系统解耦,通过不同响应模态获得系统系列响应基于白噪声激励的Duhamel积分表达式;利用Dirac函数的性质,将系统系列响应协方差简化为无积分运算的表达式,根据Wiener-Khinchin关系,得到系统系列响应功率谱和地面加速度功率谱,基于谱矩的定义,得到系统系列响应0~2阶谱矩。算例通过与虚拟激励法对比分析,验证所提方法在该系统分析的正确性和高效性,并讨论了不同支撑刚度对阻尼器减震效果的影响。
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离子选择性表面电对流的多块LB模拟
张煜, 李天富, 罗康, 吴健, 易红亮
离子交换表面导致的离子浓差极化现象为微纳流控技术的发展提供了新的思路。向带有离子交换表面的电解质溶液施加电压,通过表面的电流密度会出现复杂的非线性变化过程。当电压超过某一临界值时会引发对流,被称为第二类电渗或离子交换表面的电对流。本文提出了一种基于多块网格格子玻尔兹曼方法的第二类电渗数值模型。该多块模型较好地解决了此类问题大浓度梯度边界对计算网格的限制。通过多块网格局部加密算法给出求解流动、电势和离子浓度的网格信息交换方程。模拟获得的电流特性曲线与理论解吻合良好。进一步研究表明,当流动发生之后,在相对低电压下流动倾向于形成大涡且强度以指数规律增强;而较大电压则会先激发多个小涡,并逐渐合并为大涡流动,大涡流动有更高的离子的输运效率。除了数值求解离子交换表面的对流不稳定性,本文发展的模型还可用于其它电流体动力学问题的模拟。
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基于智能驾驶电动汽车的多车-桥梁耦合系统动力学特性研究
张宇, 王嘉伟, 李韶华, 任剑莹
迫于能源和环保问题的压力,电动汽车及智能驾驶受到了各国高度重视。轮毂电机驱动电动汽车车轮振动剧烈,与桥梁路面动力学相互作用更加突出,现有研究主要针对传统汽车,关于电动车轮与公路桥梁接触动力学相互作用及智能驾驶车队的多车-桥梁耦合作用研究尚不多见。本文以轮毂电机驱动电动汽车为研究对象,考虑车轮和桥面多点接触关系,研究了两个智能驾驶汽车过桥时的车桥耦合动力学特性。分析了电机质量、电机激励、轮胎悬架刚度非线性、车距、车速对系统振动特性的影响,以及桥面不平顺激励、三重耦合激励对电动汽车平顺性的影响。研究表明:车距和车速是影响车-桥系统振动特性的重要因素,在车-桥耦合动态设计中,车距和车速的影响应重点关注;桥面越平坦,电机激励及桥面二次激励对车辆平顺性和道路友好性影响越加显著,当汽车行驶在平坦桥面时两种激励对轮毂电机驱动电动汽车的影响不容忽视。所建模型有望为智能驾驶电动汽车与桥梁的耦合作用研究提供理论参考。
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