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颗粒材料计算力学专题
颗粒材料计算力学专题序
季顺迎
颗粒材料广泛地存在于自然环境、工业生产和日常生活等诸多领域, 其受加载速率、约束条件等因素的影响具有复杂的力学行为. 颗粒材料常与流体介质、工程结构物耦合作用并共同组成复杂的颗粒系统, 并呈现出非连续性、非均质性的复杂力学特性. 目前, 离散元方法已成为解决不同工程领域颗粒材料问题的有力工具, 然而其在真实颗粒形态的构造、接触算法、颗粒与流体及工程结构的耦合模型、多介质和多尺度问题, 以及高性能大规模计算等方面仍面临着诸多亟待解决的问题.《力学学报》组织了“颗粒材料计算力学”专题的7篇综述或研究论文, 分别从研究进展、理论模型及工程应用方面反映了颗粒材料计算力学研究领域上的最新研究进展, 为颗粒材料计算力学交叉领域的研究提供参考.
2021, 53(9): 2355-2356.   doi: 10.6052/0459-1879-21-428
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颗粒材料计算力学专题
多相流动的光滑粒子流体动力学方法研究综述
陈飞国, 葛蔚
光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)具有粒子方法的无网格和全拉格朗日特征, 适用于具有界面大变形、不连续性和多物理场的多相流的高精度模拟. SPH方法模拟多相流已有大量报道, 具体的实现方式也大不相同. 本文首先阐述了采用SPH方法模拟流体的基本控制方程, 以及求解过程中需要考虑的流体压力求解、表面张力、固体边界等问题. 整理和总结了基于SPH方法进行多相流模拟的主要实现方式: (1)双流体模型的拉格朗日求解器: 两相离散为两组独立SPH粒子, 并用显式相间作用耦合两相; (2)多相SPH方法: SPH方法对多相流模拟的自然延伸, 相间作用由SPH参数隐式描述; (3) SPH与其他离散方法的耦合: 差异较大的两相各自采用不同离散方法, 发挥不同拉格朗日方法的优点; (4) SPH和基于网格方法的耦合: 网格方法处理简单的单相流动主体, 获得精度和效率间的平衡. 另外, 还在模拟参数物理化等方面论述了与SPH方法模拟多相流相关的一些改进和修正方法, 并在最后讨论和建议了提高多相流SPH模拟效率和精度的措施.
2021, 53(9): 2357-2373.   doi: 10.6052/0459-1879-21-270
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颗粒材料计算力学专题
椭球颗粒体系剪切过程中自由体积的分布与演化
邹宇雄, 马刚, 李易奥, 王頔, 邱焕峰, 周伟
颗粒材料是一种复杂的多体相互作用体系, 由大量离散的颗粒和其周围的自由体积组成. 虽然颗粒的自由体积与颗粒材料的力学性能和变形特征的相关性已得到证实, 但是由于表征上的困难, 目前对非球形颗粒体系的局部自由体积的认识还不够充分. 本文采用连续离散耦合分析方法进行了不同主轴长度的椭球颗粒试样的三轴剪切数值模拟, 基于Set Voronoi算法对剪切过程中的颗粒试样进行了Voronoi元胞分割, 分析了颗粒试验在剪切过程中自由体积的统计分布特性和演化规律, 研究了颗粒形态对自由体积的影响. 剪切过程中Voronoi元胞的各向异性逐渐增强, 且各项异性增强程度随颗粒非球度的增加而增大, 表明非球颗粒在剪切过程中经历更加强烈的重排列. 具有不同非球度的椭球颗粒体系的局部孔隙比均服从k−Γ分布, 且这个分布仅与颗粒体系的全局孔隙比相关, 不受颗粒形态和剪切状态的影响. 局部孔隙比的波动呈现非对称拉普拉斯分布, 非对称参数刻画了局部自由体积收缩和膨胀的博弈, 其与全局孔隙比呈线性关系.
2021, 53(9): 2374-2383.   doi: 10.6052/0459-1879-21-255
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颗粒材料计算力学专题
一种滞弹簧耗能的新型离散元滚动阻力模型研究
高政国, 董朋昆, 张雅俊, 孙卉竹, 迪亚
颗粒间滚动阻力对颗粒体系的稳定性起着重要作用. 在传统的离散元法中, 滚动阻力模型通常由转动弹簧、转动黏壶和摩擦元件表达, 颗粒滚动动能由黏滞力(矩)和摩擦力做功耗散. 由于黏滞力(矩)与滚动速度相关, 临近静止状态的颗粒滚动速度变小, 动能耗散减弱, 传统的离散元模拟得到颗粒由滚动到静止耗费的时间比试验观测的结果要长. 为解决这一问题, 基于摩擦学理论分析了滚动阻力产生的材料滞弹性机理, 将其引入离散元滚动阻力模型, 提出了一种速度无关型动能耗散的滞弹簧, 给出了滞弹簧的弹性恢复力计算公式, 建立了一种新型的离散元滞弹性滚动阻力模型(HDEM). 为验证新型滚动阻力模型的正确性, 通过一个光学物理试验对单个圆形颗粒试件的自由滚动过程进行了测量, 将测量数据与新型的滞弹型离散元模型和传统离散元模型计算结果进行了对比. 结果显示, 基于滞弹性滚动阻力模型HDEM计算结果与试验数据吻合程度更高, 而且模拟得到的颗粒摆动频率更符合试验现象.
2021, 53(9): 2384-2394.   doi: 10.6052/0459-1879-21-236
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颗粒材料计算力学专题
冲击载荷下颗粒材料临边界区域的波动行为及变形特征分析
王蕉, 楚锡华
研究颗粒材料中的波传播问题在超材料制造方面有重要意义, 如波传导超材料边界的设计需考虑应力波的反射和吸收等问题. 本文从一维颗粒链中的波传播行为出发, 根据距边界不同位置处颗粒能够得到的最大动能的不同, 给出了临边界区域的定义. 然后分析了多组二维颗粒样本在冲击载荷作用下应力波的传播行为, 主要考虑了不同边界形状及不同颗粒排列方式对应力波在临边界区域内传播行为的影响. 研究表明, 临边界区颗粒排列方式主要影响边界附近颗粒的相对位置和局部孔隙率; 经边界反射后的应力波直接以边界形状在临边界区内传播, 该结论在边界情况越复杂(高局部孔隙率, 颗粒无序随机排列)时越准确; 在临边界区域外(即材料中心区域), 波前形状主要由波速决定. 弧形边界对波反射的汇聚作用和临边界区域内颗粒的排列方式所引起的弥散作用是两个竞争因素, 共同决定临边界区域内波的反射过程. 最后分析了临边界区域内颗粒力链网络在反射前后的变化. 该研究将为超材料设计提供借鉴.
2021, 53(9): 2395-2403.   doi: 10.6052/0459-1879-21-242
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颗粒材料计算力学专题
基于深度学习和细观力学的颗粒材料本构关系研究
瞿同明, 冯云田, 王孟琦, 赵婷婷, 狄少丞
颗粒材料的本构关系对岩土工程等众多领域至关重要. 不同于传统的唯象本构理论, 本文基于机器学习模型探索了一种细观力学理论指导下的数据驱动型颗粒材料本构关系预测方法. 根据Vogit均质化假设, 建立了小应变条件下颗粒材料应力−应变解析关系, 此关系唯一地确定了一组与颗粒材料本构行为相关的细观组构变量. 这些变量与反应颗粒材料宏观性质的主应力和主应变信息通过一系列离散元三轴压缩数值试验获得. 考虑到细观组构变量为内变量, 不能直接作为本构模型的输入. 本文基于有向图方法将颗粒材料微观结构信息隐式地包含在应力−应变的预测当中, 并采用门控循环单元(GRU)循环神经网络作为基础深度学习模型描述有向图中结点之间的映射关系. 通过将有向图从目标节点沿源节点展开, 整个应力−应变预测模型可由两个神经网络分别训练并组装而成. 将训练后的深度学习模型在全新的数据集上进行测试, 结果表明该训练策略能有效捕捉到颗粒材料在常规三轴任意加卸载, 等中主应力系数b的真三轴加载, 和等平均有效应力p的真三轴加卸载等复杂多轴加载工况下的应力−应变响应关系, 模型具有良好的内插和外推预测能力. 考虑到深度学习模型捕捉颗粒材料力学响应的能力及其开放式学习的特点, 充分结合数据驱动方法和理论本构模型可能是颗粒材料本构研究的一个重要方向.
2021, 53(9): 2404-2415.   doi: 10.6052/0459-1879-21-221
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颗粒材料计算力学专题
增材制造中滚筒铺粉工艺参数对尼龙粉体铺展性的影响研究
张江涛, 谭援强, 纪财源, 肖湘武, 姜胜强
铺粉工艺是基于粉床的增材制造(additive manufacturing, AM)技术中的关键工序之一. 滚筒铺粉工艺参数包括铺粉层厚H, 滚筒直径D, 滚筒的旋转速度ω和平移速度V, 对增材制造工艺中的粉体铺展性具有重要影响. 本文以尼龙粉体为研究对象, 采用离散元法(discrete element method, DEM)模拟其滚筒铺展过程, 建立沉积分数、覆盖率和沉积速率3个铺展性指标. 采用中心复合设计(central composite design, CCD)生成30组仿真案例, 通过响应曲面法(response surface methodology, RSM)拟合了3个铺展性指标的回归模型. 采用方差分析证明了回归模型的准确性和预测的有效性, 并详细分析了工艺参数对粉体铺展性指标的影响规律. 结果表明, 铺粉层厚H是最大的影响因素, 平移速度V是次要的影响因素, 滚筒直径D和滚筒的旋转速度ω对粉体铺展性指标影响较小, HVDV为影响粉体铺展性指标的主要交互因素. 以3个铺展性指标为优化目标, 采用期望值法对滚筒铺粉工艺参数进行多目标优化, 获得了预测的最优铺粉工艺参数和粉体铺展性指标组合, 并通过实验验证了粉体铺展性指标的预测结果与实验结果吻合良好. 本文的研究结果可指导增材制造中滚筒铺粉工艺参数的优化.
2021, 53(9): 2416-2426.   doi: 10.6052/0459-1879-21-240
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颗粒材料计算力学专题
基于多介质、多尺度离散元方法的冰载荷数值冰水池
季顺迎, 田于逵
极地船舶与海洋工程结构冰载荷的确定是其结构抗冰设计、冰区安全运行和结构完整性管理的重要研究内容. 当前快速发展的高性能计算技术和多介质、多尺度数值方法为准确、高效地计算结构冰载荷提供了有效的途径, 其中以离散元方法为代表的数值方法取得了出色的研究成果. 为此, 本文针对目前极地船舶与海洋工程结构对冰载荷及力学响应的工程需求, 同时考虑国内外对海冰、工程结构与流体相互耦合的多介质、多尺度数值方法研究现状, 对极地船舶与海洋工程数值冰水池的概念、框架、开发技术以及基于离散元方法的软件实现与工程应用进行了论述. 数值冰水池在船舶与海洋工程结构冰载荷确定方面具有可靠性、经济性、快速性、扩展性和情景化等显著优势. 本文工作借鉴数值水池的研究思路, 以典型船舶和海洋平台结构冰载荷及结构力学响应的离散元计算为例, 探讨了数值冰水池研究的可行性和工程应用前景, 阐述其与理论分析、现场测量和模型试验研究相结合的必要性. 以上研究有益于中国在极地船舶与海洋工程领域形成具有独立知识产权的数值计算分析平台, 对中国极地海洋强国的战略实施具有很好的启发和指导意义.
2021, 53(9): 2427-2453.   doi: 10.6052/0459-1879-21-243
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机器学习在力学模拟与控制中的应用专题
Gappy POD方法重构湍流数据的研究
李天一, BuzzicottiMichele, BiferaleLuca, 万敏平, 陈十一
Gappy POD 是一种基于本征正交分解(proper orthogonal decomposition, POD)的数据重构方法. 本文研究了gappy POD在湍流数据重构中的应用, 主要关注了以下两个因素的影响: 第一, 数据本身的复杂程度, 即构成流场的POD模态数量; 第二, 破损区域的面积大小和几何形状. 考虑到上述因素, 本文重新严格地表述了gappy POD的重构过程, 并推导出gappy POD重构误差的公式. 论文选取旋转湍流数据为案例进行了gappy POD重构的研究, 并解释了构成gappy POD重构误差的两个部分. 第一部分来自流场POD展开的截断误差, 该截断误差会被POD基函数在已知点上的值组成的矩阵的最小特征值放大. 这部分误差主要取决于流场的复杂程度, 当流场复杂程度较低时, 相应误差随采用的POD模态数目增大而减小. 当流场复杂程度较高时, 很小的POD截断误差也会导致很大的重构误差, 此时需要采用流场所有的POD模态进行重构以消除截断误差. 重构误差的第二部分来自POD基函数在已知点上的值组成的矩阵的非列满秩性, 它主要取决于破损区域的面积大小和几何形状. 破损区域的面积越大, 或者破损面积相同时, 破损区域内信息所包含的相关性越大, 第二部分的重构误差越大.
2021, 53(10): 2703-2711.   doi: 10.6052/0459-1879-21-464
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机器学习在力学模拟与控制中的应用专题
基于尾流时程目标识别的流场参数选择研究
战庆亮, 葛耀君, 白春锦
浸入流场中的固体壁面会形成高度复杂且具有一定特征的尾流流场, 利用尾流所包含的信息对物体的外形特征进行识别具有重要的应用价值. 然而, 在较高雷诺数情况下尾流流场形态及其时序特征复杂, 难以通过传统的数学物理方法对流场信号进行特征的识别与提取. 本文提出了基于尾流时程数据深度学习的流场特征提取与分析方法, 实现了基于一点的物理量时程进行流场中物体外形的识别; 同时, 对流场中不同物理参数时程的识别精度与识别结果进行分析与研究, 得到适用于目标识别的最优物理量参数. 通过对圆柱和方柱的尾流数据研究结果表明, 本文提出的基于卷积神经网络的模型具有好的训练收敛性和高的预测精度, 能够识别并提取得到时程数据中包含的流场特征, 采用流场横向速度时程作为物体外形识别信号的模型准确率高. 证明了本方法用于浸入流场中物体外形识别的可行性, 是一种目标识别的高精度方法.
2021, 53(10): 2692-2702.   doi: 10.6052/0459-1879-21-332
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流体力学
变后掠翼的参变气动弹性建模与分析
张立启, 岳承宇, 赵永辉
参变气动弹性建模是可变后掠翼气动弹性研究中的难点之一. 当地建模技术是一种构造线性参变 (LPV) 模型的实用方法, 但一直缺乏有效途径来解决当地气动弹性模型的不一致问题. 气动弹性模型的不一致性体现在当地结构动力学模型和非定常气动力模型随参数变化的不连续性. 本文提出了一种自下而上的方法, 对变后掠翼不一致的当地气动弹性模型进行了一致性处理. 首先, 采用匈牙利算法跟踪结构模态并按模态分支进行排序, 使得匹配后的模态能够保证结构动力学模型的一致性; 其次, 对有理函数拟合表达式中的系数矩阵进行缩放处理, 解决了空气动力系数矩阵的不一致问题. 采取上述两项措施后, 最终生成了一致的当地状态空间气动弹性模型. 这样, 对一致的状态空间模型进行插值, 就可快速生成任意后掠角下的气动弹性模型, 使得系统的稳定性分析和慢参变响应计算得以高效进行. 数值仿真结果验证了一致性处理的必要性:未经一致性处理的原始模型经插值后得到的模型会出现严重的模型误差. 本文为变后掠翼的参变气动弹性系统建模提供了一种实用、准确和高效的建模方法.
2021, 53(11): 1-13.   doi: 10.6052/0459-1879-21-275
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高马赫数推进技术专题
高马赫数燃烧强化的激波风洞试验研究
张旭, 张启帆, 岳连捷, 孟东东, 罗苇航, 于江鹏, 张晓源, 李进平, 陈宏, 李飞
基于中国科学院力学研究所的JF-24激波风洞, 通过开展高马赫数超燃冲压发动机的直连试验, 研究了高马赫数燃烧的强化方法以及燃料类型对燃烧的影响. 试验段是采用凹腔结构的圆截面燃烧室, 喷孔布置在隔离段, 燃料分别是氢气和乙烯, 当量比均为0.7. 燃料喷注分别采用无支板和小支板两种构型, 后者部分喷孔位于小支板顶部. 两种构型均设置了流向近距双排喷孔, 可分别进行单环和双环喷注. 试验结果论证了飞行马赫数10.0条件下氢气和乙烯在超高速气流中的稳定燃烧性能. 并且, 相比于单环喷注, 双环喷注以及补充小支板可以强化燃烧. 推测其原因是双环射流和激波/分离结构的近距离交互作用很可能改善掺混, 而补充小支板顶部喷注还能利用更多空气组织掺混. 在同样采用双环耦合小支板顶部喷注的强化措施下, 氢气与乙烯燃烧效率接近, 但氢推力性能更优. 这是因为较高热值氢的释热更多. 此外, 试验还证明了在当前来流条件下, 释热受控于掺混, 且高温离解效应限制释热上限. 这是由于释热降低流速且提高静温, 使高温离解的吸热效应更加显著.
2021, 53(11): 1-11.   doi: 10.6052/0459-1879-21-348
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固体力学
基于绝对节点坐标法的平面梁有限变形下变形重构
吴懋琦, 谭述君, 高飞雄
现有的对有限变形条件下柔性结构变形重构的研究往往单纯基于曲率与应变间的几何关系, 同时忽略了被测体的纵向变形及其与弯曲变形的耦合效应. 为得到一种更加精确且能借助现有的力学工具进行应用方向扩展的变形重构方法, 以平面梁为对象, 借鉴变形重构逆有限元法的思想, 将平面梁的变形重构问题视作一类最优化问题. 首先, 通过引入绝对节点坐标法(absolute nodal coordinate formulation, ANCF)对柔性结构大变形下非线性的平面梁应变−位移关系进行精确描述, 构造了一种逆梯度缩减ANCF平面索梁单元. 然后, 对此逆ANCF单元进行改进, 在简化节点自由度的同时通过引入罚函数确保单元节点处的曲率连续性, 既保证了本问题的适定性, 也提升了最终解的精确性. 最后, 基于该单元利用Newton法构造了平面梁有限变形下变形重构问题的两种求解算法, 即逐单元算法和多单元整体算法, 以实现不同需求下的稳定求解. 数值仿真结果表明, 本方法在大变形条件下的变形重构误差小于1%, 而且在测点较少的情况下依然保持较高的精度, 同时验证了本方法的收敛性与计算效率.
2021, 53(10): 2791-2804.   doi: 10.6052/0459-1879-21-338
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生物、工程及交叉力学
周期性非均匀介质中气相爆轰波演变模式研究
陈达, 宁建国, 李健
气相爆轰波在周期性非均匀介质中的起爆, 稳态传播和失效机制都极为复杂, 很多物理机制尚不明确, 是当前爆轰物理领域研究的热点和难点. 本文使用反应欧拉方程和两步化学反应模型对爆轰波在非均匀介质中的传播机理进行了数值模拟研究, 非均匀性由横向周期性分布的温度扰动体现, 重点分析不同波长、不同幅度的温度扰动对波阵面波系结构的影响. 计算结果表明, ZND爆轰波在温度扰动下向胞格爆轰波的转变主要受制于两种竞争性因素: 一是爆轰波内在的不稳定性; 二是温度扰动的波长和幅度, 前者是内因, 后者是外因. 温度扰动的存在抑制横波的发展, 延迟了ZND爆轰波向胞格爆轰波的演化, 并且内在不稳定性的增加可以减慢这种延迟现象. 这说明, 温度扰动可以在一定的范围内抑制胞格不稳定性的发展, 但是不能够终止这一过程. 温度的不连续性使得爆轰波阵面更为扭曲, 并在横波附近存在较弱的三波点结构, 即温度扰动可增加爆轰波固有的不稳定性, 改变爆轰波阵面的传播机理. 幅值较大的人工温度扰动可抑制爆轰波的传播和爆轰波自身的不稳定性. 爆轰波阵面胞格结构的形成取决于温度扰动与其自身的不稳定性.
2021, 53(10): 2776-2790.   doi: 10.6052/0459-1879-21-069
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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): 1-9.   doi: 10.6052/0459-1879-21-374
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流体力学
亚毫米球体撞击液滴过程实验研究
左子文, 蒋鹏, 王军锋, 王林, 霍元平
球体撞击液面是自然界和工业过程中的普遍现象. 目前相关研究主要关注毫米级及更大尺寸球体撞击水平液面. 对于亚毫米球体撞击过程的动力学特性及液滴弯曲液面对撞击行为的影响仍需深入研究. 本研究基于高速显微数码摄像技术, 开展了不同速度亚毫米球体撞击液滴不同位置的实验研究. 撞击行为呈现振荡和浸入两种模式. 由于液滴弯曲液面的存在, 撞击现象与水平液面不同, 润湿过程中三相接触线 (three phase contact line, TPCL)固定点方位角与撞击角度线性正相关, 非轴对称的空穴在TPCL固定点较高一侧率先形成且曲率半径较大. 揭示了撞击过程中球体主导力变化和能量转化机制. 分析了撞击速度和撞击角度对撞击行为的影响, 并给出了撞击模式图. 结果表明: 冲击阶段形状阻力主导撞击行为, 球体动能损耗量与撞击速度正相关. 空穴发展阶段由表面张力主导, 球体动能转化为维持空穴形状的表面能. 振荡模式空穴长度与韦伯数We正相关, 空穴发展速度差异较小. 根据量纲分析及实验结果拟合得到临界浸入韦伯数Wecr与撞击角度α关系式$We_{cr}^{1/2} $ = α/40.
2021, 53(10): 2745-2751.   doi: 10.6052/0459-1879-21-351
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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
基于多层分块算法的激波干扰流场预测
李帅, 彭俊, 罗长童, 胡宗民
激波-激波干扰流场预测是超声速乃至高超声速流动中最具挑战性的问题之一。特别地,第IV类激波干扰由于其在壁面驻点附近产生极高的热载荷而备受关注。本文针对圆柱诱导的弓形激波和入射斜激波的干扰问题,分别基于量热完全气体模型和考虑振动激发的热完全气体模型,数值求解有黏二维可压缩NS方程,分析了高温气体效应对激波干扰流场结构,以及第IV类激波干扰流场状态参数的影响。接着,本文基于一种具有广义可分离特性的遗传算法 (多层分块算法),给出能够预测不同气体模型下第IV类激波干扰流场三波点的坐标位置、超声速射流的几何形状等特征性几何结构的数学模型,进一步获得高温气体效应对激波干扰类型转变准则影响的定量化评估。激波干扰类型转变准则面上的多组临界工况的激波干扰流场结构以及壁面压力和壁面热流分布的对比结果表明,不同气体模型下的激波干扰类型和流场结构差异较为显著,获得的定量化预测模型对工程中气动热环境的预测具有一定的参考价值。
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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的应用。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。
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基于S-ALE方法的圆柱体垂直出水破冰研究
汪春辉, 王嘉安, 王超, 郭春雨, 朱广元
以往针对结构物垂直贯穿冰层破裂的研究多不考虑水的作用, 与实际应用场景不符. 本文应用LS−DYNA有限元软件建立了基于S−ALE(结构化任意拉格朗日欧拉)方法及罚函数流固耦合算法的冰−水−结构物耦合作用数值模拟方法. 采用欧拉算法描述空气域和水域, 采用拉格朗日算法描述圆柱体结构和冰层结构, 使用弹塑性应变率模型表征冰材料力学性质. 自主搭建了圆柱体垂直贯穿冰层试验台架, 验证了有限元方法计算结构物−冰层相互作用问题的可行性. 通过模拟圆柱体垂直出水破冰过程, 并与无水环境下圆柱体垂直贯穿冰层破裂过程进行对比. 结果表明: 有水环境下结构物−冰层间作用存在“水垫效应”; 冰层突破载荷极值大小与有、无水环境无显著变化; 有水环境下的结构物突破冰层冰载荷持续时间明显长于无水环境下持续时间; 有水环境冰层弹性变形阶段更长, 且有水环境冰层挠度变化大于无水环境下的挠度变化. 本文研究成果为极地冰区环境下结构物垂直出水破冰的结构强度计算及优化设计提供了研究基础.
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线形-拱形组合梁式三稳态压电俘能器动力学特性研究
张旭辉, 陈路阳, 陈孝玉, 徐冬梅, 朱福林, 郭岩
利用振动俘能技术将设备工况振动能转化为电能,为实现煤矿井下无线监测节点自供电提供了新的思路。本文通过引入非线性磁力设计了一种线形-拱形组合梁式三稳态压电俘能器,分析了磁铁水平间距、垂直间距和激励加速度对动力学特性的影响规律。利用磁偶极子法建立磁力模型,通过实验测量线形-拱形组合梁的恢复力,并采用多项式拟合得到恢复力模型,基于欧拉-伯努利梁理论和拉格朗日方程建立系统的动力学模型,从时域角度仿真分析了磁铁水平间距、垂直间距和激励加速度对系统动力学特性的影响规律。研制线形-拱形组合梁式三稳态压电俘能器样机并搭建实验平台进行实验研究,通过采集组合梁末端响应速度数据,验证了理论分析的正确性。研究表明:引入非线性磁场能够使系统势能呈现单势阱、双势阱或三势阱,激励一定时,调整磁铁水平间距和垂直间距能够使系统实现单稳态、双稳态或三稳态运动,且在三稳态运动时响应位移较大,增大激励水平有利于系统越过势垒实现大幅响应。研究为线形-拱形组合梁式三稳态压电俘能器的设计提供了理论指导。
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基于压电振动能量俘获的弯曲结构损伤监测研究
赵翔, 李思谊, 李映辉
本文建立了含裂纹的曲梁压电能量俘获系统在强迫振动下的动力学模型。基于Prescott型压电曲梁力电耦合振动方程的解析解和裂纹截面处的连续性条件,求解了含裂纹的压电曲梁的格林函数。对含裂纹的力电耦合模型的系统方程解耦,得到了强迫振动下含裂纹的曲梁压电俘能器的输出电压。在得到模型的强迫振动解析解后,提出逆方法检测结构中的裂纹损伤,这一检测方法适用于处于振动状态下的结构。在数值计算中,令裂纹深度为零,对比本文的解析解与现有文献中的结果,验证了本文解的有效性。研究了含裂纹压电曲梁的电压响应与裂纹深度、裂纹位置、材料的几何参数以及阻尼之间的关系。研究结果表明:裂纹的存在对曲梁式压电俘能器的影响比直梁式更加复杂;裂纹出现时,损伤曲梁在健康曲梁的一阶频率值处一定会出现波动并被激励出二阶频率,此时的二阶频率是开路中健康压电曲梁的一阶频率值;以及利用振动问题的解来检测压电曲梁的健康状况是可行且准确的。
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金属增材制造中的缺陷、组织形貌和成形材料力学性能
陈泽坤, 蒋佳希, 王宇嘉, 曾永攀, 高洁, 李晓雁
金属增材制造是近30年发展起来的一种新型制造技术,不同于传统的减材制造过程,它是基于离散-堆积原理,根据设计的三维数据模型,逐层加工获得立体实物的制造技术,具有近净成形、快速制造、设计自由度高等优点,特别适用于具有复杂几何结构的高熔点金属构件的直接成形,在航天航空、核能工业、交通运输、生物医疗等领域具有巨大的技术优势和广阔的应用前景。本文首先介绍了三种典型的金属增材制造技术原理,包括选区激光熔化技术、激光金属沉积技术和选区电子束熔化技术。随后对金属增材制造中的熔合不良、气孔、裂纹等缺陷的形成机理及其控制方法进行了综述,以激光功率、扫描速度和扫描策略等工艺参数为例阐述了工艺参数对成形构件组织形貌的影响,同时介绍了金属增材制造技术在传统合金、高熵合金以及非晶合金等材料中的应用及其力学性能。最后对金属增材制造在扩充可打印的合金体系、发展可预测组织形貌的模拟方法、建立金属增材制造数据库和相关标准等方向进行了展望。
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基于沿程坐标积分模式颗粒流与结构物阵列相互作用的数值模拟
杨肃, 张会琴, 余王昕, 程鹏达, 刘青泉, 王晓亮
近年来,由颗粒物质流动主导的泥石流、滑坡等自然灾害评估及其防护工作越来越受到人们的关注。本文基于沿程坐标积分模式建立了陡峭地形条件结构物作用下颗粒流运动的数值模型,可以较为准确地表征陡峭地形情形结构物影响下颗粒流的流态特征和运动过程,尤其是相互作用过程中激波结构的形成与演化,颗粒流的反射、绕射和爬升等动力效应。通过数值模拟研究了颗粒流与不同分布密度四面体结构物阵列相互作用时的流态演化与堆积形貌,提出了新型偏转效率无量纲指标,结合流通效率,定量评估了四面体结构物阵列对颗粒流流通距离和侧向铺展特征的影响。结果表明,单个四面体结构物对颗粒流的作用包括耗散作用和偏转作用两种模式,其中偏转作用尤为显著;结构物阵列对颗粒流产生综合的耗散和偏转作用,通过多级作用形成系列的弓形激波耗散颗粒流能量,通过偏转作用分隔和改变颗粒流路径,增强耗散作用,调控堆积形态,可望对下游地区产生显著的防护效果。
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基于反激变压器的压电振动能量双向操控技术
刘轩, 吴义鹏, 裘进浩, 季宏丽
压电材料因其具有良好的机电耦合特性,在振动能量俘获和结构振动控制领域有着良好的应用前景。基于同步开关和电感的压电元件接口控制电路,可以通过振荡电路工作原理调节压电元件的电压幅值和相位,优化压电振动系统的机电能量转化。优化型同步电荷提取技术即基于上述接口控制电路实现了压电振动能到电能的高效转换。本文提出了一种衍生于优化型同步电荷提取电路的压电阻尼半主动控制电路,借鉴反激变压器的原、副边能量转换特性,实现了压电振动控制系统从电能到机械能的能量操控,进而达到结构振动抑制的效果。至此,结合了压电电荷能提取与压电阻尼半主动控制技术的新电路,以反激变压器为核心实现了压电振动能量的双向操纵。论文首先介绍了相应的控制电路及工作原理,推导了新型同步开关阻尼技术下的结构的振动阻尼比模型,搭建了压电悬臂梁振动控制实验平台,最终通过实验验证了理论模型,并使用更简单的控制方法解决了振动控制系统的稳定性问题。
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