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2006年  第38卷  第2期

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论文
风沙跃移运动发展过程及静电力影响的数值模拟
黄宁, 郑晓静
建立了描述风沙跃移运动发展过程以及风场-沙粒互馈机制的风沙跃移运动数值模型,模型中考虑了风场-沙粒之间的耦合作用以及静电力的影响,同时风场是随时间变化的. 模拟了风沙跃移运动从起始阶段至风沙流达到自平衡状态的整个发展过程所需的时间,起沙率与单宽输沙率随时间变化曲线,以及达到稳定后的单位面积输沙率沿高度分布以及贴地风速廓线的影响. 计算结果表明,当沙粒平均带电量为60μC/kg时,计算所得的单宽输沙率以及输沙率沿高度分布与实验结果吻合得较好.
2006, 38(2): 145-152. doi: 10.6052/0459-1879-2006-2-2005-057
较高Re数圆柱尾流的控制
邵传平, 王建明
引入一个窄条作为控制件,在Re=3.0×10 3~2.0×10 4范围内对圆柱尾流进行控制实验。窄条长度与柱体长度相同,厚度为柱体直径的 0.015~0.025倍,宽度为柱体直径的0.18倍. 窄条的两个长边与柱中心轴平行, 而且三者共面.控制参数为窄条位置, 可由间距(窄条到柱轴)比λ/(0.5D)和风向角β (窄条面与来流的夹角)确定.采用流动显示和热线测量方法,对控制和未控制尾流的流动状态,平均速度分布和脉动速度情况,以及作用于柱体和控制件的总阻力进行了研究和比较.研究结果证明, 当窄条位于柱体尾流中一定区域内时,可有效抑制柱体两侧的旋涡脱落.有效控制后的尾流湍流度也相应减小.在不同Re数下,找出了有效抑制旋涡脱落的窄条位置区域,并用动量积分估计了作用于柱体和窄条上的总阻力与光圆柱阻力的比值及其随风向角的变化. 对λ/(0.5D)=2.9情况,得到了减阻的风向角区域(β=0°~40°与180°附近)以及最大减阻率32%.以上事实表明,在近尾流局部区域施加小的干扰,可改变较高Re数圆柱尾流的整体性质.
2006, 38(2): 153-161. doi: 10.6052/0459-1879-2006-2-2005-241
基区无吹氦环柱型高超音速低温喷管流场分析
刘文广, 陆启生, 刘泽金
设计了小基区、基区不吹He的环柱型高能化学激光器环形HYLTE喷管阵列,并使用数值模拟的方法对环形HYLTE喷管阵列流场的气动性能和光学性能进行了分析. 结果表明,该设计有利于形成ν= 1 →ν = 0之间振转跃迁谱线,不利于ν = 2→ν =1之间振转跃迁谱线的形成,由于光腔区绝大多数的HF(2)分子碰撞去激活后成为HF(1)分子,从而使1P谱线的小信号增益倍增,无基区吹He的设计有利于提高高能化学激光器的效率. 采用小基区的设计可以增大喷管阵列的功率流密度,无基区吹He的设计不但可以使复杂的环形高超音速低温喷管叶片的加工与装配得到简化,而且降低了激光器工作气体的消耗. 因此该设计不但有利于实现高能激光器的紧凑化设计,还有利于节省高能激光器建造和运行的成本.
2006, 38(2): 162-169. doi: 10.6052/0459-1879-2006-2-2004-449
非饱和多孔介质中热-渗流-力学耦合的混合元法
刘泽佳, 李锡夔
提出了一个非饱和多孔介质中热-渗流-力学耦合分析的混合有限元方法. 固相位移、应变和净应力;孔隙水和气的压力、压力空间梯度和Darcy速度;多相混合介质的温度、温度空间梯度和热流量在单元内均为独立变量分别插值. 基于胡海昌-Washizu三变量广义变分原理给出的多孔介质中热-渗流-力学耦合问题控制方程的单元弱形式,导出了单元公式. 采用共旋公式进行几何非线性分析. 数值结果证明了所提出的单元模拟以应变局部化为特征的渐进破坏的能力
2006, 38(2): 170-175. doi: 10.6052/0459-1879-2006-2-2005-162
泡沫金属压痕试验的数值模拟及其反演
柳畅, 陈常青, 沈亚鹏
在理论研究的基础上,将泡沫金属压痕试验的有限元数值模拟结果与用无量纲分析法构造出的一系列无量纲函数相结合,建立了泡沫金属压痕试验中载荷-压痕深度关系曲线与泡沫金属的弹塑性材料参数之间的联系. 利用这种联系,就可以实现用压痕试验通过反演分析来确定泡沫金属的材料参数.研究结果表明,泡沫金属材料的杨氏模量,屈服强度及塑性可压缩因子等参数均可由其压痕试验唯一的确定,但其塑性平台区终点应变的确定还需进一步的研究.
2006, 38(2): 176-184. doi: 10.6052/0459-1879-2006-2-2005-128
压电螺位错与含界面裂纹圆形涂层夹杂的干涉
刘又文, 方棋洪, 蒋持平
研究位于基体或夹杂中任意点的压电螺型位错与含界面裂纹圆形涂层夹杂的电弹耦合干涉问题. 运用复变函数方法,获得了基体,涂层和夹杂中复势函数的一般解答. 典型例子给出了界面含有一条裂纹时,复势函数的精确级数形式解. 基于已获得的复势函数和广义Peach-Koehler公式,计算了作用在位错上的像力. 讨论了裂纹几何条件,涂层厚度和材料特性对位错平衡位置的影响规律. 结果表明,界面裂纹对涂层夹杂附近的位错运动有很大的影响效应,含界面裂纹涂层夹杂对位错的捕获能力强于完整粘结情况;并发现界面裂纹长度和涂层材料常数达到某一个临界值时可以改变像力的方向. 解答的特殊情形包含了以往文献的几个结果.
2006, 38(2): 185-191. doi: 10.6052/0459-1879-2006-2-2005-150
Ⅲ型界面裂纹面受变载荷Pxmtn作用下的自相似解
吕念春, 程云虹, 李新刚, 程靳
通过复变函数论的方法,对Ⅲ型界面裂纹表面受变载荷$Px^mt^n$作用下的动态扩展问题进行了研究. 采用自相似函数的方法可以获得解析解的一般表达式. 应用该法可以很容易地将所讨论的问题转化为Riemann-Hilbert问题, 然后应用Muskhelishvili方法就可以较简单地得到问题的闭合解. 利用这些解并采用叠加原理,就可以求得任意复杂问题的解.
2006, 38(2): 192-198. doi: 10.6052/0459-1879-2006-2-2004-391
混凝土材料冲击特性的研究
宁建国, 商霖, 孙远翔
基于混凝土材料强冲击加载下的试验研究,提出了两种损伤型动态本构模型:损伤型黏弹性本构模型和损伤与塑性耦合的本构模型. 通过模型计算结果与冲击试验结果的比较可发现,随着冲击速度的提高,混凝土材料内部产生了显著的塑性变形,由此损伤型黏弹性本构模型的应用就存在一些不足. 而损伤与塑性耦合的本构模型由于考虑了裂纹扩展引起的材料强度和刚度的弱化,以及微空洞缺陷塌陷引起的塑性变形,因而能更好地用于模拟强冲击载荷作用下混凝土材料的冲击响应特性.
2006, 38(2): 199-208. doi: 10.6052/0459-1879-2006-2-2005-172
浅埋圆形孔洞附近的半圆形凸起对SH波的散射
刘殿魁, 王国庆
采用"契合"的思想,给出了地下孔洞与地面上的半圆形凸起地形对SH波散射问题的解答. 将整个求解区域分割成两部分来处理. 其一为包括半圆形凸起地形在内的一个圆形区域I,其余为区域II. 在区域I和II中分别构造位移解,并在两个区域的"公共边界"上实施"契合". 在区域I中构造一个上半部边界应力为零,而其余部分位移、应力任意的驻波解,在区域II中构造出半圆形凹陷和浅埋圆孔的散射波,且要求它满足水平界面上应力为零的约束条件. 然后再通过移动坐标,满足"公共边界"的"契合"条件和地下孔洞的边界条件,建立起求解该问题的无穷代数方程组. 最后,给出了分析例题和数值结果,并对其进行了讨论.
2006, 38(2): 209-218. doi: 10.6052/0459-1879-2006-2-2004-508
成层半空间出平面自由波场的一维化时域算法
刘晶波, 王艳
提出了一种计算出平面SH波斜入射时弹性水平成层半空间中自由波场时域计算的一维化有限元方法. 在进行有限元网格划分时,竖向单元取满足有限元模拟精度的任意尺寸,水平向网格尺寸由时间离散步长和水平视波速确定,并自动进行虚拟网格划分. 基底设置人工边界,并将波动输入转化为等效荷载施加在边界节点上. 然后将集中质量有限元法和中心差分法相结合建立节点运动方程,并将水平方向相邻节点的运动用该节点相邻时刻的运动表示,从而将求解节点运动的二维方程组转化为一维方程组. 求解此方程组,即得到自由场中竖向一列节点的运动. 最后根据行波传播的特点,可方便地确定全部自由波场. 理论分析和数值算例表明,该方法具有较高的精度和良好的稳定性.
2006, 38(2): 219-225. doi: 10.6052/0459-1879-2006-2-2005-294
周期性结构热动力时间-空间多尺度分析
张洪武, 张盛, 毕金英
研究一种时间-空间多尺度渐近均匀化分析方法,模拟不同的极端热和动力载荷下微尺度多相周期性结构中热动力响应问题,并建立一个广义的波动函数场控制方程描述热动力响应.通过引入一个放大空间尺度和两个缩小时间尺度,在不同时间尺度上获得由空间非均匀性引起的波动效应和非局部效应. 根据高阶均匀化理论在空间和时间上进行均匀化,获得高阶非局部函数场波动方程. 并进一步用C0连续修正了高阶非局部函数场波动方程的有限元近似解,使问题的求解避免了对有限元离散的C1连续性要求. 并与经典的空间均匀化方法相比较,指出了经典的空间均匀化方法的局限性,进一步以一维非傅立叶热传导和热动力问题为例,讨论了各种情况下方法的正确性与有效性.
2006, 38(2): 226-235. doi: 10.6052/0459-1879-2006-2-2004-519
槽道湍流近壁结构的DPIV观测实验
黄湛, 申功炘
采用DPIV系统(由两台CCD相机组成)对槽道湍流进行速度场时间历程的观测实验,通过对大量测量结果的综合分析,取得了槽道湍流近壁结构的空间结构及其时间演化过程特征的结果,可以揭示上扫下掠、湍流瞬时速度型等现象与大尺度涡演化的物理关系,解释若干湍流大尺度结构的特征机理,还表明DPIV系统提供了一种定量观测湍流的时空结构特征的手段.
2006, 38(2): 236-245. doi: 10.6052/0459-1879-2006-2-2005-119
植被作用下的复式河槽流速分布特性
杨克君, 刘兴年, 曹叔尤, 拾兵, 张之湘
通过水槽试验,探讨了不同滩地植物 (乔木、灌木和野草)对复式河槽流速分布的影响. 详细地介绍试验过程及三维流速仪ADV的测量原理. 试验时,选塑料吸管、鸭毛和塑料大草分别模拟乔木、灌木和野草. 同时,考虑了流量、床面底坡对流速分布的影响. 试验结果表明,滩地未种树的复式河槽在大的相对水深时,流速满足对数分布;滩地种树后,主槽流速增大,流速分布复杂,滩地流速减小,呈S 形分布,不同植物的S 形分布是不同的. 这种S型分布将水流划分为3个区的复杂行为,每区的范围与水深,垂线位置和植物类型有关.床面坡度对流速分布的影响非常明显
2006, 38(2): 246-250. doi: 10.6052/0459-1879-2006-2-2004-511
圆弧形裂纹问题中的应力对数奇异性
陈宜周, 李福林, 林筱云
研究了无限大板上的一条圆孤形裂纹, 又在裂纹表面作用有反对称载荷. 换言之,裂纹两侧表面的载荷是大小相等方向相同的.上述问题可用复变函数方法来解决. 应力和位移分量通过两个复位函数来表示.经过一系列推导, 此问题可归结为复变函数的黎曼-希尔巴德(Riemann-Hilbert)问题, 并且可用闭合形式得出解答. 裂纹端的应力强度因子用通常方法定出.在裂纹端邻域, 得到的复位函数中有对数函数部分. 由这个对数函数部分,可以定义和得出裂纹端的对数奇异性, 此对数奇异性系数用闭合型式得出.
2006, 38(2): 251-254. doi: 10.6052/0459-1879-2006-2-2005-134
一种考虑拉伸保持效应的多轴疲劳寿命模型
杨晓光, 石多奇, 王延荣
通过定义考虑拉伸保载效应的CFI因子(creep-fatigue interactionfactor),将拉伸蠕变损伤和疲劳损伤进行非线性耦合. 根据断裂实验的观察,针对拉伸主导的裂纹萌生、扩展及破坏的多轴疲劳问题,给出了一个基于临界面方法的能量型高温多轴疲劳寿命预测模型. 所给出的模型可对不同温度、不同载荷特点、不同保载时间的多轴疲劳寿命进行预测,模型的材料参数不依赖于温度和载荷. 并且此方法可以很方便地推广到其它因素主导破坏的高温多轴疲劳寿命预测. 通过拟合高温合金Udimet720Li单轴带保持时间的低循环疲劳(low cycle fatigue, LCF)寿命试验数据,得到了材料常数. 结合黏塑性有限元分析方法,对高温双轴带保载循环载荷下Cruciform试件的寿命进行了预测,预测结果基本落在2倍分散带内,达到工程的要求,证明了该模型的有效性.
2006, 38(2): 255-261. doi: 10.6052/0459-1879-2006-2-2005-022
无约束修正Timoshenko梁的冲击问题
陈镕, 万春风, 薛松涛, 王远功
介绍了修正后的Timoshenko梁运动方程,并比较了修正Timoshenko梁与经典Timoshenko梁的运动方程. 推导了考虑剪切变形引起的转动惯量的修正Timoshenko梁的正交条件,推导了集中质量对无约束修正Timoshenko梁的正碰撞对梁所引起的瞬态冲击响应公式,并用算例进行了分析,且与集中质量对经典的无约束Timoshenko梁的正碰撞对梁所引起的冲击响应进行了比较,另外还用算例分析了梁的刚度的变化和冲击质量比对其冲击响应产生的影响.
2006, 38(2): 262-269. doi: 10.6052/0459-1879-2006-2-2004-380
窦部对称狭窄对颈动脉内流场影响的数值研究
蒋文涛, 樊瑜波, 邹远文, 陈君楷
以颈动脉分岔血管为例,采用数值方法研究了窦部环缩狭窄之后的流场分布情况,并和正常血管情况下的流场分布进行了比较. 结果表明,采用环缩方式给颈动脉分岔血管施加对称的狭窄改变了颈动脉窦内流场,特别是壁面剪应力的分布规律. 低剪应力区出现在狭窄段之后的窦内,并且沿整个周向均匀分布. 根据低剪应力和动脉粥样硬化的关系,指出:若人为地给颈动脉窦内施加对称狭窄,则脂质沉积将在狭窄下游的窦内沿周向轴对称发展. 为了更真实地反映颈动脉窦内的狭窄,建议根据动脉血管中的实际狭窄情况,采用非对称的狭窄分布模式.
2006, 38(2): 270-275. doi: 10.6052/0459-1879-2006-2-2005-353
作大范围空间运动柔性梁的刚-柔耦合动力学
刘锦阳, 李彬, 洪嘉振
研究带中心刚体的作大范围空间运动梁的刚-柔耦合动力学问题. 从精确的应变-位移关系式出发,在动力学变分方程中, 考虑了横截面转动的惯性力偶和与扭转变形有关的弹性力的虚功率,用速度变分原理建立了考虑几何非线性的空间梁的刚-柔耦合动力学方程,用有限元法进行离散. 通过对空间梁系统的数值仿真研究扭转变形和截面转动惯量对系统动力学性态的影响.
2006, 38(2): 276-282. doi: 10.6052/0459-1879-2006-2-2005-101
含噪双稳杜芬振子矩方程的分岔与随机共振
张广军, 徐健学, 姚宏
研究了含噪声的双稳杜芬振子矩方程的分岔与随机共振的关系,并根据它们的关系, 从另一个角度揭示了随机共振发生的机制. 首先在It?方程的基础上,导出了双稳杜芬振子在白噪声和弱周期信号作用下的矩方程,其次以噪声强度为分岔参数分析了矩方程的分岔特性,再次分析了矩方程的分岔与双稳杜芬振子随机共振之间的关系,最后根据该对应关系从另一种观点提出了双稳杜芬振子随机共振的机制,该机制是由于以噪声强度为分岔参数的矩方程发生了分岔,而分岔使得原系统响应均值的能量分布发生了转移,使能量向频率等于输入信号频率的分量处集中,使得弱信号得到了放大,随机共振发生了.
2006, 38(2): 288-293. doi: 10.6052/0459-1879-2006-2-2004-414