力学学报

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耿云飞阎超

针对传统的与钝体轴线共线安装的固定式激波针方法在有攻角状态所存在的问题, 在前人工作基础上得到一种新型高超声速飞行器减阻/降热方法------自适应激波针方法. 将该方法应用于三维高超声速轴对称钝锥外形以及扁平楔外形, 并采用数值模拟的方法对其进行了概念验证. 在0^○~120^○攻角范围内, 对不同L/D参数的激波针外形流场以及前缘壁面的压力、热流分布等进行了对比分析. 结果表明, 这种新型自适应激波针方法无论在无攻角还是有攻角状态, 均可有效降低高超声速飞行器头部壁面的压力和热流, 可以有效解决传统激波针方法在较大攻角情况状态下失效的问题.

2011, 43(3): 441-446. doi: 10.6052/0459-1879-2011-3-lxxb2010-732

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湍动剪切微米尺度粒子凝并TEMOM模型研究

于明州江影张凯

湍动流场中剪切凝并是导致微纳米尺度颗粒系统非稳定性的主要机理. 耦合相应的湍流计算模型, Smoluchowski平均场理论可以有效地解决该颗粒系统的时空演化问题. 把泰勒展开矩方法(TEMOM)应用于微纳米尺度颗粒剪切碰撞问题, 重点研究湍动剪切条件下,Smoluchowski方程在矩方法框架内的封闭问题, 并进一步分析计算精度与展开阶数的关系.结果表明, 所提部分四阶泰勒展开矩方法模型能以较高精度对微纳米尺度湍动剪切凝并问题进行理论分析, 且证实微纳米尺度颗粒系统在湍动剪切凝并机理控制下存在拟自保持分布状态特性.

2011, 43(3): 447-453. doi: 10.6052/0459-1879-2011-3-lxxb2010-115

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大霍尔系数下电离气体与磁场相互作用规律数值研究

胡海洋杨云军周伟江

通过洛伦兹力与焦耳热耦合流场N-S方程和电势场泊松方程, 实现对低磁雷诺数磁流体流场的数值模拟, 并考虑霍尔效应和外电路对计算结果的影响. 采用无虚拟时间步的LUSGS预处理BI-CGSTAB算法解决了大霍尔系数下泊松方程病态矩阵求解问题. 对霍尔系数10$^2$的量级的高超声速磁流体圆管绕流和进气道隔离段能量沉积两种现象的数值模拟表明, 外电路、电极冷却措施、等离子体均匀度对电磁力作用效果影响很大.

2011, 43(3): 453-460. doi: 10.6052/0459-1879-2011-3-lxxb2010-287

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切应力协同下受热过冷层流液膜的破断特性

叶学民李春曦阎维平

针对界面切应力协同下受热过冷层流液膜流动的破断过程, 建立了不同气液流向下的临界液膜厚度和最小润湿量的理论模型, 分析了不同驱动力作用下, 接触角、流体温度、界面切应力和壁面热流密度对液膜破断特性的影响. 研究表明: 临界液膜厚度和最小润湿量均随壁面热流密度的增加而增大; 重力驱动下的接触角影响在不同热流密度下有所不同, 流体温度在不同驱动力下对最小润湿量的影响截然相反; 同向切应力驱动下临界液膜厚度和最小润湿量随切应力增加而减小; 在重力和切应力协同驱动下, 同向切应力对最小润湿量的影响与重力和切应力所起作用的相对大小有关, 反向切应力使得临界液膜厚度和最小润湿量有所增大.

2011, 43(3): 461-467. doi: 10.6052/0459-1879-2011-3-lxxb2009-673

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下倾管-立管水气严重段塞流数值模拟

高嵩尤云祥李巍胡天群俞忠

针对海洋油气传输中常见的下倾管-立管系统, 采用Brackbill模型模拟气液相界面间表面张力, VOF方法追踪气液两相运动界面, 提出了管内气液两相流数值模拟方法. 在低气液相进口折算速度下, 数值模拟了该种管型下的严重段塞流动现象, 分析了相关物理参数的变化特性. 结果表明, 在严重段塞流下, 管内流型流态、压力、液塞运动速度、立管出口气液相平均速度、下倾管及立管内含气率等均具有明显周期性特征, 而且一个周期内严重段塞流可分为4个阶段, 进而给出了各阶段中相关参数的变化特性. 数值模拟结果与相关文献中的实验结果吻合良好,表明了该数值模拟方法的有效性.

2011, 43(3): 468-475. doi: 10.6052/0459-1879-2011-3-lxxb2009-675

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一维河网泥沙输移模式研究

韩冬方红卫陈明洪何国建白静

推导了一种显式的河网泥沙输移递推计算方法, 该方法在水动力学计算结果所确定的汊点类型基础上, 直接计算每个河段中逐个节点的不平衡泥沙输沙过程以及悬沙和床沙的级配调整, 克服了传统方法中必须通过首末断面含沙量关系确定河网悬沙矩阵求解的困难. 将该泥沙输移模式的一维河网水沙数学模型, 应用于长江三峡下游荆江-洞庭湖河网区域, 并取得了较好的计算结果.在模型验证之后, 进一步讨论了采用新的泥沙输移计算模式和原有泥沙输移计算模式在计算时间上和计算内容方面的差别.

2011, 43(3): 476-481. doi: 10.6052/0459-1879-2011-3-lxxb2010-384

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纳米颗粒在人类鼻腔中沉降率的研究

赵晓东张凯田福真

借助欧拉和拉格朗日方法数值模拟了纳米颗粒在人类鼻腔中的输运和沉降. 在采用有限体积法以及k-w湍流模型求解流场的基础上, 通过单向耦合的拉格朗日方法得出了水动力、热泳力和布朗力等综合作用下的纳米颗粒的运动轨迹以及沉降率. 研究发现, 非常微小的纳米颗粒在鼻腔内的沉降率非常高; 粒径在1~10nm的纳米颗粒在鼻腔中的沉降率从80%降至18%; 粒径在10sim150nm之间的纳米颗粒在鼻腔中的沉降率变化很小,且其值介于15%~18%之间.

2011, 43(3): 482-487. doi: 10.6052/0459-1879-2011-3-lxxb2010-512

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输入受限LQ控制的参变量变分原理和算法

彭海军高强张洪武吴志刚钟万勰

在最优控制理论中根据模拟理论思想发展了塑性力学和接触力学中的参变量变分原理, 并建立了控制输入受限的线性二次(linear quadratic, LQ)最优控制问题的求解新方程---耦合的Hamilton正则方程与线性互补方程. 通过将连续时间离散成一系列等间距时间区段, 在离散时域内采用参数二次规划方法给出数值求解输入受限的LQ最优控制问题的新算法. 数值仿真验证了该算法在求解控制输入受限的LQ最优控制问题中的有效性, 并且该算法具有较快的收敛性, 在大步长下具有较高的计算精度.

2011, 43(3): 488-495. doi: 10.6052/0459-1879-2011-3-lxxb2010-465

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配点型区间有限元法

邱志平祁武超

在分析Taylor展开``点逼近''区间有限元法不足的基础上, 提出了基于Chebyshev第一类正交多项式全局逼近目标函数的配点型区间有限元法. 该方法不需要计算目标函数对不确定性变量的灵敏度, 不要求不确定性变量的变化范围为小区间, 并适合求解目标函数为不确定变量非线性函数的情形. 目标函数正交展开式的系数采用Gauss-Chebyshev求积公式得到,故需要在不确定性变量所在区间内配置高斯积分点. 计算目标函数在高斯点的取值是该方法的主要工作量, 当不确定性变量数为m, 并选用高斯十点法进行积分时, 需要对系统进行12$m$次分析. 算例表明, 在其他区间有限元法失效的情况下, 配点型区间有限元法依然能够得到几乎精确的区间界限.

2011, 43(3): 496-504. doi: 10.6052/0459-1879-2011-3-lxxb2010-382

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随机过程的随机谐和函数表达

陈建兵李杰

研究了随机过程的随机谐和函数表达及其性质. 首先证明了当随机谐和函数的频率分布与目标功率谱密度函数形状一致时, 随机谐和函数过程的功率谱密度函数等于目标功率谱密度函数. 进而, 证明了随机谐和函数过程的渐进正态性, 讨论了趋向正态分布的速率, 并采用Pearson分布研究了一维概率密度函数的性质. 与已有的随机过程谱表达方式相比, 采用随机谐和函数表达, 仅需要很少的展开项数, 即可获得精确的目标功率谱密度函数, 从而大大降低了与之相关的随机动力系统分析的难度. 最后, 以多自由度体系的线性和非线性响应分析为例, 验证了随机谐和函数模型的有效性和优越性.

2011, 43(3): 505-513. doi: 10.6052/0459-1879-2011-3-lxxb2010-375

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蜂窝板复合材料的等价弹性模量

陈玳珩杨璐

运用复合法则计算蜂窝板复合材料的等价弹性模量, 并把此值与有限元法的分析数值计算结果进行比较, 指出在运用复合法则计算等价弹性模量时, 由于未考虑到蜂窝芯板与面板间的位移连续性条件, 其误差将很大; 提出了满足蜂窝芯板与面板间的位移连续性条件下的等价弹性模量理论分析的新的计算方法, 并且通过与有限元法的数值分析结果进行比较, 确认其有效性.

2011, 43(3): 514-522. doi: 10.6052/0459-1879-2011-3-lxxb2010-113

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内压圆筒斜接管结构的棘轮效应分析

杨立栋董俊华高炳军

利用自行设计的圆筒斜接管面内弯曲加载装置, 采用电阻应变法, 在多轴疲劳实验机上对循环弯曲载荷作用下的20$^{\#}$钢内压圆筒斜接管结构进行了棘轮效应试验, 发现斜接管结构的锐角区存在棘轮应变, 且主要发生在第一主应变方向即指向焊缝的方向. 对于所研究的实验结构, 最大棘轮应变点出现在对称面锐角区的接管侧. 采用阶梯加载的方法确定了各考察点的棘轮边界. 选取4种典型的随动强化模型, 借助ANSYS软件的二次开发对面内循环弯矩作用下内压斜接管结构的棘轮效应进行数值模拟, 发现Ohno-Wang模型及基于Ohno-Wang模型的改进模型对棘轮应变的预测较为准确. 采用MJS(modifed Jiang-Sehitoglu)模型按等效塑性应变增量控制法得到了与实验结果基本吻合的各考察点的棘轮边界, 并根据最大棘轮应变点的数据确定了结构的棘轮边界, 可用于该结构的塑性安定性评价.

2011, 43(3): 523-532. doi: 10.6052/0459-1879-2011-3-lxxb2009-698

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饱和多孔介质中Lamb问题的Green函数解答

丁伯阳陈军潘晓东

利用作者根据饱和多孔介质动力学方程快、慢纵波解耦求得的集中力作用下饱和多孔介质Green函数解答, 通过柱坐标变换, 运用Sommerfeld积分, 再根据自由表面应力为零的特征, 添加自由表面影响场, 从而求得半无限空间集中力作用下饱和多孔介质动力学问题的解答. 其结果与Philippacopoulos解答结果一致; 当饱和多孔蜕化为单相时与Lamb的方程一致. 整个推导过程明了, 物理意义也较为清晰; 方法符合常规解法. 因此, 该方法为简化与规范饱和多孔介质动力学问题的解答提供了基础; 并且能为一直未解决的半无限空间饱和多孔介质动力学问题的流相解答(诸如孔隙压、排水量)提供解决途径.

2011, 43(3): 533-541. doi: 10.6052/0459-1879-2011-3-lxxb2010-090

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空间飞网两种动力学模型的比较研究

李京阳于洋宝音贺西李俊峰

空间飞网由轻质绳索编织, 通过抛撒展开形成一定构型的网, 在空间在轨服务、飞行器回收、轨道清理、空间拦截等领域具有巨大的应用潜力. 采用非线性有限元软件ABAQUS建立柔性模型与松弛飞网模型, 对两种飞网模型的抛撒展开进行了对比, 提出了飞网展开效果的衡量标准, 重点讨论了不同工况下牵引质量块质量、抛射角度、抛射速度和绳索等效阻尼的影响. 仿真表明, 松弛模型的展开效果优于柔性模型; 牵引质量块质量、抛射速度与绳索结构阻尼主要决定飞网的展开, 抛射角度是影响飞网在预定位置展开面积的关键因素.

2011, 43(3): 542-550. doi: 10.6052/0459-1879-2011-3-lxxb2010-390

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宽带噪声作用下黏弹性板的矩Lyapunov指数

黄勇李胜宏刘先斌

主要研究了在超音速流中受宽带噪声作用的黏弹性板随机振动系统的矩Lyapunov指数.首先, 采用vonKarman板弯理论, 活塞理论以及Galerkin近似法建立了两个自由度耦合的系统运动的随机微分方程. 其次, 应用随机平均法将四维系统降为二维系统. 接着, 对系统采用极坐标变换,通过Girsanov定理和Feynmann-Kac公式得到后向微分算子. 通过对特征函数进行正交Fourier余弦级数展开得到系统矩Lyapunov指数的近似解析式. 并通过MonteCarle仿真得到系统矩Lyapunov指数的数值解验证了近似解析式的可信性. 最后研究了系统参数、气动力参数以及随机噪声谱密度对黏弹性板稳定性的影响.

2011, 43(3): 551-560. doi: 10.6052/0459-1879-2011-3-lxxb2009-776

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考虑翘曲效应的圆柱螺旋弹簧的振动分析

郝颖虞爱民

以空间曲梁理论为基础对簧丝截面为矩形的圆柱螺旋弹簧的自由振动特性进行了研究. 在弹簧的运动微分方程中, 所有的位移函数和广义翘曲坐标均定义在横截面的形心主轴上, 同时考虑了翘曲变形对弹簧固有频率的影响. 通过精确地应用符号运算软件MATHEMATICA可以得到振动模态的显式表达式, 固有频率则可用搜索的方法来确定. 在较宽的范围内, 给出了各种参数变化, 如簧丝截面的宽高比(a/ b = 0.6 ~ 1.7)、螺旋角(\bar {\alpha } = 5^\circ ~ 12.5^ \circ)、弹簧工作圈数(n = 6 ~ 12)和圆柱螺旋线半径(R = 4~ 10mm)对固有频率的影响. 为了证明解析法的有效性, 对两端固支和一端固支、一端自由矩形截面圆柱螺旋弹簧的固有频率和振动模态进行了求解, 并同ANSYS三维实体单元(Solid45)的结果和文献的结果进行了比较. 计算表明: 用解析方法得到的解和用数值方法得到的结果吻合得很好.

2011, 43(3): 561-569. doi: 10.6052/0459-1879-2011-3-lxxb2010-101

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含非理想空间棱柱铰的多体系统接触分析

齐朝晖罗晓明黄志浩

传统的接触分析方法通过物体间的相对运动确定接触位置. 将这种方法用于多体系统中铰内的接触分析时, 无论铰内间隙是否十分微小都必须解除铰的运动学约束, 从而导致求解效率和求解精度方面的诸多弊端. 基于铰约束反力与铰内接触力之间的力系等效关系, 以及铰内可能接触点运动之间内在的运动学关系, 以矩形截面的棱柱铰为例, 提出了一种对空间棱柱铰进行摩擦接触分析的方法, 可在不解除铰的运动学约束的前提下得到铰内接触模式和接触力. 数值算例验证了方法的可行性.

2011, 43(3): 570-578. doi: 10.6052/0459-1879-2011-3-lxxb2009-669

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非光滑动力系统的迭代图胞映射法

李爽贺群

分析了图胞映射方法在处理非光滑动力系统过程中遇到的关键问题------胞流扩张. 为了有效减小胞流扩张, 基于迭代图胞映射方法, 通过引入人工顶点集的概念, 构建了非光滑系统迭代图胞映射具体实施方案, 讨论了在此过程中值得注意的事项. 结合典型实例分析, 证实了该方法的有效性.

2011, 43(3): 579-585. doi: 10.6052/0459-1879-2011-3-lxxb2010-042

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黏弹性复合材料梁动力学实验建模的研究

吴健叶敏李兴窦苏广

以ABS树脂为基材, 填充1%~10%的金红石纳米二氧化钛制成纳米复合材料样本系列,搭建了参数激励非线性振动实验系统. 采用实验建模的方法, 基于非线性增量谐波平衡识别理论,建立了黏弹性复合材料屈曲梁的动力学控制方程. 通过数值模拟与实验结果的比较, 验证了理论模型和实验系统在定性定量分析上的一致性, 并且对一类不同配比成分的纳米复合材料也有很好的适用性.

2011, 43(3): 586-597. doi: 10.6052/0459-1879-2011-3-lxxb2010-326

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基于虚拟变形法的车-桥耦合系统移动质量识别

张青霞段忠东 Lukasz Jankowski

利用双自由度质量-弹簧阻尼模型模拟移动车辆, 并基于虚拟变形(VDM)方法的结构快速重分析思想, 提出一种车-桥耦合系统的移动质量快速识别的有效方法. 该方法以双自由度车体模型的质量为变量, 通过最小化桥体结构实测响应和计算响应的平方距离来识别移动质量(载荷), 避免了识别载荷时常遇到的病态问题, 对噪声鲁棒性强, 且需要传感器信息少. 每步优化中, 利用在VDM方法基础上提出的移动动态影响矩阵概念, 无需时时重构车-桥耦合系统的时变系统参数矩阵, 显著提高了计算效率. 利用数值框架梁模型, 通过比较不同车辆简化模型对移动体质量及等效移动载荷的识别效果, 验证了该方法的可行性和有效性, 即使在5%的噪声影响下, 利用一个传感器可以准确地识别多个移动体的质量.

2011, 43(3): 598-610. doi: 10.6052/0459-1879-2011-3-lxxb2009-481

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基于几何不确定性的翼型多目标稳健优化设计

李焦赞高正红

提出在优化设计进程中引进基于各种不确定性波动的稳健优化设计思想, 进行多目标进化优化算法与代理模型技术在稳健优化设计中的应用研究. 提供翼型确定性优化和稳健性优化实例, 并对结果进行对比, 结果表明该稳健优化设计方法可以得到更有实际应用价值的翼型气动外形.

2011, 43(3): 611-615. doi: 10.6052/0459-1879-2011-3-lxxb2010-066

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基于大涡模拟的移动粒子半隐式法研究

潘徐杰张怀新孙学尧

将大涡模拟(LES)和无网格的移动粒子半隐式法(MPS)相结合, 以求解湍流中的自由表面问题. 对N-S方程进行滤波计算可得到大涡模拟的控制方程, 大涡模拟的控制方程相对于以往的移动粒子半隐式法而言仅多出雷诺应力项, 通过亚粒子应力(sub-particle-scale,SPS)模型并引入Smagorinsky涡黏模型将雷诺应力模型化, 可实现移动粒子半隐式法的大涡模拟. 将MPS-LES应用至具有大变形自由表面的共振晃荡中, 其模拟结果同实验及其他数值模拟结果都相当接近.

2011, 43(3): 616-620. doi: 10.6052/0459-1879-2011-3-lxxb2010-403

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线化欧拉方程的高阶间断有限元数值解法研究

吕宏强朱国祥宋江勇伍贻兆

采用高阶间断有限元法于非结构网格上针对复杂外形数值求解声学控制方程------线化欧拉方程. 背景流场采用有限体积法于结构网格求得, 一种高精度数据传递方法将基于有限体积法的背景流场数据传递到声场计算所采用的较为稀疏的非结构网格上, 保证了背景流场信息的完整和精确. 为提高计算效率, 采用了一种更为直接的Quadrature-FreeImplementation技术以及网格分区并行技术. 数值结果表明采用高阶的情况下即使在稀疏的网格上也可以捕捉到细微的声场结构.

2011, 43(3): 621-624. doi: 10.6052/0459-1879-2011-3-lxxb2010-077

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绕栅中水翼空化流动的数值和实验研究

时素果王国玉黄彪

采用数值计算和实验研究的方法研究了绕水翼和栅中水翼的非定常空化流动. 实验采用高速录像技术分别观察了绕水翼和栅中水翼云状空化形态随时间的变化, 测量了升阻力, 并对测量数据进行了频率分析. 计算时空化模型选用了能比较准确描述旋涡空化非定常特性的Kubota模型, 湍流模型采用能准确捕捉流场非定常特性的FBM模型. 计算模型的可靠性用实验结果进行验证. 结果表明, 计算与实验的结果基本一致, 相比绕单个水翼的空化流动, 绕栅中水翼的空穴厚度比较薄, 翼型近壁处的逆压梯度较小, 反向射流的速度较小, 且水汽混合区速度梯度较小, 空穴的脱落周期变长, 平均升阻力系数较小

2011, 43(3): 625-629. doi: 10.6052/0459-1879-2011-3-lxxb2010-427

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瞬态热冲击下层合材料板界面的热弹性行为

熊启林田晓耕沈亚鹏夏荣厚

基于带有两个热松弛时间的G-L广义热弹性理论, 利用有限元方法研究了零阻抗理想界面层合板在瞬态热冲击诱导的位移、应力和温度等通过界面时的热弹性行为. 通过比较不同层中材料的比热容、热导系数、热松弛时间和密度等对界面处的位移、应力和温度的影响, 研究了不同材料参数对复合材料热力学行为影响, 发现不同材料参数将导致热穿过界面时界面处温度、位移和应力发生突变, 研究结果可以为由热引起的层合板挠曲变形提供理论依据.

2011, 43(3): 630-634. doi: 10.6052/0459-1879-2011-3-lxxb2010-284

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旋转Rayleigh梁动力学性能的研究

钱新杜星文

采用广义Hamilton原理推导了旋转Rayleigh梁在重力作用下的运动方程, 研究了简支-简支边界条件下旋转Rayleigh梁的动态特性, 指出并证明文献中所推导的运动方程缺失了一个由离心力引起的陀螺效应项. 理论分析和数值模拟了激励频率、陀螺效应、转动惯量、长细比对涡动频率、临界速度和模态振型的影响. 结果表明, 正向涡动频率随着激励频率的增加先增加后减小, 而反向涡动频率则随着激励频率的增加一直减小; 旋转Rayleigh梁有着无限多阶正向和反向临界速度; 正向涡动频率总是大于同阶的反向涡动频率.

2011, 43(3): 635-640. doi: 10.6052/0459-1879-2011-3-lxxb2009-712

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