力学学报

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韩桂来姜宗林

通过三维N-S方程的数值求解, 研究了支杆-钝头体结构在10º攻角M∞=6.0飞行条件下的流场结构和特点, 指出其气动力特性恶化的原因, 提出采用``军刺''挡板改善流场和气动力特性, 并通过对比两种不同挡板作用下的流场和气动力特性变化分析其作用机理, 发现``军刺''挡板结构分割流场抑制三维效应形成的周向流动, 迎风面形成稳定的回流区和剪切层结构, 将迎风面锥激波推离轴线, 降低钝头体肩部流动结构相互作用强度, 并在一定程度上缓解背风面流动干扰, 明显改善支杆-钝头体带攻角飞行时的气动力特性.

2011, 43(5): 795-802. doi: 10.6052/0459-1879-2011-5-lxxb2010-816

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密切内锥乘波体设计方法和性能分析

贺旭照倪鸿礼

发展了密切内锥乘波体的设计方法. 密切内锥乘波体采用ICFA(internalconical flow A)流动作为基准流场, 在定义乘波体出口激波型线(inlet capturecurve, ICC)和前缘型线(front capture tube,FCT)后, 采用密切轴对称技术及流线追踪技术, 设计生成密切内锥乘波体. 采用数值方法对设计的密切内锥乘波体在设计状态下进行了模拟, 将理论设计结果和数值模拟结果进行了对比验证, 数值模拟和理论设计结果一致吻合.

2011, 43(5): 803-808. doi: 10.6052/0459-1879-2011-5-lxxb2010-526

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横向振荡圆柱绕流的格子Boltzmann方法模拟

龚帅郭照立

基于格子Boltzmann方法(LBM)对不可压横向振荡圆柱绕流问题进行了数值研究. 与传统的求解宏观的N-S方程的数值方法不同, LBM求解此类问题不需要采用动网格, 而且不需要对网格进行特殊处理, 从而节约了计算成本. 结果显示, 当振荡频率增加到相应的静止圆柱绕流的自然涡脱落频率附近时, 圆柱后最新形成的集中涡距离柱体越来越近, 直到达到一个极限位置. 随后, 集中涡突然转向圆柱体另一侧脱落. 当振荡频率接近于静止圆柱的自然涡脱落频率时, 发生频率同步的现象. 随着振荡频率远离自然涡脱落频率, 同步现象消失. 在几种次谐振荡和超谐振荡下, 尾流区的涡脱落频率仍为相应的静止圆柱绕流的自然涡脱落频率.

2011, 43(5): 809-818. doi: 10.6052/0459-1879-2011-5-lxxb2010-608

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通气空泡尾部气泡流仿真和特性分析

向敏张孜博屠基元张为华

基于欧拉-欧拉双流体模型对通气空泡尾部气泡流进行数值仿真, 并采用基于多尺寸分组模型的总体平衡方法预估气泡尺寸分布. 应用改进后湍流耗散系数计算模型, 考虑了气泡体积含量对在湍流作用下气泡扩散现象的影响. 基于上述模型对两种试验工况下流场进行了数值仿真.结果表明模型对空泡尾部回流区特性进行了准确预示, 在回流区高湍流度作用下气泡迅速破碎成小气泡. 并进一步得到试验体尾流区空泡体积分数和速度分布. 尾流区水流速度分布保持了流体经过非流线型对称体时产生的尾流分布规律. 仿真结果与试验数据相一致, 模型适用性得到验证.

2011, 43(5): 819-825. doi: 10.6052/0459-1879-2011-5-lxxb2010-272

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一种高效的叶轮机叶片气动阻尼计算方法

张陈安张伟伟叶正寅刘锋

运用叠加原理, 发展了一种可以运用于小振幅运动的叶轮机叶片非定常气动力降阶模型, 并将该模型与传统的能量法相结合, 提出了一种叶轮机叶片气动阻尼的高效求解方法. 运用该方法求解叶轮机叶片的气动阻尼系数, 对某个频率、某个模态只需要进行一次非定常计算, 就可以求出所有叶间振动相角下的气动阻尼系数, 提高了气动阻尼的求解效率. 在STCF4和NASA Rotor67两个算例上运用非定常雷诺平均N-S(RANS)方程和提出的降阶模型进行了对比计算.算例表明, 在小振幅下该方法的计算结果与RANS方程计算得到的气动阻尼系数能很好地吻合, 而计算效率相比多通道非定常RANS方程计算提升了近一个数量级, 并且该方法还可以运用于有失谐情况的颤振分析, 在工程上有较高的应用价值.

2011, 43(5): 826-833. doi: 10.6052/0459-1879-2011-5-lxxb2010-222

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潜堤上波流传播的完全非线性数值模拟

陈丽芬宁德志滕斌宋伟华

利用时域高阶边界元方法建立模拟波流混合作用的完全非线性数值水槽模型, 其中自由水面满足完全非线性自由水面条件. 采用混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体瞬时水面, 运用4阶Runge-Kutta方法更新下一时间步的波面和速度势. 为了减少计算域, 提高计算速度, 采用同时消除底面和侧面的镜像格林函数; 在每一时间步内, 对网格进行重新划分以避免由于网格运动变形而引起的数值不稳定问题. 对水流中淹没潜堤上的波浪变形在水槽中开展了物理模型试验, 并把试验结果和数值结果进行了对比, 吻合得很好. 进一步研究了水流及潜堤的存在对高阶谐波产生的影响.

2011, 43(5): 834-843. doi: 10.6052/0459-1879-2011-5-lxxb2010-792

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扩张道路收费站的元胞自动机模型

刘玉霞程荣军冯秀芳葛红霞

基于可变安全间距敏感驾驶模型对道路收费站系统进行了模拟研究. 与采用NS模型的收费站系统进行了比较, 发现在慢化概率较大时(p=0.5), 该模型不仅使道路的通行能力得到完全恢复, 还使其得到一定程度的提高; 当道路扩张区域长度L_{\rm B} \ge7时, 通行能力得到很好的恢复; 当L_{\rm B}<7时, 随着L_{\rm B}的减少, 通行能力也随之降低.

2011, 43(5): 844-849. doi: 10.6052/0459-1879-2011-5-lxxb2010-735

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一种计算交通波传播速度的方法

时伟刘喜敏卢守峰

基于交通心理学和车辆跟驰的物理机制推导出一种交通波传播速度公式, 可以用于计算各种车流状态下的波速. 应用交通波传播速度公式计算了平面交叉口红灯变为绿灯时的起动波波速, 通过与实测数据比较, 证实了该计算方法的可行性.在此基础上推导了交通波速的特性, 以事故波波速特性为例进行了详细讨论, 所得结果符合交通实际.

2011, 43(5): 850-855. doi: 10.6052/0459-1879-2011-5-lxxb2010-709

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温度场内尺度估算方法的研究

吴晓庆

用三维超声风速计测量了合肥地区风速脉动和温度脉动数据, 从Kolmogorov的4/5定律估算湍流动能耗散率\varepsilon, 从Yaglom的4/3定律估算温度方差耗散率\varepsilon _\theta, 指出现有文献提供的公式不适合计算温度场的内尺度. 提出了一种温度场内尺度计算公式, 式中含有温度方差耗散率\varepsilon_\theta , 得到的内尺度大小正确反映了与C_n^2 强弱的对应关系.

2011, 43(5): 856-960. doi: 10.6052/0459-1879-2011-5-lxxb2010-694

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韧性金属圆环高速膨胀碎裂过程的有限元模拟

陈磊周风华汤铁钢

用数值方法模拟了韧性金属圆环的自由膨胀碎裂过程. 采用Johnson-Cook热黏塑性本构模型描述材料的动态变形和热软化特性, 采用包含内聚力失稳断裂准则的Johnson-Cook型损伤断裂模型描述材料的破坏和分离过程, 采用结合单元消去技术的ABAQUS/Explicit程序进行分析. 在特定膨胀速度下对多个圆环进行碎裂数值实验, 获得碎片样本集合. 研究证实, Grady-Kipp基于塑性卸载波传播机制的韧性碎片尺寸公式可以较好地预测碎片的平均长度. 模拟再现了圆环碎裂过程中塑性卸载波的传播,揭示了Grady-Kipp公式合理性的物理基础.

2011, 43(5): 861-870. doi: 10.6052/0459-1879-2011-5-lxxb2010-675

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功能梯度与均匀圆板弯曲解的线性转换关系

李世荣张靖华徐华

基于一阶剪切理论, 研究了功能梯度材料圆板与均匀圆板轴对称弯曲解之间的线性转换关系. 通过理论分析和比较功能梯度材料圆板和均匀圆板在一阶剪切理论下的位移形式的轴对称弯曲控制方程, 发现了功能梯度材料圆板的转角与均匀圆板的转角之间的相似转换关系. 在假设材料性质沿板厚连续变化的情况下, 给出了相似转换系数的解析表达式. 在此基础上, 进一步导出了一阶剪切理论下功能梯度圆板的挠度与经典理论下, 均匀圆板的挠度之间的线性关系. 从而, 可将功能梯度材料圆板在一阶剪切理论下的弯曲问题求解, 转化为相应均匀薄圆板在经典理论下的弯曲问题求解, 以及转换系数的计算问题. 这一方法为功能梯度非均匀中厚度圆板的求解提供了简捷途径, 而且更便于工程应用. 作为例子, 采用上述方法分别求得了周边简支和夹紧条件下, 梯度圆板在均布横向载荷作用下的弯曲解析解, 该解答与Reddy得到的结果完全吻合.

2011, 43(5): 871-877. doi: 10.6052/0459-1879-2011-5-lxxb2010-810

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基于D-P准则的压力相关材料结构拓扑优化

罗阳军

基于描述材料力学行为的Drucker-Prager(D-P)屈服准则, 研究了压力相关材料连续体结构拓扑优化设计问题的数学模型和数值算法. 以单元材料人工密度为设计变量, 结合SIMP惩罚模型和多孔微结构局部应力插值模型, 建立了以材料体积最小化为目标、考虑材料D-P屈服条件约束的优化问题数学模型. 利用\varepsilon-松弛方法消除奇异解现象, 采用伴随法有效推导约束函数灵敏度计算公式, 运用基于梯度的连续变量优化算法迭代求解优化问题. 数值算例验证了优化模型的正确性及数值算法的有效性, 并通过与von Mises应力约束优化结果的比较, 说明了材料的压力相关特性会对结构最优拓扑产生重要影响. 该方法设计出的最优拓扑由于充分利用了压力相关材料的抗压能力, 因而更为合理和实际.

2011, 43(5): 878-885. doi: 10.6052/0459-1879-2011-5-lxxb2011-003

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柔性多体碰撞问题的多变量方法

韩石磊洪嘉振

针对柔性多体系统碰撞问题的特点, 提出了柔性多体系统碰撞问题的多变量方法. 在未碰撞阶段和分离后的阶段, 多变量方法考虑了物体大范围运动与变形的耦合.在碰撞阶段, 考虑非碰撞区域的变形, 对非碰撞区域用浮动参考系方法求解, 对发生碰撞的局部区域用非线性有限元方法求解. 非碰撞区域采用浮动基位形坐标和柔性体相对浮动基的变形模态坐标描述, 大大减缩了变量的维数,提高了计算效率. 碰撞局部区域采用非线性有限元节点坐标描述, 可以得到碰撞局部区域高精度的应力、应变响应, 而且可以反映碰撞局部区域的大变形、塑性等非线性响应. 该方法既能体现碰撞对系统大范围运动和长期动力学仿真的影响, 又能精确反映出碰撞发生的微小时间段内物体碰撞局部区域的应力、应变响应, 表现出碰撞过程中物体接触区域的演化历程.介绍了两杆正碰撞与铅垂面内双摆撞击自由圆盘的算例, 设计了两柔性杆正碰撞实验,多变量方法的数值仿真结果与实验测量结果很好地吻合.

2011, 43(5): 886-893. doi: 10.6052/0459-1879-2011-5-lxxb2010-657

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利用时滞反馈控制自参数振动系统的振动

赵艳影徐鉴

主要研究采用时滞状态反馈控制自参数动力吸振器减振系统中主系统的振动问题.系统在简谐激励作用下,采用多尺度方法得到了自参数动力吸振器减振系统中饱和控制的范围.当系统处于饱和控制时,引入时滞状态反馈控制主系统的振动.主要分析了反馈增益系数和时滞两控制参数对主系统振动的影响.结果表明,存在反馈增益系数和时滞的调节区域能够减小主系统的振动.对某一反馈增益系数,可以在某段区间内调节时滞以减小主系统的振动.在时滞的调节区间内存在一个时滞的``最大减振点'',能够在该反馈增益系数下最大程度地减小主系统的振动.研究还表明,随着反馈增益系数的不断增大,时滞在``最大减振点''时系统的减振能力也不断提高.通过合理的选择反馈增益系数和时滞两参数,主系统的振动几乎可以完全消除.

2011, 43(5): 894-904. doi: 10.6052/0459-1879-2011-5-lxxb2010-652

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一类非线性系统的随机振动频率响应分析研究

程长明彭志科孟光

Volterra级数是研究非线性系统的一种重要数学工具, 它可看作线性系统理论中的卷积运算在非线性系统分析中的推广. 基于Volterra级数, 给出了受高斯白噪声激励下的非线性系统输出功率谱的计算公式. 公式表明, 该系统输出功率谱可用激励强度的多项式函数来表示, 其结果为研究激励强度对非线性系统输出功率谱的影响提供了有效途径.

2011, 43(5): 905-913. doi: 10.6052/0459-1879-2011-5-lxxb2010-741

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类Pade逼近方法在二维非线性振动系统的应用

张琪昌冯晶晶王炜

提出一种求解强非线性系统同异宿轨道解析解的改进类Pad\'{e}逼近方法, 该方法在分析带有扰动参数的系统时无需预先限定参数的取值范围. 首先研究了具有三次非线性项的系统,分析其产生同宿或异宿轨道时参数的取值范围, 分别提出直接体现参数的同宿及异宿解的设解通式, 据此获得了一类强非线性下的自治系统方程的同宿及异宿解. 其次, 对于非自治系统, 研究了具有三次非线性项系统的强迫振动, 直接考虑扰动参数对整个系统的影响, 得到了满足同(异)宿边界条件的周期解. 最后, 构造了两种不同形式的异宿解, 从而减少了保守系统异宿解的计算量. 借助数值模拟验证了该方法的有效性及精确性.

2011, 43(5): 914-921. doi: 10.6052/0459-1879-2011-5-lxxb2011-074

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四边固定加劲板的非线性自由振动

马牛静王荣辉

针对工程中常用的加劲板, 研究了非线性振动的求解方法与振动特性. 将加劲板分为板与加劲肋两个部分考虑, 其中板视为考虑几何非线性的大挠度板, 加劲肋视为Euler梁. 假定加劲板的位移, 利用Lagrange方程结合系统能量和振型叠加推导了加劲板的动力平衡方程. 运用椭圆函数及摄动法计算加劲板非线性振动的单模态解, 多模态解则通过增量迭代法进行求解. 最后, 结合有限元软件ANSYS对一个四边固定且不可移动的加劲板进行分析, 讨论解的收敛性, 并分析两个方向设置不同数量加劲肋的情况下非线性自振频率与振幅的关系, 得到了一些加劲板非线性振动特性.

2011, 43(5): 922-930. doi: 10.6052/0459-1879-2011-5-lxxb2010-852

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基于\pmb \theta_1方法的多体动力学数值算法研究

马秀腾翟彦博罗书强

将结构动力学领域的\theta_1方法拓展到数值求解多体系统运动方程------微分--代数方程(DAEs), 分别求解指标-3 DAEs形式的运动方程和指标-2超定DAEs(ODAEs)形式的运动方程. 通过数值算例验证了方法的有效性, 并得到\theta _1方法中参数\theta _1的选取与数值耗散量之间的关系. 数值算例还说明对于同一个多体系统, 采用指标-3的DAEs 描述时存在速度违约, 用指标-2的ODAEs描述时,从计算机精度上讲, 位置和速度约束方程同时满足, 并且\theta_1方法在求解非保守系统DAEs和ODAEs形式的运动方程时都具有2阶精度. 最后\theta_1 方法与其他直接积分法求解DAEs和ODAEs形式运动方程的CPU时间进行了比较.

2011, 43(5): 931-938. doi: 10.6052/0459-1879-2011-5-lxxb2010-730

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基于汽车与行人碰撞载荷特点的下肢长骨建模

张冠军曹立波官凤娇孙光永 Yang King H.

基于THUMS(total human model for safety)下肢长骨有限元模型, 在材料和单元属性等方面进行了改进. 在详细分析行人下肢长骨载荷特点的基础上, 采用多种不同载荷工况下较新的生物力学实验数据, 对长骨模型进行了前-后和外-内加载方向的准静态三点弯曲验证, 同时对近心端1/3处、中部和远心端1/3处加载的动态三点弯曲验证. 验证结果表明, 该模型具有较好的生物逼真度, 能够准确地模拟行人下肢长骨的骨折及碰撞响应, 可用于后续行人下肢模型的开发, 并为行人下肢损伤机理和安全防护研究提供准确高效的研究手段.

2011, 43(5): 939-947. doi: 10.6052/0459-1879-2011-5-lxxb2010-342

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弱界面压电/压磁层状结构中的SH波

赵星赵永茂刘金喜

研究了弱界面压电层/压磁半空间结构中SH波的频散特性, 界面性能由``弹簧''模型表征, 压电层的表面考虑电学短路和电学开路两种边界条件. 推导了显函形式的频散方程, 并结合算例分析了界面性能和电学边界条件对SH波传播特性的影响. 数值结果表明: 弱界面降低了SH波传播的相速度; 对于短路电边界条件, 弱界面可以使一阶模态的相速度小于B-G表面波的速度; 对于开路电边界条件, 一阶模态的相速度总是大于剪切体波的波速.

2011, 43(5): 948-952. doi: 10.6052/0459-1879-2011-5-lxxb2010-718

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钢质蜂窝夹芯梁的高温疲劳模型

邹广平芦颉曹扬刘宝君

针对钎焊钢质蜂窝夹芯梁开展高温三点弯曲疲劳实验研究. 结果表明芯子排列方向显著影响结构疲劳性能, 高温下W向试件易于承受循环载荷. 提出基于疲劳模量退化的寿命预测经验函数方法, 其参数与材料性质、载荷环境等因素有关. 该方法可以预测结构疲劳寿命而避免大量重复性实验. 结果表明: 对于L向试件, 剩余模量退化规律可用二阶多项式拟合; 而W向试件则倾向于用指数型函数描述. 从刚度退化方程中得到非线性累积损伤模型, 并与线性Miner准则和试验结果进行了比较, 合理解释了蜂窝夹芯梁的高温损伤问题.

2011, 43(5): 953-957. doi: 10.6052/0459-1879-2011-5-lxxb2010-751

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DH-36钢的塑性流动统一本构关系研究

孟卫华郭伟国苏静张晓琼

通过对DH-36钢动态应变时效的规律和试验数据进行系统分析, 发展和建立了描写第3种动态应变时效的本构模型. 然后基于热激活物理概念本构模型和塑性流动应力组合原理, 加入对第3种动态应变时效的描述, 获得了统一本构模型. 该模型不仅可以描写第3种动态应变时效, 还可以预测DH-36钢在温度77K~1000K, 应变率0.001s^{-1}~3000s^{-1}范围内的塑性流动应力,通过比较发现统一本构模型预测结果与试验结果吻合很好.

2011, 43(5): 958-962. doi: 10.6052/0459-1879-2011-5-lxxb2010-676

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开口薄壁梁的扭转理论与应用

王兆强赵金城

以Vlasov薄壁构件理论为基础, 推导了开口薄壁构件一阶扭转理论. 该理论考虑了翘曲剪应力对截面转角的影响, 截面的转角分为自由翘曲转角和约束剪切转角, 在约束扭转中, St.Venant扭矩仅仅与自由翘曲转角有关, 而翘曲扭矩仅与约束剪切转角有关. 利用半逆解方法求出了约束扭转中薄壁构件的St.Venant扭矩表达公式; 依据能量方法, 建立了约束剪切转角和翘曲扭矩之间的关系, 并提出了翘曲剪切系数概念, 给出了一阶扭转理论的微分方程. 为了有效求解微分方程, 给出了求解微分方程的初参数法方程和相应的影响函数矩阵; 当St.Venant扭矩可以忽略时, 得到与一阶弯曲理论(Timoshenko梁理论)相似的一阶扭转理论简化形式. 最后利用算例证明了一阶扭转理论和简化理论的有效性.

2011, 43(5): 963-967. doi: 10.6052/0459-1879-2011-5-lxxb2011-063

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多体系统动力学Kane方法的改进

胡权贾英宏徐世杰

基于Kane方法, 针对约束多体系统, 建立了一种新型的自动组集系统动力学方程的方法. 首先提出偏速度矩阵和偏角速度矩阵的概念, 将各体对系统广义惯性力的贡献用简洁、统一的数学形式表达. 然后引入各个运动学变量的递推关系以提高建模效率.最后对新型的Kane方程进行扩展, 用于处理多体系统中的运动约束. 该算法适用于任意多体系统, 建立的动力学模型不含待定乘子, 维数与系统广义速率相同, 利于控制系统设计.对带有闭环约束的空间多机械臂系统的数值仿真验证了方法的正确性.

2011, 43(5): 968-972. doi: 10.6052/0459-1879-2011-5-lxxb2010-856

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