力学学报

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胡志平, 周汉, 吴九汇

金属橡胶材料从表到里都具有大量互相贯通且混乱的孔隙, 经分析认为, 这种混乱性及一定的周期性与湍流中的不规则性和准周期性极其相似. 由于金属橡胶材料内部芯材结构的不规则性, 即便此时的雷诺数很小, 波在金属橡胶中的传播仍是以湍流流动为主. 因此, 引入Kolmogorov的关于湍流的局部各向同性概念, 同时对Kolmogorov关于湍流局部各向同性的两个假设进行类比. 从湍流物理模型出发, 借鉴了湍流的统计处理方法, 对金属橡胶材料的吸声特性进行定量分析, 得到金属橡胶材料的能量耗散率与其结构参数之间的表达式. 研究结果表明, 湍流统计方法的引入, 为基于金属橡胶材料的减振器、阻尼器、消声器等的优化设计提供了可靠的理论依据, 也为超轻金属多孔材料的工程应用提供了一种有效的定量分析方法.

2012, 44(2): 197-204. doi: 10.6052/0459-1879-2012-2-20120201

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非定常激波三维双楔面反射的数值研究

杨旸, 滕宏辉, 王春, 姜宗林

采用基于MUSCL-Hancock插值的有限体积方法, 在非结构自适应网格上求解三维Euler方程, 研究了非定常激波在三维垂直双楔面上的反射现象. 研究结果表明, 由于三维效应的影响, 通过二维非定常激波反射理论预测的三维马赫反射区域范围存在着一定的局限, 在该区域范围内出现了一种非典型的三维突起结构, 即第二类三维马赫干. 另外, 对于不同的激波马赫数和楔面倾角组合, 非定常激波在三维双楔面上会形成具有四波结构的三维马赫反射或具有三波结构的三维规则反射.

2012, 44(2): 205-212. doi: 10.6052/0459-1879-2012-2-20120202

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雷诺应力各向异性涡黏模型的层析TRPIV测量

姜楠, 管新蕾, 于培宁

利用层析TRPIV测量水洞中平板湍流边界层3D-3C速度场的高分辨率时间序列数据库. 提出了空间局部平均多尺度速度结构函数的新概念, 描述湍流多尺度涡结构的空间拉伸、压缩、剪切变形和旋转. 用空间局部平均多尺度速度结构函数对湍流脉动速度进行了空间多尺度分解. 用空间流向局部平均多尺度速度结构函数, 根据湍流多尺度涡结构在流向的拉伸和压缩物理特征, 提出了新的湍流相干结构条件采样方法, 检测并提取了层析TRPIV数据中相干结构“喷射”和“扫掠”事件中的脉动速度、平均速度变形率、雷诺应力等物理量的空间拓扑形态. 通过研究平均速度变形率各分量与雷诺应力各分量之间的空间相位差异,肯定了壁湍流相干结构雷诺应力各向异性复涡黏模型的合理性.

2012, 44(2): 213-221. doi: 10.6052/0459-1879-2012-2-20120203

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基于直接数值模拟的可压缩湍流模型评估和改进

李新亮, 傅德薰, 马延文

对来流Mach数2.25和6的平板边界层湍流进行了直接数值模拟, 并通过与理论、实验及他人计算结果的对比对数值结果进行了验证. 基于直接数值模拟得到的湍流数据库, 对常用的湍流模型进行了先验评估. 评估的湍流模型有k-εvarepsilon模型(包括标准k-εvarepsilon 模型、可实现的k-εvarepsilon模型及低Reynolds数k-εvarepsilon模型)、SA模型及BL模型. 结果显示, 对于Mach2.25的平板边界层, 可实现的k-εvarepsilon 模型及低Reynolds 数k-εvarepsilon模型具有较好的预测能力, 而标准k-εvarepsilon模型预测的湍流黏性系数偏高; SA模型在边界层内层预测准确度较高, 而在外层预测值偏高. 而对于Mach6的平板边界层, k-εvarepsilon模型及SA模型预测的湍流黏性系数均偏高, 尤其是标准k-εvarepsilon模型. 对于Mach6的平板边界层, BL模型低估了内-外层交界位置, 造成湍流黏性系数预测值严重偏低. 作者通过修改模型系数及内-外层交界位置对BL模型进行了修改, 修改后模型预测的湍流黏性系数与DNS给出的值吻合较好.

2012, 44(2): 222-229. doi: 10.6052/0459-1879-2012-2-20120204

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高温燃气喷流/主流相互干扰实验研究

陈雪冬, 王发民, 唐贵明

报道关于高温燃气自由喷流(热喷流)、燃气喷流/主流干扰流对气动热环境影响的实验研究结果. 其意义在于: 抽象出高超声速飞行器实际飞行时燃气喷流及其干扰流的物理模型, 为高超声速飞行器防热需求提供实验依据. 实验主流由脉冲风洞提供,燃气喷流用氢氧燃烧驱动路德维希管的方式产生. 利用脉冲风洞驱动段压力信号自动控制热气源的产生以保证风洞主流与燃气喷流同步, 利用氢气、氮气和氧气的不同比例实现燃气喷流的热力学相似. 实验技术上完成了高温燃气喷流系统的参数采集与系统状态标定; 实验内容上开展了压缩拐角平板模型的气动热实验研究, 通过实验比较了只有主流流场、只有热喷流流场和既有主流流场又有热喷流流场(即干扰流场)3种工况的热流分布. 实验研究发现,热喷流/主流相互干扰会对压缩拐角平板上某一范围内的气动热环境造成显著影响, 热流峰值较无喷流流场高出一个量级.

2012, 44(2): 230-237. doi: 10.6052/0459-1879-2012-2-20120205

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超声速气流磁流体加速初步实验研究

李益文, 李应红, 张百灵, 陈峰, 朱涛

利用激波风洞, 采用氦气驱动氩气, 在平衡接触面运行方式下得到高温气体,通过在低压段注入电离种子K₂CO₃粉末, 实现高温条件下导电流体的产生, 设计了超声速喷管及磁流体加速实验段, 采用大电容提供电能, 开展了超声速气流磁流体加速初步实验研究. 典型实验条件下, 当喷管入口总压为0.7049MPa、理论平衡温度为8372.8K, 喷管出口马赫数为1.5, 电容充电电压为400V, 磁感应强度为0.5T时, 对电压电流特性、电导率、负载系数、电效率、加速效果等进行了测量或计算, 主要结论有: 磁场作用下的超声速气流的电导率的值大约在150S/m; 磁流体加速通道负载系数约为4, 电效率约为28%, 平均输入功率约198kW; 采用电参数测试方法对磁流体加速效果进行评估, 速度增加约15.7%;超声速气流的电导率对加速通道的电效率及加速效果等有很重要的影响.

2012, 44(2): 238-244. doi: 10.6052/0459-1879-2012-2-20120206

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坐标变换法数值求解微通道行波电场电渗流

陈波, 吴健康

采用坐标变换法数值求解了耦合的Poisson-Nernst-Planck (PNP)方程和Navier-Stokes(NS)方程, 研究二维狭窄微通道行波电场电渗流数值解. 数值结果表明,坐标变换法能有效降低电渗流解数值解在双电层的高梯度, 有效改善数值解的收敛性和稳定性. 坐标变换的电渗流数值解和原始坐标下的数值解完全一致. 坐标变换后采用简单的网格也能得到和原始坐标下复杂网格相同的解. 给出了滑移边界的近似解与完整的PNP-NS数值解的比较. 在双电层厚度与微通道深度比值(λ/H)很小的情况下(相对深通道), 两者的解基本一致. 但在λ/H较大时(相对浅通道)滑移边界的解高于电渗流速度.

2012, 44(2): 245-251. doi: 10.6052/0459-1879-2012-2-20120207

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平板流道交变流动速度环状效应分析

汤珂, 张玙, 唐文涛, 金滔, 张学军

为了分析管内交变流动速度环状效应的特性, 通过数值模拟对平板流道内可压缩交变流动的速度环状效应进行研究. 根据速度环状效应的产生机理, 分析得出在黏性流体管内交变流动中必然存在速度环状效应, 并且在流道截面中心速度为零相位下最容易观察到速度环状效应. 为了定量描述速度环状效应, 根据流道中心速度为零相位下的速度分布曲线的斜率情况, 提出定量评价指标速度环状效应系数, 并针对平行平板流道内层流交变流动,利用该评价指标定量分析了无量纲参数(包括瓦伦西数Va和最大雷诺数Re_max)速度环状效应的影响.

2012, 44(2): 252-258. doi: 10.6052/0459-1879-2012-2-20120208

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MFCAV近似Riemann解在新型拉氏方法中的应用

刘妍, 田保林, 申卫东, 茅德康

Maire等提出了一种新型的有限体积中心型拉氏方法, 该方法大大地改善了一直困扰着一般中心型拉氏方法的虚假网格变形. 然而在计算数值流和移动网格时,该方法只应用了数值黏性较大的弱波近似(weak wave approximatedmethod, WWAM) Riemann解, 而且方法的设计表明其他类型的近似Riemann解不能简单直接地应用上去. 将体平均多流管(multifluid channel on averaged volume, MFCAV)近似Riemann解视为对WWAM的修正,成功将其应用于新型方法中, 数值实验表明应用了MFCAV 的新方法是有效的. 研究为将其他更为有效的近似Riemann解应用于该新型方法中开辟了一条道路.

2012, 44(2): 259-268. doi: 10.6052/0459-1879-2012-2-20120209

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一种修正的低温流体空化流动计算模型

时素果, 王国玉

为了更准确地预测低温流体的空化流动特性, 基于Kubota空化模型, 对蒸发和凝结源项进行修正, 建立了一种考虑热力学效应的空化模型. 分别采用原始和修正的Kubota空化模型, 计算了绕对称回转体液氮的空化流动, 通过与实验结果的比较对修正的空化模型进行了评价. 结果表明, 与原Kubota空化模型比较, 修正的空化模型由于考虑了热力学效应, 计算获得的蒸发量减小, 凝结量增大, 空穴长度减小, 空穴界面形态呈模糊状态.计算结果与实验结果更加一致, 说明修正的空化模型能准确的描述低温流体空化过程的质量传输过程, 能够更准确模拟低温流体中的空化流动特性.

2012, 44(2): 269-277. doi: 10.6052/0459-1879-2012-2-20120210

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粗糙颗粒动理学及稠密气固两相流动的数值模拟

王帅, 郝振华, 徐鹏飞, 孙立岩, 陆慧林

考虑颗粒碰撞过程中摩擦作用,给出了粗糙颗粒碰撞动力学.引入颗粒相拟总温来表征颗粒平动和转动脉动能量的特征.基于气体分子运动论,建立颗粒碰撞中平动和旋转共同作用的粗糙颗粒动理学,给出了颗粒相压力和黏度等输运参数计算模型.运用基于颗粒动理学的欧拉-欧拉气固两相流模型,数值模拟了流化床内气体颗粒两相流动特性,分析了颗粒旋转流动对颗粒碰撞能量交换和耗散的影响.模拟得到的流化床内径向颗粒浓度和提升管内颗粒轴向速度与他人实验结果相吻合.模拟结果表明随着颗粒浓度的增加,颗粒相压力和能量耗散逐渐增加,而颗粒拟总温先增加后下降.随着颗粒粗糙度系数的增加,床内平均颗粒相拟总温和能量耗散增加,表明颗粒旋转产生的摩擦将导致颗粒旋转脉动能量的改变,影响床内气体-颗粒两相宏观流动特性.

2012, 44(2): 278-286.

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流固耦合的周期加强板的振动及声辐射研究

周海安, 王晓明, 梅玉林

研究了流体负载下的无穷大双周期加强板, 在周期谐振力作用下的振动响应和声辐射,并提出了一种基于有限元和空间波数法的半解析半数值方法. 首先利用有限元的方法对周期结构进行单元离散, 并将结构对薄板的作用力等效为节点力的作用. 然后通过周期结构的振动方程, 结合薄板与结构的位移边界条件, 建立了节点力与薄板节点位移的函数方程. 最后应用空间波数法和傅里叶变换, 并采用数值计算的方法求解出薄板的节点位移, 得到了周期加强板关于离散节点位移的振动和辐射声压方程. 在数值算例中, 对该方法的正确性进行了验证, 并且分析了周期结构对薄板的振动和声辐射的影响.

2012, 44(2): 287-296. doi: 10.6052/0459-1879-2012-2-20120212

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非线性热环境下高温合金蜂窝板隔热性能研究

吴大方, 郑力铭, 潘兵, 王岳武, 孙冰, 牟朦

金属蜂窝板结构在高温热环境下的隔热特性是高速飞行器热防护设计的重要参数. 使用自行研制的高速飞行器瞬态气动热试验模拟系统, 对高温合金蜂窝平板结构在高达800℃的非线性热环境下的隔热性能进行实验研究, 获得了蜂窝板结构的瞬态和稳态传热特性以及在多种不同温度下金蜂窝平板结构隔热效果的实验数据. 在考虑结构内部蜂窝芯壁面间辐射、金属结构的传热以及蜂窝腔内空气传热的多重热交换条件下, 采用三维有限元计算方法对蜂窝板的隔热特性进行了数值模拟, 计算结果和试验结果的吻合性良好, 验证了数值模拟方法的可信性和有效性, 并为数值模拟方法能够在一定程度上较好地替代价格昂贵的气动热模拟试验打下了基础. 讨论了在复杂非线性高温环境下金属蜂窝板隔热效率的变化, 加热面温度的升降速度与隔热效率的关联性以及金属蜂窝板表面发射率的选取等问题, 对高速飞行器金属蜂窝结构的热防护研究具有重要的参考价值.

2012, 44(2): 297-307. doi: 10.6052/0459-1879-2012-2-20120213

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热环境中黏弹性功能梯度材料及其结构的蠕变

彭凡, 顾勇军, 马庆镇

基于经典的对应原理, 将 Mori-Tanaka 方法等细观力学结果推广于定常温度环境下的黏弹性情形. 根据泊松比与时间呈弱相关的特点, 给出 Laplace 象空间中功能梯度材料的松弛模量和热膨胀系数, 并直接建立耦合热应变的多维黏弹性本构关系. 在此基础上, 求解黏弹性功能梯度圆柱薄壳在热环境中的轴对称弯曲蠕变变形问题. 考虑材料热物参数的温度相关性, 首先确定稳态温度场, 导出相空间中轴对称弯曲变形的解析解, 采用数值反演得到蠕变变形. 算例表明, 蠕变初期, 热环境的影响明显, 随着时间增加, 热应力松弛, 影响逐渐消失. 当圆柱薄壳受轴压时, 相比于两端固支, 两端简支的端部变形更加明显. 通过圆柱薄壳的轴对称弯曲求解, 给出体积含量呈任意分布的黏弹性功能梯度结构在热机载荷下的蠕变分析途径.

2012, 44(2): 308-316. doi: 10.6052/0459-1879-2012-2-20120214

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圆柱外表面受热冲击问题的广义热弹性分析

王颖泽, 张小兵, 宋新南

基于 L-S 广义热弹性理论, 针对实心圆柱体在外表面受均匀热冲击作用下的一维广义热弹性问题进行研究分析. 利用热冲击的瞬时特征, 借助于 Laplace 正、反变换技术及柱函数的渐近性质, 推导了热冲击作用周期内温度场、位移场和应力场的渐近表达式. 通过计算, 得到了热冲击条件下各物理场的分布规律以及延迟效应和耦合效应对热弹性响应的影响规律. 结果表明: 当考虑延迟效应和耦合效应时, 热扰动将以两组速度不同的波的形式向前传播, 延迟效应和耦合效应对各物理场的建立时间, 阶跃间隔和阶跃峰值均产生影响, 且延迟效应和耦合效应均在一定程度上削弱了热冲击的作用效果.

2012, 44(2): 317-325. doi: 10.6052/0459-1879-2012-2-20120215

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镍基单晶合金多轴非比例加载低周疲劳研究

丁智平, 陈吉平, 王腾飞, 赵萍

基于正交设计, 分别在680℃和850℃下进行DD3镍基单晶合金薄壁圆管试样([001]取向)拉/扭非比例加载低周疲劳试验, 研究等效应变范围、应变路径角、拉/扭载荷相位角、循环特性和温度诸因素对镍基单晶合金多轴低周疲劳寿命的影响作用. 疲劳试验数据的极差分析表明, 应变路径角、拉/扭载荷相位角和等效应变范围是影响疲劳寿命的主要因素. 将菱形应变加载路径区分为比例加载段和非比例加载段, 提出了表征非比例加载效应的等效应变参量, 并通过引入单晶应变三轴性因子反映拉/扭应变路径角对多轴疲劳寿命的影响. 用考虑非比例加载效应的等效应变范围和单晶应变三轴性因子构造循环塑性应变能损伤参量, 进行多元线性回归分析, 疲劳寿命回归模型与试验寿命具有很好的相关性, 所有试验数据都落在2.0倍的偏差分布带之内.

2012, 44(2): 326-333. doi: 10.6052/0459-1879-2012-2-20120216

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孪生诱发塑性对V-5Cr-5Ti合金应变硬化行为的影响

余勇, 潘晓霞, 谢若泽, 张方举, 胡文军

钒合金(V-Cr-Ti)作为潜在重要的聚变反应堆用结构材料, 近年来受到广泛的关注. 为了研究 V-5Cr-5Ti 合金不同应变率压缩下的应变硬化行为, 特别是孪生对塑性变形的影响, 以位错密度和孪晶演化为基础, 建立了该合金的应变硬化模型. 模型中考虑了孪晶中的位错滑移对材料塑性应变的贡献. 模拟结果表明, 由于孪生诱发塑性, 从而使动态压缩时的位错密度小于准静态加载时的, 这使得 V-5Cr-5Ti 合金在动态压缩时的应变硬化率比准静态加载时的小. 当孪晶形成后, 位错滑移引起的塑性应变率随应变增大而增大, 并逐渐接近加载应变率, 而孪生引起的塑性应变率则随应变增大而减小.

2012, 44(2): 334-341. doi: 10.6052/0459-1879-2012-2-20120217

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基于局部插值的结构动力模型降阶方法

邓佳东, 程耿东

提出了一种基于局部插值对大型结构有限元模型的特征值问题进行降阶的方法. 该方法通过局部插值将复杂结构的有限元模型中节点的位移用凝聚点的位移插值来表示, 从而得到用插值函数表示的简化基向量, 实现对结构广义特征值问题的降阶. 为了提高降阶模型的精度, 采用非协调元的插值函数作为局部插值函数来弱化凝聚后的结构刚度, 并且在有限元模型上进行逆迭代, 对得到的降阶后的广义特征值问题的特征值和特征向量进行改善. 为了提高模型降阶的效率, 采用规整网格包围整个结构生成均匀的凝聚点, 高效地确定了有限元模型中节点所依附的凝聚点. 最后, 对 3 个机床部件的模态分析验证了提出的简化方法的高效性和可行性.

2012, 44(2): 342-350. doi: 10.6052/0459-1879-2012-2-20120218

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改进的奇异边界法模拟三维位势问题

谷岩, 陈文

奇异边界法是与基本解法相对应的一种边界型无网格数值离散方法. 该方法提出了源点强度因子的概念, 克服了传统基本解方法中最复杂最头疼的虚拟边界问题.基于边界元法中处理奇异积分的数值处理技术, 导出了源点强度因子的解析表达式, 提出了改进的无网格奇异边界法, 并进一步将该方法应用于三维位势问题. 该方法消除了传统方法中样本点的选取, 在不增加计算量的前提下, 极大地提高了奇异边界法的计算精度与稳定性.

2012, 44(2): 351-360. doi: 10.6052/0459-1879-2012-2-20120219

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基于行消元回代法的多域边界元分析方法

高效伟, 胡金秀, 崔苗

提出了一种用多域边界元技术求解大型工程问题的新算法. 首先, 采用三步变量凝聚技术, 将由内部点、边界点和公共结点表述的每一子域的基本边界元代数方程表述成只有公共结点变量为未知量的代数方程, 然后, 根据公共结点的平衡方程和协调条件组集具有稀疏系数特征的总体系统方程组. 为了有效求解该系统方程组, 首次在边界元法中引进一种能有效求解大型非对称稀疏系数矩阵方程组的行消元回代法(REBSM), 该方法可在方程的每一行组形成时进行消元和回代, 当方程组组集完毕后即可得到方程的解, 不需要最后的回代过程. 因为一些项的重复计算在每一行的处理中合并掉, 因此REBSM要比传统的高斯消元法需要较少的内存, 而且计算速度具有数量级的提高, 可为边界元法求解大型工程问题提供有力的方程求解器.

2012, 44(2): 361-368. doi: 10.6052/0459-1879-2012-2-20120220

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等几何分析中采用Nitsche法施加位移边界条件

陈涛, 莫蓉, 万能, 宫中伟

等几何分析使用 NURBS 基函数统一表示几何和分析模型, 消除了传统有限元的网格离散误差, 容易构造高阶连续的协调单元. 对于结构分析, 选择合适的几何参数可以得到光滑的应力解, 避免了后置处理的应力磨平. 但是由于 NURBS 基函数不具备插值性, 难以直接施加位移边界条件. 针对这一问题, 提出一种基于 Nitsche 变分原理的边界位移条件“弱”处理方法, 它具有一致稳定的弱形式, 不增加自由度, 方程组对称正定和不会产生病态矩阵等优点. 同时给出方法的稳定性条件, 并通过求解广义特征值问题计算稳定性系数. 最后, 数值算例表明 Nitsche 方法在h细化策略下能获得最优收敛率, 其结果要明显优于在控制顶点处直接施加位移约束.}

2012, 44(2): 371-381. doi: 10.6052/0459-1879-2012-2-20120221

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比例边界等几何分析方法I:波导本征问题

张勇, 林皋, 胡志强

提出比例边界等几何方法 (scaled boundary isogeometric analysis, SBIGA), 并用以求解波导本征值问题. 在比例边界等几何坐标变换的基础上, 利用加权余量法将控制偏微分方程进行离散处理, 半弱化为关于边界控制点变量的二阶常微分方程, 即 TE 波或 TM 波波导的比例边界等几何分析的频域方程以及波导动刚度方程, 同时利用连分式求解波导动刚度矩阵. 通过引入辅助变量进一步得出波导本征方程. 该方法只需在求解域的边界上进行等几何离散, 使问题降低一维, 计算工作量大为节约, 并且由于边界的等几何离散, 使得解的精度更高, 进一步节省求解自由度. 以矩形和 L 形波导的本征问题分析为例, 通过与解析解和其他数值方法比较, 结果表明该方法具有精度高、计算工作量小的优点.

2012, 44(2): 382-392. doi: 10.6052/0459-1879-2012-2-20120222

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饱和地基上基础动力阻抗函数的一种分析方法

陈少林, 甄澄

提出了一种基础阻抗函数的时域求解方法, 并用于饱和地基情形. 通过给基础输入脉冲位移, 应用集中质量显式有限元方法结合局部透射人工边界, 得到地基施加于基础的反力时程, 然后根据阻抗函数的定义, 应用傅立叶变换求得基础阻抗函数. 通过算例, 与 Halpern 的结果进行了对比, 验证了该方法的有效性. 并以一方形基础为例, 分别讨论了泊松比、孔隙率、渗透系数和埋深对无量纲动力柔度的影响. 与以往方法相比, 该方法可以考虑复杂地基情形和不规则基础形式.

2012, 44(2): 393-400. doi: 10.6052/0459-1879-2012-2-20120223

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平面应变 Biot 固结的解析层元

艾智勇, 曹国军, 成怡冲

提出用解析层元法有效地解决任意深度单层土的平面应变 Biot 固结问题. 从 Biot 固结问题的控制方程出发, 采用特征值法在 Laplace-Fourier 变换域内推导出一个精确对称的解析层元刚度矩阵. 通过表示单层土广义力和广义位移之间关系的解析层元, 并结合土层的边界条件, 推导出土层任意点的解答; 物理域内的真实解可以通过 Laplace-Fourier 数值逆变换进一步获得. 通过数值计算验证理论的正确性, 研究了土层性质及时间因素对固结的影响.}

2012, 44(2): 401-407. doi: 10.6052/0459-1879-2012-2-20120224

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带可控臂绳系卫星释放及姿态控制

文浩, 陈辉, 金栋平, 胡海岩

考虑带可控机械臂绳系卫星的面内运动, 研究其释放阶段的子星位置和姿态控制问题. 系绳释放时, 通过调整机械臂转角实现子星姿态的无动量轮控制. 控制律设计分为两步: 首先, 基于非线性最优控制理论, 研究在状态和控制约束下的子星位置及其姿态控制, 通过二阶Legendre伪谱法求解开环最优控制律; 其次, 以开环解为参考, 基于轨迹跟踪思想设计反馈控制器, 其中反馈控制增益由开环最优控制算法及数值插值确定. 最后通过算例研究验证了该方法的有效性.

2012, 44(2): 408-414. doi: 10.6052/0459-1879-2012-2-20120225

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一类带柔性附件充液航天器姿态机动控制

杨旦旦, 岳宝增

基于Lyapunov稳定性理论研究了用动量轮控制一类带轻质悬臂梁附件的充液航天器的姿态机动控制问题, 其中晃动液体用黏性力矩球摆模型代替, 悬臂梁附件用若干集中质量代替. 用动量矩定理和Lagrange方程分别推导得到航天器主刚体、等效球摆、等效集中质量的动力学方程, 所用反馈控制律包含了与动量轮角加速度密切相关的权重因子, 利用系统初、终状态和到达最终姿态所需时间解析确定此权重因子. 同时利用Lyapunov稳定性理论得到了实现最终姿态机动的稳定性判据. 数值仿真表明所用控制律的有效性, 分析附件的相对主刚体平面的转角、相对系统质心的高度、长度、刚度、质量、阻尼系数和到达最终姿态所需时间等因素对控制过程中航天器剩余章动角的影响大小.

2012, 44(2): 415-424. doi: 10.6052/0459-1879-2012-2-20120226

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高维非线性振动系统参数识别

苏鸾鸣, 叶敏

将增量谐波平衡非线性识别推广到高维振动系统, 推导了基于增量谐波平衡的多自由度非线性系统的识别方程. 针对一个两自由度系统进行了数值模拟计算, 讨论了系统在单周期、倍周期和混沌运动状态下的参数识别, 以及噪声对识别结果的影响, 验证了增量谐波平衡非线性识别在多自由度系统中的有效性. 结果表明, 该方法具有较高的计算效率和识别精度, 以及良好的抗噪能力.

2012, 44(2): 425-436. doi: 10.6052/0459-1879-2012-2-20120227

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外共振耦合Duffing-van der Pol系统的首次穿越

张雷, 吴勇军

研究了谐和力与宽带噪声激励下二自由度强非线性Duffing-van derPol系统的首次穿越问题. 在外共振情形, 应用随机平均法将系统动力学方程化为关于振幅与角变量的Itô随机微分方程. 然后建立了系统的可靠性函数满足的后向Kolmogorov方程以及平均首次穿越时间满足的Pontryagin方程. 在一定的边界条件和初始条件下, 用有限差分法求解了这两个高维偏微分方程, 得到系统的条件可靠性函数、平均首次穿越时间以及平均首次穿越时间的条件概率密度. 讨论了不同参数对系统可靠性以及平均首次穿越时间的影响. 用Monte Carlo数值模拟验证了理论方法的有效性.

2012, 44(2): 437-446. doi: 10.6052/0459-1879-2012-2-20120228

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基于颗粒物质流体动力学的三轴力学分析

孙其诚, 宋世雄, 蒋亦民, 金峰, 张楚汉

构建了颗粒体系热力学特征函数, 确定了宏观尺度不可逆过程的迁移系数, 将颗粒物质流体动力学理论应用于密砂的三轴加载力学性质分析, 得到了应力-应变关系和体积应变-应变关系, 还得到了颗粒温度演化过程.

2012, 44(2): 447-450. doi: 10.6052/0459-1879-2012-2-20120229

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同轴圆柱间滑移旋转流动问题的同伦解析解

朱婧, 郑连存, 张志刚

从理论上研究了具有延伸柱面的同轴圆柱间滑移流动问题.通过引入适当的相似变换将控制方程组转化为一类非线性边值问题, 利用同伦分析方法首次获得问题的近似解析解, 分析讨论滑移参数、雷诺数和内外筒半径比对流动的影响.结果表明: 滑移边界参数对剪切应力有较大的影响, 滑移边界小的流体对壁面和边界层内流场施加了更大的剪切力; 增大雷诺数Re, 能增大内筒的壁面剪切力和扭矩; 内外筒半径比对流动结构也有较大的影响, 内筒半径固定, 增大外筒半径能够减少内筒的纵向剪切力.

2012, 44(2): 451-455. doi: 10.6052/0459-1879-2012-2-20120230

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非定常微分型黏弹性本构模型

康永刚, 张秀娥

在应力作用下, 材料的力学参数随着微观结构的变化而变化, 需要考虑参数的时间效应. 利用黏滞系数随时间变化的黏性元件, 构造出非定常Maxwell模型、非定常Kelvin模型和非定常Zener模型. 求解非定常模型的微分型本构方程得到它们的松弛模量、蠕变柔量和卸载方程. 结果表明, 可以把常见的经验松弛函数和经验蠕变函数视为非定常微分型本构模型.

2012, 44(2): 456-459. doi: 10.6052/0459-1879-2012-2-20120231

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二维稳态辐射声场的光滑有限元-完美匹配层解法

夏百战, 于德介, 姚凌云

针对外场声学有限元计算精度偏低的问题, 将光滑有限元技术引入到二维稳态辐射声场预测中, 提出了光滑有限元-完美匹配层解法. 该解法采用完美匹配层截断声场计算域, 并将其离散为等参四边形单元, 采用指数吸收函数实现完美匹配层内参数坐标和笛卡尔坐标的映射关系, 采用光滑声压梯度技术计算辐射声场刚度矩阵, 将形函数梯度的域内积分转换为形函数域边界积分. 某汽车二维声腔辐射声场的数值分析结果表明, 与标准有限元-完美匹配层相比, 光滑有限元-完美匹配层解法在完美匹配层内的声波吸收效果更好, 在计算域内的数值计算精度更高, 具有良好的工程应用前景.

2012, 44(2): 460-464. doi: 10.6052/0459-1879-2012-2-20120232

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