力学学报

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李群

基于材料构型力学描述复杂缺陷力学系统中的破坏行为, 可以为预测材料临界失效载荷和评估结构完整性提供新的思路. 首先, 通过对拉格朗日能量密度函数的梯度、散度、旋度操作分别获取3 类材料构型应力张量的定义式、平衡方程、物理意义以及其对应的守恒积分表达式. 其次, 基于材料构型力学概念建立描述材料屈服的屈服准则、预测裂纹起裂的断裂准则、以及评估复杂缺陷系统最终失效的破坏准则. 然后, 利用数字散斑图像相关技术, 开发材料构型力学相关参量的无损测量方法. 最后, 将材料构型力学概念应用于纳米损伤力学和铁电多晶材料的断裂力学中, 为此类新型材料的损伤水平评估提供理论支撑.

2015, 47(2): 197-214. doi: 10.6052/0459-1879-14-240

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k-ω-γ模式对转捩影响因素的预测性能研究

郝子辉, 阎超, 周玲

高超声速边界层转捩的准确预测对飞行器的防热、减阻至关重要,而影响高超声速边界层转捩的因素众多.从模式角度出发研究边界层转捩的影响因素,采用k-ω-γ 转捩模式对5°圆锥的边界层转捩进行了数值分析,计算了不同头部钝度、来流雷诺数和湍流度情况下的边界层转捩,并与实验结果进行了对比. 研究结果表明:k-ω-γ 转捩模式基本能够反映头部钝度、来流雷诺数、来流湍流度对高超声速圆锥边界层转捩的影响规律,但对转捩后的热流峰值预测不准;从模式构造角度分析发现,雷诺数越高或头部钝度越小,层流区边界层越薄,k-ω-γ 转捩模式中第一、第二模态时间尺度增大,因此转捩起始位置提前;来流湍流度越大,等效脉动动能初值越大,导致层流区发展过程中等效脉动动能越大,因此转捩易于发生.

2015, 47(2): 215-222. doi: 10.6052/0459-1879-14-294

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不同重力下90°弯管内气液两相流流型及流动特性研究

刘赵淼, 刘佳, 申峰

研究了不同重力条件下90°弯管内气液两相流流型分布形态及流动特性. 通过建立90°弯管内气液两相流流动的三维数学物理模型,采用VOF 方法,对10^-6g₀, 10^-4g₀, 10^-2g₀, 1g₀ (g₀= 9.8m/s²) 重力下的90°弯管内气液两相流流型分布特征、截面空隙率、滑速比及气相尾部最大斜向角进行了比较分析. 研究结果表明:所建立的模型能够正确模拟不同重力条件下90°弯管内气液两相流流型和截面空隙率,并得到气液两相弯管二次流与单相二次流的不同特性. 随着重力水平的提高,90°弯管对气相流型的影响作用减弱,气相整体向弯管内侧积聚靠拢,弯管对尾部的斜向作用减弱.

2015, 47(2): 223-230. doi: 10.6052/0459-1879-14-264

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明渠湍流边界层中颗粒的运动与分布

宋晓阳, 及春宁, 许栋

利用直接数值模拟、点球浸入边界法和颗粒离散元法相结合的方法, 模拟了颗粒在明渠湍流边界层中的运动, 并对颗粒的瞬时位置进行了Voronoi 分析, 定量研究了颗粒在湍流边界层中的运动和分布规律. 研究发现:颗粒的输运对湍流的统计特征有影响, 其运动与近壁区湍流拟序结构密切相关, 在"喷发"结构作用下被带离壁面, 在"扫掠" 结构和自身重力作用下回到壁面; 在湍流边界层中, 颗粒倾向于聚集在低流速带, 呈条带状分布;颗粒在大部分时间处于"簇"状态, 偶尔跳跃到"空" 状态, 但能够很快回到邻近低速区域.

2015, 47(2): 231-241. doi: 10.6052/0459-1879-14-164

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基于交通流实测数据的加速度研究

尹凯弘, 吴正, 郭明旻

采用6 个不同密度下的交通流样本, 从视频中提取大量跟驰车对的车头间距、车速、加速度和速度差数据. 统计分析发现, 加速度值域关于0 点具有对称性; 不同密度下加速度分布具有不同特征; 车头间距、车速和速度差对加速度的影响程度随密度不同而不同. 利用实测数据对GM 模型和Bando 模型进行参数优化, 据此提出一种GM 模型的简化形式和一种改进的Bando 模型, 两者拟合该文实测数据的平均误差都在6% 以下.

2015, 47(2): 242-251. doi: 10.6052/0459-1879-14-213

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可破碎颗粒体在动力载荷下的耗能特性

祁原, 黄俊杰, 陈明祥

采用离散元的数值方法, 通过连接键将若干小颗粒绑定为一个具有不规则外形的大颗粒体, 设置不同连接键强度模拟了颗粒体在外加动力载荷下破碎过程, 并探讨其中系统能量耗散特性. 计算结果表明, 颗粒体的破碎程度决定了系统能量耗散率, 即内部耗能占外界输入能量的比例. 破碎率越高, 颗粒间相互摩擦和碰撞越剧烈,系统能量耗散率越高. 同时, 在循环载荷下系统内颗粒体破碎绝大部分发生在加载初期, 随着颗粒体的分解破碎速率逐渐减小, 系统耗能能力也随之降低.

2015, 47(2): 252-259. doi: 10.6052/0459-1879-14-145

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基于迟滞行为的2D-SiC/SiC复合材料组份力学性能分析

郭洪宝, 贾普荣, 王波, 矫桂琼, 曾增

基于剪滞理论, 建立了单向纤维增强陶瓷基复合材料的加卸载理论模型, 分析了基体长碎块和短碎块对材料迟滞力学行为的不同影响. 通过拉伸循环加卸载试验, 获得了2D-SiC/SiC 复合材料的迟滞应力—应变行为.依据材料基体损伤特点, 将试验结果代入长碎块对应理论推导结果, 计算得到了4 个表征材料组份性能的参数:基体开裂应力为90 MPa, 热残余应力为19 MPa, 界面脱粘能为3.1 Jm², 界面滑移力为74 MPa. 最后结合少量短碎块的存在对试验结果的影响, 定性分析了计算结果的偏差. 结果表明, 获得的材料组分性能参数具有较小的分散性, 并能够准确表征材料整体的力学行为.

2015, 47(2): 260-269. doi: 10.6052/0459-1879-14-247

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高温仪器化压入测试中热接触对位移测量漂移的影响

陈克, 冯义辉, 彭光健, 张泰华

基于对室温压头和热试样接触后传热过程的分析, 重点研究热接触引起的压头基托热膨胀对高温仪器化压入测试中位移测量漂移的影响. 首先, 通过热传导理论分析, 获得热接触后基托内温度场分布的解析解, 进而研究基托热膨胀引起的位移测量漂移量; 然后, 建立有限元分析模型, 数值模拟高温仪器化压入过程, 验证理论模型的准确性. 研究发现, 压头与热试样接触面间的热传导性质显著影响基托内的温度场分布; 对于不同材料的试样, 接触面间传热性能不同, 基托的热膨胀量差异可以达到几个数量级. 研究结果有助于优化高温压入测试程序, 提高测试的可靠性.

2015, 47(2): 270-278. doi: 10.6052/0459-1879-14-297

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径向基点插值法在旋转柔性梁动力学中的应用

杜超凡, 章定国, 洪嘉振

将无网格径向基点插值法用于旋转柔性梁的动力学分析. 利用无网格方法对柔性梁的变形场进行离散,考虑梁的纵向拉伸变形和横向弯曲变形,并计入横向弯曲变形引起的纵向缩短,即非线性耦合项,运用第二类拉格朗日方程推导得到系统刚柔耦合动力学方程. 将无网格径向基点插值法的仿真结果有限元法和假设模态法进行比较分析,说明假设模态法的局限性,并表明其作为一种柔性体离散方法在刚柔耦合多体系统动力学的研究中具有可推广性,并讨论了径向基形状参数的影响. 同时运用3 种求解系统动力学方程的方法:纽马克方法、4阶龙格库塔法、亚当姆斯预报校正法,并比较各方法的计算效率, 结果表明纽马克方法最快.

2015, 47(2): 279-288. doi: 10.6052/0459-1879-14-334

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海上浮动机场动力学建模及非线性动力响应特性

徐道临, 卢超, 张海成

海上浮动机场由多个浮体模块柔性连接组成, 是一个典型的刚柔流耦合的多振子网络系统. 从网络动力学角度提出一个新的建模方法, 构建了具有链式拓扑结构特征的海上浮动机场非线性力学模型. 数值仿真分析了浮动机场的非线性响应和连接件载荷, 表明线性分析方法可能严重低估了实际情况. 探讨了浮体模块响应的网络协同效应, 以及"振幅死亡" 现象. 初步探讨了振幅死亡与连接件刚度参数和波浪周期的关系, 对海上浮动机场的稳定性设计具有特殊意义. 为研究非线性网络结构动力学问题, 包括大型海上浮体结构, 提供一个新的分析工具和应用范例.

2015, 47(2): 289-300. doi: 10.6052/0459-1879-14-138

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车辆纵向非光滑多体动力学建模与数值算法研究

范新秀, 王琪

在建立车辆纵向多体系统的动力学模型中, 将车身与车轮视为刚体, 两者通过减振器链接; 将传动系统视为一个圆盘通过扭簧和阻尼器与驱动轮连接; 将车轮与路面间的接触力简化为法向约束力、摩擦力和滚阻力偶,其中摩擦力的模型采用库仑干摩擦模型. 采用笛卡尔坐标作为该系统的广义坐标用于描述该系统的位形, 给出系统单双边的约束方程, 应用第一类拉格朗日方法建立了系统的动力学方程. 由于摩擦与滚阻的非光滑性, 使得该系统动力学方程不连续. 为便于计算, 建立了车轮与路面接触点的相对切向加速度与摩擦力余量的互补条件、车轮角加速度与滚阻力偶余量的互补条件, 以及车轮轮心法向加速度与路面法向约束力的互补条件. 将接触—分离、黏滞—滑移的判断问题转化成线性互补问题的求解, 并给出了具有约束稳定化的基于事件驱动法的数值计算方法. 最后, 应用该方法对车辆纵向多体系统进行了仿真, 分析了输出扭矩、摩擦及滚阻系数对其动力学行为的影响.

2015, 47(2): 301-309. doi: 10.6052/0459-1879-14-323

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一种无条件稳定的结构动力学显式算法

杜晓琼, 杨迪雄, 赵永亮

利用离散控制理论, 针对结构动力学方程时间积分提出了一种新的无条件稳定的显式算法. 新算法采用CR 算法的速度和位移递推格式, 同时利用Z变换获得算法对应的传递函数, 进而根据极点条件推导了递推格式系数的具体表达式. 然后, 在其系数中引入了一个控制周期延长率的变量s, 从而调节新算法的精度. 理论分析表明无条件稳定显式新算法具有二阶精度、零振幅衰减率、无超调和自起步特性, 且周期延长率可以用变量s控制, 而CR 算法只是本文新算法的特例. 最后, 确定了非线性刚度硬化系统的稳定性界限, 并给出了使新算法精度达到较高的变量s的区间. 算例分析表明, 在此变量区间内取值时, 新算法的精度要优于纽马克常平均加速度算法和CR 算法.

2015, 47(2): 310-319. doi: 10.6052/0459-1879-14-209

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一种含负刚度元件的新型动力吸振器的参数优化

彭海波, 申永军, 杨绍普

提出了一种含有负刚度弹簧元件的新型动力吸振器模型,对该模型的最优参数进行了详细研究. 通过拉氏变换得到了系统的解析解,发现该系统存在着两个固定点,利用固定点理论得到了动力吸振器的最优阻尼比和最优频率比. 进一步研究发现接地刚度取负值时能够得到更好的减振效果,根据负刚度的特性得到了在保证系统稳定情况下的最优负刚度比. 通过数值解与解析解的对比证明了解析解的正确性. 通过与两种已有的典型动力吸振器模型在简谐激励和随机激励情况下的对比,说明了负刚度模型在主系统减振方面具有很大的优势,减振效果远优于两种已有动力吸振器模型,从而为设计新型动力吸振器模型提出了理论上的依据.

2015, 47(2): 320-327. doi: 10.6052/0459-1879-14-275

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计算曲面壳体等效节点热载荷的新方法

刘云飞, 吕军, 白瑞祥, 高效伟

提出了一种利用平面壳单元计算曲面壳体热应力问题等效节点热载荷的新方法, 具有较高的计算精度. 首先在平面壳元的理论基础上, 在壳单元切平面建立局部坐标系; 然后根据提出的理论, 利用单元节点整体坐标直接计算壳单元等效节点热载荷积分方程中所需的未知量, 如: 形函数对局部坐标的导数、从对局部坐标积分转换到自然坐标积分时的雅可比行列式等; 最后, 根据提出的算法求出从局部坐标转换到整体坐标的转换矩阵, 进而求出整体坐标系下壳单元等效节点热载荷. 通过与商用软件ANSYS 的计算结果进行对比分析, 证明提出的方法是正确而且精确的.

2015, 47(2): 328-336. doi: 10.6052/0459-1879-14-136

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基于信号分子双向输运的运动细胞极性反转模拟

冯世亮, 朱卫平

为解释运动细胞极性反转实验所发生的现象, 依据调控细胞极化的信号级联转导关系, 构建了包含一对非稳态二维反应—扩散方程的数学模型, 并采用格子Boltzmann 方法数值求解. 数值实验显示, 当反向信号使胞内Rac 的活化梯度值达到和超过初始正向极化梯度的1.5 倍时, 负责细胞极化的Rac-PIs 反馈回路产生时空调控效应, 可驱动伪足标识信号分子(如磷酸激酶(PI3K) 和磷脂酰肌醇-3, 4, 5- 三磷酸(PIP₃)) 和尾部标识信号分子(如磷酸酶(PTEN) 和磷脂酰肌醇-4, 5- 双磷酸(PIP₂)) 发生双向输运, 并最终重新积聚于对极. 模拟得到的极性反转时程曲线与已有实验吻合. 此外, 针对实验观测到的新伪足开始形成与原先伪足完全消失之间存在着延滞时间(~30 s), 该文证实这是由于细胞两极对游离态激活酶(例如, PI3K) 展开竞争所致, 无需引入前人所设想的全局性抑制因子的作用.

2015, 47(2): 337-345. doi: 10.6052/0459-1879-14-242

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钝锥模型高焓流动的再压缩效应研究

李康, 胡宗民, 姜宗林

在钝体高焓流动中,热化学非平衡效应使膨胀区壁面压力显著低于冻结流动,相关研究表明,再压缩效应可以消除上述差异. 为详细分析此问题,数值求解了Euler 方程,化学反应源项采用有限速率模型并考虑了5个组分,17 个基元反应. 结果表明,随着再压缩角的增大,热化学非平衡效应引起锥面压力先降后增非单调变化,这是由于再压缩流场中放热复合反应与吸热分解反应的强度变化决定的,其宏观表现为比热比的空间不均衡分布.

2015, 47(2): 346-350. doi: 10.6052/0459-1879-14-220

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合成射流对失速状态下翼型大分离流动控制的试验研究

赵国庆, 招启军, 顾蕴松, 陈希, 张冬雨, 左伟

为研究低速状态合成射流在抑制翼型气流分离和推迟失速方面的控制机理, 开展了NACA0021 翼型失速特性射流控制的风洞试验研究. 通过系统性的模型测力、翼型瞬态流场粒子图像测速和边界层速度测定的对比试验, 深入探索了合成射流各参数对翼型失速特性控制效果的影响规律. 试验结果表明射流偏角在翼型升力和失速迎角控制方面的效果对射流动量系数较为敏感: 当动量系数较大时, 近切向射流的控制效果更好. 射流动量系数为0.033 时, 偏角30°的射流使得翼型升力系数峰值提高23.56%, 失速迎角增大5°; 而动量系数较小时, 偏角较大的射流能够获得最佳控制效果. 射流动量系数为0.0026 时, 法向射流对翼型最大升力系数控制效果最好(提高9.2%).

2015, 47(2): 351-355. doi: 10.6052/0459-1879-14-134

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土力学有效应力及其作用的讨论

赵成刚, 刘真真, 李舰, 刘艳, 蔡国庆

讨论了饱和土有效应力的作用及其使用中应注意的问题,以及土力学预测中存在的不确定性的几种情况.从土的各相平衡方程出发推导得到了非饱和土的总应力和各相应力之间的关系, 以及非饱和土的平均骨架应力的表达式,并定义该式为非饱和土的有效应力;该表达式与变形功推导得到的有效应力公式是一致的. 文中还就非饱和土有效应力的一些问题进行了探讨.

2015, 47(2): 356-361. doi: 10.6052/0459-1879-14-189

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应变能中耦合项对旋转悬臂梁振动频率的影响

赵国威, 吴志刚

大范围运动悬臂梁的动力学建模问题对动力学特性分析及控制系统设计具有极其重要的作用. 当前研究多采用一次近似模型,其忽略了由轴向和横向变形所产生的应变能中的耦合项,然而这些项对动力学特性会产生影响. 通过讨论应变能的选取方式,计入了应变能中的耦合项;利用哈密尔顿原理建立结构的耦合振动模型;再借助瑞利—里兹法,以无大范围运动时的振型函数作为基本解组,得到了结构振动广义特征方程并求解. 通过数值算例对比分析,指出考虑应变能耦合项得到的频率与不考虑应变能耦合项得到的频率存在明显差别.

2015, 47(2): 362-366. doi: 10.6052/0459-1879-14-207

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基于自洽法的电化学沉积修复饱和混凝土细观描述

陈庆, 朱合华, 闫治国, 朱建文, 邓涛, 周帅

针对当前电化学沉积修复混凝土缺乏细观层次上的理论描述,首先,以饱和混凝土的细观结构和电化学沉积修复的主要机理为基础, 提出了含电化学沉积产物、水和混凝土基体在内的三相复合材料细观力学模型. 其次,为了从细观层次定量描述电化学沉积修复对混凝土宏观性能的影响,基于自洽法对上述细观力学模型进行多层次均匀化处理,获取电化学沉积修复饱和混凝土的有效性能,其中,第一层均匀化是采用广义自洽模型获取等效夹杂的有效性能,第二层均匀化是采用自洽方法和沃伊特(Voigt) 上限相结合的方式获取修复混凝土的有效性能. 最后,为了验证该文所提出模型和方法的有效性,对比了该文的预测结果、试验数据和已有模型,结果表明了该文模型和方法是合理的.

2015, 47(2): 367-371. doi: 10.6052/0459-1879-14-147

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第六届全国固体力学青年学者学术研讨会报告综述

王记增, 陈伟球, 詹世革, 张攀峰

简要介绍了在兰州大学召开的第六届全国固体力学青年学者学术研讨会的情况,概括总结了与会学者所做的学术报告内容,并就新时期固体力学的发展提出了一些思考和建议.

2015, 47(2): 372-380. doi: 10.6052/0459-1879-15-034

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