EI、Scopus 收录
中文核心期刊
快速检索 年期检索 高级检索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

2018年  第50卷  第2期

栏目
  上一期 | 下一期 
显示方式:
流体力学
高超声速激波湍流边界层干扰直接数值模拟研究
童福林, 李欣, 于长, 李新
高超声速激波与湍流边界层干扰会导致飞行器表面出现局部热流峰值,严重影响飞行器气动性能和飞行安全. 针对高马赫数激波干扰问题,以往数值研究多采用雷诺平均方法,而在直接数值模拟方面的相关工作较为少见. 开展高超声速激波与湍流边界层干扰的直接数值模拟研究,有助于进一步提升对其复杂流动机理认识和理解,同时也将为现有湍流模型和亚格子应力模型的改进提供理论依据. 采用直接数值模拟方法对来流马赫数6.0,34°压缩拐角内激波与湍流边界层的干扰问题进行了研究. 基于雷诺应力各向异性张量,分析了高超声速湍流边界层在压缩拐角内的演化特性. 通过对湍动能输运方程的逐项分析,系统地研究了可压缩效应对湍动能及其输运的影响机制. 采用动态模态分解方法,探讨了干扰流场的非定常运动历程. 研究结果表明,随着湍流边界层往下游发展,近壁湍流的雷诺应力状态由两组元轴对称状态逐渐演化为两组元状态,外层区域则由轴对称膨胀趋近于各向同性. 干扰流场内存在强内在压缩性效应(声效应),其对湍动能输运的影响主要体现在压力--膨胀项,而对膨胀--耗散项影响较小. 高超声速下压缩拐角内的非定常运动仍存在以分离泡膨胀/收缩为特征的低频振荡特性,其物理机制与分离泡剪切层密切相关.
2018, 50(2): 197-208. doi: 10.6052/0459-1879-17-239
HTML PDF
前体涡发生器对轴对称高超声速进气道激波振荡流动的影响实验
高文智, 李祝飞, 曾亿山, 杨基明
激波振荡是高超声速进气道不起动过程中常见的流动现象,会显著降低进气道气流捕获与压缩效率、产生剧烈的非定常气动力载荷而危害飞行器安全. 从激波振荡的控制出发,实验研究了前体转捩带位置的涡发生器对轴对称高超声速进气道激波振荡流动的影响. 分别在起动和激波振荡两种进气道流态下,选择无、0.5 mm与1 mm高度涡发生器工况进行对比研究. 并采用高速纹影与壁面动态测压同步记录非定常流动特征. 结果表明,1 mm高度内的涡发生器对起动状态的进气道主流流场结构、壁面压强分布影响不显著. 但对于激波振荡流动,涡发生器会明显缩小外压缩面分离区运动范围,缩短振荡周期,提升振荡周期内壁面压强的时均值. 涡发生器的影响程度随其高度的增大而增强,其中振荡周期从无涡发生器的4 ms缩短到1 mm高度涡发生器的3.13 ms. 此外,0.5 mm高度涡发生器会使得进气道内部测点的压强振荡幅值整体下降,相比无涡发生器工况的下降幅度可达23%. 流场结构与壁面压强信号的分析表明,涡流发生器主要通过其产生的流向涡影响激波振荡流动,包含流向涡对下游边界层的扰动以及流向涡与分离区的相互干扰.
2018, 50(2): 209-220. doi: 10.6052/0459-1879-17-259
HTML PDF
激波主导流动下壁板的热气动弹性稳定性理论分析
叶柳青, 叶正寅
针对激波主导流动下弹性壁板的热气动弹性稳定性分析问题,建立了基于当地活塞流理论的分析模型,并用数值仿真方法来验证其正确性. 首先基于Hamilton原理和Von-Karman大变形理论,建立壁板的热气动弹性运动方程,其中假设壁板受热后温度均匀分布,激波前后区域的气动力模型采用当地一阶活塞流理论;利用Galerkin方法将具有连续参数系统的偏微分颤振方程离散为有限个自由度的常微分方程;基于李雅普诺夫间接法将非线性颤振方程组在平衡位置处进行线化,再用Routh-Hurwits判据来判断线性系统的稳定性,从而来推论出非线性颤振系统的气动弹性稳定性. 在时域中采用龙格--库塔法对非线性颤振方程进行数值积分,得到壁板非线性颤振响应的时间历程,与理论分析结果进行对比. 研究结果表明,壁板受到斜激波冲击时,更容易发生颤振失稳,并且激波强度越大,极限环幅值和频率越大;激波主导流场中的壁板失稳边界不同于传统单纯超声速气流中壁板颤振的失稳边界;只有在斜激波前后不同的动压值都满足颤振稳定性边界的条件下,壁板才可能保持其气动弹性稳定性.
2018, 50(2): 221-232. doi: 10.6052/0459-1879-17-242
HTML PDF
高雷诺数下多柱绕流特性研究
李聪洲, 张新曙, 胡晓峰, 李巍, 尤云祥
采用改进的延迟分离涡方法数值模拟了高雷诺数下的柱体绕流,包括单圆柱绕流、单方柱绕流、串列双圆柱绕流和串列双方柱绕流,研究了不同雷诺数下圆柱绕流与方柱绕流的水动力特性. 计算结果与实验数据及其他文献的数值计算结果吻合良好,研究表明,单方柱绕流在2.0×103<Re<1.0×107范围内未出现类似于单圆柱绕流的阻力危机现象,其平均阻力系数Cdˉ、升力系数均方根C'l及斯特劳哈尔数St维持在一定范围内波动. 串列双圆柱绕流与串列双方柱绕流中,均选取L/D=2.0, 2.5, 3.0, 3.5和4.0这五中间距比进行计算. 串列双圆柱绕流中,当Re=2.2×104时,在3.0<L/D<3.5内存在一临界间距比(Lc/D)使得Lc/D前后上下游圆柱的升阻力系数发生跳跃性变化,且当L/D<Lc/D时,下游圆柱的阻力系数为负数. 而当Re=3.0×106时,则不存在临界间距比,且下游圆柱的阻力系数始终为正数. 串列双方柱绕流在Re=1.6×104和Re=1.0×106两种工况下的临界间距比分别处于3.0<L/D<3.5和3.5<L/D<4.0区间内,且当L/D<Lc/D时,两个雷诺数下的下游方柱阻力系数均为负数.
2018, 50(2): 233-243. doi: 10.6052/0459-1879-17-346
HTML PDF
错列角度对双圆柱涡激振动影响的数值模拟研究
段松长, 赵西增, 叶洲腾, 王凯鹏
为研究错列角度α对双圆柱涡激振动问题的影响,采用自主研发的基于CIP (constrained interpolation profile)方法的数值模型,对雷诺数Re=100、错列角度α=0°~90° (间隔15 #x00B0;)的等直径双圆柱涡激振动问题进行数值模拟. 模型在笛卡尔网格系统下建立,采用具有三阶精度的 CIP 方法求解 N-S (Navier--Stokes)方程,采用浸入边界法处理流--固耦合问题,避免了任意拉欧方法下的网格畸变和重叠动网格技术中的大量信息交换问题,保证了模型的计算效率. 重点分析不同错列角度α上下游圆柱的升阻力系数、位移响应、涡脱频率和尾涡模态等. 结果表明：折合速度Ur=2.0~3.0时,上下游圆柱升阻力随错列角度的增大基本呈单调增大的趋势;Ur=5.0~8.0时,随错列角度的增大,上下游圆柱阻力变化较小,升力呈“上凸”趋势,在α=15°~30°取得最大值;Ur=10.0~13.0时,随错列角度的增大,上下游圆柱阻力变化较小,升力呈“下凹”趋势,在α=30°~45°取得最小值,且柱体横流向振幅和升力没有明显的对应关系. 最后,结合尾涡模态对以上规律的成因进行分析. 研究结果可为相关海洋工程设计提供参考.
2018, 50(2): 244-253. doi: 10.6052/0459-1879-17-345
HTML PDF
扩展腔对方波型微混合器混合性能的影响研究
刘赵淼, 王文凯, 逄燕
微混合器凭借节约试剂、混合强度高和易于集成等优点,在材料合成、医药制备和生化检测等领域中具有广泛的应用. 为了进一步提高混合性能,保证混合过程的安全性及生化反应结果的准确性,设计了一种带扩展腔的新型方波型微混合器. 在综合考虑混合强度和压降的前提下,通过实验研究和数值模拟分析了窄缝宽度、窄缝长度和扩展腔高度对微混合器混合性能的影响并得到了不同雷诺数Re条件下的最优结构参数. 与方波型微混合器的混合性能进行比较,发现Re=20时,带扩展腔的方波型微混合器的混合强度更高,其中Re时两者混合强度相差最多,可达12%. 在相同Re下,带扩展腔的方波型微混合器的压降要低于方波型微混合器. 对带扩展腔的方波型微混合器进行内部流场分析,发现扩展腔结构能在流体层流状态的基础上引入涡流,使通道中流体的流动状态发生改变、对流增强,进而混合性能提高.
2018, 50(2): 254-262. doi: 10.6052/0459-1879-17-291
HTML PDF
开放空腔壳体倾斜入水运动特性试验研究
路中磊, 孙铁志, 魏英杰, 王聪
基于高速摄像试验方法,研究了开放空腔壳体的倾斜入水运动特性,重点分析了开放空腔结构引起的空泡流动特征和壳体运动规律. 通过试验数据分析了开放空腔内气体运动将引起独特的空泡流动和阶段性的运动规律,探讨了初始入水速度、入水姿态对入水弹道和空泡形态等运动特征的影响. 结果表明：开放空腔壳体入水空泡出现阶段波动演化现象,并先后经历两次闭合;入水空泡演化改变流体动力分布,直接影响壳体运动方式,进而改变水下弹道特征;空腔内部形成相对独立流场环境和开放端周期性流动,在重力作用下液体对空腔内下侧壁面作用力较大,加剧壳体偏转,从而改变入水运动过程的稳定性;随着入水速度的增大,空泡波动特征逐渐明显,闭合时间延迟,非对称深闭合引起的横向位移减小,但偏转角度与入水速度无关;随着初始姿态倾角减小,空泡波动程度减弱、闭合时间延迟,偏转角速度增大,闭合引起的横向位移增大.
2018, 50(2): 263-273. doi: 10.6052/0459-1879-17-191
HTML PDF
表面活性剂减阻水溶液突扩流的阻力特性
蔡书鹏, 汪志能, 段传伟, 李丹
为揭示胶束水溶液突扩流的减阻特性,实验研究了质量分数为1×10-4, 2 ×10-4的十六烷基三甲基溴化铵水溶液通过管径比为1:1.52的突扩的流动阻力行为. 实验结果表明,在直管段最大减阻率都可达到70%的两给定质量分数的胶束水溶液,其突扩局部阻力系数,在较低雷诺数区域,较牛顿流体仅有10%~20%程度的降低,呈现局部低减阻特性;在较高雷诺数区域远大于牛顿流体,尤其当突扩进口流快失去减阻能力时,甚至接近牛顿流体的1.5倍,呈现明显的局部增阻行为. 胶束水溶液减阻流,在突扩下游再次形成充分发展流所需的下游长度,远大于牛顿流体的7.8倍下游管径(45倍突扩台阶高度),流入突扩前完全失去减阻能力的质量分数为2×10-4的胶束水溶液流,所需的突扩下游长度达到最大,约合158倍下游管径(920倍突扩台阶高度). 通过胶束水溶液流变特性的实验分析认为,减阻水溶液突扩流的阻力行为与它的胶束网联结构的形成及松弛的时间特性密切相关.
2018, 50(2): 274-283. doi: 10.6052/0459-1879-17-328
HTML PDF
固体力学
基于介观力学信息的颗粒材料损伤--愈合与塑性宏观表征
王增会, 李锡夔
本文在二阶计算均匀化框架下提出了颗粒材料损伤--愈合与塑性的多尺度表征方法. 颗粒材料结构在宏观尺度模型化为梯度Cosserat连续体,在其有限元网格的每个积分点处定义具有离散颗粒介观结构的表征元. 建立了表征元离散颗粒系统的非线性增量本构关系. 表征元周边介质作用于表征元边界颗粒的增量力与增量力偶矩以表征元边界颗粒的增量线位移与增量转动角位移、当前变形状态下表征元离散介观结构弹性刚度、以及凝聚到表征元边界颗粒的增量耗散摩擦力表示. 基于平均场理论与Hill定理,导出了基于介观力学信息的梯度Cosserat连续体增量非线性本构关系. 在等温热动力学框架下定义了表征颗粒材料各向异性损伤--愈合和塑性的损伤、愈合张量因子与综合损伤、愈合效应的净损伤张量因子和塑性应变. 此外,定义了损伤和塑性耗散能密度与愈合能密度,以定量比较材料损伤、愈合、塑性对材料失效的效应. 应变局部化数值例题结果显示了所建议的颗粒材料损伤--愈合--塑性表征方法的有效性.
2018, 50(2): 284-296. doi: 10.6052/0459-1879-17-362
HTML PDF
基于M积分的脆性材料微缺陷等效损伤面积/体积表征
朱文洁, 吕俊男, 李群
随着脆性材料在工程中的广泛应用,对脆性材料中微缺陷进行统一的损伤水平标定,具有重要的科学研究和工程应用价值. 本研究提出一种基于M积分的材料等效损伤面积/体积标定方法, 以具有相同M积分值的圆孔面积或球孔体积来标定 复杂微缺陷构型的损伤水平,从而实现不同类型微缺陷真实损伤水平的统一表征. 首先,基于Lagrangian能量密度函数推导 了M积分定义式,并简述了M积分的物理意义,基于域积分方法实现二维/三维M积分的数值计算. 随后,提出了基 于M积分的材料缺陷等效损伤面积/体积标定方法,以圆孔面积/球孔体积来标定复杂微缺陷材料系统的损伤水平. 最后, 针对单轴拉伸载荷作用下的二维/三维脆性体含不同缺陷构型,具体计算了椭圆孔、裂纹以及双裂纹、双孔洞、裂纹和孔洞干 涉等复杂缺陷构型情况下的等效损伤面积/体积,并详细分析了缺陷之间的干涉效应及影响因素. 本研究旨在基于M积分等 效方法量化脆性材料中各类微缺陷造成的损伤程度,实现损伤等级标定,有益于工程材料及结构的损伤容限设计及完整性评估.
2018, 50(2): 297-306. doi: 10.6052/0459-1879-17-378
HTML PDF
热对流作用下筒壁涂层的边裂行为
彭中伏, 陈学军
边裂(边缘开裂)是涂层热致损伤的主要模式之一. 边缘裂纹穿透涂层后,常导致界面脱粘从而驱使涂层与基体剥离,最终丧失对基体的保护作用. 本文以热应力强度因子表征边缘裂纹的扩展驱动力,研究筒壁涂层在热对流作用下的边裂行为. 首先,利用拉普拉斯变换法,得到了瞬态温度场及热应力场的封闭解. 其次,运用Fett等的三参数法确定了筒壁涂层边缘裂纹的权函数. 最后,基于叠加原理和权函数方法计算了边缘裂纹的热应力强度因子. 探讨了无量纲时间、边缘裂纹深度、基体/涂层厚度比、热对流强度等参数对热应力强度因子的影响规律. 结果表明：热应力强度因子的峰值既非发生在热载荷初始时刻,也非发生在热稳态时刻,而出现在时间历程的中间时刻;增大热对流强度不仅可提高热应力强度因子的峰值,而且使峰值提前出现;其他条件相同时,热应力强度因子随着边缘裂纹长度的增大而降低;增大涂层厚度或减小基体厚度可增强涂层抵抗瞬态热载荷的能力.
2018, 50(2): 307-314. doi: 10.6052/0459-1879-17-412
HTML PDF
基于微形态模型的颗粒材料中波的频散现象研究
修晨曦, 楚锡华
基于颗粒材料冲击与波动响应特性的调控波传播行为的超材料设计受到广泛关注,设计这类材料需要对颗粒材料的波传播机制及调控机理有深入认识. 波在颗粒材料中传播的频散现象及频率带隙等行为与材料的非均匀性密切相关,通常讨论频散现象是基于弹性理论框架建立微结构连续体或高阶梯度连续体等广义连续体模型来进行. 本研究基于细观力学给出了一个颗粒材料的微形态连续体模型. 在该模型中,考虑了颗粒的平动和转动,且颗粒间的相对运动分解为两部分：即宏观平均运动和细观真实运动. 基于此分解,提出了一个完备的变形模式,得到了对应于不同应变及颗粒间运动的宏细观本构关系. 结合宏观变形能的细观变形能求和表达式,获得了基于细观量表示的宏观本构模量. 应用所建议模型考察了波在弹性颗粒介质的传播行为,给出了不同形式的波的频散曲线,结果显示此模型具有预测频率带隙的能力.
2018, 50(2): 315-328. doi: 10.6052/0459-1879-17-420
HTML PDF
一种近场动力学非普通状态理论零能模式控制方法
李潘, 郝志明, 甄文强
近场动力学非普通状态理论在采用节点积分时将引起零能模式,造成位移场、应力应变场的数值不稳定性,影响计算精度甚至会导致完全错误的结果,因此必须对其进行控制.目前国际上还没有十分有效的零能模式控制方法.本文针对零能模式问题,提出了一种通用的、高效的控制方法.根据近场动力学线性键理论,确定非均匀变形对应弹性张量的具体形式,考虑了微模量随不同作用键的变化.通过最小位能原理推导出非均匀变形引起的力状态,结合近场动力学力状态,得到稳定力状态表达式.从而建立起基于线性键理论的稳定关联材料模型,并应用于含圆孔平板、三点弯试件线弹性变形和损伤破坏过程模拟.数值结果表明,本文模型能有效抑制近场动力学非普通状态理论中的零能模式现象.与已有零能模式控制方法相比,其物理意义明确,不包含控制参数,避免了复杂的零能模式参数调节过程,提高了计算效率.
2018, 50(2): 329-338. doi: 10.6052/0459-1879-17-386
HTML PDF
近场动力学与有限元方法耦合求解热传导问题
刘硕, 方国东, 王兵, 付茂青, 梁军
求解含裂纹等不连续问题一直是计算力学的重点研究课题之一,以偏微分方程为基础的连续介质力学方法处理不连续问题时面临很大的困难. 近场动力学方法是一种基于积分方程的非局部理论,在处理不连续问题时有很大的优越性. 本文提出了求解含裂纹热传导问题的一种新的近场动力学与有限元法的耦合方法. 结合近场动力学方法处理不连续问题的优势以及有限元方法计算效率高的优势,将求解区域划分为两个区域,近场动力学区域和有限元区域. 包含裂纹的区域采用近场动力学方法建模,其他区域采用有限元方法建模. 本文提出的耦合方案实施简单方便,近场动力学区域与有限元区域之间不需要设置重叠区域. 耦合方法通过近场动力学粒子与其域内所有粒子(包括近场动力学粒子和有限元节点)以非局部方式连接,有限元节点与其周围的所有粒子以有限元方式相互作用. 将有限元热传导矩阵和近场动力学粒子相互作用矩阵写入同一整体热传导矩阵中,并采用Guyan缩聚法进一步减小计算量. 分别采用连续介质力学方法和近场动力学方法对一维以及二维温度场算例进行模拟,结果表明,本文的耦合方法具有较高的计算精度和计算效率. 该耦合方案可以进一步拓展到热力耦合条件下含裂纹材料和结构的裂纹扩展问题.
2018, 50(2): 339-348. doi: 10.6052/0459-1879-17-332
HTML PDF
成层饱和介质平面波斜入射问题的一维化时域方法
李伟华, 夏佩林, 张奎, 赵成刚
地震波斜入射下自由场的输入是大型结构抗震分析中亟待解决的问题之一,尤其是成层饱和多孔介质自由场问题,由于问题的复杂性,目前研究甚少. 本文基于Biot提出的饱和多孔介质动力方程,建立了一种新的求解平面波斜入射下基岩上覆饱和多孔介质成层场地自由场分析的一维化时域计算方法. 该方法首先根据Snell定律将饱和多孔介质二维空间问题转化为一维时域问题,通过对深度方向的有限元离散,得到饱和多孔介质波动问题的一维化有限元方程,然后采用单相弹性介质精确人工边界条件模拟基岩半空间的波动辐射和输入特征,通过考虑基岩与饱和多孔介质间透水或不透水边界条件以及不同饱和多孔介质交界面边界条件,形成基岩上覆成层饱和介质系统的整体有限元方程,最后采用中心差分法与Newmark平均加速度近似格式相结合的方法对时间进行离散,得到节点的动力时程的显式表达. 典型场地的地震反应分析表明,本文方法的计算结果与传递矩阵法结合傅里叶变换的计算结果完全吻合,证明了其有效性.
2018, 50(2): 349-361. doi: 10.6052/0459-1879-17-393
HTML PDF
动力学与控制
双频1:2激励下修正蔡氏振子两尺度耦合行为
夏雨, 毕勤胜, 罗超, 张晓芳
不同尺度耦合系统存在的复杂振荡及其分岔机理一直是当前国内外研究的热点课题之一. 目前相关工作大都是针对单频周期激励频域两尺度系统,而对于含有两个或两个以上周期激励系统尺度效应的研究则相对较少. 为深入揭示多频激励系统的不同尺度效应,本文以修正的四维蔡氏电路为例,通过引入两个频率不同的周期电流源,建立了双频1:2周期激励两尺度动力学模型. 当两激励频率之间存在严格共振关系,且周期激励频率远小于系统的固有频率时,可以将两周期激励项转换为单一周期激励项的函数形式. 将该单一周期激励项视为慢变参数,给出了不同激励幅值下快子系统随慢变参数变化的平衡曲线及其分岔行为的演化过程,重点考察了3种较为典型的不同外激励幅值下系统的簇发振荡行为. 结合转换相图,揭示了各种簇发振荡的产生机理. 系统的轨线会随慢变参数的变化,沿相应的稳定平衡曲线运动,而fold分岔会导致轨迹在不同稳定平衡曲线上的跳跃,产生相应的激发态. 激发态可以用从分岔点向相应稳定平衡曲线的暂态过程来近似,其振荡幅值的变化和振荡频率也可用相应平衡点特征值的实部和虚部来描述,并进一步指出随着外激励幅值的改变,导致系统参与簇发振荡的平衡曲线分岔点越多,其相应簇发振荡吸引子的结构也越复杂.
2018, 50(2): 362-372. doi: 10.6052/0459-1879-18-017
HTML PDF
含芯拧绞绳非线性弯曲动力学特性分析与研究
过佳雯, 魏承, 谭春林, 赵阳
建立细长缆索大柔性多体动力学模型时,现实存在的复杂捻制几何构型多不予考虑,而是将柔索简化为材料均匀梁进行描述,致使运动仿真模型与物理实际存在一定差距. 为此,研究一种典型非线性拧绞绳股的大变形等效动力学建模方法,考虑准静态与大范围运动情况下绳股内的线接触,计算了受摩擦力及弯曲曲率影响的绳股可变弯曲刚度,通过等效梁模型避免了绳股精细建模时的大规模计算消耗. 基于连续介质力学与绝对节点坐标方法,建立了拧绞绳惯性广义坐标下的多柔体动力学模型. 为了验证等效模型的可行性,与基于有限段方法建立的精细模型进行对比仿真分析,通过位形验证了等效模型的精度. 进一步地,根据力载作用下的准静态构型,研究了特定构型绳股弯曲刚度沿轴向的分布规律;通过自重力下一端固定柔性绳摆自由运动仿真并与传统均匀梁模型相比,研究了模型弯曲特性的差异. 最后,根据能量守恒原理分析了摩擦耗散系统内各种能量间的相互转化. 拧绞绳大变形等效动力学模型能够提高绳索动力系统运动预测的仿真计算效率,还能为钢丝绳参数与构型设计提供依据.
2018, 50(2): 373-384. doi: 10.6052/0459-1879-17-297
HTML PDF
生物、工程及交叉力学
基于改进的双向渐进结构优化法的应力约束拓扑优化
王选, 刘宏亮, 龙凯, 杨迪雄, 胡平
工程结构设计时经常需要限制最大名义应力,以避免发生断裂或疲劳破坏,一个有效的策略是采用拓扑优化方法. 常规的双向渐进结构优化法(bi-evolutionary structural optimization, BESO)不能有效求解应力约束拓扑优化问题,为此本文提出一种改进的双向渐进结构优化方法,处理体积和应力约束下的最小柔顺性问题. 引入基于K-S函数的全局应力度量,以减小大量局部应力约束引起的计算代价. 采用拉格朗日乘子法将应力约束函数引入到目标函数,然后由二分法确定合适的拉格朗日乘子的值使得应力约束得到满足. 而且,详细推导了基于BESO方法的应力约束拓扑优化模型及其灵敏度列式,最后通过三个典型拓扑优化算例验证改进方法的有效性. 为展示考虑应力约束的优点,将应力约束设计与传统的基于刚度的设计进行了比较. 结果表明, 改进的BESO方法优化迭代过程稳健,获得了边界灰度单元很少的清晰的拓扑构型,并实现了有效降低应力集中效应的设计.
2018, 50(2): 385-394. doi: 10.6052/0459-1879-17-286
HTML PDF
基于ALE有限元法的流固耦合强耦合数值模拟
何涛
针对不同流固耦合问题,提出一种基于任意拉格朗日--欧拉(ALE)有限元技术的分区强耦合算法. 运用半隐式特征线分裂算法求解ALE描述下的不可压缩黏性流体Navier-Stokes方程. 分别考虑一般平面运动刚体和几何非线性固体,采用复合隐式时间积分法推进结构运动方程,故可选用较大时间步长;进一步应用单元型光滑有限元法求解几何非线性固体大变形,获得更精确结构解且不影响计算效率. 运用子块移动技术结合正 交--半扭转弹簧近似法高效更新流体动网格;同时将一质量源项引入压力泊松方程满足几何守恒律,无需复杂构造网格速度差分格式. 采用简单高效的固定点法配合Aitken动态松弛技术实现各场耦合,可灵活选择先进单场求解技术,具备较好程序模块性. 运用本文算法分别模拟了H型桥梁截面颤振问题和均匀管道流内节气阀涡激振动问题. 研究表明,数值结果与已有文献数据吻合,计算精度和求解效率均令人满意.
2018, 50(2): 395-404. doi: 10.6052/0459-1879-17-197
HTML PDF
二维稳定流形的自适应推进算法
袁国强*, 李颖晖
稳定和不稳定流形是研究动力系统全局特性的重要工具. 一般系统的稳定和不稳定流形的曲率在全局范围内会有明显变化,应根据流形曲率的变化采用不同尺寸的网格单元计算全局流形. 然而在现有二维流形算法中,流形网格单元的尺寸在全局范围内是统一的. 为持续有效地计算全局稳定流形,提高计算网格对流形曲率变化的适应性. 本文在偏微分方程算法的基础上提出一种二维稳定流形的自适应推进算法. 该算法的基本思想是根据稳定流形曲率的变化自适应地调整网格单元的尺寸. 该算法首先在系统的稳定特征子空间中确定稳定流形的一个初始估计,该初始估计的网格单元尺寸设置为初始大小. 然后根据稳定流形网格前沿的曲率特点自适应地产生新的备选网格单元,继而根据相切性条件更新备选点的坐标,并将距离平衡点最近的备选点接受为已知点,最后更新稳定流形网格的前沿并自适应地产生新的备选网格单元,通过这个迭代过程使流形网格自适应地向前推进. 本文算法通过引入流形单元尺寸自适应,成功实现了洛伦兹流形和类球面流形的计算,并与偏微分方程算法进行了对比,结果表明自适应推进算法的流形计算单元的尺寸可在全局范围内根据流形曲率自适应地调整. 利用自适应推进算法计算二维稳定流形,可实现稳定流形的自适应推进.
2018, 50(2): 405-414. doi: 10.6052/0459-1879-17-353
HTML PDF
多孔介质--自由流界面应力跳跃条件下流动特性解析解
李琪, 赵一远, 胡鹏飞
对非对称多孔介质--自由流复合通道内多孔介质内部及多孔介质与自由流体界面处复杂质量、动量输运特性进行研究. 在多孔介质区采用Brinkman-extended Darcy模型并结合速度连续,剪切应力跳跃的界面条件对此复合通道内流体的传递现象进行求解,提出了考虑界面应力跳跃时非对称复合通道各区域流体运动速度及摩擦系数的解析式,分析了界面应力跳跃系数,达西数及无量纲多孔层偏心厚度对流体速度及摩擦系数的影响. 结果表明：改变界面性质可在一定条件下明显控制各区域流体速度分布;在达西数、多孔层偏心厚度一定情况下,界面应力系数的增大会使界面流速减小,而使流体摩擦系数增大,特别是界面应力系数小于0的情况下变化更明显,此时若不考虑界面应力系数则会造成较大误差. 当界面应力系数及多孔层偏心厚度均为较小负数值时,改变多孔层偏心厚度对界面速度的影响要大于改变界面应力系数的情况;而当界面应力系数及多孔层偏心厚度为较大正数值时,情况则相反. 较大达西数下,界面应力系数及多孔层偏心厚度对流体摩擦系数的影响均较大,继续减小达西数至一定程度时,界面应力系数对流体摩擦系数的影响可忽略不计而认为只与多孔层偏心厚度相关,且对较大多孔层偏心厚度更敏感.
2018, 50(2): 415-426. doi: 10.6052/0459-1879-17-357
HTML PDF
含气泡油滴撞击油膜壁面时气泡的变形与破裂
周剑宏, 童宝宏, 王伟, 苏家磊
油--气润滑过程中润滑油液滴受高速气流扰动易形成含气泡油滴,微气泡将对油滴撞击壁面时的运动过程以及壁面油膜 层的形成质量产生重要影响. 基于耦合的水平集--体积分数 方法,对含气泡油滴撞击油膜壁面行为进行数值模拟研究, 考察含气泡油滴撞击油膜壁面时气泡的变形运动过程,探讨气泡破裂的动力学机制,分析气泡大小、碰撞速度和液体黏度等因素对含气 泡油滴撞壁过程中气泡变形特征参数的影响规律. 研究表明:含气泡油滴撞击油膜壁面后气泡会发生变形,并破裂形成膜液滴;气泡随同 液滴运动过程中,气泡内外压力和速度梯度变化是使气泡发生破裂的主要诱因. 气泡大小对气泡破裂方式影响较大,气泡较小时发生单 点破裂,而气泡较大时更容易发生多处破裂. 不同大小气泡受力差异较大,气泡大小与破裂发生时刻没有明显相关性. 碰撞速度和液体 黏度对气泡的变形、破裂和破裂发生时刻都具有一定的影响. 碰撞速度越大,油滴动能越大,更容易产生气泡变形和破裂现象. 液体黏 度增大,在油滴撞壁运动前期促进气泡变形,而在运动后期可以阻延气泡破裂行为发生.
2018, 50(2): 427-437. doi: 10.6052/0459-1879-17-405
HTML PDF
细胞内吞纳米颗粒药物的数值模拟研究
刘心悦, 龚晓波, 黄华雄
受体介导的内吞是细胞与外界物质交换的常见方式. 采用配体修饰表面的纳米脂质体颗粒,将药物有针对性地投放到肿瘤细胞 以提高药物传输的效率,是药物传 输系统设计中的核心问题之一. 本文假设内吞是准静态过程,采用三维数学模型来模拟球状纳米颗粒的内吞,建立了包含绑定键的系统变形能方程,通过求 解能量方程的最小值,得到药物在每个内吞包裹阶段的变形以及药物的被动内吞所需最小能量,分析不同药物半径对内吞所 需最小能量的影响. 研究表明,细胞膜变形能与绑定键变形能占总能量的绝大部分,各组分随着包裹区域增加均有变化;在给定细胞膜和药物颗 粒的硬度、绑定键强度等物理特性下存在最优药物尺寸,使得内吞过程中总能耗最小;在药物内吞进行的后期,包裹区域边 缘的绑定键因伸长过大发生断裂,影响内吞的顺利完成. 本研究为受体介导的高效药物设计提供了理论支撑.
2018, 50(2): 438-445. doi: 10.6052/0459-1879-17-411
HTML PDF
科学基金
力学处2017年度重点项目结题审查情况简要介绍
白坤朝, 詹世革, 王建山, 曹东兴
2017年度国家自然科学基金委员会数理科学部力学科学处结题的15项重点项目结题审查情况进行了简要介绍. 给出了15项2017年度结题重点项目清单以及经评审专家组讨论形成的结题审查评价意见.
2018, 50(2): 446-451. doi: 10.6052/0459-1879-18-087
HTML PDF

下载中心

作者中心

版权所有 © 《力学学报》编辑部备案号：京ICP备05039218号-1

通讯地址：北京市海淀区北四环西路15号邮政编码：100190

联系电话：010-62536271

邮箱：lxxb@cstam.org.cn

RSS

本系统由 北京仁和汇智信息技术有限公司 开发    百度统计