力学学报

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孙加亮, 田强, 胡海岩

多柔体系统是由柔性部件和运动副组成的力学系统,在航空、航天、车辆、机械与兵器等众多工程领域具有广泛的应用前景, 其典型的代表包括柔性机械臂、直升机旋翼、卫星的可展开天线、太阳帆航天器等. 近年来,随着工程技术的发展,多柔体系统动力学问题日益突出,尤其是含变长度柔性部件的多柔体系统,不仅涉及其动力学建模与计算,还涉及其动力学优化设计. 事实上,部件柔性对多柔体系统的动力学行为影响很大,直接影响到优化结果,因此需要发展基于多柔体系统动力学的优化设计方法. 本文首先阐述了多柔体系统动力学优化的研究背景及意义,简要回顾了多柔体系统动力学建模的3类方法：浮动坐标方法、几何精确方法和绝对节点坐标方法,并介绍了含变长度柔性部件的多柔体系统动力学建模方法. 系统概述了多柔体系统动力学响应优化、动力学特性优化和动力学灵敏度分析3个方面的研究进展,并从尺寸优化、形状优化和拓扑优化 3 个方面综述了多柔体系统部件优化的研究进展. 本文最后提出了在多柔体系统动力学优化研究中值得关注的若干问题.

2019, 51(6): 1565-1586. doi: 10.6052/0459-1879-19-212

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海洋工程研究进展与展望

李家春

2019, 51(6): 1587-1588. doi: 10.6052/0459-1879-19-355

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非线性海洋内波的理论、模型与计算

王展, 朱玉可

海水因盐度与温度的垂向差异造成密度层结现象, 进而由于海洋系统的内部扰动(如海潮流过局部隆起的海底地形)与外部扰动(如死水现象)造成等密面的波动, 这一现象称为“内波”. 内波在全球范围内大量存在, 尤其是在海峡入海口等密度层结现象较为明显和稳定的区域会有内波频繁活动. 海洋通常呈现“三明治”状的结构: 密度相对稳定的混合层与深水层, 以及位于中间密度连续过渡的密跃层. 密跃层的整体脉动对于海洋工程和海洋生态环境有重大的影响; 而密跃层内部的波动对于潜艇的非声探测(反过来说, 对于潜艇的隐身作战)具有潜在的应用价值. 而造成这些重大影响的根源在于内波在水平和垂直方向都具备传播能力, 这是有别于海洋表面波浪的关键之处.本文针对两类海洋密度模型-连续分层模型与间断分层模型, 从理论研究、数值模拟、实验室机理实验等方面论述了研究海洋内波的各类非线性模型(包括弱非线性的Korteweg-de Vries方程、Benjamin-Ono方程, Kadomtsev-Petviashvili方程等著名模型以及强非线性Miyata-Choi-Camassa方程、非线性势流理论、带密度变化的不可压缩Navier-Stokes方程等), 讨论各自的适用范围, 并借此探讨内波在海洋质量动量能量输运中所起的至关重要的作用.

2019, 51(6): 1589-1604. doi: 10.6052/0459-1879-19-326

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孤立波与淹没平板相互作用的三维波面和水动力实验研究

王千, 刘桦, 房詠柳, 邵奇

在波浪水池中进行了孤立波作用下有限长度和有限宽度淹没平板的三维模型水池实验. 首次应用多目视觉立体重构技术测量局部三维自由表面变形, 该系统的有效测量水平范围为1.7 m$\times $1.6 m. 用4个三分力测力传感器组成水下测力系统, 在不影响波面的情况下测量孤立波对平板的作用力和力矩. 针对波浪不破碎的情况, 选择0.4 m水深和0.16 m波高的来波条件, 平板淹没深度为0.1 m. 实验结果表明, 孤立波经过淹没平板时自由面有明显的三维变形, 导致孤立波波幅的时空变化. 波幅在平板尾缘中心线处达到最大值, 并沿展向逐渐减小. 利用多目视觉立体重构系统得到的波面变化过程与浪高仪给出定点波面时间序列相互印证, 表明建立标识码波面测量方法是有效的. 孤立波对淹没平板作用的水动力载荷变化分为6个典型阶段, 并与利用波面三维重构得到的波面测量标识码并讨论. 基于多目视觉立体重构技术得到了垂向力和俯仰力矩极值点出现时的三维波面形态. 建立的多目视觉立体重构系统将为海洋工程结构物的水池物理模型实验提供新的波面测量手段.

2019, 51(6): 1605-1613. doi: 10.6052/0459-1879-19-244

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三层流体中斜入射波作用下半无限板的水弹性响应

浦俊, 卢东强

解析地研究了在三层流体中斜入射波浪与半无限弹性板的相互作用引起的波散射和板的水弹性响应. 三层流体在界面处的密度发生阶跃, 各层为一常数. 假设流体不可压缩、无黏、流体运动无旋. 在线性势流理论框架下, 使用本征函数展开法和内积式给出波板相互作用的半解析解. 根据色散关系分析, 得到了表面波模态和界面波模态入射时的临界入射角. 随着物理参数的变化, 临界角将随之发生变化. 临界角决定了当由开阔水域向板覆盖水域传播的表面波或界面波的存在性: (1)板覆盖水域入射界面上, 透射波能否存在; (2)入射界面之上界面中, 板覆盖水域中的透射波以及开阔水域中的反射波能否存在. 当下界面波入射时并且入射角足够大时, 开阔水域中的下界面波模态是整个流体域中唯一存在的模态.

2019, 51(6): 1614-1629. doi: 10.6052/0459-1879-19-081

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近壁面柱体涡激振动的迟滞效应

刘俊, 高福平

柱体涡激振动是典型的流固耦合问题,其响应规律标识码在升速流动和远离壁面条件下获得的. 而自然环境流动通常不断经历升速和降速过程,近壁面柱体的涡激振动可呈现与远离标识码体不同的响应特征. 本研究结合大型波流水槽,设计了具有微结构阻尼的柱体涡激振动装置. 基于量纲分析,开展系列水槽标识码验,通过同步测量柱体涡激振动位移时程和绕流流场变化,研究了升降流速作用下柱体涡激振动触发和停振的临界速度(即上临标识码临界速度)变化规律,探究了近壁面柱体涡激振动迟滞效应. 采用自下向上激光扫射的 PIV 流场测量系统,对比分析了固定柱体标识码振动柱体的绕流特征. 实验观测表明,近壁面柱体涡激振动触发的临界速度呈现随壁面间距比减小而逐渐减小的变化趋势;但标识码速条件下的涡激振动停振所对应的下临界速度却明显小于升速时的涡激振动触发所对应的上临界速度. 采用上临界与下临界约标识码差值可定量表征涡激振动迟滞程度,研究发现该值随着柱体间距比减小呈线性增大趋势. 涡激振动迟滞现象通常伴随振幅阶跃标识码阶跃值则随着间距比减小而非线性减小.

2019, 51(6): 1630-1640. doi: 10.6052/0459-1879-19-293

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风浪联合发电系统水动力学研究进展

周斌珍, 胡俭俭, 谢彬, 丁波寅, 夏英凯, 郑小波, 林志良, 李晔

随着化石能源枯竭和全球变暖等环境问题的日益严重,海洋可再生能源(海上风能、波浪能和潮流能)成为研究热点. 为了有效开发海洋可再生能源,降低成本,多种能源综合开发成为现阶段的趋势. 海上风能与波浪能结合具有广阔的应用前景,联合发电系统不断创新. 水动力性能是联合发电系统与波浪相互作用的重要基础. 本文简要介绍多种应用在联合发电系统上的水动力学数值模拟方法,包括线性频域、线性时域、势流非线性方法标识码基于 Navier-Stokes 方程的黏性方法,对现有文献的水动力学数值模拟方法进行综述,从计算效率和精度标识码析其优缺点,且进一步阐述水动力控制优化的技术原理与实验技术主要科研难点,为联合发电系统的水动力设计提供依据. 得到以下主要结论：从计算效率上看,线性频域方法最优,其次为线性时域、势流非线性、黏性方法,从计算精标识码,与前者恰好相反;综合考虑计算效率和精度,采用考虑黏性修正的势流方法来研究是一个切实可行的方案;模标识码方法和优化控制技术目前还不够成熟,尚处于探索阶段.

2019, 51(6): 1641-1649. doi: 10.6052/0459-1879-19-202

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基于时域解耦算法的多液舱浮式结构物运动模拟

张崇伟, 宁德志

对于带有多个晃荡液舱的浮式结构物, 浮体的运动、外场水动力以及各舱内的液体晃荡力会实时相互决定, 发生复杂的耦合作用. 为准确模拟多液舱浮式结构物的运动, 本文引入一种有效的时域解耦算法. 该方法以模态分解法为基础, 通过对浮式结构物所受外域水动力和各液舱内非线性晃荡力进行模态分解, 最终形成时域解耦运动方程, 无需迭代求解过程即可显式计算浮式结构物的瞬时加速度. 该方法可避免传统迭代求解方法在迭代次数、截断误差和收敛特性等方面的不足, 减少解耦过程的计算耗时. 本文进一步结合边界元数值方法, 分别对单液舱浮式结构物和多液舱浮式结构物的工况开展数值模拟研究. 通过与单液舱浮式结构物的实验结果对比, 验证了本文时域解耦算法的有效性. 本文详细分析了晃荡力对单液舱浮式结构物运动的影响, 发现存在一个共振影响区间: 当外场波浪频率在该区间之外时, 可以在时域计算结果中观察到稳定的浮体运动; 在比该区间更低频的波况下, 液舱晃荡力与外场波浪力相位相反甚至可以相互抵消, 此时晃荡液舱的存在可以减弱浮体运动; 在比该区间更高频的波况下, 液舱内晃荡力与外场波浪力可以具有相同相位, 此时晃荡液舱的存在会加剧浮体的运动. 本文进一步研究了四液舱浮式结构物在波浪中的纵荡、垂荡和纵摇运动情况, 发现非线性液舱晃荡可对纵荡和纵摇运动产生影响, 但对垂荡运动影响很小.

2019, 51(6): 1650-1665. doi: 10.6052/0459-1879-19-210

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水中高压脉动气泡水射流形成机理及载荷特性研究

李帅, 张阿漫, 韩蕊

具有脉动特性的气泡(如水下爆炸气泡、螺旋桨空泡和气枪气泡)动力学行为很大程度上取决于其边界条件. 实验已证实,近自由液面气泡在坍塌过程中常常产生背离自由液面的水射流现象,而近刚性边界气泡在坍塌阶段产生朝向壁面的高速水射流,严重威胁水中结构的局部强度. 前人基于 Rayleigh-Plesset 气泡理论和 “Bjerknes” 力来预测气泡射流方向,然而理论方法难以透彻的揭示气泡射流的初生、发展和砰击过程中丰富的力学机理. 本文首先采用水下高压放电技术产生气泡,并通过高速摄影对不同边界条件下气泡的运动特性进行实验研究. 然后,采用边界积分法模拟气泡非球状坍塌过程. 研究表明,边界条件改变了气泡周围的流场压力梯度方向,进而影响气泡射流初生位置;射流在发展阶段,气泡附近流场的局部高压区和射流之间存在“正反馈效应”,从而揭示了气泡射流速度在短时间内即可增加到百米每秒的力学机理. 射流砰击会在流场中造成局部高压区,随着气泡回弹,射流速度和砰击压力逐渐减小. 本文还探讨了无量纲距离参数对气泡运动及射流砰击载荷的影响,旨为近场水下爆炸等相关领域提供参考.

2019, 51(6): 1666-1681. doi: 10.6052/0459-1879-19-219

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单空泡与自由液面相互作用规律研究进展

郭文璐, 李泓辰, 王静竹, 王一伟, 黄晨光

空化与空泡溃灭现象普遍存在于自然界、标识码械和生物医学等领域.空泡与自由面相互作用会产生瞬态强烈耦合,涉及到空泡非球形溃灭、自由面非线性变形及失标识码象,是流体力学领域重要的前沿与基础问题. 本文围绕这一热点,从空泡非球形演化和自由面变形规律角度出发,概标识码纳近年该领域的研究进展与成果. 对于近自由面空泡的非球形演化,基于表征开尔文冲量的无量纲参数,重点关注了体积振荡、射流生成、水锤效应及溃灭标识码生成等关键过程,介绍了关键参数的理论建模方法,获得了空泡溃灭过程中能量分配机制. 针对自由液面变形演化,根据细射流和粗射流生成和发展,归纳了 4 种典型现象及特点：透明水层及水柱生成、不稳定与稳标识码水裙结构. 进一步总结了开尔文冲量理论、界面凹陷奇点概念和泰勒不稳定性等理论模型的建立和应用,讨论了气泡溃灭过程、液面标识码界面稳定性等主要机制. 此外,本文也概述了空泡脉动对球状、圆柱状等非平面液面变形行为的影响,归纳了曲率对于液面变形的影响机制. 最后,针对目前研究状况提出该领域研究中尚未解决的问题,期望对将来的空泡及空泡群与自由液面相互作用深入研究提供借鉴.

2019, 51(6): 1682-1698. doi: 10.6052/0459-1879-19-328

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波浪扰动下河口幂律异重流的动力场分布特性

徐海珏, 吴金森, 白玉川

河口底层浮泥异重流的运动特性对于河口维持以及港口航道泥沙淤积过程具有重要的作用, 是海岸学科研究的关键内容, 也是热点内容之一. 本文首先综述了河口泥沙异重流研究的重要意义, 分析并总结了各家异重流理论模型的不同点和适应条件; 其次, 根据本文研究问题的实际需要, 构建了波浪与底泥相互作用的双层流体理论分析模式, 将上层流体简化为常见的牛顿体, 而将下层流体的流变关系设置为幂律函数, 研究了波浪作用下河口底部幂律异重流的流场特性. 这些特性包括：波浪速度场、底泥运动的流速场、不同密度影响下的压力场以及异重流泥面波与表面波的波幅比等, 分析了泥层密度、波动圆频率以及底泥幂律指数对流场及界面波的影响. 研究发现, 在波浪扰动下, 两层流体交界处速度分量连续, 压强出现突变. 在下部泥层中, 水平速度幅值曲线存在极大值. 随着波动圆频率增加以及泥层密度与流动指数的减小, 界面处上下压强差值呈现增大的趋势. 本模型与实测波幅比的数据进行对比结果证实了模型的合理性.

2019, 51(6): 1699-1711. doi: 10.6052/0459-1879-19-073

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波浪破碎的一种混合湍流模拟模式

詹杰民, 李熠华

近岸波浪的变形与破碎,一方面影响水体标识码运输,另一方面对消波护岸具有指导意义.本文提出一种三维混合湍流模拟模式方法,将求解区域分为造波区、波浪传播区和消波区. 造波区采用层流模式,通过基于 Fluent 的二次开发的 UDF 方法在边界进行速度造波.这种方法在给定入口速度的条件标识码据已知波高进行精准插值,从而控制水的体积分数. 在波浪传播区域,采用大涡标识码行模拟研究,在消波区,采用 RANS 模型并利用多孔介质消波法进行消波. 模标识码 VOF 方法捕捉波浪破碎过程中的自由面变化.本文对波高为 5.5cm 的规则波 (M1)、波高为 13.5cm 的规则波 (M3)、有效标识码 7.75cm 的 TMA 谱单向不规则波 (U1) 和有效波高为 19cm 的 TMA 谱多向不规则波 (B5) 展开标识码研究,并与前人的相关标识码果作比较,各条件下模拟结果与实验结果吻合.模拟结果说明本文提出的模型能够准确模拟出波浪传播过程中的折射和标识码象,并且能够捕捉的波浪破碎过程中的自由面变化,为三维波浪的传播与破碎的数值模拟提供一种模拟方法.

2019, 51(6): 1712-1719. doi: 10.6052/0459-1879-19-321

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船舶与海洋平台结构冰载荷的高性能扩展多面体离散元方法

刘璐, 尹振宇, 季顺迎

船舶与海洋平台结构的冰载荷是寒区海洋工程结构物设计中的关键参数,而离散元方法是有效计算结构冰载荷的重要手段. 本文采用基于闵可夫斯基和原理的扩展多面体离散元方法模拟船舶与海洋平台结构的相互作用过程. 其中,构造扩展多面体的近似包络函数并建立了基于优化模型的快速接触搜索算法;考虑单元间粘结作用的刚度软化过程建标识码元间的粘结-破碎模型. 同时,发展了 CPU-GPU 协同异构环境下的高性能并行算法. 为分析海冰与海洋结构作用中的冰载荷,采用ISO标准验证了扩展多面体离散元分析结构冰载荷的准确性. 采用离散元方法计算了船舶结构的冰载荷,研究了船舶结构表明的线载荷分布特点,并采用船舶结构冰阻力经验公式验证了计算结果的合理性. 采用离散元方法计算了平整冰区与多桩腿平台结构的相互作用,分析各桩腿上的冰载荷特点. 针对碎冰区的海冰管理过程,采用离散元方法分析了船舶结构绕行过程中的船舶和海洋平台结构冰载荷. 本文方法可有效应用于海洋结构冰载荷分析,能为极地船舶与海洋平台结构的设计和安全运行提供科学的分析手段.

2019, 51(6): 1720-1739. doi: 10.6052/0459-1879-19-250

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低雷诺数串列双方柱流致振动质量比效应的数值研究

杜晓庆, 邱涛, 赵燕

为澄清串列双方柱流致振动的质量比效应, 采用数值模拟方法, 在雷诺数为150时, 研究了质量比($m^{\ast }=3$, 10, 20)对下游方柱振动响应特性的影响规律, 分析了下游方柱尾流模态的演变过程, 探讨了导致下游方柱振动的流固耦合机制. 结果表明: 质量比对下游方柱的流致振动有重要影响, 低质量比($m^{\ast }=3$)时下游方柱的振动响应更为复杂, 随着折减速度的增大, 下游方柱并未出现传统“锁定”现象(即振动频率比$f_{y}$/$f_{\rm n} \approx1$的锁定), 而发生了“弱锁定”现象(即$f_{y}/f_{\rm n}<1$的锁定); 随着质量比的增加($m^{\ast }=10$和20), “弱锁定”现象消失, 而出现传统“锁定”现象, 且下游方柱横流向最大振幅减小. 质量比对串列双方柱的柱心间距有明显影响, 低质量比($m^{\ast }=3$)时的柱间距在振动锁定区内会急剧减小, 而较高质量比($m^{\ast }=10$和20)下的柱间距则变化不大. 此外, 质量比对串列双方柱的尾流模态和流固耦合机制也有显著影响, 其中低质量比($m^{\ast }=3$)下的情况更为多样.

2019, 51(6): 1740-1751. doi: 10.6052/0459-1879-19-187

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主动射流控制水翼空化的数值模拟与分析

王巍, 唐滔, 卢盛鹏, 张庆典, 王晓放

为了改善高速流动工况下水翼吸力面上流场的空化特性,提出了水翼表面主动射流对绕水翼周围流动加以控制的方法.基于密度分域滤波的FBDCM混合湍流模型联合Zwart-Gerber-Belamri空化模型,分析了来流空化数为0.83,来流攻角为8°,射流位置距水翼前缘为x=0.19c时,主动射流对于水翼吸力面上流动的空化特性和水动力特性影响.对回射流的强度进行了量化分析,以探究回射流与流场空化特性的关系.数值分析结果表明,在射流水翼吸力面上的时均空泡体积为原始水翼的1/15,使得流场内空化流动由云空化状态转变为较为稳定的片空化状态,显著地削弱了云空化的发展.此外,射流极大地改善了水翼的水动力性能,使得水翼的升阻比较原始水翼提高了22.9%,空泡的脱落频率减少了26.2%,空泡脱落所引起的振幅减小了9.1%.射流大幅降低了水翼吸力面上低压区面积,水翼吸力面上流体的逆向压力减小,回射流强度降低;同时,射流使水翼吸力面上的边界层减薄,增强了流动的抗逆压梯度能力,一定程度上阻挡了回射流向水翼前缘的流动,这也从机理上分析了主动射流抑制空化的原因.

2019, 51(6): 1752-1760. doi: 10.6052/0459-1879-19-222

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高温非平衡流动中的氧分子振动态精细分析

洪启臻, 王小永, 孙泉华

高超声速流动在头激波压缩后常处于高温条件下的热化学非平衡状态. 本文采用态-态方法和双温度模型计算分析了一维正激波后和高超声速钝体绕流驻点线上的氧气热化学非平衡流动. 态-态方法将氧气的每个振动能级当成独立的组分,通过耦合 Euler 方程或驻点线上的降维 Navier-Stokes 方程,数值求解得到了高温流动中的精细热化学非平衡状态. 而双温度模型假设氧气的振动能级服从 Boltzmann 分布,通过求解振动能方程得到振动温度. 一维正激波后热化学松弛过程的计算结果表明,态-态计算预测的温度分布和氧原子浓度分布较好地吻合了文献中的实验结果,而经典的双温度模型的预测结果误差较大,且不同双温度模型的计算结果比较发散. 态-态方法详细地给出了所有振动能级的变化过程. 无论是正激波还是脱体激波后的流场,都是高振动能级首先得到激发;但是数密度大的低振动能级先达到热平衡,而高能级分子要经过很长距离后才能达到热平衡. 在驻点附近,复合反应生成的氧气分子处于高振动能级,导致高振动能级分子数密度显著高于平衡分布. 计算还发现,经典双温度模型的离解反应速率明显偏离态-态计算结果,无法准确体现振动离解耦合效应对离解反应速率的影响,但是 Park 双温度模型将离解失去的振动能取为 0.3$\sim $0.5 倍分子离解能是比较合理的.

2019, 51(6): 1761-1774. doi: 10.6052/0459-1879-19-145

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采用不同黏性处理方法的宽无叶扩压器不稳定流动研究

胡晨星, 杨策

径向无叶扩压器的全局稳定性可能受到核心主流失稳,出口回流与壁面边界层分离等因素影响,对于宽无叶扩压器,无黏核心主流与壁面边界层流动对不稳定扰动诱发的作用机理是当前研究的重点.本文首先通过数值计算获得了大宽度比孤立无叶扩压器平均流动,然后基于小扰动理论和周向均质假设,分别对欧拉方程与 Navier-Stokes 方程进行线性化,建立了基于无黏核心流动的稳定性分析方法,以及基于涡黏性与分子黏性的混合稳定性分析方法;通过与实验结果的对比,验证了混合稳定性分析方法预测所得流动失稳频率和全局直接模态的准确性;最后基于伴随方法获得了特征值的结构敏感性,揭示了不同黏性处理条件下宽无叶扩压器内全局不失稳扰动的源发区域.在只考虑核心主流的无黏条件下,宽无叶扩压器内流动不稳定扰动来源于流场中部,为二维的离心失稳;在同时考虑核心主流与边界层的作用时,宽无叶扩压器不稳定扰动不仅来源于扩压器流场中部的核心主流,壁面回流对于不稳定扰动的产生了重要影响.

2019, 51(6): 1775-1784. doi: 10.6052/0459-1879-19-207

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涡激诱导并列双圆柱碰撞数值模拟研究

杨明, 刘巨保, 岳欠杯, 丁宇奇, 王明

圆柱类结构物的涡激振动是工程中较为常见的一种现象,如果圆柱结构物之间的距离较小, 就会产生涡激诱导碰撞现象,而涡激碰撞会比涡激振动对结构物疲劳破坏产生更严重的威胁.采用浸入边界法模拟流体中的动边界问题,避免了传统贴体网格方法在求解流体中存在固体间碰撞问题时出现数值求解不稳定问题,采用有限元方法对圆柱的运动和碰撞进行求解,通过数据回归方法建立了流体流动条件下的润滑模型,对不同间隙比下涡激诱导并列双圆柱振动及碰撞过程进行了数值模拟, 数值结果表明,如果两圆柱产生了碰撞将会有连续的碰撞发生, 碰撞时出现了多阶频率,振动主频率要比无碰撞时大, 两圆柱碰撞时的相对速度比自由来流速度小;当两圆柱相互接近时, 随着涡环分离角度的逐渐倾斜, 横向流体力先逐渐减小,当两圆柱间涡环开始相互影响发生挤压时, 横向流体力开始逐渐增大;当两圆柱开始反弹时, 两圆柱间形成了低压区, 改变了横向流体阻力的方向,使两圆柱又产生了接近运动,如此反复从而产生了碰撞后横向流体力和圆柱速度的振荡现象.

2019, 51(6): 1785-1796. doi: 10.6052/0459-1879-19-224

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含热冲击预损伤的陶瓷基复合材料损伤本构模型

杨正茂, 刘晖, 杨俊杰

陶瓷基复合材料结构在服役过程中不可避免地经受热冲击(较高的热应力梯度)而产生热机械损伤, 因此, 建立含循环热冲击预损伤材料的损伤本构模型, 以描述材料在热机械载荷作用下的力学行为, 对材料结构损伤容限设计与结构完整性评估非常重要. 本文首先对经历了循环热冲击的材料进行单调拉伸损伤实验, 发现对于含循环热冲击预损伤的材料, 其弹性模量的下降与所施加的应变直接相关. 然后在连续介质损伤力学的框架下, 基于平面应力假设, 建立了含循环热冲击预损伤材料的损伤演化模型, 该模型所涉及的参数可通过一个偏轴(45$^\circ$)以及两个正轴(平行于两个主方向)的单调拉伸试验获得. 最后, 采用经典塑性理论对由基体损伤引起的非弹性应变进行了描述. 本文所提出的应变损伤宏观模型可以描述陶瓷基复合材料在热机械载荷作用下的损伤演化, 同时弥补了含预损伤的陶瓷基复合材料在机械载荷下损伤本构模型在理论及实验研究方面的不足.

2019, 51(6): 1797-1809. doi: 10.6052/0459-1879-19-229

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HTPB复合底排药压缩屈服应力模型研究

武智慧, 牛公杰, 郝玉风, 钱建平, 刘荣忠

目前广泛应用于底排增程技术的 HTPB 复合底排药 (composite base bleed grain,CBBG) 是一种颗粒填充含能材料,战场环境中将承受冲击、温度等载荷作用. 为研究 HTPB CBBG 冲击压缩力学性能,进行了不同温度 (233$\sim$323 K) 和应变率 (1100$\sim$7900 s$^{-1}$) 下的分离式霍普金森压杆实验. 实验结果表明,各工况下,应力应变曲线均呈现屈服-$\!$-应变硬化特征,HTPB CBBG 保持高韧性. 提高应变率和降低温度均导致相同应变下的应力幅值上升,但温度较应变率对HTPB CBBG 冲击压缩力学性能的影响更为显著. 基于所研究温度范围高于 HTPB CBBG 玻璃化转变温度,通过将水平、垂直移位因子与温度的关系表示为 WLF 方程的形式,将时温等效原理引入协同模型,并计及内应力的应变率增强效应,提出了一种新的屈服应力模型.选取参考温度,利用水平、垂直移位因子-$\!$-温度曲线和屈服应力主曲线拟合模型参数.模型预测值与实验数据对比结果表明：该模型可准确表征 233$\sim$323 K 时 HTPB CBBG 屈服应力的双线性应变率相关性,明确了较低和较高应变率时,应变率效应分别主要由内应力和驱动力贡献.

2019, 51(6): 1810-1819. doi: 10.6052/0459-1879-19-200

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梯形应力脉冲在弹性杆中的传播过程和几何弥散

杨洪升, 李玉龙, 周风华

在应力波传播过程中,几何弥散效应往往难以避免.对应力波在弹性杆中传播的几何弥散效应进行解析分析,对于基础波动问题研究以及材料动态力学行为表征等课题,显得至关重要.本文简单说明了弹性杆中考虑横向惯性修正的一维 Rayleigh-Love应力波理论,概述了其波动控制方程的变分法推导过程;针对 Hopkinson杆实验中常用的梯形应力加载脉冲,建立了相应的偏微分方程初边值问题的求解模型,并运用 Laplace变换方法研究了脉冲在杆中传播的几何弥散现象;根据留数定理进行 Laplace反变换,给出了杆中不同位置和时刻的应力波的级数形式解析解,分析了计算项数对结果收敛性的影响;将解析计算结果与采用三维有限元数值模拟的计算结果进行对比,两者吻合程度良好,从而证明 Rayleigh-Love横向惯性修正理论可以有效地表征典型 Hopkinson杆实验中的几何弥散效应.在此基础上围绕梯形加载脉冲的弥散效应进行参数研究,定量描述了传播距离、泊松比、脉冲斜率等参数的影响.本文给出的 Rayleigh-Love杆在梯形加载条件下的解析解,揭示了几何弥散效应的本质规律,可以用于实际实验的弥散修正过程.

2019, 51(6): 1820-1829. doi: 10.6052/0459-1879-19-183

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基于声发射矩张量分析混凝土破坏的裂纹运动

任会兰, 宁建国, 宋水舟, 王宗炼

从细观上看, 混凝土是一种由骨料、水泥浆基体、裂纹等组成的非均匀复合材料. 单轴准静态加载条件下, 应力应变曲线表现出明显的准脆性特征. 其变形破坏过程实质上是内部微裂纹产生、扩展和汇合的过程, 研究细观尺度的裂纹扩展演化将有助于深入了解混凝土的变形和破坏过程. 声发射作为一种物理检测方法可以获取材料内部细观损伤演化的物理信息. 本文基于声发射技术, 结合改进的时差定位算法和矩张量理论对声发射信号进行分析, 反演了混凝土巴西劈裂破坏中裂纹位置、裂纹类型以及裂纹面运动方向, 揭示了混凝土宏观拉伸破坏的细观裂纹扩展机制. 结果表明: 裂纹运动过程清晰地显示了混凝土内裂纹源首先在试件与载荷接触面附近产生, 之后聚集形成局部损伤区域, 并沿轴线向中心扩展(加载平面)以及裂纹从试件中间向表面扩展的动态过程(厚度方向); 裂纹运动体积可以作为裂纹形成、扩展过程中弹性能释放的度量, 初始裂纹成核时体积参数较小, 峰值载荷时, 裂纹运动体积最大达到$5.93\times10^{-4}$ mm$^{3}$; 混凝土宏观尺度的拉伸破坏在细观尺度上存在有拉伸裂纹、混合裂纹以及剪切裂纹; 拉伸裂纹最多, 占裂纹总数约为60%, 剪切裂纹最少, 约占裂纹总数的10%; 拉伸裂纹运动主导了试件的宏观劈裂破坏.

2019, 51(6): 1830-1840. doi: 10.6052/0459-1879-19-170

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基于动力响应识别结构内部缺陷的损伤指标法

杜成斌, 金立成, 吴志勤

结构振动响应对于检测结构内部损伤具有重要意义,利用距离缺陷不同位置处传感器实测响应与无损结构响应之间的差异,定义各传感器的不同权重, 在此基础上构建结构不同位置处的损伤指标.研究中运用动力扩展有限元法结合水平集法描述结构内部缺陷以避免迭代计算中的网格重划分.首先, 在得到不同位置的传感器权重后,利用阈值函数使原来呈线性的权重转换为非线性权重,即对不同位置处权重大小进行放缩,并通过引入双三次插值得到结构的损伤指标及其分布,结合插值成像技术识别缺陷数目及其所在的大致区域; 最后,在利用智能算法进行反演的过程中, 先剔除不必要的传感器,再引入加权系数改进目标函数进行精确反演. 若干算例的分析表明:损伤指标法能够在缺陷数目未知的情况下通过正向建模快速得出缺陷具体数目及位置初步信息,引入加权系数的目标函数反分析方法相较于以往智能算法可以更快达到收敛,更加高效地得出缺陷精确位置. 为了进一步证明该模型的可行性及工程应用前景,运用本文建立的模型对含圆形孔洞缺陷的钢筋混凝土板进行了缺陷检测,得到了较好的反演结果, 证明提出的模型切实可行且具有一定的工程意义.

2019, 51(6): 1841-1855. doi: 10.6052/0459-1879-19-221

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滑轮绳索系统中动态节点绳索单元

齐朝晖, 国树东, 卓英鹏

解除了传统有限元方法中单元节点与物质点固结的假设, 建立了空间点的速度和加速度与相应物质点的速度和加速度之间的数学关系, 强调了虚功率原理中出现的速度和加速度皆为物质速度和物质加速度. 在此基础上构造了单元节点既不与空间坐标固定也不与物质坐标固定的动态节点绳索单元. 根据滑轮绳索系统的特点, 选取绳索出入绳点的弧长坐标、出入绳角、面外摆角以及拉伸应变等空间参数描述了滑轮绳索系统的运动. 将绳索与滑轮以及绳索与卷筒之间的相互作用合理简化为物质速度间的约束条件, 避免了传统方法中接触力计算不收敛、效率低等缺点. 所提方法可精细求解绳索与滑轮间接触边界点位置和卷筒入绳点在卷筒上的运动、滑轮的中心和其连体基的运动、绳索出入滑轮和卷筒时空间方位的变化以及绳索上任意点的拉力变化等细节. 可为含绳索机械系统的力学分析提供新的理论基础. 所用的解除单元节点与物质点绑定的理论具有一定的普适性, 可为有限元方法的理论和应用提供参考.

2019, 51(6): 1856-1871. doi: 10.6052/0459-1879-19-168

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主动控制压电旋转悬臂梁的参数振动稳定性分析

唐冶, 王涛, 丁千

在工程实际中旋转机械由于制造和加工误差,装配的不均匀性等原因,往往会脉动运行,这将使得机械系统发生参数振动. 当脉动参数满足一定关系时,这种参数振动将会失稳,进而影响机械结构的正常运转. 本文针对这一问题,引入压电材料对脉动旋转悬臂梁系统的振动进行控制,研究主动控制悬臂梁系统的参数振动优化设计问题,采用 Hamilton 变分原理与一阶 Galerkin 离散相结合的方法,建立了受速度反馈传感器主动控制的压电旋转悬臂梁的一阶近似线性控制方程. 运用多尺度方法,得到了压电旋转悬臂梁系统在发生1/2亚谐波参数共振时稳定性边界的控制方程,并利用直接分析方法验证了解析摄动解的正确性. 将摄动解中临界阻尼比和轮毂角速度脉动幅值的无量纲参数作为评价系统稳定性能的指标. 通过数值算例,分析了轮毂半径、轮毂角速度平均值和脉动幅值、梁长以及速度传感器的反馈增益系数对系统稳定性区域的影响. 研究结果表明,梁长、轮毂半径、脉动幅值会降低系统稳定性,反馈增益系数可以提高系统稳定性,而轮毂角速度平均值与系统稳定性之间有非单调的关系. 为进一步设计压电旋转机械结构提供了理论依据.

2019, 51(6): 1872-1881. doi: 10.6052/0459-1879-19-211

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考虑尺度效应的夹层楔形多孔梁动力学分析

蒲刚, 章定国, 黎亮

基于修正偶应力理论, 研究了具有大范围旋转中心刚体-功能梯度夹层Euler-Bernoulli楔形多孔柔性微梁系统的动力学特性.楔形梁是中间层为不完全功能梯度层, 两表层为均质材料的功能梯度夹层结构, 它可以减小传统夹层结构由于层与层之间材料属性的不同导致脱粘类型损伤的影响.采用假设模态法描述变形, 考虑具有捕捉动力刚化效应的非线性耦合项, 计及von Kármán几何非线性应变, 运用第二类Lagrange方程, 导出了适用于较大变形的高次刚柔耦合动力学方程.对在平面内做大范围运动的中心刚体-功能梯度夹层Euler-Bernoulli楔形多孔微梁的动力学特性进行了详细研究.研究表明: 功能梯度夹层楔形梁表层结构高度、旋转角速度、功能梯度幂指数、尺度参数、孔隙度以及各层结构的体积分数对系统的动力学特性都有很大的影响; 功能梯度夹层楔形梁综合了功能梯度直梁和楔形梁的特性, 其相对于功能梯度直梁的固有频率增大, 同时使得孔隙度对结构固有频率变化趋势的影响不再与功能梯度直梁相同; 由于柔性梁变形能中具有横向与轴向的耦合势能, 系统在稳态下的平衡位置发生了迁移现象; 系统随着尺度参数的变化发生了频率转向与振型转换.

2019, 51(6): 1882-1896. doi: 10.6052/0459-1879-19-164

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黏弹性阻尼作用下轴向运动Timoshenko梁振动特性的研究

周远, 唐有绮, 刘星光

黏弹性阻尼一直是轴向运动系统的研究热点之一.以往研究轴向运动系统大都没有考虑黏弹性阻尼的影响.但在工程实际中, 存在黏弹性阻尼的轴向运动体系更为普遍.本文研究了黏弹性阻尼作用下轴向运动Timoshenko梁的振动特性.首先, 采用广义Hamilton原理给出了轴向运动黏弹性Timoshenko梁的动力学方程组和相应的简支边界条件.其次, 应用直接多尺度法得到了轴速和相关参数的对应关系, 给出了前两阶固有频率和衰减系数在黏弹性作用下的近似解析解.最后, 采用微分求积法分析了在有无黏弹性作用下前两阶固有频率和衰减系数随轴速的变化; 给出了前两阶固有频率和衰减系数在黏弹性作用下的近似数值解, 验证了近似解析解的有效性.结果表明: 随着轴速的增大, 梁的固有频率逐渐减小.梁的固有频率和衰减系数随着黏弹性系数的增大而逐渐减小, 其中衰减系数与黏弹性系数成正比关系, 黏弹性系数对第一阶衰减系数和固有频率的影响很小, 对第二阶衰减系数和固有频率的影响较大.

2019, 51(6): 1897-1904. doi: 10.6052/0459-1879-19-205

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旋转中心刚体-FGM梁刚柔热耦合动力学特性研究

范纪华, 陈立威, 王明强, 章定国, 杜超凡

对旋转中心刚体-功能梯度材料(functionally graded material,FGM)梁刚柔热耦合动力学特性进行研究.FGM梁为物理性能参数沿厚度方向呈幂律分布的欧拉伯努利梁.考虑柔性梁的横向弯曲变形和轴向拉伸变形, 并计入横向弯曲变形引起的纵向缩短,即非线性耦合变形量.考虑变截面空心梁在外部高温、内冷通道冷却情况下的热力耦合对系统动力学特性的影响,求解得到FGM梁沿厚度方向分布的温度场, 进而在本构关系中计入热应变.采用假设模态法对柔性梁变形场进行离散,运用第二类拉格朗日方程推导得到系统的刚柔热耦合动力学方程,并编制动力学仿真软件, 然后通过仿真算例对系统的动力学问题进行研究.结果表明:不同截面梁动力学响应差异较大, 因此需对实际系统合理建模;大范围运动已知时, 考虑热冲击载荷的FGM梁将有效抑制横向弯曲变形,而大范围运动恒定时随热冲击的叠加会出现高频振荡; 大范围运动未知时,外力矩和热冲击载荷相互作用产生热力耦合效应, 导致系统呈现高频振荡,同时与中心刚体大范围旋转运动产生刚柔热耦合效应.

2019, 51(6): 1905-1917. doi: 10.6052/0459-1879-19-241

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不同心排出量下主动脉瓣血流动力学的PIV实验研究

刘赵淼, 杨刚, 逄燕, 钟希祥, 李梦麒, 薛贺波, 齐轶鹏, 史艺

主动脉瓣发生病变时导致心排出量(cardiac output, CO)减少,而心排出量减少与主动脉瓣血流动力学耦合作用, 引发瓣膜继发性疾病.本文基于医学影像数据三维重构带有冠状动脉的主动脉根部,制备高度光滑和透明的主动脉根部实验模型, 构建体外脉动循环模拟系统,利用粒子图像测速技术(particle image velocimetry,PIV)研究冠状动脉存在时心排出量对主动脉瓣速度分布、黏性剪应力(viscous shear stress, VSS)和雷诺剪应力(Reynolds shear stress, RSS)等血流动力学的影响.研究结果表明: 冠状动脉的存在改变了主动脉窦中的涡旋运动和涡度,冠状动脉存在时流体经由冠状动脉流出, 主动脉窦中的涡旋运动逐渐消失,涡度较早开始减小. 峰值期, 中心对称流动两侧区域存在正、负高黏性剪切区域,存在冠状动脉一侧的升主动脉下游存在高雷诺剪应力区域.心排出量显著影响主动脉瓣的速度分布、VSS和RSS等血液流动和受力状况.随着心排出量增大, 冠状动脉存在时峰值期的最大速度、VSS和RSS增大, 即$CO=2.1$, 2.8, 3.5和4.2 l/min时, 最大速度分别为0.98, 1.13, 1.21和1.37 m/s, 最大VSS分别为0.87, 0.95, 0.96和1.02 N/m$^{2}$, 最大RSS分别为103.76, 116.25, 138.68和146.55 N/m$^{2}$. 心排出量较低时,主动脉瓣较低的跨瓣流动速度和黏性剪应力易导致血栓形成,研究结果可为主动脉瓣置换术提供理论参考.

2019, 51(6): 1918-1926. doi: 10.6052/0459-1879-19-231

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改进的五阶WENO-Z-格式

骆信, 吴颂平

WENO-Z$+\!$格式的性能提升依赖于新增项的作用,该项的作用是在WENO-Z格式的基础上进一步增大欠光滑子模板上的权重. 系数$\lambda$被设置用来调控该项的作用, 以避免负耗散. 本文指出了WENO-Z$+\!$格式的缺陷,其所采用$\lambda $的取值方式既不能充分发挥格式的潜力, 也未完全消除负耗散;提出$\lambda $的值应随当地流场数据变化,方能充分发挥新增项在降低数值耗散、提高分辨率上的潜力. 基于此,本文重新设计了$\lambda $的计算公式,该公式能自适应地调控新增项的作用: 只在欠光滑子模板上的权重容易过度增大的地方削弱该项的作用,以避免负耗散; 在其他地方则充分发挥新增项的作用,最大限度增大欠光滑子模板上的权重, 提高格式的分辨率.将使用该系数公式的新格式命名为WENO-Z++, 并对其数值性能进行了系统的研究.理论分析表明, 新格式在间断处具有基本无振荡(essentially non-oscillatory,ENO)特性和更低的数值耗散. 对近似色散关系(approximate dispersion relation,ADR)的研究表明,新格式有效地避免了因过度增大欠光滑子模板上的权重而带来的负耗散,其频谱特性也得到了显著提升.本文还推导了使新格式在极值点处也能保持最优阶的精度的参数设置.一系列求解Euler方程的数值试验表明,新格式的激波捕捉能力和对复杂流场结构的分辨率都显著优于原WENO-Z$+\!$格式.}

2019, 51(6): 1927-1939. doi: 10.6052/0459-1879-19-249

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互逆规划理论及其用于建立结构拓扑优化的合理模型

隋允康, 彭细荣, 叶红玲, 铁军

在数学规划的领域里定义了互逆规划——各自目标函数与约束条件位置相互交换的一对规划. 接着指出,尽管互逆规划与对偶规划在表面上似乎类似,但是二者存在 5 点不同：(1) 是否为同一个问题的不同;(2) 存在``对偶间隙''与否的不同;(3) 设计变量数目的不同;(4) 是否单目标与多目标问题的不同;(5) 问题合理与否的不同. 然后,基于互逆规划的定义,用以审视结构拓扑优化模型,给出如下结果：(1) 从这个角度洞悉,在结构优化中,确实有不合理的模型一直被沿用着;(2) 找到了修正不合理模型使之合理化的方法;(3) 对于给定体积下的柔顺度最小化 (MCVC) 模型,指出了其不合理的原因;(4) MCVC 模型实际是互逆规划的 m 方,由此建立起其对应的 s 方, 即给出了多个柔顺度约束的体积最小化 (MVCC) 模型;(5)给出了MVCC模型中的结构柔顺度约束的物理解释和算法,论证了 ICM (independent continuous and mapping) 方法以往关于全局化应力约束的概念和方法;(6)数值算例表明了 MCVC 与 MVCC 模型作为互逆规划的差异,且印证了 MVCC 模型的合理性.MCVC 模型在不同体积约束及多工况下不同的权系数时,得到最优拓扑不同;但 MVCC 模型在多工况柔顺度约束下可得到唯一的最优拓扑.

2019, 51(6): 1940-1948. doi: 10.6052/0459-1879-19-259

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