力学学报

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蒋敏强, 戴兰宏

2020, 52(2): 301-302.

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王云江, 魏丹, 韩懂, 杨杰, 蒋敏强, 戴兰宏

晶态固体的力学性能与塑性变形主要由结构缺陷, 比如位错的运动决定. 而在非晶态固体中结构如何决定性能, 仍然是固体力学、材料学和凝聚态物理学共同关心但尚未解决的核心问题之一.传统材料学研究的经典范式为"结构决定性能". 遵循这一信条, 已经有大量的实验表征与理论、模拟研究, 尝试将非晶态固体的某种结构特征与性能建立一一对应关系. 但是, 科学界对于非晶固体结构-性能关系成立与否, 以及背后隐藏的规律知之甚少. 本文针对非晶态固体的变形机制以及其微结构特征, 基于分子动力学模拟, 定量评估短程简单结构与中长程复杂结构在决定非晶态固体动力学性能方面的效用. 通过海量抽样每种具体玻璃结构的激活能(标识激发难易程度), 尝试将结构参数与激活能建立定量关系, 从而揭示出非晶态固体结构-性能关系的隐藏主控因素为结构的空间关联, 受限比几何结构本身更关键. 只有某种结构在空间上呈现亚纳米级的空间关联长度, 这种完备结构才有可能有效地决定非晶态固体的力学性能, 而短程简单结构则无效. 进一步, 给出了评价非晶态固体结构预测性能有效性的普适定量方法, 为建立广义无序物质的结构-性能关系提供了筛选准则.

2020, 52(2): 303-317. doi: 10.6052/0459-1879-19-368

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金属玻璃基复合材料的变形行为及本构关系研究综述

张娟, 康国政, 饶威

金属玻璃及其复合材料因其优良的力学性能而具有良好的应用前景,相关研究方兴未艾. 本文主要总结国内外的研究成果并结合本课题组的最新研究工作,针对块体金属玻璃基复合材料的变形行为、增韧机理和本构关系研究现状进行较为全面的综述. 首先,对近几十年来在块体金属玻璃基体材料的变形行为与失效机理以及本构关系研究方面的丰硕成果进行简要回顾. 其次,从实验研究和数值模拟两方面,重点对金属玻璃基复合材料的变形行为与失效机理研究成果进行介绍,总结了金属玻璃基复合材料的塑性变形、增韧机理及影响因素. 然后,对金属玻璃基复合材料的本构关系研究最新进展进行评述,重点介绍了均匀化方法在该领域的应用. 作为代表,较为详细地介绍了作者新近提出的一个二次均匀化的方法,并在此基础上,结合纳米孔洞作为自变量的失效判据而建立了本构模型,该模型对金属玻璃基复合材料的变形和失效行为进行了合理预测. 最后,对该领域的研究现状进行简单的总结,并对未来的研究问题进行展望.

2020, 52(2): 318-332. doi: 10.6052/0459-1879-20-038

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高熵合金的力学性能及变形行为研究进展

李建国, 黄瑞瑞, 张倩, 李晓雁

高熵合金是近年来提出的一种新的合金设计理念,打破了一般合金中以1种或2种元素为主,辅以极少量其他元素来改善合金性能的传统思想,由多种元素以等原子或近似等原子比混合后形成具有独特原子结构特征的单一固溶体合金.高熵合金的多主元特性使其在变形过程中表现出多重机制(包括位错机制、形变孪生、相变等)的协同,因而高熵合金已经展示了优异的力学性能,如高强、高硬、高塑性、抗高温软化、抗辐照、耐磨等,被认为是最具有应用潜力的新型高性能金属结构材料,已经成为国际固体力学和材料科学领域研究的热点.本文首先介绍了高熵合金独特的结构特征, 即具有短程有序结构和严重的晶格畸变;随后对近年来针对不同类型高熵合金(包括具有面心立方相、体心立方相、密排六方相、多相以及亚稳态高熵合金)力学性能、变形行为方面的研究成果,特别是强韧化机制以及相关的原子尺度模拟, 进行了较为系统的综述;最后强调了高熵合金未来研究中所面临的一些主要问题和挑战,并对其研究进行了展望.

2020, 52(2): 333-359. doi: 10.6052/0459-1879-20-009

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锆基非晶合金的动态弛豫机制和高温流变行为

郝奇, 乔吉超, Jean-Marc Pelletier

非晶合金的动态弛豫机制对于理解其塑性变形, 玻璃转变行为, 扩散机制以及晶化行为都至关重要. 非晶合金的力学性能与动态弛豫机制的本征关联是该领域当前重要科学问题之一. 本文借助于动态力学分析(DMA), 探索了Zr$_{50}$Cu$_{40}$Al$_{10}$块体非晶合金从室温到过冷液相区宽温度范围内的动态力学行为. 通过单轴拉伸实验, 研究了玻璃转变温度附近的高温流变行为. 基于准点缺陷理论(quasi-point defects theory), 对两种力学行为的适用性以及宏观力学行为变化过程中微观结构的演化规律进行描述. 研究结果表明, 准点缺陷理论可以很好地描述非晶合金损耗模量$\alpha$弛豫的主曲线. 基于非晶合金的内耗行为, 玻璃转变温度以下原子运动的激活能$U_\beta$为0.63 eV. 与准点缺陷浓度对应的关联因子$\chi $在玻璃转变温度以下约为0.38,而在玻璃转变温度以上则线性增大. Zr$_{50}$Cu$_{40}$Al$_{10}$块体非晶合金在玻璃转变温度附近, 随温度和应变速率的不同而在拉伸实验中显示出均匀的或不均匀的流变行为. 非晶合金的高温流变行为不仅可以通过扩展指数函数和自由体积理论来描述, 还可以通过基于微剪切畴(shear micro-domains, SMDs)的准点缺陷理论来描述.

2020, 52(2): 360-368. doi: 10.6052/0459-1879-20-004

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基于原子体积场拉普拉斯算子对金属玻璃剪切转变区的预测

史荣豪, 肖攀, 杨荣

剪切转变区(shear transformation zone, STZ)作为金属玻璃塑性事件的一个基本特征单元, 已被研究者们逐渐接受,但STZ产生的机制和来源仍具争议. 本文采用分子模拟方法对 Cu$_{64}$Zr$_{36}$金属玻璃在受简单剪切加载时的变形行为展开了研究. 结果表明,体系的初始构型与加载后STZ的产生是相关的. 虽然原子体积场及其梯度可以用来有效表征金属玻璃中局部原子构型的非均匀性, 但它们与STZ产生的区域没有直接明显的对应关系. 基于此, 提出一个新的局域结构参数 $\xi $ 来用于金属玻璃中STZ产生区域的预测,它由两部分构成: 原子体积场的拉普拉斯算子和体积场梯度分量的绝对差值. 原子体积场的拉普拉斯算子为负且绝对值较大时, 体积场梯度向量呈现向内指的分布特征, 代表体系中的局域软区; 而体积场梯度分量的绝对差值则用于遴选体积场梯度不同的分布模式. 进一步地,建立了该结构参数与非仿射位移和剪切局部化三者关系, 发现特定的体积场梯度向量分布模式, 将导致局部剪切增强的非仿射位移场, 从而更容易诱发STZ的形成. 相关性分析表明,该参数与STZ区域平均相关性高于78%, 因此, 该参数能有效用于金属玻璃剪切转变区的预测,且运用拉普拉斯算子的思想有望应用于金属玻璃力学行为的理论分析.

2020, 52(2): 369-378. doi: 10.6052/0459-1879-19-369

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非晶合金剪切带动力学行为研究

董杰, 王雨田, 胡晶, 孙保安, 汪卫华, 白海洋

剪切带是一种材料塑性变形高度局域化的变形模式, 广泛存在于非晶体系的形变中, 控制着这些无序体系失稳、灾难性断裂行为.传统的非晶体系如岩石, 胶体, 玻璃和聚合物等因较差的力学性能以及过于复杂的结构而不利于剪切带的实验研究. 近几十年来, 非晶合金的出现极大丰富了剪切带的研究, 推进了对剪切带的认识. 通过大量非晶合金中剪切带的实验和理论研究, 人们发现剪切带行为具有空间不均匀性和时间不连续性的特征, 表现出复杂的动力学特征, 和自然界以及物理系统中许多复杂体系的动力学行为相似.同时, 剪切带的性质尤其是其动力学行为对非晶合金的宏观力学行为和性能有重要的影响, 对理解这类材料的微观变形机理也起着重要的作用.本文结合团队近年来在非晶合金剪切带行为方面的研究结果, 对剪切带的运动行为和物理机制进行介绍, 包剪切带间歇性运动行为、以及间歇性运动在表征其动力学性质中的作用以及物理机制, 以及剪切带的自组织临界行为、物理机制等.最后对非晶合金剪切带行为研究中亟需解决的问题进行了总结和展望.

2020, 52(2): 379-391. doi: 10.6052/0459-1879-19-378

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非晶合金理想裂纹预制方法及其在小试样$K_{\rm Ic}$测试中的应用

谢怡玲, 刘泽

介绍了一种简单、低成本且可靠的方法在非晶合金中预制理想裂纹并应用于小试样平面应变断裂韧性的测试.近年来,非晶合金由于高弹性、高强度、耐磨及软磁性等优异性能展示了广泛的应用前景.断裂韧性作为材料工程应用的一个重要指标,也引起了非晶合金领域的广泛关注. 然而,由于非晶合金的亚稳态结构以及最大可铸造尺寸的限制,目前关于非晶合金断裂韧性的测试还存在较大的挑战.一方面,铸造工艺造成的非晶合金热历史的差异、内部微孔洞和杂质等缺陷以及裂纹预制方式等都会显著影响其断裂韧性测试的可靠性;另一方面,非晶合金可铸造尺寸的限制使得目前绝大多数报导的断裂韧性值都是非平面应变的断裂韧性,导致即使是对于同种非晶合金,所报导的断裂韧性值也存在较大偏差.本文利用非晶合金在过冷液相温度下具有可热塑性成型的特性,对预制有缺口的非晶合金试样进行局部压缩成型,使得预制的缺口裂纹重新闭合形成类似疲劳裂纹的理想裂纹面.基于该方法对Zr基非晶合金进行断裂韧性测试,实验结果表明,随着试样厚度的增加,测试值迅速降低并趋向于一个定值.需要指出的是,通过设计实验使得试样在理想裂纹面区域形成局部凹陷,使得趋于定值的试样厚度远小于平面应变断裂韧性测试标准中的试样厚度要求.

2020, 52(2): 392-399. doi: 10.6052/0459-1879-19-377

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通过表面机械加工调控Zr_52.5Cu_17.9Ni_14.6Al₁₀Ti₅非晶合金的结构和韧性

陈恳, 黄波, 王庆, 王刚

作为一种新型结构材料, 非晶态合金的韧性需要进一步提高. 提高非晶态合金韧性的方法有引入枝晶相、调整其成分改变其泊松比影响其剪切带衍生、裂纹扩展等.本文通过表面机械加工的方法来调控非晶态合金的微观结构及韧性. 我们采用真空电弧熔炼、亚稳态薄板离心浇铸系统制备了Zr_52.5Cu_17.9Ni_14.6Al₁₀Ti₅ (原子百分比) (Vit105)非晶合金板,并用表面机械研磨处理方法(surface mechanical attrition treatment, SMAT), 在Vit105板上形成纳米尺度局域类晶体序结构. 基于差示扫描量热分析、纳米压痕实验, 我们发现SMAT处理后的Vit105合金板表面附近弛豫焓更低, 微观结构更加均匀、稳定. 通过显微维氏硬度计测试, 发现SMAT处理后样品的表面附近硬度增大,硬度值分布也更均匀. 通过三点弯断裂实验, 可得到SMAT处理后合金板缺口韧度值从70.7 ± 4.7 MPa·m^1/2提高到112.8 ± 3.7 MPa·m^1/2. SMAT处理后合金板断裂后, 缺口前端剪切带密度比未处理的更大. Vit105合金板韧性的提高源于SMAT处理对剪切带萌生的促进作用. 该研究表明,表面机械加工可以在非晶态合金中形成局域类晶体有序结构, 影响其结构均匀性, 增大其硬度, 促进剪切带萌生, 提高其韧性. 表面机械加工作为一种新型的改变材料性能的手段, 具有广阔的应用前景.

2020, 52(2): 400-407. doi: 10.6052/0459-1879-20-030

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波浪作用下直立结构物附近强湍动掺气流体运动的数值模拟

邓斌, 王孟飞, 黄宗伟, 伍志元, 蒋昌波

波浪破碎卷入气体易对建筑物受力产生压力振荡, 了解波浪作用下建筑物附近掺气水流的运动特性是精确计算建筑物受力的前提. 基于OpenFOAM开源程序包和修正速度入口造波方法建立三维数值波浪水槽, 模型采用S-A IDDES湍流模型进行湍流封闭, 并采用修正的VOF 方法捕捉自由液面, 数值模拟了规则波在1:10的光滑斜坡上与直立结构物的相互作用过程, 重点分析了结构物附近的水动力和掺气水流运动特性. 结果表明, 建立的数值模型能精确地捕捉波浪作用下直立结构物附近的自由液面的变化以及气泡输运过程, 较好地描述气体卷入所形成的气腔形态以及多气腔之间的融合、分裂等过程; 波浪与直立结构物相互作用产生强湍动掺气水流, 其运动过程十分复杂; 掺气流体输运过程中水气界面周围一直伴随着涡的存在, 其中, 气泡的分裂与周围正负涡量剪切作用密切相关, 且其输运轨迹主要受周围流场的影响; 研究揭示了结构物附近湍动能与掺气特性的关系, 发现波浪作用下直立结构物附近湍动能的分布与掺气水流特征参数(气泡数量、空隙率)整体呈现一定的线性关系.

2020, 52(2): 408-419. doi: 10.6052/0459-1879-20-029

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台阶式并行微通道内气泡群自组装行为及其对气泡生成的反馈效应

张志伟, 殷翔宇, 朱春英, 马友光, 付涛涛

台阶式微通道乳化装置因易于高通量生产均一性的气泡及液滴而受到关注.本文利用高速摄像仪研究了台阶式并行微通道装置空腔内的气泡群复杂行为及其对气泡生成的反馈效应.实验设计的操作变量为气液相进出口位置、气相流速和液相流速. 在实验操作范围内,共发现了气泡的单管生成模式和多管生成模式.研究了空腔内气泡群复杂行为随操作条件的变化趋势. 发现在受限空间内,气泡在水平面内发生挤压堵塞能够自组装成具有特定几何特点的二维晶格,分别为有序的行三角晶格、有序的竖三角晶格和无序的三角晶格.晶格结构与气相压力密切相关; 同时, 气泡界面能量随着气相压力的增大而增大.运用介尺度、能量和活化等概念分析了气泡群复杂行为对气泡生成方式的影响,充分阐释了受限空间内气泡群的介尺度效应.以变异系数CV来表示气泡的均匀性特征, 考察了气泡晶格自组装行为的控制因素.结果表明: 气泡的自组装路径由气泡尺寸及其分布决定,有序的三角晶格变异系数小于5%, 无序的三角晶格变异系数大于5%.

2020, 52(2): 420-430. doi: 10.6052/0459-1879-19-251

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受限亚音速气流中倒置悬臂壁板静气弹稳定性的理论及实验研究

张德春, 李鹏, 梁森, 杨翊仁

板壳结构在航空航天、高速列车、能量采集等诸多工程领域已经得到了广泛应用. 将悬臂壁板倒置于轴向气流中并在壁板周围流场中设置刚性壁面可有效地调控壁板的失稳速度, 是俘能器优化设计的重要措施之一. 但针对刚性壁面作用下亚音速气流中倒置悬臂壁板的失稳机制仍需要开展深入研究. 本文以受限亚音速气流中倒置的二维悬臂壁板为对象, 以理论分析及风洞实验为手段, 研究了单侧刚性壁面效应对倒置悬臂壁板静态失稳特性的影响规律. 在理论分析中, 首先应用镜像函数法来处理壁面约束条件, 基于算子理论研究获得了以Possio积分方程为表征的壁板气动力, 壁面效应实际表征为一包含移位Tricomi算子的复合算子; 然后将壁板失稳方程的求解问题转化为定区间上的函数逼近问题; 最后, 依据Wererstrass定理并利用最小二乘法求解该最优函数, 以获得系统的失稳临界参数. 在试验研究中依据压杆稳定原理设计了壁板静态失稳的测试方法并完成了风洞实验. 理论分析结果表明, 壁板会发生发散(静气动弹性)失稳, 临界动压随壁板与壁面间距的增加而增大并最终趋于稳定(无壁面情况); 通过理论与风洞实验结果的对比分析, 验证了本文气动力及理论分析的适用性及准确性. 针对倒置悬臂壁板结构的气动弹性失稳问题, 本文提出的方法不涉及系统方程的离散及特征值求解问题, 而是将其转化为了定区间上的函数逼近问题进行求解, 这为弹性结构静气动弹性失稳问题的研究提供了一个可行的新思路.

2020, 52(2): 431-441. doi: 10.6052/0459-1879-19-255

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颗粒毛细效应影响因素的离散元分析

张华腾, 凡凤仙, 王志强

颗粒毛细效应是指将一根细管插入填充有颗粒物质的容器中并对管施加竖直振动时颗粒在管内上升并最终达到一个稳定的高度的现象, 该现象为颗粒物料的逆重力输运提供了一种潜在的技术途径. 为探究颗粒毛细效应的影响因素, 采用离散元方法, 模拟再现了颗粒毛细效应过程,展示了不同管径下颗粒竖直方向速度演变特性, 考察了不同容器宽度和振动条件下颗粒最终毛细上升高度随管径的演变规律. 结果表明, 在容器宽度与粒径比为40、管振幅与粒径比为14.33、管振动频率为12 Hz情况下, 管径与粒径比$D/d = 3.33$时, 管内颗粒堵塞严重, 使得颗粒上升缓慢,并造成颗粒柱中断; $D/d = 8.33$时, 起初毛细上升高度增加迅速, 随后毛细上升高度的增大逐渐减缓, 管内颗粒在管径方向几乎不存在速度梯度; $D/d =15$时, 随着颗粒毛细上升高度的增大, 管内颗粒柱分离为速度截然不同的两层, 上层颗粒在管径方向几乎不存在速度梯度, 而下层颗粒存在明显的速度梯度.研究还发现, 在毛细效应能够发生的管径范围内, 存在一个对应于颗粒最终毛细上升高度最大值的临界管径, 当管径小于临界管径时, 颗粒最终毛细上升高度随管径的增大而增大, 当管径大于临界管径时, 颗粒最终毛细上升高度随管径的增大而趋于减小; 增大容器宽度,临界管径有所增大; 增大振幅、适当提高频率能够有效促进临界管径的增大.

2020, 52(2): 442-450. doi: 10.6052/0459-1879-19-301

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水下多级微结构液气界面的稳定性和可恢复性研究

杨松默, 王刚, 曹延林, 黄忠意, 段慧玲, 吕鹏宇

微结构表面浸没水下所形成的液气界面对减阻等应用具有重要意义.液气界面的稳定存在是结构功能表面发挥作用的前提. 因此,如何增强液气界面的稳定性以抵抗浸润转变过程, 以及在液气界面失稳之后,如何实现去浸润过程以提高液气界面的可恢复性能,均具有重要的科学研究意义和实际应用价值, 也是国内外研究关注的热点问题.本文针对具有多级微结构的固体表面,研究其在浸没水下后形成的液气界面的稳定性和可恢复性.通过激光扫描共聚焦显微镜对不同压强下液气界面的失稳过程和降压后的恢复过程进行原位观察,实验结果和基于最小自由能原理的理论分析相吻合.本文揭示了多级微结构抵抗浸润转变以及提高液气界面可恢复性能的机理:侧壁上的次级结构(纳米颗粒、多层翅片)通过增加液气界面在壁面的表观前进接触角增强了液气界面的稳定性;底面的次级结构(纳米颗粒和封闭式次级结构)可以维持纳米尺寸气核的存在,有利于水中溶解气体向微结构内扩散, 最终使液气界面恢复.本文的研究为通过设计多级微结构表面来获得具有较强稳定性和可恢复性的液气界面提供了思路.

2020, 52(2): 451-461. doi: 10.6052/0459-1879-20-025

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基于Iwan模型的接合面切向响应建模

占旺龙, 李卫, 黄平

针对工程中常见预紧力作用下的搭接接头,研究其在小幅切向位移激励时的切向位移响应问题,为此提出一种新的基于实际表面形貌和材料性能参数的滑移力密度分布函数.应用该分布函数得到搭接接头切向响应本构模型,并获得单位加载周期内的迟滞曲线和能量耗散值, 通过与已出版的实验结果相对比,发现得到的模拟值与实验结果吻合, 证明该模型的合理性.在此基础上利用该分布函数研究了接合面切向位移与切向力、切向接触刚度及能量耗散之间的关系,结果表明: 建立的模型能很好地描述接合面间切向力与切向位移之间的关系,临界滑移力函数开始迅速上升, 到达最大值后迅速收敛到零;切线力与切向位移之间表现出非线性特性, 随着切向位移的增大,切向接触刚度表现出"软化"现象;初始切向刚度与法向载荷、粗糙度参数及塑性指数有关, 对于确定的接触表面,法向力越大, 初始切向刚度越大; 初始切向刚度同样也随着塑性指数的增大而增大.

2020, 52(2): 462-471. doi: 10.6052/0459-1879-19-343

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三维位势问题的梯度边界积分方程的新解法

董荣荣, 张超, 张耀明

三维位势问题的边界元分析中,关于坐标变量的边界位势梯度的计算是一个困难的问题. 已有一些方法着手解决这个问题,然而,这些方法需要复杂的理论推导和大量的数值计算. 本文提出求解一般边界位势梯度边界积分方程的辅助边值问题法. 该方法构造了与原边界值问题具有相同解域的辅助边值问题,该辅助边值问题具有已知解,因此通过求解此辅助边值问题,可获得梯度边界积分方程对应的系统矩阵,然后将此系统矩阵应用于求解原边值问题,求解过程非常简单,只需求解一个线性系统即可获得原边值问题的解. 值得注意的是,在求解原边值问题时,不再需要重新计算系统矩阵,因此辅助边值问题法的效率并不很差. 辅助边值问题法避免了强奇异积分的计算,具有数学理论简单、程序设计容易、计算精度高等优点,为坐标变量梯度边界积分方程的求解提供了一个新的途径. 3个标准的数值算例验证了方法的有效性.

2020, 52(2): 472-479. doi: 10.6052/0459-1879-19-308

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黏弹性多层介质中SH波动的一种吸收边界条件

吴利华, 赵密, 杜修力

提出一种高精度时域吸收边界条件,与有限元法结合用于模拟瞬态标量SH波在达朗贝尔黏弹性多层介质中传播问题.建立时域吸收边界条件的过程是:首先将半无限域沿着竖向半离散得到半离散的位移方程以及人工边界处的力-位移关系,再通过引入模态分解, 将物理空间下的量转化到模态空间,从而获得半无限域模态空间下的频域动力刚度;其次采用一种在全频范围内收敛的连分式精确逼近单层介质模态空间下标量形式的频域动力刚度,将标量连分式扩展为矩阵形式用来表示多层介质的频域动力刚度;最后通过引入辅助变量技术,将模态空间下基于连分式的频域动力刚度关系转化为时域吸收边界条件,进一步转换到物理空间后得到物理空间下的时域吸收边界条件.单层介质和五层介质的数值算例表明,建立的高精度时域吸收边界条件对于达朗贝尔黏弹性单层介质是精确且稳定的;对于达朗贝尔黏弹性多层介质, 为了保证其高精度特性,需要将人工边界放置在距离感兴趣区域约为0.5倍无限域高度的位置处.

2020, 52(2): 480-490. doi: 10.6052/0459-1879-19-315

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短脉冲激光加热分数阶导热及其热应力研究

许光映, 王晋宝, 薛大文

短脉冲激光加热引起材料内部复杂的传热过程及热变形,现有的以Fourier定律或Cattaneo-Vernotte松弛方程结合弹性理论为框架建立起来热应力理论在刻画其热物理过程存在严重缺陷. 本文基于分数阶微积分理论, 以半空间为研究对象, 建立了分数阶Cattaneo热传导方程和相应的热应力方程, 给出了问题的初始条件和边界条件, 采用拉普拉斯变换方法, 给出了非高斯时间分布激光热源辐射下温度场和热应力场的解析解, 研究了短脉冲激光加热的温度场及热应力场的热物理行为. 数值计算中, 首先对理论解进行数值验证, 然后取分数阶变量$p=0.5$研究温度场和热应力场的变化特点及激光参数对温度和热应力的影响,最后数值计算分数阶参数对温度和热应力场的影响. 计算结果表明, 分数阶Cattaneo传热方程和热应力方程描述的温度和热应力任然具有波动特性,与经典的Fourier传热模型和标准的Cattaneo传热模型相比, 分数阶阶次越大, 热波波速越小, 热波波动性越明显; 反之, 则热波波速越大, 热扩散性越强.激光加热和冷却的速度越快, 温度上升和下降的速度越快, 压应力和拉应力交替变化越快, 温度变化幅值越小, 热应力幅值影响不明显.

2020, 52(2): 491-502. doi: 10.6052/0459-1879-19-331

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多刚体系统分离策略及释放动力学研究

罗操群, 孙加亮, 文浩, 胡海岩, 金栋平

紧密连接的多刚体系统可在脱离运载航天器后在轨自主分离,无需多次利用航天器发射装置或在航天器中安装多个发射装置进行分离释放,从而有效提高运载航天器空间利用率, 简化分离释放操作和降低碰撞风险.本文针对多刚体系统的在轨分离释放问题, 研究在轨分离策略及释放过程动力学.首先, 考虑刚体相对运动及姿态变化,基于虚功原理及自然坐标方法建立单个刚体的动力学模型.考虑多刚体系统在轨分离释放阶段的轨道运动和连接约束变化,计入分离时刚体间的相互作用,利用拉格朗日乘子法获得含连接约束的非线性动力学模型. 考虑到实际工程应用,在多刚体系统分离释放阶段,通过安装在刚体间每个接触表面4个角上的弹射装置实现自主分离. 其次,为保证分离过程中刚体之间无碰撞发生, 规划了多刚体系统的分离时序,并基于不同弹射方向及分离顺序设计了两种分离释放方案. 最后,通过算例研究分析了在轨分离释放过程中刚体的非线性动力学行为,验证了分离释放方案的有效性.

2020, 52(2): 503-513. doi: 10.6052/0459-1879-19-307

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Duffing 系统的主-亚谐联合共振

李航, 申永军, 李向红, 韩彦军, 彭孟菲

以Duffing系统为研究对象,研究在多频激励下同时发生主共振和1/3次亚谐共振的动力学行为与稳定性.首先,通过多尺度法得到系统的近似解析解,利用数值方法检验近似程度,结果吻合良好,证明了求解过程和解析解的正确性.然后,从解析解中导出稳态响应的幅频方程和相频方程,从幅频曲线以及相频曲线中发现系统最多存在7个不同的周期解,这种多解现象可用于对系统状态进行切换.基于Lyapunov稳定性理论,得到联合共振定常解的稳定条件,利用该条件分析了系统的稳定性,并与Duffing系统的主共振和1/3次亚谐共振单独存在时比较.最后,通过数值方法分析了非线性项和外激励对系统动力学行为与稳定性的影响,发现了联合共振特有的现象：刚度软化时,非线性项不仅影响系统的响应幅值,同时还影响系统的多值性和稳定性;刚度硬化时,非线性项对系统的影响与单一频率下主共振和1/3次亚谐共振类似,仅影响系统的响应幅值.这些结果对Duffing系统动力学特性的研究具有重要意义.

2020, 52(2): 514-521. doi: 10.6052/0459-1879-19-349

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三种典型轴向运动结构的振动特性对比

刘星光, 唐有绮, 周远

轴向运动结构的横向振动一直是动力学领域的研究热点之一.目前大多数的文献只涉及对一种模型的研究,而针对几种模型的对比分析较少.本文对3种典型轴向运动结构(Euler梁、窄板和对边简支对边自由的板)的振动特性进行了对比分析.针对工程中不同的结构参数,本文为其理论研究中选择更加合理的模型提供了参考.通过复模态方法求解了3种模型的控制方程,给出了其相应的固有频率及模态函数.对于板模型,同时考虑了其自由边界的两种刚体位移以及弯扭耦合振动3种情况.通过数值算例给出了3种模型的前四阶固有频率随轴速和长宽比的变化情况,并应用微分求积法对复模态方法得到的解析解进行验证.特别采用三维图的形式分析了不同的轴速、阻尼、刚度和长宽比等参数混合时对3种模型第一阶固有频率的影响,着重研究了窄板和梁的不同的长宽比和轴速混合时对两者的第一阶固有频率的相对误差的影响.结果表明：随着轴速的增大,3种模型的固有频率逐渐减小. 窄板是板的一种简化模型.在各参数值发生变化时,阻尼对第一阶固有频率的影响最小.长宽比很大,轴速很小或为零时,复杂模型可以简化为简单模型.

2020, 52(2): 522-532. doi: 10.6052/0459-1879-19-304

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任意斜裂纹转子的耦合振动研究

焦卫东, 蒋永华, 李刚, 蔡建程

对包含不同类型裂纹(横裂纹、横-斜裂纹以及任意斜裂纹)的转子的耦合振动进行研究,以揭示裂纹转子在不同方向上刚度参数的变化规律及其交叉耦合机理,特别是由此引发的振动特征. 对于包含不同类型裂纹的转子轴段,采用六自由度Timoshenko梁单元模型对其进行单元建模,并基于应变能理论推导计算柔度参数和刚度矩阵. 在此基础上, 采用纽马克-$\beta$数值算法求解裂纹转子的运动方程,获得裂纹转子在单故障或多故障激励(不平衡激励、扭转激励或不平衡激励加扭转激励)作用下的耦合振动响应,进而分析耦合振动谱特征. 与横裂纹和横-斜裂纹相比,任意斜裂纹使转子刚度矩阵的交叉耦合效应更显著,导致转子发生更强烈的弯-扭耦合甚至是纵-弯-扭耦合振动.无论是在不平衡激励还是扭转激励作用下, 弯曲振动与扭转振动幅度都更大. 而且,包含不同类型裂纹的转子的耦合振动特征频率,例如旋转基频与二倍频、扭转激励频率及其边带成分的幅值,对裂纹面方向角具有不同的敏感性. 所得的这些研究结果,可以为转子裂纹的特征参数辨识与诊断提供理论依据.

2020, 52(2): 533-543. doi: 10.6052/0459-1879-19-292

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海洋天然气水合物降压开采地层井壁力学稳定性分析

袁益龙, 许天福, 辛欣, 夏盈莉, 李冰

降压开采天然气水合物使其分解会导致储层孔隙度、渗透率、孔隙压力和岩层骨架有效应力发生改变, 同时降低沉积物的胶结程度, 使地层的抗剪强度和承载能力降低, 从而引起井壁失稳、海底滑坡、海底面沉降等工程问题. 为此, 在地下多相非等温数值模拟软件TOUGH+Hydrate框架内, 基于扩展的三维Biot固结理论, 考虑水合物分解相变、传热(T)、流动(H)、岩土体变形(M)等过程及其相互耦合作用, 建立了新的水合物开采传热-流动-力学(THM)耦合数学模型, 并开发有限元程序对其进行数值求解. 以中国南海神狐海域GMGS1航次SH2站位水合物储层条件为研究对象, 构建了垂直井降压开采THM耦合地层井壁稳定性分析模型, 预测了水合物开采过程中储层温-压-力场和水合物分解区的演化规律, 揭示了地层优势出砂区域和海底面沉降趋势. 结果表明: 储层降压导致地层有效应力增大, 进而引起井周地层发生沉降, 且地层的沉降主要发生在降压开采前期, 最大沉降位置位于井壁周围, 向储层内部延伸地层沉降量快速减小; 水合物分解导致井周地层力学强度降低, 加剧了储层的沉降; 井筒降压造成射孔段井壁应力集中最为明显, 从而造成井壁破坏的潜在风险, 这些区域正是水合物开采出砂防治的关键区域.

2020, 52(2): 544-555. doi: 10.6052/0459-1879-19-178

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含水合物沉积物的弹塑性本构模型

刘林, 姚仰平, 张旭辉, 鲁晓兵, 王淑云

土的密度对其力学特性具有明显影响.水合物以一种固相赋存于沉积物的孔隙中,使得水合物的含量和其赋存形式都会影响含水合物沉积物(GHBS)的密度,因此在研究和描述含水合物沉积物的力学性质时应考虑水合物含量和赋存形式对其密度的影响.本文基于黏土和砂土统一的本构模型(CSUH模型),首先建立水合物体积分数与压硬性参量的关系式来反映水合物对沉积物压缩规律的影响.其次,为了合理考虑水合物含量和赋存形式对沉积物密度的影响,建立了可以描述有效初始孔隙的计算式,并将其引入到状态参量中来描述水合物对沉积物剪胀性和峰值强度的影响.最后,结合CSUH模型中水滴形屈服面,建立了一个含水合物沉积物的弹塑性本构模型.通过与室内试验结果比较,验证了该模型不仅能够合理地描述不同赋存形式、不同水合物含量下含水合物沉积物的应力应变关系,而且在描述具有相同赋存形式含水合物沉积物的力学特性时,不同的水合物含量只需采用一组参数.

2020, 52(2): 556-566. doi: 10.6052/0459-1879-19-184

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水平井降压法和热激法水合物开采对海底边坡稳定性的影响

谭琳, 刘芳

天然气水合物广泛赋存在深海沉积物孔隙中, 被认为是具有巨大开发潜力的未来绿色能源之一, 引起全球的关注. 深海水合物开采将造成含水合物储层的强度劣化, 可能产生孔压积聚, 诱发海床失稳. 本文基于边坡稳定极限平衡分析框架, 引入考虑水合物开采热-流-化学耦合过程的数值分析模型, 研究水合物开采对海底边坡稳定性的影响. 采用TOUGH+HYDRATE热-流-化学耦合分析程序, 模拟了采用水平井降压法和热激法开采深海水合物的过程, 分析了水合物分解锋面扩展和瞬态孔压演变的规律, 并通过SLOPE/W程序采用极限平衡分析方法计算水合物开采过程及停采后的海底边坡安全系数, 分析开采井位置和开采方法对海底边坡稳定性的影响. 研究表明, 对于存在致密盖层的细砂储层陡坡, 单水平井降压开采过程中, 由于孔压降低, 土体有效应力增加, 边坡稳定性显著提高, 当开采井布设在坡体中部时, 边坡稳定性提高最为明显; 停采后, 由于水合物分解导致土体黏聚强度降低, 且孔压逐渐回升到静水压状态, 导致边坡稳定性下降, 最危险滑弧通过水合物分解区. 若采用双水平井热激法开采, 开采过程与停采后的最危险滑弧始终通过水合物分解区, 由于开采过程中温度升高, 井周孔压显著上升, 导致边坡安全系数明显下降, 存在诱发滑坡的风险.

2020, 52(2): 567-577. doi: 10.6052/0459-1879-19-171

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平面波输入下海水-海床-结构动力相互作用分析

陈少林, 孙杰, 柯小飞

海洋工程结构的地震反应分析是保证海洋工程结构地震安全的重要环节.由于其所处的复杂环境, 该问题涉及到流固耦合和土-结相互作用.本文基于海水、饱和海床、基岩流固耦合统一计算框架,采用Davidenkov模型和修正的Masing准则考虑饱和海床的非线性,在脉冲SV波垂直入射下, 进行了海域场地和海洋工程结构的动力响应分析. 首先,对比分析了线性自由场和非线性自由场输入情形的海域场地非线性反应,结果表明线性自由场输入时反应不合理,自由场分析和场地分析应该采用相一致的本构模型. 然后,对比分析了海床分别为线性和非线性情形时,海域场地以及海水-海床-结构体系的反应特征. 与线性海床情形相比,非线性对海床反应的影响主要由如下两方面因素控制: 一方面,非线性导致饱和海床模量减小, 饱和海床与基岩间的波阻抗比减小,由基岩到饱和海床间的反射系数和透射系数增加, 导致反应增大; 另一方面,非线性导致阻尼加大, 使海床反应减小. 对于本文算例而言,阻尼对非线性海床结果的影响占主导作用.

2020, 52(2): 578-590. doi: 10.6052/0459-1879-19-354

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非饱和土-隧道系统动力响应计算的波函数法

郭慧吉, 狄宏规, 周顺华, 何超, 张小会

针对非饱和地基土中埋置隧道的三维动力响应计算问题, 提出了波函数法.采用无限长的Flügge薄壁圆柱壳模拟圆形隧道衬砌,采用流、固、气组成的三相介质模拟非饱和地基土体.分别采用分离变量法以及Helmholtz矢量分解定理求解薄壁圆柱壳的振动控制方程与非饱和土的波动方程.根据隧-土交界面与地表面处的应力、位移以及孔隙流体压力等边界条件,利用平面波与柱面波的转换性质,实现了隧道内作用单位简谐载荷时隧道衬砌与土体系统动力响应的耦合求解.通过与既有单相弹性介质2.5维有限元-边界元法、两相饱和多孔介质2.5维有限元-边界元法以及三相非饱和介质Pip in Pip半解析法的计算结果进行对比, 验证了本文计算方法的可靠性. 最后,基于该方法, 通过算例分析了不同饱和度下非饱和土-隧道系统的动力响应特征.结果表明, 饱和度对土体动位移与超孔隙水压力的幅值响应有较大影响.该方法的非饱和地基土参数退化后,也可用来计算和分析饱和地基土或单相弹性地基土与隧道系统的动力响应.

2020, 52(2): 591-602. doi: 10.6052/0459-1879-19-280

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