力学学报

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彭向峰, 李录贤

超弹性材料是工程实际中的常用材料, 具有在外力作用下经历非常大变形、在外力撤去后完全恢复至初始状态的特征. 超弹性材料是典型的非线性弹性材料, 其性能可通过材料的应变能函数予以表征. 近几十年来, 围绕应变能函数形式的构造, 已提出许多超弹性材料本构关系研究的数学模型和物理模型, 但适用于多种变形模式和全变形范围的完全本构关系仍是该领域期待解决的重要问题. 本文从3个不同角度, 对超弹性材料本构关系研究的最新进展进行了总结和分析: (1)不同体积变化模式, 包含不可压与可压两种; (2)多变形模式, 包含单轴拉伸、剪切、等双轴以及复合拉剪等多个种类; (3)全范围变形程度, 包含小变形、中等变形到较大变形范围. 超弹性材料本构关系研究的最新进展表明, 为了全面描述具体材料的实验数据并在实际问题中应用超弹性材料, 需要建立适合于多种变形模式和全变形范围的可压超弹性材料的完全本构关系. 对实际超弹性材料完全本构关系的建立及可压超弹性材料应变能函数的构造, 笔者还提出了相应的实施步骤和研究方法.

2020, 52(5): 1221-1234. doi: 10.6052/0459-1879-20-189

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热应力专题序

王骥, 杜建科

2020, 52(5): 1233-1234. doi: 10.6052/0459-1879-20-314

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磁-电-弹性半空间在轴对称热载荷作用下的三维问题研究

胡克强, 高存法, 仲政, Chen Zengtao

考虑力-电-磁-热等多场耦合作用, 基于线性理论给出了磁-电-弹性半空间在表面轴对称温度载荷作用下的热-磁-电-弹性分析, 并得到了问题的解析解. 利用Hankel 积分变换法求解了磁-电-弹性材料中的热传导及控制方程, 讨论了在磁-电-弹性半空间在边界表面上作用局部热载荷时的混合边值问题, 利用积分变换和积分方程技术, 通过在边界表面上施加应力自由及磁-电开路条件, 推导得到了磁-电-弹性半空间中位移、电势及磁势的积分形式的表达式. 获得了磁-电-弹性半空间中温度场的解析表达式并且给出了应力, 电位移和磁通量的解析解. 数值计算结果表明温度载荷对磁-电-弹性场的分布有显著影响. 当温度载荷作用的圆域半径增大时, 最大正应力发生的位置会远离半无限大体的边界; 反之当温度载荷作用的圆域半径减小时, 最大应力发生的位置会靠近半无限大体的边界. 电场和磁场在温度载荷作用的圆域内在边界表面附近有明显的强化, 而磁-电-弹性场强化区域的强化程度跟温度载荷的大小和作用区域大小相关. 本研究的相关结果对智能材料和结构在热载荷作用下的设计和制造具有指导意义.

2020, 52(5): 1235-1244. doi: 10.6052/0459-1879-20-127

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考虑材料温度相关性的二维轮轨弹塑性滑动接触温升分析

伏培林, 丁立, 赵吉中, 张旭, 阚前华, 王平

轮轨滑动接触温升的准确预测对于轮轨的磨耗和疲劳研究均具有重要意义. 目前的轮轨温升解析或半解析模型通常考虑Hertz弹性接触压力分布和单一材料属性的温度相关性, 与实际的轮轨传热状态尚有一定偏差, 因此在轮轨滑动温升计算模型中考虑接触压力的塑性修正和多种材料属性的温度相关性, 有望提高温升预测结果的准确性. 基于弹塑性接触理论, 同时考虑热导率、比热容和摩擦系数的温度相关性, 通过基尔霍夫变换方法以热导率温度相关性函数的积分作为待求量, 将复杂的非线性Fourier导热方程转化成含单个变系数的简单偏微分方程形式, 从而构建了一种不限制材料温度相关性函数形式的统一隐式差分求解格式, 分别讨论了对流换热系数、法向载荷、蠕滑率以及行车速度对钢轨表面滑动温升的影响. 结果表明, 当列车高速行驶时, 对流换热系数对轮轨滑动温升的影响甚微; 蠕滑率和行车速度的增大, 均会引起摩擦功率的增大, 进而导致钢轨表面温度的升高; 钢轨表面滑动温升的峰值随法向载荷的增大而近似线性上升. 此外, 在轮轨滑动温升计算模型中考虑材料属性的温度相关性可有效避免对滑动温升的过分高估, 且摩擦系数的温度相关性对温升的影响要显著强于热导率和比热容.

2020, 52(5): 1245-1254. doi: 10.6052/0459-1879-20-122

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超短激光脉冲加热薄板的广义热弹扩散问题

李妍, 何天虎, 田晓耕

由于超短激光脉冲具有功率密度高、持续时间短、加工精度高等优势, 近年来被广泛应用于超精细加工、光学储存和微电子器件制造等领域. 本文基于L-S型广义热弹扩散理论, 建立了考虑材料记忆依赖效应和空间非局部效应的记忆依赖型非局部广义热弹扩散耦合理论, 它能够准确预测几何尺寸与内部特征尺寸相近结构的热弹扩散瞬态响应. 推导了所建理论的控制方程, 并基于拉普拉斯积分变换获得了控制方程的解. 作为算例, 利用所建理论和求解方法研究了半无限大薄板受非高斯激光脉冲加热和化学冲击联合作用下的热弹扩散瞬态响应问题, 得到了薄板的温度、化学势、位移、应力和浓度等随非局部参数、热时间迟滞因子和扩散时间迟滞因子等参数变化的分布规律. 结果表明: 传热对传质影响显著, 传质对传热影响甚微; 非局部参数对位移、应力影响显著, 对温度、化学势和浓度几乎没有影响. 该理论及求解方法的建立, 旨在实现材料在机械、热、化学势等冲击作用下传热传质瞬态响应的准确预测.

2020, 52(5): 1255-1266. doi: 10.6052/0459-1879-20-118

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考虑应变率的广义压电热弹理论及其应用

李吉伟, 何天虎

工程中大量材料的形变介于弹性与黏性之间, 既具有弹性固体特性, 又具有黏性流体特点, 即为黏弹性. 黏弹性使得材料出现很多力学松弛现象, 如应变松弛、滞后损耗等行为. 在研究受热载荷作用的多场耦合问题的瞬态响应时, 考虑此类问题中的热松弛和应变松弛现象, 对准确描述其瞬态响应尤为重要. 针对广义压电热弹问题的瞬态响应, 尽管已有学者建立了考虑热松弛的广义压电热弹模型, 但迄今, 尚未计入应变松弛. 本文中, 考虑到材料变形时的应变松弛, 通过引入应变率, 在Chandrasekharaiah广义压电热弹理论的基础之上, 经拓展, 建立了考虑应变率的广义压电热弹理论. 借助热力学定律, 给出了理论的建立过程并得到了相应的状态方程及控制方程. 在本构方程中, 引入了应变松弛时间与应变率的乘积项, 同时, 分别在本构方程和能量方程中引入了热松弛时间因子. 其后, 该理论被用于研究受移动热源作用的压电热弹一维问题的动态响应问题. 采用拉普拉斯变换及其数值反变换, 对问题进行了求解, 得到了不同应变松弛时间和热源移动速度下的瞬态响应, 即无量纲温度、位移、应力和电势的分布规律, 并重点考察了应变率对各物理量的影响效应, 将结果以图形形式进行了表示. 结果表明: 应变率对温度、位移、应力和电势的分布规律有显著影响.

2020, 52(5): 1267-1276. doi: 10.6052/0459-1879-20-120

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板中热弹波传播: 一种改进的勒让德多项式方法

王现辉, 李方琳, 刘宇建, 陈会涛, 禹建功

近年来, 超声导波因其衰减小, 传播距离远和信号覆盖范围广, 成为无损检测领域快速发展的方向之一. 然而, 基于超声导波的高温在线检测和激光超声技术却发展缓慢, 其关键在于热弹耦合波动方程求解难度大、传播与衰减特性研究困难. 作为一种有效的求解方法, 勒让德正交多项式方法已广泛应用于导波传播问题, 但该方法在求解热弹导波传播时存在两个不足, 限制其进一步的发展和应用. 这两个缺陷是: (1)求解过程中大量积分的存在, 致使计算效率低下; (2)仅能处理等热边界条件的热弹导波传播. 针对两项不足之处, 提出一种改进的勒让德正交多项式方法, 以求解分数阶热弹板中的导波传播. 推导求解方法中积分的解析表达式, 以提高计算效率; 引入温度梯度展开式, 发展适合勒让德多项式级数的绝热边界条件处理方法. 与已有文献结果对比表明改进方法的正确性; 与已有方法的计算时间对比说明改进方法的高效性. 最后将改进的方法用于求解分数阶热弹板中的导波传播, 研究分数阶次对频散、衰减曲线和应力、位移、温度分布等的影响.

2020, 52(5): 1277-1285. doi: 10.6052/0459-1879-20-124

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一维准晶功能梯度层合圆柱壳热电弹性精确解

李杨, 秦庆华, 张亮亮, 高阳

两种或多种不同性质材料组成的层状结构可以满足工业发展的需求. 然而, 材料属性在接触面的突变问题, 容易导致层间界面处产生应力集中、裂纹以及分层等问题. 功能梯度材料利用连续变化的组分梯度来代替突变界面, 可以消除界面处的物理性能突变, 提高结构的粘结强度. 本文以一维准晶功能梯度层合圆柱壳为研究对象, 利用类Stroh公式和传递矩阵方法, 建立了材料参数沿径向呈现幂函数变化的层合圆柱壳模型, 获得了简支边界条件对应的一维准晶功能梯度层合圆柱壳的热电弹性精确解. 数值算例中讨论了层合圆柱壳内外表面承受温度载荷时, 功能梯度指数因子对温度场、电场、声子场和相位子场的影响, 尤其是对层合圆柱壳内外表面的影响. 结果表明, 指数因子改变了材料参数的空间分布情况, 进而对温度场、电场、声子场和相位子场都有影响; 增加功能梯度指数因子, 可减小温度载荷引起的内表面变形, 进而提升结构强度. 本文得到的结果可以为功能梯度准晶层合圆柱壳的设计和制造提供可靠的理论依据.

2020, 52(5): 1286-1294. doi: 10.6052/0459-1879-20-126

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多个局部温度载荷下压电半导体纤维杆的压电电子学行为分析

程若然, 张春利

温度改变产生的极化电势可对压电半导体结构内的物理量进行有效调控, 这在穿戴电子器件及与温度相关的半导体电子器件中有重要工程应用价值. 本文针对在多个局部均匀温度变化作用下的压电半导体杆结构, 采用一维热压电半导体多场耦合方程, 基于线性化的漂移-扩散(drift-diffusion)电流模型导出了问题的解析解. 以两个局部温度载荷情况为例, 数值分析了局部温度改变对压电半导体内位移、电势、电位移、极化强度、载流子分布等物理场的影响. 对于温度改变较大的情况, 在COMSOL软件的PDE模块中, 采用非线性电流模型, 进行数值模拟. 研究结果表明: 由于两个局部区域的温度改变, 在半导体杆内形成了局部势垒和势阱, 不同的温度改变量和作用区域会产生不同高度/深度的势垒/势阱, 为基于压电半导体的热压电电子学器件结构设计提供了理论指导.

2020, 52(5): 1295-1303. doi: 10.6052/0459-1879-20-128

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基于深度学习技术的激波风洞智能测力系统研究

汪运鹏, 杨瑞鑫, 聂少军, 姜宗林

高焓条件气动力测量试验对高超声速飞行器气动外形设计和优化起决定性作用. 通常采用脉冲风洞(如激波风洞)产生高温、高压驱动气体以模拟高超声速高焓试验气流. 在脉冲风洞对高超飞行器模型进行测力试验时, 测力天平输出信号结果无法摆脱惯性载荷的干扰影响, 其导致的测力模型低频振动问题基本无法通过滤波彻底解决, 尤其对试验时间只有几毫秒的情况, 六分量测力天平的结构设计研究受到了极大挑战. 因此, 对实现短试验时间条件高性能测力的深入研究发现, 天平动态校准凸显重要性和必要性. 本研究提出一种新的基于人工智能深度学习技术的单矢量动态自校准方法和智能测力系统概念, 并应用于目前激波风洞测力试验中. 该动校方法的最主要特点之一是对整体测力系统的校准, 而非仅仅针对天平, 并且保证校准的测力系统即为风洞试验对象, 确保校准与应用的一致性. 在测试评估中, 测试样本和风洞试验验证均得到了较为理想的效果, 大幅度低频振动干扰基本被消除, 脉冲风洞测力的精度和可靠性得到了大幅提高.

2020, 52(5): 1304-1313. doi: 10.6052/0459-1879-20-190

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基于Navier-Stokes方程残差的隐式大涡模拟有限元模型

陈林烽

对应于湍流的大尺度与小尺度流场信息, 本文在有限元的框架下, 假设Navier-Stokes方程的解的形函数由大尺度和不可解尺度形函数叠加组成, 引入对应的权函数, 将Navier-Stokes方程的有限元变分形式分解为大尺度和不可解尺度系统. 根据不可解尺度系统, 构建基于Navier-Stokes大尺度方程残差的不可解尺度模型, 将其代入Navier-Stokes方程的大尺度系统, 进而数值求解大尺度系统得到Navier-Stokes方程的大尺度解. 该方法无需像传统的大涡模拟方法那样对方程的解进行过滤, 通过对形函数进行尺度分解实现解的尺度分解. 本文使用该方法的自编程序代码开展了槽道湍流的数值模拟. 通过与有限差分大涡模拟、DNS计算结果的比较, 发现在使用较少网格情况下该方法预测的平均流向速度在近壁区与DNS数据吻合, 在黏性外层略偏高; 该方法对雷诺应力预测偏低导致从流向向垂向方向上湍动能输运略偏低. 流向速度等值面图显示该方法有效捕捉到了大尺度旋涡结构; 同时在近壁区可以观察到明显的低速条带结构.

2020, 52(5): 1314-1322. doi: 10.6052/0459-1879-20-055

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强吸气旋转圆筒壁面湍流边界层建模及计算

Ievgen Mochalin, 林静雯, 蔡建程, VolodymyrBrazhenko, 鄂世举

提出了湍流边界层的一种简单、快速计算方法, 用以求解强吸气作用下旋转圆筒表面边界层流动. 首先, 理论分析了同心圆筒间的旋转流体运动, 外筒静止、内筒旋转且为多孔吸气条件. 强吸气情况下旋转流动主要表现为内筒壁面附近的边界层流动, 基于这一事实得到了周向速度分布的解析表达式. 其次, 通过引入新参数扩展Cebeci-Smith代数湍流模型, 使其能考虑流线曲率、壁面吸气、低Reynolds数效应等因素. 针对这些因素的综合影响, 采用解析修正和经验参数对模型进行调整. 同时, 基于Reynolds应力湍流模型的仿真结果, 校准代数湍流模型中的经验参数. 最后, 给出基于广义Cebeci-Smith湍流模型的旋转壁面边界层流动的迭代算法, 该算法适用于需要特殊迭代过程的轴向及周向流动均匀情况. 计算了不同旋转速度和吸气强度组合工况下的边界层流动, 其周向速度和湍流强度分布与基于Reynolds应力湍流模型的计算结果非常接近. 并且表明, 当Reynolds应力湍流模型数值模拟预测内筒边界层为稳定层流时, 该方法也再现了相同初始条件下的层流边界层.

2020, 52(5): 1323-1333. doi: 10.6052/0459-1879-20-032

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全局方向模板对非结构有限体积梯度与高阶导数重构的影响

孔令发, 董义道, 刘伟

模板选择方式对非结构有限体积方法的计算准确性会产生显著影响. 在之前的工作中, 基于局部方向模板存在的问题, 我们探索了一种更加简单有效的全局方向模板选择方法, 并将其应用于二阶精度非结构有限体积求解器. 基于该方法找到的模板单元均沿着壁面法向与流向, 可有效捕捉流场变化, 反映流动的各向异性, 并且模板选择过程脱离了对网格拓扑的依赖, 避免了局部方向模板选择方法中复杂的阵面推进与方向判断过程, 克服了在大压缩比三角形网格上模板单元偏离壁面法向的现象, 同时在二阶精度求解器上得到了较高的计算精度与计算准确性. 为了进一步验证全局方向模板在高阶精度非结构有限体积方法中应用的可行性, 本文初步测试了该模板对变量梯度及高阶导数重构的影响. 经检验, 在不同类型的网格上, 采用全局方向模板得到的变量梯度与高阶导数误差明显低于局部方向模板, 同时也低于共点模板的计算误差. 此外, 在高斯积分点处由全局方向模板得到的变量点值与导数误差同样在三种模板中最低. 因此该模板选择方法在非结构有限体积梯度与高阶导数重构方面具有较好的数值表现, 具备在高阶精度非结构有限体积求解器中应用并推广的可行性.

2020, 52(5): 1334-1349. doi: 10.6052/0459-1879-20-093

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近距离下射流冲击平板PIV实验研究

胡建军, 朱晴, 王美达, 金瑶兰, 王思民, 孔祥东

运用时间分辨粒子成像测速系统(time-resolved particle image velocimetry, TR-PIV)对近距离下射流冲击平板时的流场进行了直接测量, 通过对两个正交的平面流场开展测量, 揭示了冲击距离和雷诺数对射流间隙内三维流动特征及涡系结构演化规律的影响. 结果表明: 射流间隙存在三种典型的涡系结构, 分别为双涡环模式、单涡环模式和卷吸模式, 但在大流量湍流状态下, 射流可能会冲破涡环, 形成随机的高速出流, 各流动模式的出现主要与射流流态及壁面约束作用有关. 运用涡量分析对三种典型涡系结构的能量传递和损失特性进行了比较. 结果表明: 近距离冲击时, 射流的能量通过涡环模式向外传递. 在双涡环模式下, 两个涡环的旋向相反, 端面的约束作用使得两个涡环都被严格约束在射流棒端面之内, 且一次涡环强度显著大于二次涡环强度. 最后, 运用本征正交分解方法对射流间隙内的流动模态及其能量分布进行了分析. 单涡和双涡模式前十阶模态分析结果表明: 能量脉动在较低阶时即以配对的模式出现, 这表明一次涡环与二次涡环均具有良好的对称性, 同时在双涡模式中, 一次涡环是占主导作用的大尺度流动结构. 卷吸模式的前三阶模态分析表明: 射流的能量集中在射流上游, 能量随紊动扩散急剧衰减.

2020, 52(5): 1350-1361. doi: 10.6052/0459-1879-20-142

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模拟Chelyabinsk小行星进入的烧蚀实验

罗跃, 王磊, 党雷宁, 刘进博, 张军, 柳森

烧蚀是小行星极高速进入地球大气层后最重要的现象之一,在很大程度上决定了小行星的质量/尺寸变化、飞行轨迹、甚至光辐射特性. 为观测小行星材料在超高速高温流场中的烧蚀现象,在电弧加热器上开展了模拟Chelyabinsk小行星事件典型弹道状态(速度约5.6 km/s,高度17 km,流星体直径1 m)的烧蚀实验. 试件为钝头外形,头部半径20 mm,半锥角18$^\circ$. 作为对比,试件分别采用玄武岩和碳钢材料. 成功记录了清晰的烧蚀动态过程,观察到两种材料试件表面的熔融损失流动、以及玄武岩试件的蒸发喷射和崩裂剥落等现象,全程测得烧蚀气体发射光谱、试件实时外形变化、表面热图变化等数据. 分析结果显示了两种材料明显不同的烧蚀现象和质量损失机制：碳钢在高温气流冲击作用下溅射成大量微小液滴,跟随气流高速流失;玄武岩质量损失以熔融物剪切流动为主,并伴随少量块状剥落及蒸发喷射. 烧蚀时间为4 s,玄武岩和碳钢的质量损失及驻点后退量分别为37.9 g,72.7 g以及7.3 mm,13.1 mm,估算玄武岩材料的有效烧蚀焓约为2.6 MJ/kg,两种材料的烧蚀光谱测量组分与电镜能谱扫描结果吻合.

2020, 52(5): 1362-1370. doi: 10.6052/0459-1879-20-081

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基于车身绕流的低雷诺数湍流模型改进研究

强光林, 杨易, 陈阵, 谷正气, 张勇

本文将汽车绕流模块化为各典型局部流动,通过常用湍流模型对各典型局部流动进行数值模拟,结果验证了湍流模型对转捩的捕捉能力是准确模拟汽车绕流的关键. 在分析汽车绕流分离及转捩机理的基础上,优化了稳态和瞬态求解方法,改进了湍流模型对转捩的预测能力,进而提高了湍流模型在汽车流场模拟上的精度. 针对汽车绕流的稳态问题,将流线曲率因子及响应阈值引入 LRN $k$-$\varepsilon $ (low Reynolds number $k$-$\varepsilon $) 模型,获得了一种能够更准确预测转捩的改进低雷诺数湍流模型 (modified LRN $k$-$\varepsilon $),改善了原模型对湍流耗散率的过强依赖性及全应力发展预测不足等问题;针对汽车绕流瞬态求解,通过分析 RANS/LES 混合湍流模型的构造思想及特点,引入约束大涡模拟方法,结合本文提出的改进的 LRN $k$-$\varepsilon $ 湍流模型,提出了一种能准确捕捉转捩现象的转捩 LRN CLES 模型. 分别将改进的模型用于某实车外流场和风振噪声仿真中,通过 Ansys Fluent 求解器计算,并将计算结果与常用湍流模型的仿真结果、HD-2 风洞试验结果和实车道路实验结果进行对比,表明改进后的湍流模型能够更准确模拟复杂实车的稳态和瞬态特性,为汽车气动特性的研究提供了可靠理论依据及有效数值解决方法.

2020, 52(5): 1371-1382. doi: 10.6052/0459-1879-20-095

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Mindlin 矩形微板的热弹性阻尼解析解

马航空, 周晨阳, 李世荣

首次给出了四边简支的 Mindlin 矩形微板热弹性阻尼的解析解. 基于考虑一阶剪切变形的 Mindlin 板理论和单向耦合热传导理论建立了微板热弹性耦合自由振动控制微分方程. 忽略温度梯度在面内的变化,在上下表面绝热边界条件下求得了用变形几何量表示的温度场的解析解. 进一步将包含热弯曲内力的结构振动方程转化为只包含挠度振幅的四阶偏微分方程. 利用特征值问题之间在数学上的相似性,在四边简支条件下给出了用无阻尼 Kirchhoff 微板的固有频率表示的 Mindlin 矩形微板的复频率解析解,从而利用复频率法求得了反映热弹性阻尼水平的逆品质因子. 最后,通过数值结果定量地分析了剪切变形、材料以及几何参数对热弹性阻尼的影响规律. 结果表明,Mindlin 板理论预测的热弹性阻尼小于 Kirchhoff 板理论预测的热弹性阻尼. 两种理论预测的热弹性阻尼之间的差值在临界厚度附近十分显著. 另外,随着微板的边/厚比增大,Mindlin 微板的热弹性阻尼最大值单调增大,而 Kirchhoff 微板的热弹性阻尼最大值却保持不变.

2020, 52(5): 1383-1393. doi: 10.6052/0459-1879-20-175

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三维切口/裂纹结构的扩展边界元法分析

李聪, 牛忠荣, 胡宗军, 胡斌

在线弹性理论中,三维 V 形切口/裂纹结构尖端区域存在多重应力奇异性,常规数值方法不易求解. 本文提出和建立了三维扩展边界元法 (XBEM),用于分析三维线弹性 V 形切口/裂纹结构完整的位移和应力场. 先将三维线弹性 V 形切口/裂纹结构分为尖端小扇形柱和挖去小扇形柱后的外围结构. 尖端小扇形柱内的位移函数采用自尖端径向距离 $r$ 的渐近级数展开式表达,其中尖端区域的应力奇异指数、位移和应力特征角函数通过插值矩阵法获得. 而级数展开式各项的幅值系数作为基本未知量. 挖去扇形域后的外围结构采用常规边界元法分析. 两者方程联立求解可获得三维 V 形切口/裂纹结构完整的位移和应力场,包括切口/裂纹尖端区域精细的应力场. 扩展边界元法具有半解析法特征,适用于一般三维 V 形切口/裂纹结构完整位移场和应力场的分析,其解可精细描述从尖端区域到整体结构区域的完整应力场. 作者研制了三维扩展边界元法程序,文中给出了两个算例,通过计算结果分析,表明了扩展边界元法求解三维 V 形切口/裂纹结构完整应力场的准确性和有效性.

2020, 52(5): 1394-1408. doi: 10.6052/0459-1879-20-129

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考虑平均应力的同频拉扭多轴高周疲劳寿命评价方法

李静, 佟晓龙, 杨烁, 仇原鹰

目前基于临界平面理论的高周疲劳寿命预测模型, 大都充分考虑了法向平均应力对材料疲劳寿命的影响, 但是没有有效反映剪切平均应力对疲劳寿命的影响. 通过分析7075-T651铝合金的试验数据发现, 与法向拉平均应力类似, 剪切平均应力同样对材料的疲劳寿命产生不利影响. 因此, 如果寿命预测模型中忽略剪切平均应力的影响, 存在明显剪切平均应力加载工况下, 预测寿命可能偏于危险. 由此, 本文定义具有较大法向应力的最大剪应力范围平面为临界平面, 建立了一个能够同时反映法向和剪切平均应力影响的高周疲劳寿命预测模型, 并给出了模型中材料常数的确定方法. 新模型首先将基于应变的Fatemi-Socie准则, 推广到材料的高周疲劳寿命预测, 给出了Fatemi-Socie准则的应力表述形式. 然后, 引入剪切和法向Walker因子, 反映剪切和法向平均应力对材料疲劳寿命的影响. 剪切和法向Walker因子的取值都介于0和1之间, 不同取值反映了材料对剪切和法向平均应力敏感程度的不同. 新模型适用于范围内的金属塑性材料. 利用5种材料在12种存在平均应力加载工况下的试验数据, 对所建模型进行了试验验证, 结果表明预测结果与试验结果吻合良好, 绝大多数寿命预测结果分布在3倍误差带以内.

2020, 52(5): 1409-1421. doi: 10.6052/0459-1879-20-066

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连续纤维增强复合材料结构基频最大化设计

程长征, 卞光耀, 王选, 龙凯, 李景传, 吴乔国

与传统的金属材料相比, 纤维增强复合材料在强度、刚度、抗断裂等诸多方面具备更优良的性能, 目前纤维增强复合材料已在汽车、航空航天等工业领域得到了广泛应用. 本文提出一种求解连续纤维增强复合材料结构无阻尼自由振动下的基频最大化问题的拓扑优化方法. 为了实现结构拓扑构型与纤维角度的同步优化, 建立了以准许的材料用量体积分数为约束、以结构的一阶特征值为目标函数的动力学拓扑优化模型, 该模型包括表征结构拓扑构型的密度设计变量和表征纤维方向的角度设计变量. 详细推导了特征值目标函数关于密度设计变量和角度设计变量的解析灵敏度列式, 并采用移动渐进线方法 (method of moving asymptotes, MMA) 进行了优化求解; 最后通过3个数值算例验证本文方法的有效性, 其中包括一个以刚度最大化为目标的静力学优化算例, 和两个以一阶特征值为目标的动力学优化算例. 结果表明, 所提方法优化迭代过程稳健, 收敛快, 能够在实现结构拓扑构型与纤维角度的一体化优化的同时, 有效提高结构的频率.

2020, 52(5): 1422-1430. doi: 10.6052/0459-1879-20-083

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一种基于Neumann级数的区间有限元方法

伍鹏革, 倪冰雨, 姜潮

实际工程问题中通常存在大量的不确定参数, 区间有限元方法是一种结合有限元数值计算工具对结构进行不确定性分析的区间方法. 区间有限元的目的是获得在含有区间不确定性参数条件下的结构响应上下边界, 其关键问题在于区间平衡方程组的求解, 而这属于一类往往很难求解的NP-hard问题. 本文归纳了一类工程实际中常见的结构不确定性问题, 即可线性分解式区间有限元问题, 并针对此提出一种基于Neumann级数的区间有限元方法. 在区间有限元分析中, 当区间不确定参数表示为一组独立区间变量线性叠加时, 若结构的刚度矩阵也可表示为这些独立区间变量的线性叠加形式, 则称此类区间有限元问题为可线性分解式区间有限元问题. 对于此类问题, 采用Neumann级数对其刚度矩阵的逆矩阵进行表示, 可获得结构响应关于区间变量的显式表达式, 从而可高效求解结构响应的上下边界. 最后通过两个算例验证了本文所提方法的有效性.

2020, 52(5): 1431-1442. doi: 10.6052/0459-1879-20-152

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WFeNiMo高熵合金动态力学行为及侵彻性能研究

陈海华, 张先锋, 熊玮, 刘闯, 魏海洋, 汪海英, 戴兰宏

为了探究不同应变速率下WFeNiMo高熵合金的变形行为和侵彻性能, 采用万能材料试验机、分离式霍普金森压杆开展了高熵合金的静动态力学性能试验, 讨论了其在不同应变速率下变形特征微观机制. 基于弹道枪试验平台开展了高熵合金与典型钨合金(93W-4.9Ni-2.1Fe,wt%)破片对有限厚钢靶侵彻作用性能试验研究, 分析了两种合金破片侵彻作用过程与靶板破坏特征、侵彻穿孔能量消耗与撞击速度间的关系. 结果表明: 高熵合金、钨合金材料屈服强度与应变率呈正相关, 且在相同的应变率下高熵合金具有更高的屈服强度; 随着应变率的提高, 高熵合金由脆性断裂、韧脆混合的准解理断裂发展至具有黏着特性的破碎变形模式; 高熵合金具有较强的局部绝热变形能力, 在侵彻薄钢靶时体现出较高的剪切敏感性; 相同撞击速度下, 高熵合金破片穿靶消耗的能量低于钨合金破片, 对于薄钢靶具有更强的侵彻穿透能力. 高熵合金具有优异的力学性能和侵彻能力, 在高速撞击薄靶板时除了传统的剪切冲塞作用还具有一定的能量释放特性, 在预制破片上有较好的应用前景.

2020, 52(5): 1443-1453. doi: 10.6052/0459-1879-20-166

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燃料消耗下充液航天器等效动力学建模与分析

刘峰, 岳宝增, 马伯乐, 申云峰

在轨航天器贮腔内的液体可能表现出多种不同的运动模式, 主要包括液体相对于贮腔的整体性刚体运动、自由液面横向晃动、液体起旋后逐步发生明显的旋转晃动及液体自旋运动; 复合三自由度刚体摆晃动模型能够较为全面地描述这些液体运动模式, 同时为研究起旋阶段的液体晃动动力学问题提供了有效手段. 本文对非线性液体晃动刚体摆复合模型作进一步发展, 考虑模型等效参数随贮腔充液比的变化, 提出了变参数的刚体摆复合模型, 该模型适用于研究燃料消耗下非线性晃动类充液航天器大范围运动耦合动力学问题. 采用刚体摆复合模型对球形贮腔内的液体晃动进行等效后, 基于混合坐标意义下的拉格朗日方程推导了一类充液航天器轨道-姿态-晃动全耦合的动力学方程组, 并展开了充液航天器大角度三轴稳定姿态机动和零冲量轨道机动仿真以及航天器耦合动力学响应特性分析. 研究表明: 液体相对于贮腔的运动会造成航天器主刚体位置发生偏移, 当航天器在执行零冲量机动时, 燃料消耗会造成航天器的轨道平动速度无法收敛到零; 贮腔偏心布放时, 航天器在执行轨道机动过程中贮腔内液体易发生剧烈而且形式复杂的晃动行为, 进而可能造成航天器刚体运动的不稳定.

2020, 52(5): 1454-1464. doi: 10.6052/0459-1879-20-027

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空间机械臂柔性捕获机构建模与实验研究

李海泉, 梁建勋, 吴爽, 刘茜, 张文明

柔性捕获机构是空间机械臂的关键性部件, 对空间在轨服务过程中的抓捕操作起着至关重要的作用. 捕获机构的原理分析与仿真建模工作对在轨捕获工况预测分析和任务规划有着重要的应用价值. 本文以空间机械臂的末端柔性捕获机构为研究对象, 建立了柔性捕获机构软捕获过程的动力学仿真模型. 考虑了软捕获过程中柔性绳索的空间构型和大变形特性, 采用绝对节点坐标方法建立了三维空间柔性绳索单元, 并通过引入一圆柱参考坐标系来建立柔性绳索与目标适配器端刚性捕获杆的接触碰撞模型. 为满足三维运动工况验证, 搭建了纯被动边界条件的悬吊实验, 通过对比软捕获过程中被捕获目标的运动信息和受力信息, 验证了模型的准确性. 实验结果表明该模型能够有效地模拟在轨捕获任务中柔性机构软捕获阶段的动力学行为, 可以用于后续与空间机械臂联合仿真任务预测以及作为地面气浮台二维试验的必要补充. 此外, 针对在轨任务中的舱外状态巡检和漂浮目标捕获两种典型工况, 进行了机械臂捕获动力学联合仿真分析, 在给定条件下成功完成软捕获阶段的操作.

2020, 52(5): 1465-1474. doi: 10.6052/0459-1879-20-106

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一类 Duffing 型系统的不动点混沌和Fold/Fold 簇发现象及机理分析

陈娅昵, 孟文静, 钱有华

本文主要探究了一类含有两个慢变量的双稳态 Duffing 型系统,通过时间历程图、相图、分岔图等对系统进行数值模拟,然后从理论上分析不同参数下系统的动力学机理. 首先,研究发现当振幅参数取值大于 1 时,系统会表现出不动点混沌现象,并进一步解释了产生不动点混沌的机理. 其次, 介绍了参数空间中的簇发振荡现象,即系统穿过鞍结曲面的一侧到达另一侧所发生的行为,这里也称为鞍结簇发振荡. 事实上,当系统穿过鞍结曲面的时候,它的平衡点个数发生了变化. 然后,使用纵向抛物线路径说明了 Fold/Fold 簇发振荡产生的机理,发现无论常系数项和振幅的取值为多少,只要满足一定的关系,总会产生 Fold/Fold 簇发振荡,之后使用线性路径阐明了新增常系数项会使得系统发生簇发振荡的原因. 并且发现路径与鞍结曲面交点的位置会影响簇发振荡的对称性;路径的跨度会影响簇发振荡的大小. 最后,使用多拐折曲线路径讨论当两个激励项存在 $n$ 倍关系时系统产生的现象. 结果表明当 $n=3$ 时,常系数项的变化会使得系统表现出不同重数的 Fold/Fold 簇发振荡,最高可达到三重簇发振荡. 并且发现在理想状况下如果可以找到一条路径可以分割为 $n$ 段,并且每一段都会与鞍结曲面有交点,那么会产生 $n$ 重 Fold/Fold 簇发振荡.

2020, 52(5): 1475-1484. doi: 10.6052/0459-1879-20-098

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自抗扰控制框架下的摩擦力振动分析

朴敏楠, 王颖, 周亚靖, 孙明玮, 张新华, 陈增强

自抗扰控制(active disturbance rejection control, ADRC)是一种具有两自由度控制结构的工程化方法, 由于其能够直观有效地处理多种扰动, 近些年来在许多机电系统上得到了成功应用. 当采用ADRC对带有摩擦力的机电系统进行调节时, 可能会产生极限环振动. 目前, 还没有ADRC框架下摩擦力振动精确分析的相关工作. 因此, 本文采用非线性动力学系统的分析工具对这一问题进行研究. 首先, 考虑两种典型摩擦力模型, 静态切换模型和动态LuGre 模型, 对一类二阶运动系统设计不同阶次的ADRC, 得到控制器的等效形式, 并揭示出与比例积分微分(proportional-integral-derivative, PID)控制之间的联系. 然后, 采用打靶法结合拟弧长延拓方法求解系统中的极限环, 并根据Floquet理论判断极限环的稳定性、可能出现的分岔以及分岔类型. 此外, 通过雅克比矩阵和近似数值方法对系统平衡点集的局部稳定性进行了分析. 最后, 通过数值计算研究了摩擦力模型和参数、ADRC阶次和参数对极限环和平衡点集的影响. 计算结果表明, 决定摩擦力Stribeck效应负斜率的参数$\beta$作用较大. 当$\beta>1$时, 两种摩擦力模型下的闭环系统呈现出相同的特性, 极限环会出现环面折叠分岔(cyclic fold bifurcation, CFB)且平衡点集是局部稳定的. 然而当$\beta<1$时, 两种闭环系统呈现出完全不同的特性. 此外, 不同阶次的ADRC在极限环的存在性和稳定性、平衡点集的稳定性上面的结论是相同的, 而低阶次的ADRC能够更好地解决摩擦力补偿和稳定鲁棒性之间的矛盾问题. 这些结论对实际现象的理解、ADRC阶次的选择以及参数整定提供了一定指导.

2020, 52(5): 1485-1497. doi: 10.6052/0459-1879-20-149

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具有刚性间隙约束输流管的碰撞振动

王乙坤, 王琳, 倪樵, 杨沫, 刘德政, 秦涛

管道与间隙约束间的碰撞振动是工程输流管结构的一个重要动力学现象. 迄今,人们通常采用光滑的非线性弹簧来模拟管道与间隙约束之间的碰撞力,但这种光滑的碰撞力无法真实反映碰撞前后管道状态向量的非光滑传递特征. 本文基于非光滑理论建立了具有刚性间隙约束简支输流管的非线性碰撞振动模型,利用 Galerkin 法离散了无穷维的管道模型, 并引入恢复系数构造了碰撞前后管道各处状态向量的传递矩阵,运用四阶龙格库塔法分析了脉动内流激励下管道与刚性间隙约束的非光滑碰撞振动现象,着重讨论了刚性间隙约束参数对管道动态响应随流速脉动频率变化的影响规律,特别是碰撞振动的周期性运动规律. 研究结果表明,刚性约束间隙值对管道碰撞振动行为的影响较大,在某些脉动频率下管道会出现多周期和非周期性的运动形态,还可出现非光滑系统特有的黏滑现象. 此外,碰撞恢复系数对管道振动的影响也比较显著,较小的恢复系数值更容易使管道在大范围脉动频率区间出现复杂的非周期碰撞振动.

2020, 52(5): 1498-1508. doi: 10.6052/0459-1879-20-137

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汽车行驶诱发地表振动的解析研究

王立安, 赵建昌, 王作伟

本文从汽车动力学出发,建立 1/4 汽车与半空间地基耦合振动的动力学模型,并采用弹性滚子接触模型来反映轮胎包容性. 模型中同时考虑轮-地之间的纵向和竖向作用力,构建系统动力控制方程,利用 Fourier 和 Laplace 积分变换进行求解,推导出地表振动位移的解析解. 在数值算例中,利用离散傅里叶逆变换和 Crump 法进行数值反演,得出地表振动位移的空间分布,由此讨论了轮胎着地长度和轮-地相互作用力的变化规律,并对地表振动位移的参数影响作出分析. 结果表明,地面不平度对轮-地之间作用力的影响最为显著,地面越不平顺则轮-地作用力和地表振动位移越大. 车速对轮-地作用力的大小影响有限,但对载荷激励频率影响较大,车速增大则激励频率增大,地表振动位移随之增大. 在较低车速时,轮胎包容性对轮-地作用力和地表振动产生一定影响,轮胎充气压力增大,轮-地作用力和地表振动位移增大,但随着车速升高,这种影响将逐渐消失.

2020, 52(5): 1509-1518. doi: 10.6052/0459-1879-20-033

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基于t准则的各向异性强度准则及变换应力法

万征, 孟达

岩土材料通常呈现出成层水平分布特点, 即可将其视为横观各向同性材料, 横观各向同性对于岩土材料的变形以及强度值都会产生显著的影响. 基于已提出的t强度准则, t强度准则是基于各向同性单元体中存在有效滑移面来构建的, 并根据该空间有效滑移面上主剪应力与主法向应力的比值达到一定阈值为破坏条件. 在空间中存在有效滑移面与物理沉积面, 基于上述两个面在空间的位置关系, 用两面夹角作为表征横观各向同性对剪切强度影响程度的参量, 并假定当该夹角值越大, 则各向异性对强度贡献程度越大, 对应更大的应力比强度值, 反之, 则对应更小的应力比强度值. 基于上述思路并类比将其推广为正交三维各向异性准则, 基于三维各向异性材料的三维沉积面, 提出了三维特征沉积面的概念, 并基于空间滑移面与三维特征沉积面之间的夹角作为度量各向异性程度的变量, 提出了基于两面角作为参量考虑原生各向异性的应力比强度公式, 并利用该应力比强度公式来修正已提出的t强度准则, 最终建立了考虑各向异性影响的t准则公式. 在上述准则基础上, 考虑将各向异性应力空间转换为各向同性应力空间的思路, 在各向异性t准则基础上, 推导得到了基于各向异性强度t准则的变换应力公式, 利用变换应力公式可以将传统的以p, q为变量的各向同性本构模型转变为可考虑各向异性的三维本构模型. 通过对岩土材料的强度以及真三轴条件下的应力应变关系试验数据预测, 验证了所提的各向异性t准则及其变换应力公式的有效性及适用性.

2020, 52(5): 1519-1537. doi: 10.6052/0459-1879-20-138

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基于内聚力模型的高速水流聚脲基涂层剥离破坏模型研究

李炳奇, 张振宇, 李斌, 刘小楠, 杨旭辉

冲磨和空蚀破坏是水利水电设施最为常见的病害之一,严重影响水利水电设施的安全运行和效益发挥. 泄洪建筑物通常喷涂聚脲基涂层来提高抗冲耐磨性能,但在泄洪高速水流速度作用下抗冲磨聚脲基涂层的剥离破坏机理的研究尚属空白. 本文基于高速水流的流态形式,提出了高速水流对泄洪建筑物的力学作用模型,水流作用对泄洪建筑物的载荷主要包括拖曳力、冲击力、脉动力和上浮力;采用内聚力模型表征聚脲基涂层与泄洪建筑物防护体界面的剥离破坏过程,建立了高速水流聚脲涂层的剥离破坏模型, 给出了模型的有限元形式方程、本构关系以及损伤起始原则、演化原则和接触碰撞模型. 通过聚脲涂层与混凝土基底的剥离破坏试验,分析了不同剥离倾角下界面剥离破坏的拉应力与倾角之间的变化规律,得到了聚脲涂层剥离破坏过程中应力-$\!$-位移变化关系. 根据剥离破坏试验计算了界面剥离破坏断裂模型参数,采用数值方法对模型进行了验证,试验结果与模型计算结果吻合良好,为泄洪建筑物的抗冲耐磨设计提供理论依据.

2020, 52(5): 1538-1546. doi: 10.6052/0459-1879-20-064

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