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2021年  第53卷  第10期

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机器学习在力学模拟与控制中的应用专题
机器学习在力学模拟与控制中的应用专题序
王建春, 晋国栋
为了改进机器学习方法在力学问题中的应用效果, 并提高该方法的预测精度、计算效率和泛化能力, 需要回答一些基本问题, 包括: (1)如何从数据中系统地学习抽象的力学规律和本构关系? (2)如何将物理原理和机器学习有效地结合在一起? (3)如何提升模型的鲁棒性和泛化能力? (4)如何大幅度地提升复杂力学系统的模拟效率? (5)针对多尺度或高维度的力学系统, 如何构造可靠、高效的降阶模型? (6)如何系统地提升对大型设计空间的快速搜索能力? 围绕上述这些重要的问题, 《力学学报》组织了《机器学习在力学模拟与控制中的应用》这一专题. 由于篇幅限制, 该专题包含了3篇综述论文和7篇研究论文, 从一个侧面反映了国内科研人员在该方向上的一部分最新研究进展, 供读者参考.
2021, 53(10): 2613-2615. doi: 10.6052/0459-1879-21-501
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物理增强的流场深度学习建模与模拟方法
金晓威, 赖马树金, 李惠
流体运动理论上可用Navier−Stokes方程描述, 但由于对流项带来的非线性, 仅在少数情况可求得方程解析解. 对于复杂工程流动问题, 数值模拟难以高效精准计算高雷诺数流场, 实验或现场测量难以获得流场丰富细节. 近年来, 人工智能技术快速发展, 深度学习等数据驱动技术可利用灵活网络结构, 借助高效优化算法, 获得对高维、非线性问题的强大逼近能力, 为研究流体力学计算方法带来新机遇. 有别于传统图像识别、自然语言处理等典型人工智能任务, 深度学习模型预测的流场需满足流体物理规律, 如Navier−Stokes方程、典型能谱等. 近期, 物理增强的流场深度学习建模与模拟方法快速发展, 正逐渐成为流体力学全新研究范式: 根据流体物理规律选取网络输入特征或设计网络架构的方法称为物理启发的深度学习方法, 直接将流体物理规律显式融入网络损失函数或网络架构的方法称为物理融合的深度学习方法. 研究内容涵盖流体力学降阶模型、流动控制方程求解领域.
2021, 53(10): 2616-2629. doi: 10.6052/0459-1879-21-373
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复杂流动中的智能颗粒游动策略研究进展
邱敬然, 赵立豪
智能颗粒定义为可以根据环境的变化而主动调整自身在流场中运动的颗粒, 一般用于描述微小的游动物体, 如微生物、浮游生物和微纳机器人. 由于颗粒运动学特性和流场环境的复杂性, 探索智能颗粒的运动策略是一项具有现实意义与挑战性的研究. 近期强化学习算法被应用于智能颗粒的运动策略研究, 并取得一定进展. 本文将讨论强化学习在智能颗粒研究中的应用, 并介绍浮游生物运动策略的相关研究进展, 包括适用于海洋浮游生物的游动颗粒模型, 以及强化学习的基本原理和此类问题的研究框架. 海洋浮游生物的昼夜垂直迁移对其生存和繁衍至关重要, 生物学研究表明某些浮游生物可感知周围的流场信息, 但能否利用这些信息提高垂直方向游动效率仍是一个未知的问题. 基于这一背景, 相关研究考虑了重力沉降和颗粒形状对浮游生物垂直游动策略的影响. 研究发现细长的颗粒能够更加高效地垂直向上运动, 而重力沉降则导致智能游动策略发生较大变化. 在此基础上, 后续研究进一步考虑了局部流体信号的作用, 并讨论了基于局部信息在全局坐标系中定向运动的可能性. 当颗粒只能感受到局部流体信号时, 必须破坏动力学系统的对称性, 否则颗粒无法学到有效的垂向游动策略. 此外, 研究还发现强化学习能够利用流体信号背后的机制, 得到颗粒在二维定常流动和三维非定常湍流中高效垂直运动的策略. 这些智能游动策略依赖于本质的物理规律, 因此这些策略在更加复杂或真实的流动中也可能有优秀的表现.
2021, 53(10): 2630-2639. doi: 10.6052/0459-1879-21-402
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基于基因表达式编程的数据驱动湍流建模
赵耀民, 徐晓伟
计算流体动力学是湍流研究的重要手段, 其中雷诺平均模拟在航空航天等实际工程中得到了广泛应用. 雷诺平均模拟的结果很大程度上依赖于湍流模型的预测精度, 而实际工程应用中常用的模型往往精度有限. 近年来, 数据驱动的湍流建模方法得到越来越多的关注. 本文介绍了基于基因表达式编程 (gene-expression programming, GEP) 方法的湍流建模相关进展. 本文首先讨论基因表达式编程应用于湍流建模的具体方法, 包括基本算法、显式代数应力模型和湍流传热两种建模框架、模型测试方法以及损失函数设置等. 在此基础上, 基因表达式编程方法被应用于涡轮叶栅尾流混合、竖直平板间自然对流、三维横向流中的射流等问题. 结果表明, GEP可以有效提升常用模型对于尾流混合损失、壁面热通量等关键参数的预测精度. 基因表达式编程方法可以显式给出模型方程, 因此模型具有可解释性强等特点. 基于双向耦合方法得到的模型还被证明具有较好的后验测试精度和鲁棒性. 基因表达式编程方法还被初步应用于大涡模拟亚格子应力和边界层转捩等问题的建模, 在不同湍流建模领域表现出很大的潜力.
2021, 53(10): 2640-2655. doi: 10.6052/0459-1879-21-391
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基于离散单元法和人工神经网络的近壁颗粒动力学特征研究
段总样, 赵云华, 徐璋
颗粒与壁面的相互作用往往对颗粒流动具有显著影响. 为研究颗粒与壁面作用机理, 对滚筒内颗粒流动过程进行离散单元法(DEM)数值模拟. 基于模拟结果统计分析靠近壁面处颗粒的运动特征, 结果表明, 小摩擦系数时颗粒平动和旋转速度均近似满足正态分布, 但由于壁面影响, 摩擦系数增大时颗粒沿滚筒轴向的旋转速度偏离正态分布, 颗粒动力学理论推导壁面边界条件时应考虑速度正态分布的修正及速度脉动的各向异性. 采用人工神经网络(ANN)构建了颗粒无因次旋转温度、滑移速度和平动温度之间的函数模型, 进而可以在常规双流模型壁面边界条件中考虑颗粒旋转的影响. 基于DEM模拟及结果分析可以为壁面边界条件的理论构造和半经验修正提供基础数据和封闭模型.
2021, 53(10): 2656-2666. doi: 10.6052/0459-1879-21-313
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基于人工神经网络的亚格子应力建模
吴磊, 肖左利
亚格子(SGS)应力建模在湍流大涡模拟(LES)中有着极为重要的作用. 传统亚格子应力模型存在相对误差较大、耗散过强等问题. 近年来, 计算机技术的发展使得人工神经网络(ANN)等机器学习方法逐渐成为亚格子应力建模型的新研究范式. 本文着重考虑滤波宽度及雷诺数影响, 在不可压缩槽道湍流中建立了亚格子应力的ANN模型. 该模型以滤波后的直接数值模拟(fDNS)流场物理量及滤波尺度为输入信息, 相应滤波尺度下的亚格子应力为输出量. 通过对不同滤波尺度及不同雷诺数数据的训练, ANN模型能够给出与直接数值模拟(DNS)高度吻合的亚格子应力. 此外, 模型在亚格子耗散等非ANN建模量上也有着优异的预测性能, 与基于DNS获得的对应物理量的相关系数大都在0.9以上, 较梯度模型及Smagorinsky模型有明显提升. 在后验测试中, ANN模型对流向平均速度剖面的预测同样优于梯度模型、Smagorinsky模型及隐式大涡模拟(ILES)等传统LES模型. 在脉动速度均方根预测方面, 除了某些法向位置外ANN模型的性能整体上相对其他3个模型有所提升. 然而, 随着网格尺度的增大ANN模型预测的结果与fDNS结果的偏差逐渐增大. 总之, ANN方法在发展高精度亚格子应力模型上具有很大的潜力.
2021, 53(10): 2667-2681. doi: 10.6052/0459-1879-21-356
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基于人工神经网络的非结构网格尺度控制方法
王年华, 鲁鹏, 常兴华, 张来平, 邓小刚
网格自动化生成和自适应是制约计算流体力学发展的瓶颈问题之一, 网格生成质量、效率、灵活性、自动化程度和鲁棒性是非结构网格生成的关键问题. 在非结构网格生成中, 网格空间尺度分布控制至关重要, 直接影响网格生成质量、效率和求解精度. 采用传统的背景网格法进行空间尺度分布控制需要在背景网格上求解微分方程得到背景网格上的尺度分布, 再将网格尺度从背景网格插值到真实空间点, 过程十分繁琐且耗时. 本文从效率和自动化角度提出两种网格尺度控制方法, 首先发展了基于径向基函数(RBF)插值的网格尺度控制方法, 通过贪婪算法实现边界参考点序列的精简, 提高了RBF插值的效率. 同时, 还采用人工神经网络进行网格尺度控制, 初步引入相对壁面距离和相对网格尺度作为神经网络输入输出参数, 建立人工神经网络训练模型, 采用商业软件生成二维圆柱和二维翼型非结构三角形网格作为训练样本, 通过训练和学习建立起相对壁面距离和相对网格尺度的神经网络关系. 进一步实现了二维圆柱、不同的二维翼型的尺度预测, RBF方法和神经网络方法的效率与传统背景网格法相比提高了5~10倍, 有助于提高网格生成的效率. 最后, 将方法推广应用于各向异性混合网格尺度预测, 得到的网格质量满足要求.
2021, 53(10): 2682-2691. doi: 10.6052/0459-1879-21-334
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基于尾流时程目标识别的流场参数选择研究
战庆亮, 葛耀君, 白春锦
浸入流场中的固体壁面会形成高度复杂且具有一定特征的尾流流场, 利用尾流所包含的信息对物体的外形特征进行识别具有重要的应用价值. 然而, 在较高雷诺数情况下尾流流场形态及其时序特征复杂, 难以通过传统的数学物理方法对流场信号进行特征的识别与提取. 本文提出了基于尾流时程数据深度学习的流场特征提取与分析方法, 实现了基于一点的物理量时程进行流场中物体外形的识别; 同时, 对流场中不同物理参数时程的识别精度与识别结果进行分析与研究, 得到适用于目标识别的最优物理量参数. 通过对圆柱和方柱的尾流数据研究结果表明, 本文提出的基于卷积神经网络的模型具有好的训练收敛性和高的预测精度, 能够识别并提取得到时程数据中包含的流场特征, 采用流场横向速度时程作为物体外形识别信号的模型准确率高. 证明了本方法用于浸入流场中物体外形识别的可行性, 是一种目标识别的高精度方法.
2021, 53(10): 2692-2702. doi: 10.6052/0459-1879-21-332
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Gappy POD方法重构湍流数据的研究
李天一, BuzzicottiMichele, BiferaleLuca, 万敏平, 陈十一
Gappy POD 是一种基于本征正交分解(proper orthogonal decomposition, POD)的数据重构方法. 本文研究了gappy POD在湍流数据重构中的应用, 主要关注了以下两个因素的影响: 第一, 数据本身的复杂程度, 即构成流场的POD模态数量; 第二, 破损区域的面积大小和几何形状. 考虑到上述因素, 本文重新严格地表述了gappy POD的重构过程, 并推导出gappy POD重构误差的公式. 论文选取旋转湍流数据为案例进行了gappy POD重构的研究, 并解释了构成gappy POD重构误差的两个部分. 第一部分来自流场POD展开的截断误差, 该截断误差会被POD基函数在已知点上的值组成的矩阵的最小特征值放大. 这部分误差主要取决于流场的复杂程度, 当流场复杂程度较低时, 相应误差随采用的POD模态数目增大而减小. 当流场复杂程度较高时, 很小的POD截断误差也会导致很大的重构误差, 此时需要采用流场所有的POD模态进行重构以消除截断误差. 重构误差的第二部分来自POD基函数在已知点上的值组成的矩阵的非列满秩性, 它主要取决于破损区域的面积大小和几何形状. 破损区域的面积越大, 或者破损面积相同时, 破损区域内信息所包含的相关性越大, 第二部分的重构误差越大.
2021, 53(10): 2703-2711. doi: 10.6052/0459-1879-21-464
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基于深度强化学习算法的颗粒材料应力−应变关系数据驱动模拟研究
狄少丞, 冯云田, 瞿同明, 于海龙
颗粒材料的宏观力学行为受颗粒组分等材料参数, 孔隙率、配位数等状态参数的影响, 同时又具备复杂的加载路径和加载历史相关性, 建立包含多个内变量以及各变量间相互关联的颗粒材料本构模型是一个重要的科学难题. 不同于传统的基于屈服面、流动法则和硬化函数框架下的唯象本构模型, 本文基于颗粒物质力学的研究基础, 以颗粒材料平均孔隙率、细观组构参数和弹性刚度参数作为内变量, 结合深度学习方法建立以有向图表征的数据本构模型. 有向图中以不同的链接网络表示不同的内变量信息流动方向, 各个内变量间的映射关系采用循环神经网络来建立, 将各个神经网络相互组合, 形成包含不同内变量且具有不同预测能力的本构模型. 该本构模型的建立过程等价于在众多可能的内变量链接关系空间中寻找最能描述实际材料宏观应力应变行为的优化问题. 因此, 可将有向图本构模型的建立过程看作“马尔可夫决策过程”, 采用深度强化学习算法构建有向图的内变量链接组合优化过程, 具体采用AlphaGo Zero算法自动寻找最优的颗粒材料数据驱动本构模型建模路径. 研究结果表明, 采用有向图和深度强化学习算法可建立起完全依靠“数据驱动”的颗粒材料应力−应变关系. 此外, 本方法提供了一种将不同理论模型从数据角度统一起来, 且基于人工智能算法发展更优模型的研究思路, 可为相似问题的研究提供借鉴.
2021, 53(10): 2712-2723. doi: 10.6052/0459-1879-21-312
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基于SBFEM和深度学习的裂纹状缺陷反演模型
江守燕, 万晨, 孙立国, 杜成斌
结构内部缺陷的识别是结构健康监测的重要研究内容, 而当前以无损检测为主的结构安全检测多以定性分析为主, 定量识别缺陷的尺度较困难. 本文将比例边界有限元法(scaled boundary finite element methods, SBFEM)和深度学习相结合, 提出了基于Lamb波在结构中传播时的反馈信号定量识别结构内部裂纹状缺陷的反演模型. 通过随机生成缺陷信息(位置、大小), 采用SBFEM模拟Lamb波在含不同缺陷信息的结构中的信号传播过程, SBFEM仅需对结构边界离散可最小化网格重划分过程, 大大提高了计算效率. Lamb波在含裂纹状缺陷结构中传播时观测点的反馈信号包含大量的裂纹信息, 基于这一特性可为深度学习模型提供足够多的反映问题特性的训练数据. 建议的缺陷反演模型规避了传统反分析问题的目标函数极小化迭代过程, 在保证计算精度的前提下大大减少了计算成本. 对含单裂纹和多裂纹板的数值算例进行分析, 结果表明: 建立的缺陷识别模型能够准确地量化结构内部的缺陷, 对浅表裂纹亦有很好的识别效果, 且对于含噪信号模型仍具有较好的鲁棒性.
2021, 53(10): 2724-2735. doi: 10.6052/0459-1879-21-360
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流体力学
均匀电场中气泡上升特性的实验研究
陈烁, 王太, 苏硕, 谢英柏, 刘春涛
电场中的气泡对于强化传热有显著的作用, 对于电场中气泡动力学特性的研究对增强换热器效率, 提高能源利用率有重要意义. 为了获得外加电场作用下气泡的动力学特性, 设计与搭建了可视化实验平台. 采用50 kV高压直流电源构建均匀电场, 高清摄像机拍摄实验图像. 引入电场强度、气泡体积与溶液介电常数作为变量, 探究其对于气泡动力学特性的影响. 观测了竖直与水平均匀电场中气泡的上升过程, 分析了不同变量下气泡变形状况与上升速度的变化. 引入气泡长宽比L/D用于表示气泡拉伸变形程度, 截取单个气泡上升过程分时段图像展示形态变化过程. 研究结果表明, 气泡沿电场方向伸长, 且电场强度越大, 变形越明显; 竖直电场中气泡伸长导致上升速度增大, 而水平电场中气泡上升速度减小. 气泡尺寸增大, 浮升力作用增强, 气泡上升速度增大. 溶液介电常数增加, 电场力作用明显增加, 气泡变形更加明显.
2021, 53(10): 2736-2744. doi: 10.6052/0459-1879-21-352
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亚毫米球体撞击液滴过程实验研究
左子文, 蒋鹏, 王军锋, 王林, 霍元平
球体撞击液面是自然界和工业过程中的普遍现象. 目前相关研究主要关注毫米级及更大尺寸球体撞击水平液面. 对于亚毫米球体撞击过程的动力学特性及液滴弯曲液面对撞击行为的影响仍需深入研究. 本研究基于高速显微数码摄像技术, 开展了不同速度亚毫米球体撞击液滴不同位置的实验研究. 撞击行为呈现振荡和浸入两种模式. 由于液滴弯曲液面的存在, 撞击现象与水平液面不同, 润湿过程中三相接触线 (three phase contact line, TPCL)固定点方位角与撞击角度线性正相关, 非轴对称的空穴在TPCL固定点较高一侧率先形成且曲率半径较大. 揭示了撞击过程中球体主导力变化和能量转化机制. 分析了撞击速度和撞击角度对撞击行为的影响, 并给出了撞击模式图. 结果表明: 冲击阶段形状阻力主导撞击行为, 球体动能损耗量与撞击速度正相关. 空穴发展阶段由表面张力主导, 球体动能转化为维持空穴形状的表面能. 振荡模式空穴长度与韦伯数We正相关, 空穴发展速度差异较小. 根据量纲分析及实验结果拟合得到临界浸入韦伯数Wecr与撞击角度α关系式$We_{cr}^{1/2} $ = α/40.
2021, 53(10): 2745-2751. doi: 10.6052/0459-1879-21-351
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一种改进的颗粒移动床μ(I)拟流体模型及应用
吴坤, 刘向军, 戴椰凌
颗粒移动床在工业领域应用广泛, 发展实用可靠的颗粒移动床模型具有理论和应用价值. 本文基于颗粒流μ(I)模型, 补充局部颗粒体积分数与颗粒局部压力和局部颗粒流密度的关系式, 将移动床内密集颗粒处理成可压缩拟流体, 建立了颗粒流单相可压缩流μ(I)模型, 并建立了颗粒流−壁面摩擦条件, 在计算中对颗粒流拟黏度和拟压力项进行正则化处理. 采用上述模型与方法对3种典型散料在移动床缩口料仓内的流动进行模拟, 与实验对比, 得到了玻璃珠、刚玉球和粗沙的μ(I)模型参数, 分析了3种不同散料在料仓内的颗粒速度、体积分数等分布特性, 模拟结果较好地揭示了料仓内不同物料的整体流和漏斗流特性; 进而以玻璃珠为例, 对移动床颗粒单管绕流流动进行了模拟, 所得结果合理揭示了管流附近的流动特性. 计算结果表明, 对于本文的计算工况, 颗粒体积分数变化最大范围为0.510 ~ 0.461, 绝大部分区域流动惯性数小于0.1, 改进的单相μ(I)模型能合理预测出密集颗粒流移动床内的流动特性, 方法可行且较多相流算法能明显减小计算量.
2021, 53(10): 2752-2761. doi: 10.6052/0459-1879-21-320
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水中开孔腔流激振荡控制实验研究
章文文, 徐荣武, 何琳, 潘龙德, 赵佳锡
水中开孔腔流激振荡是水下航行器的一类突出噪声源. 为探究有效抑制水中开孔腔流激振荡的控制方法和作用特性, 首先以水下航行器的表面开孔结构为对象设计了开孔腔模型, 并提出一种基于来流边界层分流原理的流动控制装置——前缘分流体, 借助循环水洞装置对水中开孔腔的流激振荡特性及其控制进行了实验研究. 通过沿流向和展向安装于腔底的动态压力传感器测量腔内脉动压力, 分别从腔内脉动压力的频谱特性和空间分布特性两方面, 探讨了水中开孔腔在不同流速下的流激振荡特性和前缘分流体对水中开孔腔流激振荡的控制效果, 并对前缘分流体的主要作用机理进行了分析. 研究结果表明: 水中开孔腔流激振荡形式以剪切层自持振荡为主, 在流速较低时, 如2.4 m/s, 就会产生稳定的自持振荡, 且具有随流速升高而急剧增大的趋势; 前缘分流体对水中开孔腔绕流自持振荡具有良好的抑制效果, 且抑制效果随流速增加而显著提升, 对腔内脉动压力频谱峰值和总级的最大抑制量分别达到25.3 dB和15.6 dB; 此外, 前缘分流体对开孔腔流激振荡具有低频频移作用, 有益于避免发生流激空腔共振; 脉动压力空间分布特性表明, 前缘分流体对水中开孔腔流激振荡抑制机理主要在于破坏了腔内流场受到的周期调制作用.
2021, 53(10): 2762-2775. doi: 10.6052/0459-1879-21-143
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固体力学
基于绝对节点坐标法的平面梁有限变形下变形重构
吴懋琦, 谭述君, 高飞雄
现有的对有限变形条件下柔性结构变形重构的研究往往单纯基于曲率与应变间的几何关系, 同时忽略了被测体的纵向变形及其与弯曲变形的耦合效应. 为得到一种更加精确且能借助现有的力学工具进行应用方向扩展的变形重构方法, 以平面梁为对象, 借鉴变形重构逆有限元法的思想, 将平面梁的变形重构问题视作一类最优化问题. 首先, 通过引入绝对节点坐标法(absolute nodal coordinate formulation, ANCF)对柔性结构大变形下非线性的平面梁应变−位移关系进行精确描述, 构造了一种逆梯度缩减ANCF平面索梁单元. 然后, 对此逆ANCF单元进行改进, 在简化节点自由度的同时通过引入罚函数确保单元节点处的曲率连续性, 既保证了本问题的适定性, 也提升了最终解的精确性. 最后, 基于该单元利用Newton法构造了平面梁有限变形下变形重构问题的两种求解算法, 即逐单元算法和多单元整体算法, 以实现不同需求下的稳定求解. 数值仿真结果表明, 本方法在大变形条件下的变形重构误差小于1%, 而且在测点较少的情况下依然保持较高的精度, 同时验证了本方法的收敛性与计算效率.
2021, 53(10): 2776-2789. doi: 10.6052/0459-1879-21-338
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考虑混凝土塑性耗散的CDM-XFEM裂缝计算方法
金浩, 余朔
混凝土结构在服役期间受外界载荷的影响容易产生裂缝, 导致结构刚度降低、构件承载性能衰退, 而采用准确的计算方法预测混凝土裂缝的发展是治理裂缝的基本前提, 也是保障结构安全的重要手段. 连续损伤力学方法(continuou damage method, CDM)能够描述微裂缝的扩展过程, 但不能表示离散的开裂面, 且存在网格诱导偏差及虚假应力传递的弊端, 扩展有限单元法(mechanics-extended finite element method, XFEM)能够描述宏观裂纹的扩展过程, 但不能反映微裂缝的动态扩展, 两者计算出的裂纹分布与实际差异均较大. 现有的CDM-XFEM方法已经能够模拟混凝土微裂缝及宏观裂缝发展的整个过程, 但忽略了宏观裂缝出现时混凝土产生的塑性应变, CDM与XFEM的能量转化过程欠缺平衡性. 因此, 本文重点考虑能量转化时的塑性耗散, 选取指数型函数为粘结裂缝的牵引-分离模式, 基于能量及应力等效的条件重新构建了CDM与XFEM之间的能量转化方程. 采用广义逆最小二乘法求解能量转化系数, 确定能量转化时的临界位移, 并给出了裂缝面水平集的更新算法及整体计算方法的程序流程. 以双切口混凝土受剪拉开裂试验为例, 采用多种裂缝计算方法与试验进行了对比. 结果表明, 采用考虑混凝土塑性耗散的CDM-XFEM方法算出的裂缝分布及拉力-张开位移曲线与试验结果差异最小, 说明采用考虑混凝土塑性耗散的CDM-XFEM计算方法能够更好地计算混凝土裂缝.
2021, 53(10): 2790-2799. doi: 10.6052/0459-1879-21-272
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K0超固结结构性黏土的本构模型
万征, 曹伟, 刘媛媛, 张红芬
K0固结黏土在自然界广泛分布, 其通常同时具有超固结性与天然结构性, 而K0超固结性又与K0正常固结性质存在很大差异. 为了有效的描述K0超固结性质, 在结构性模型基础上, 做了如下3点改进, 使得原模型拓展为同时考虑K0超固结特性与天然结构性影响的本构模型. (1)引入相对应力比来描述屈服面, 并引入初始各向异性转轴参量ξ来表达初始各向异性对屈服面在p-q空间的位置影响. (2)基于给定的屈服面方程, 推导得到变相应力比参量, 并将变相应力比引入到统一硬化参数中, 利用统一硬化参数可以有效描述初始各向异性固结黏土在剪切加载下的剪缩与剪胀, 应变硬化及软化现象. (3)引入反映结构性胶结强度性质的胶结参量pe, 并给出pe随塑性偏应变的衰减演化方程, 利用胶结参量可描述结构性黏土的剪胀特性. 预测与试验结果对比表明, 所提的K0超固结结构性模型可有效描述K0超固结黏土的刚度提高效应, 黏土的包辛格效应, 结构性黏土胶结强度的损失现象以及结构性黏土的应变软化现象. 证明了所提模型的适用性以及合理性.
2021, 53(10): 2800-2813. doi: 10.6052/0459-1879-21-265
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动力学与控制
时间尺度上Lagrange系统的Hojman守恒量
张毅, 田雪, 翟相华, 宋传静
利用对称性和守恒律, 可以简化动力学问题甚至求解力学系统的精确解, 更好地理解其动力学行为. 时间尺度分析将连续和离散动力学模型统一并拓展到时间尺度框架, 既避免了重复研究又可揭示两者之区别和联系. 因此, 通过对称性来探寻在时间尺度的框架下新的守恒定律很有必要. 本文首先建立了时间尺度上Lagrange方程, 利用时间尺度微积分性质导出了时间尺度上Lagrange系统的两个重要关系式; 其次, 依据微分方程在单参数Lie变换群下的不变性, 建立了时间尺度上Lie对称性的定义和确定方程; 最后, 建立了时间尺度上Lie对称性定理并利用上述关系式给出了证明, 得到了时间尺度上Lagrange系统的新守恒量. 当时间尺度取为实数集时, 该守恒量退化为著名的Hojman守恒量. 文末考察了一个两自由度时间尺度Lagrange系统, 在3种不同时间尺度情形下得到了该系统的Hojman守恒量, 数值计算结果验证了定理的正确性.
2021, 53(10): 2814-2822. doi: 10.6052/0459-1879-21-413
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倍频激励双转子振动同步机理与实验研究
邹敏, 方潘, 侯勇俊, 彭欢, 王德金
振动筛作为第一级钻井液净化设备, 其筛分性能直接决定后续固控系统的生产效率. 针对在筛分工程中由相同驱动频率激励的振动系统所表现出的单一振动特性难以与筛面上的物料粒度相匹配, 从而引发筛孔堵塞的问题, 本文提出了倍频激励双转子自同步振动系统. 首先根据数学模型运用广义Lagrange公式建立多自由度振动系统的运动微分方程, 并引入复变函数求解箱体的稳态幅值响应; 其次探明了振动系统实现倍频同步的前提条件和稳定性评估标准; 然后通过数值计算定量地讨论转子间的倍频动力学特征与系统结构参数之间的关系, 并结合Runge−Kutta算法建立振动系统的多自由度机电耦合动力学仿真模型, 详细讨论转子与箱体间的倍频同步机理; 最后设计实验样机, 针对系统在不同工况下的动态特性和同步运动状态展开实验测试, 进一步验证理论研究和计算机模拟的正确性. 研究表明, 系统的倍频同步能力指数随安装距离的不断增加而接近于零值附近, 此时高频转子与低频转子获得稳定同步振动的可能性越来越高; 电机同步状态几乎不受弹簧刚度的影响, 但稳态相位差值在单周期内会随激振器安装倾角和距离的变化而逐渐减小并趋于在一个恒定值. 研究成果不仅对石油工业新型振动筛系统的研制具有重要的参考价值, 也将促进其他同步振动机械的发展.
2021, 53(10): 2823-2840. doi: 10.6052/0459-1879-21-359
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基于能力评估的空间翻滚目标抓捕策略优化
许若男, 罗建军, 王明明
由于目标的翻滚运动, 空间双臂机器人对动态目标的抓捕相比于静态目标更具有挑战性. 对抓捕策略进行优化可以提高空间双臂机器人对翻滚目标的操作能力以保证任务的成功. 本文提出了一种基于能力评估的抓捕策略优选方法. 空间双臂机器人捕获目标时, 双臂末端执行器与目标同时接触形成闭链系统, 闭链约束的引入使操作能力的评估更加复杂. 在对双臂空间机器人协调操作翻滚目标的运动学与动力学分析基础上, 建立了考虑闭链约束的协调工作空间, 并分析了基于任务兼容度的消旋能力评估指标. 建立的协调工作空间同时包含位置和姿态信息, 可以用于灵巧度的计算. 接着, 基于协调工作空间的全局灵巧度指标确定机械臂末端执行器对目标的最优抓捕点, 以及考虑相机视角约束和末端执行器对目标速度跟踪约束下的力任务兼容度指标确定空间双臂机器人捕获翻滚目标时的最优抓捕构型. 利用能力评估确定抓捕策略可以充分利用双臂的协调性以增加对动态目标的操作能力, 通过仿真验证了所提抓捕策略的可行性和有效性.
2021, 53(10): 2841-2852. doi: 10.6052/0459-1879-21-436
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生物、工程及交叉力学
斜爆轰发动机的推力性能理论分析
杨鹏飞, 张子健, 杨瑞鑫, 滕宏辉, 姜宗林
爆轰燃烧具有释热快、循环热效率高的特点. 斜爆轰发动机利用斜爆轰波进行燃烧组织, 在高超声速吸气式推进系统中具有重要地位. 以往研究主要关注斜爆轰波的起爆、驻定以及波系结构等, 缺少从整体层面出发对斜爆轰发动机开展推力性能分析. 本文将斜爆轰发动机内的流动和燃烧过程分解成进气压缩、燃料掺混、燃烧释热和排气膨胀4个基本模块并分别进行理论求解, 建立了斜爆轰发动机推力性能的理论分析模型. 在斜爆轰波系研究成果的基础上, 选取了过驱动斜爆轰、Chapman−Jouguet斜爆轰、过驱动正爆轰和斜激波诱导等容燃烧等4种燃烧模式来描述燃烧室内的燃烧释热过程, 并对比分析了不同燃烧模式对发动机比冲性能的影响. 此外, 还获得了不同来流参数、燃烧室参数和进排气参数等对发动机推力的影响规律, 发现来流马赫数和尾喷管的膨胀面积比是发动机理论燃料比冲的主要影响因素. 最后, 结合以往关于受限空间内斜爆轰波驻定特性等方面的研究成果, 提出了斜爆轰发动机燃烧室的设计方向.
2021, 53(10): 2853-2864. doi: 10.6052/0459-1879-21-206
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周期性非均匀介质中气相爆轰波演变模式研究
陈达, 宁建国, 李健
气相爆轰波在周期性非均匀介质中的起爆, 稳态传播和失效机制都极为复杂, 很多物理机制尚不明确, 是当前爆轰物理领域研究的热点和难点. 本文使用反应欧拉方程和两步化学反应模型对爆轰波在非均匀介质中的传播机理进行了数值模拟研究, 非均匀性由横向周期性分布的温度扰动体现, 重点分析不同波长、不同幅度的温度扰动对波阵面波系结构的影响. 计算结果表明, ZND爆轰波在温度扰动下向胞格爆轰波的转变主要受制于两种竞争性因素: 一是爆轰波内在的不稳定性; 二是温度扰动的波长和幅度, 前者是内因, 后者是外因. 温度扰动的存在抑制横波的发展, 延迟了ZND爆轰波向胞格爆轰波的演化, 并且内在不稳定性的增加可以减慢这种延迟现象. 这说明, 温度扰动可以在一定的范围内抑制胞格不稳定性的发展, 但是不能够终止这一过程. 温度的不连续性使得爆轰波阵面更为扭曲, 并在横波附近存在较弱的三波点结构, 即温度扰动可增加爆轰波固有的不稳定性, 改变爆轰波阵面的传播机理. 幅值较大的人工温度扰动可抑制爆轰波的传播和爆轰波自身的不稳定性. 爆轰波阵面胞格结构的形成取决于温度扰动与其自身的不稳定性.
2021, 53(10): 2865-2879. doi: 10.6052/0459-1879-21-069
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页岩储层纳微米孔隙CO2/CH4吸附及驱替特性研究进展
邓佳, 吕子健, 张奇, 宋付权, 李久江, 赵广杰
利用CO2开采页岩气不仅能够提高页岩气采收率, 还能够节省水资源并且对CO2进行地质封存, 有助于实现页岩气开采过程的碳中和. 富有机质页岩储层纳微米孔隙中气体运移机制不同于常规储层, CO2在储层中具有超临界特性, 致使开采机理复杂, 无法得到CO2开采页岩气微观机理的准确认识, 所以研究CH4, CO2及其二元混合物在页岩储层纳微米孔隙中的吸附及驱替特性对准确评估和高效开采页岩气至关重要. 本文从实验、理论以及模拟方面对页岩储层纳微米孔隙中CH4的吸附特性、CO2/CH4二元混合物竞争吸附特性以及驱替特性进行了综合分析, 对气体在纳微米孔隙中吸附及驱替特性的基础研究及关键问题进行讨论分析并提出了展望. 研究表明CH4在页岩储层中表现为物理吸附, 有机质特征(丰度、成熟度、类型)、孔隙结构、无机矿物组成、温度和压力、含水率对页岩的CH4吸附能力均有一定程度的影响. 在相同条件下, CO2比CH4更易被页岩储层吸附, 在页岩储层中注入CO2可以促进CH4的解吸, 并有利于CO2的地质埋存. 开采方案的部署可采用井网形式的注采方式, 可以通过调整注入井的位置、数量以及CO2注入速率对开采方案进行优化.
2021, 53(10): 2880-2890. doi: 10.6052/0459-1879-21-292
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