力学学报

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李翔宇, 乔栋, 程潏

三体系统轨道动力学问题是航天动力学领域中的经典问题, 具有丰富的理论与工程意义, 并将在人类由近地延伸到深空的航天活动过程中起到至关重要的作用. 本文回顾并总结了三体系统轨道动力学相关研究进展, 并结合未来的深空探测的发展趋势, 展望了三体系统轨道动力学研究中的热点与挑战. 首先阐述了三体问题的研究背景及意义, 简要回顾了三体系统动力学模型的发展历程. 其次, 系统概述了三体系统平衡点附近的局部运动特性, 介绍了平衡点附近周期轨道解析与数值求解方法, 给出了拟周期运动的最新进展. 同时总结了共振轨道、循环轨道、自由返回轨道等三类三体系统全局周期运动的动力学特性与研究进展. 再次, 从不变流形理论和弱稳定边界理论两个方面综述了三体系统中低能量转移与捕获轨道设计的研究进展. 最后, 综述了三体系统轨道动力学在编队飞行、导航星座设计两方面的应用, 并展望了全月面覆盖轨道设计、三体系统下的小推力轨道优化和三体系统的三角平衡点开发利用中值得关注的轨道动力学与控制问题.

2021, 53(5): 1223-1245. doi: 10.6052/0459-1879-20-367

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反射激波作用下三维凹气柱界面演化的数值研究

崔竹轩, 丁举春, 司廷

激波与气柱相互作用是Richtmyer-Meshkov不稳定性研究的经典案例. 单次激波与二维气柱相互作用已得到广泛关注, 但是反射激波再次冲击气柱 (尤其是三维气柱) 的研究较少, 相关演化规律和机理尚不清楚. 反射激波再次冲击演化中的气柱界面会产生新的斜压涡量, 影响涡量的输运和分布, 从而影响界面的演化. 本文采用自主开发的HOWD (high-order WENO and double-flux methods) 程序, 研究了马赫数为1.29的平面激波冲击N$_{2}$气柱(气柱外为SF$_{6})$的演化过程, 并考察了反射激波对二维和三维凹气柱界面演化的影响规律. 在数值模拟中, 选取了不同的反射距离 (定义为气柱和反射边界的距离), 得到了二维和三维凹气柱在反射激波冲击前后的完整演化图像, 提取了气柱上特征点位置随时间变化的定量数据, 重点分析了不同演化阶段气柱几何特征及斜压涡量分布的变化趋势. 研究表明, 反射距离决定着反射激波作用气柱时的激波形状和气柱形态, 从而影响斜压涡量的生成和分布, 进而改变气柱的不稳定性演化过程. 对于三维气柱, 不同高度截面上的斜压涡量分布不同, 从而诱导出复杂的三维演化结构.

2021, 53(5): 1246-1256. doi: 10.6052/0459-1879-21-042

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基于LBM的壁湍流跨尺度能量传递结构统计

高铨, 邱翔, 夏玉显, 李家骅, 刘宇陆

壁湍流不同尺度间能量传输特性存在着明显的各向异性, 了解能量不同尺度间传递的空间分布是进一步构造高保真各向异性大涡模拟亚格子模式的前提. 基于格子Boltzmann数值(lattice Boltzmann method, LBM)模拟方法对雷诺数$Re_{\tau } =180$的槽道湍流进行直接数值模拟. 结果与公开的槽道湍流数据库进行对比, 平均速度剖面、雷诺应力和脉动速度均方根均取得了较好的一致性, 验证了LBM方法模拟槽道湍流的可靠性. 对模拟后的数据采用空间滤波方法得到不同尺度间能量交换量的空间分布场, 结合结构识别捕捉方法——聚类分析法对不同尺度间能量传输结构的空间分布特性进行了分析. 结果表明尺度间能量传输结构在全流场物理空间中主要为小尺寸结构, 结构的体积概率密度呈现出$-$4/5幂律, 按结构距壁面最小距离以结构距壁面距离又可将结构划分为附着结构和分离结构, 其中附着结构以较小的数量占比达到了较高的体积占比, 表明附着结构多为大尺寸结构, 进一步的对附着结构的统计表明结构在尺寸上存在着一定的幂律关系, 表明不同尺度间能量输运结构也具有Townsend提出的附面涡的自相似性, 最后对能量正反传附着结构的成对特性研究发现, 能量正传$\!-\!$反传结构对倾向于沿展向并排排列.

2021, 53(5): 1257-1267. doi: 10.6052/0459-1879-20-432

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空化对叶顶间隙泄漏涡演变特性及特征参数影响的大涡模拟研究

程怀玉, 季斌, 龙新平, 槐文信

利用大涡模拟方法及一个考虑气核效应的欧拉$\!-\!$拉格朗日新空化模型, 对绕NACA0009水翼叶顶间隙泄漏涡(top-leakage vortex, TLV)及其空化流动开展了高精度的模拟, 结果显示数值模拟与实验吻合较好. 在此基础上进一步讨论了不同间隙大小对TLV空化的演变行为及其发生前后TLV强度、气核分布以及切向速度分布等特征参数的变化规律, 分析了TLV空化对TLV演变行为及其特征参数的影响机制. 结果表明, 空化发生后, TLV的强度主要受片空化演变行为的影响, TLV空化对其自身强度的影响较小. 此外, 间隙越小, 片空化越不稳定, TLV的强度也会呈现相应的准周期性波动. 随着间隙的逐渐增大, 片空化强度逐渐减小, 其不稳定性也逐步减弱, TLV强度逐渐恢复至无空化时的水平, 其波动也会逐渐减小. 空化对涡心处气核分布会产生较为明显的影响, 其影响程度取决于空化发生后TLV在空间上的稳定性以及TLV空化的强度. 此外, 空化发生后, TLV半径会在一定程度上增大, 且在空化区域外围形成``类刚体旋转''的切向速度分布特性, 其形成原因主要是空化生长引起的膨胀过程以及流动的黏性作用.

2021, 53(5): 1268-1287. doi: 10.6052/0459-1879-20-415

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自由场空泡溃灭过程能量转化机制研究

韩磊, 张敏弟, 黄国豪, 黄彪

综合应用实验与数值模拟方法, 深入讨论了自由场空泡溃灭过程中的能量转化机制. 在实验研究中, 应用纹影法记录了空泡溃灭的演变过程, 提取了空泡在溃灭过程中的半径, 溃灭速度等数据, 结合空泡势能和动能方程, 描述了空泡能量的转化过程. 在开展数值模拟分析时, 运用弱可压缩流体质量守恒方程和动量方程, 建立了三维数值模型用以模拟空泡在自由场中的溃灭过程, 并且由结果中获取了空泡溃灭过程中的压力及速度变化规律, 揭示了空泡在溃灭过程中能量转化机制. 研究结果表明: (1) 自由场空泡在溃灭过程中, 空泡势能与空泡半径具有相同的演化趋势, 空泡动能与势能变化趋势相反; 当空泡达到最大半径处时, 空泡势能最大, 流场动能为零. (2) 溃灭后期在空泡周围会形成高压区域, 该区域的压力梯度与速度梯度较高, 随着空泡收缩, 高压区域面积逐渐减小. (3) 空泡在自由场中发生溃灭时, 空泡势能不断转化为流场动能, 在溃灭时刻可以明显观察到冲击波现象, 空泡的大部分能量会在此时转化为冲击波的波能.

2021, 53(5): 1288-1301. doi: 10.6052/0459-1879-21-006

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各向异性柔性壁上二维T-S波演化的数值研究

洪正, 叶正寅

受自然界鸟类羽毛的柔性特征启发, 利用数值模拟的手段进行了各向异性柔性壁面对亚音速边界层中T-S(Tollmien-Schlichting)波空间演化的影响研究. 首先, 刚性壁面上的数值结果与线性理论预测的结果吻合得很好, 验证了所采用的高阶精度格心型有限差分方法的可靠性. 在此基础上, 将部分刚性壁面替换为柔性壁面, 结果表明柔性壁面能够减小甚至消除T-S波的不稳定增长区间, 即抑制T-S波的发展, 因而具有推迟边界层转捩的潜力. 柔性壁面的变形不仅有对应T-S波波形的成分, 还会因柔性段前缘引起波长更长, 与T-S波频率相同的壁面波动. 随后开展的参数研究表明, 增大壁面阻尼削弱了前缘引起的壁面波动; 增大壁面的刚度、张力以及弹性系数都会使得壁面的刚性增强, 整体变形幅度下降; 柔性壁面的支撑杠杆臂倾角越大, 壁面刚性越强. 以上参数的增大均会使得柔性壁面抑制T-S波的效果降低. 此外, 当流动反方向流过时, 抑制T-S波的效果也会明显下降. 这些研究结果旨在揭示鸟类高效飞行的部分奥秘, 为被动减阻提供新的思路.

2021, 53(5): 1302-1312. doi: 10.6052/0459-1879-20-460

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黏弹性液滴热毛细迁移的对流不稳定

章绍能, 胡开鑫

液滴在温度分布不均的固壁面上产生的热毛细迁移广泛存在于微流控、喷墨印刷等应用中, 对其流动进行稳定性分析对液滴迁移的精准控制具有重要意义. 本文采用线性稳定性理论研究了附壁黏弹性液滴在热毛细迁移中的对流不稳定性, 得到了不同Prandtl数($Pr$)下的临界Marangoni数($Ma_{\rm c})$与弹性数的函数关系, 并分析了临界模态的流场和能量机制. 研究发现: 流体弹性激发了更多不稳定模态, 小$Pr$的临界模态为斜波和流向波, 而中高$Pr$的临界模态为斜波和展向稳态模态. 强弹性使得$Ma_{\rm c}$显著下降, 而弱弹性略微增强了流动稳定性. 在中$Pr$下, $Ma_{\rm c}$随$Pr$的增大而增大. 对于斜波模态, 扰动温度的振幅可存在于流场中间区域, 而其他两种模态的温度振幅只存在于自由表面上, 并且在高$Pr$下的流线分布几乎是对称的. 能量分析表明: 随着弹性数增大, 基本流做功由正变负; 在小$Pr$中, 扰动应力做功既可能耗散能量又可能提供能量; 在高$Pr$中, 基本流做功可忽略不计. 对于同向流向波, 扰动速度和扰动应力做功在垂直方向上均存在多次振荡. 将液滴迁移与热毛细液层进行对比发现, 由于基本流和边界条件的不同, 两者在临界模态和扰动流场中均存在较大差异.

2021, 53(5): 1313-1323. doi: 10.6052/0459-1879-20-443

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交变电场作用下单液滴蒸发的分子动力学模拟

王群, 富庆飞

利用分子动力学方法研究了正弦形式的交变电场对三维悬浮水滴在超临界氮气环境下蒸发特性的影响, 主要考虑了电场幅值和频率对液滴蒸发寿命和液滴瞬时蒸发速率的影响. 其中水滴由8000个水分子组成, 环境气体由27000个氮气分子组成. 首先利用分子动力学方法模拟计算了不同状态下水的物性参数以及亚临界条件下匀强电场对液滴蒸发特性的影响, 从而验证了分子模型和蒸发模型的正确性. 接着模拟了在不同幅值和频率的交变电场作用下水滴在氮气环境下的蒸发过程, 结果表明, 相比于无电场或匀强电场, 交变电场能够更显著地促进水滴的蒸发. 在频率一定时, 随着电场幅值的增大, 液滴的蒸发速率不断升高, 蒸发寿命不断下降, 且液滴的瞬时蒸发速率、液滴温度、水分子的排列结构等参数都会产生频率为所加电场二倍的振荡特性, 且电场幅值越大, 振荡幅值也越大. 而在电场幅值一定时, 随着频率的增大, 液滴蒸发寿命和速率并不是单调变化的, 而是在频率$f=5$GHz时, 分别达到一个极大值和极小值, 文中从液滴能量和分子排列结构两个方面解释了产生了这一现象的原因.

2021, 53(5): 1324-1333. doi: 10.6052/0459-1879-20-410

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一种预测颗粒增强复合材料界面力学性能的新方法

郭晓龙, 姚寅, 陈少华

界面在颗粒增强复合材料中起到传递载荷的关键作用, 界面性能对复合材料整体力学行为产生重要影响. 然而由于复合材料内部结构较为复杂, 颗粒与基体间的界面强度和界面断裂韧性难以确定, 尤其是法向与切向界面强度的分别预测缺乏有效方法. 本文以氧化锆颗粒增强聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合材料为研究对象, 提出一种预测颗粒增强复合材料界面力学性能的新方法. 首先, 实验获得纯PDMS基体材料及单颗粒填充PDMS试样的单轴拉伸应力$\!-\!$应变曲线, 标定出PDMS基体材料的单轴拉伸超弹性本构关系; 其次, 建立与单颗粒填充试样一致的有限元模型, 选择特定的黏结区模型描述界面力学行为, 通过样品不同阶段拉伸力学响应的实验与数值结果对比, 分别给出颗粒与基体界面的法向强度、切向强度及界面断裂韧性; 进一步应用标定的界面力学参数, 开展不同尺寸及不同数目颗粒填充试样的实验与数值结果比较, 验证界面性能预测结果的合理性. 本文提出的界面力学性能预测方法简便、易操作、精度高, 对定量预测颗粒增强复合材料的力学性能具有一定帮助, 亦对定量预测纤维增强复合材料的界面性能具有一定参考意义.

2021, 53(5): 1334-1344. doi: 10.6052/0459-1879-21-076

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高温超导带材超导涂层局部脱黏后的电磁力学行为分析

杨育梅, 李志鹏

高温超导带材因其高载流z能力、低交流损耗等优点, 在超导领域得到了广泛的关注, 然而在带材的应用中出现的力学问题严重阻碍了其应用. 基于此, 本文分析了受外部磁场激励YBCO高温超导带材在超导层局部脱黏后的电磁力学响应. 基于超导临界态Bean模型和弹性力学平面应变方法, 给出了超导薄膜内正应力与基底界面处切应力相关联的控制方程, 基于数值方法研究了超导薄膜内的正应力及基底界面处的切应力随外部磁场的变化规律. 结果显示: 在脱黏区域附近, 超导薄膜内的正应力和基底$\!-\!$薄膜界面处的切应力急剧增大, 该正应力及切应力极易引起超导层的进一步脱黏. 同时, 剪切应力在结构边缘处出现极值. 基底材料的属性, 特别是杨氏模量对结构内的应力影响显著, 在软基底材料结构中, 超导薄膜内将出现较大的正应力, 而基底材料较硬时, 在基底$\!-\!$薄膜界面处将出现较大的剪切应力, 这些因素均会引起超导涂层结构的力学及电学性能的退化. 本文研究可望为超导带材的加工制备及脱黏的处理提供一定的理论指引.

2021, 53(5): 1345-1354. doi: 10.6052/0459-1879-21-043

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考虑晶体滑移面分解正应力的细观损伤模型

赵伯宇, 胡伟平, 孟庆春

材料内部的解理、滑移面剥离等细观损伤是引起宏观失效的根源, 从细观尺度研究损伤的发生和发展有助于深入认识材料的变形和失效过程. 本文基于晶体塑性理论, 从滑移系的受力和变形出发研究材料的细观损伤, 建立了考虑滑移面分解正应力的细观损伤模型, 为晶体材料解理断裂的分析提供了新方法. 首先, 在晶体弹塑性变形构型的基础上引入损伤变形梯度张量的概念, 从变形运动学着手建立了考虑损伤能量耗散的本构方程, 并推导了塑性流动方程与损伤演化方程; 然后, 建立了相应的数值计算方法, 给出了应力与状态变量的更新算法, 推导了Jacobian矩阵的表达式; 接着, 以$[100]$取向的单晶铜材料为例, 通过有限元计算与试验结果的对比, 并采用粒子群优化算法标定了11个材料细观参数; 最后, 将所提细观损伤模型应用于RVE单轴拉伸过程的模拟, 得到了考虑损伤影响的应力应变曲线, 并分析了材料的塑性流动与损伤演化过程. 结果表明, 本文所提模型能够计算材料在受载过程中的损伤累积效应, 合理反映晶体材料的细观损伤机理.

2021, 53(5): 1355-1366. doi: 10.6052/0459-1879-20-454

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基于统一相场理论的早龄期混凝土化-热-力多场耦合裂缝模拟与抗裂性能预测

吴建营, 陈万昕, 黄羽立

受水化反应和热量传输等过程影响, 混凝土在养护阶段会发生受约束收缩变形, 并由此在结构内引发较大的拉应力, 而此时混凝土力学性能往往还处于较低水平, 容易导致建造期混凝土结构即出现裂缝等病害. 这种早龄期混凝土裂缝对核安全壳、桥梁隧道、地下结构、水工或海工结构等重大土木工程和基础设施的全生命周期完整性、耐久性和安全性造成严重影响. 为了准确预测早龄期混凝土抗裂性能并量化裂缝演化对混凝土结构行为的不利影响, 亟需开展化-热-力多场耦合环境下的混凝土裂缝建模与抗裂性能分析研究. 针对这一需求, 本工作在前期提出的固体结构损伤破坏统一相场理论基础上, 考虑开裂过程与水化反应、热量传输等之间的相互影响, 建立裂缝相场演化特征(包括基于强度的裂缝起裂准则、基于能量的裂缝扩展准则和基于变分原理的扩展方向判据等)与混凝土水化度和温度之间的定量联系, 提出混凝土化-热-力多场耦合相场内聚裂缝模型, 发展相应的多场有限元数值实现算法并应用于若干验证算例. 数值模拟结果表明, 上述多场耦合相场内聚裂缝模型合理地考虑了水化反应、热量传输、力学行为以及裂缝演化之间的耦合效应, 揭示了早龄期混凝土热膨胀变形和自收缩变形的相互竞争机理, 且分析结果不受裂缝尺度和网格大小等数值参数的影响, 实现了早龄期裂缝演化全过程准确模拟和抗裂性能定量预测, 有望在混凝土结构早龄期裂缝预测和控制方面发挥重要作用.

2021, 53(5): 1367-1382. doi: 10.6052/0459-1879-21-020

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基于近场动力学数值方法的冰-吊舱推进器接触判断研究

徐佩, 王超, 郭春雨, 苏玉民, 叶礼裕

吊舱推进器在极地船舶中的应用, 可避免冰区航行中转向、调头困难等操纵问题, 是极地船舶广泛采用的推进形式. 在冰-吊舱推进器切削过程中, 吊舱推进器受到了极端冰载荷的作用, 对吊舱推进器结构强度和极地船舶的安全性带来严重的危害. 为了研究不同操纵状态的吊舱推进器与冰切削时冰载荷的变化规律, 首先, 详细介绍了近场动力学方法研究物体断裂问题的理论基础, 分析该方法模拟冰材料的可行性. 基于近场动力学方法和面元法耦合推导了适用于冰破碎问题模拟的材料破坏准则和冰载荷计算方法. 其次, 提出了不同操纵状态的吊舱推进器与冰的接触判断方法, 建立了冰-吊舱推进器切削状态的数值计算模型, 实现了冰-吊舱推进器切削动态变化过程的数值仿真. 最后, 分析了吊舱推进器在直航、斜航以及操舵状态与冰切削时冰块破碎、螺旋桨和桨叶冰载荷以及吊舱单元整体扭矩的变化情况. 计算结果表明: 本文提出的不同操纵状态的吊舱推进器与冰切削时的接触判断方法能够真实地模拟冰-吊舱推进器的切削过程, 并能获得该过程中冰块的破坏现象和冰载荷变化特性, 可为冰区海洋结构冰载荷数值预报技术的发展、冰区吊舱推进器结构的优化设计和运营提供指导.

2021, 53(5): 1383-1401. doi: 10.6052/0459-1879-21-001

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层状分数阶黏弹性饱和地基与梁共同作用的时效研究

艾智勇, 王禾, 慕金晶

饱和地基与梁共同作用问题的研究在力学领域及工程界都具有重要意义. 采用分数阶Merchant模型研究饱和地基的流变固结, 该模型比常用整数阶黏弹性模型更能精确反映地基的时变特征. 基于层状正交各向异性黏弹性饱和地基的固结解答, 采用有限元法与边界元法耦合的方法, 研究梁与分数阶黏弹性饱和地基的共同作用问题. 依据Timoshenko梁理论将梁离散为若干单元, 进而得到梁的总刚度矩阵方程; 将黏弹性地基固结问题的精细积分解答作为边界积分的核函数, 采用边界元法建立地基柔度矩阵方程; 结合梁与地基接触面的位移协调条件以及力的平衡条件, 通过有限元法与边界元法的耦合, 最终求得层状分数阶黏弹性饱和地基与Timoshenko梁共同作用的解答. 将本文地基退化为Kelvin地基进行计算, 并与已有文献中的算例进行对比, 二者具有很好的一致性. 在此基础上, 探讨分数阶次和地基成层性对梁与黏弹性饱和地基共同作用的影响. 结果表明: 分数阶次高的黏弹性饱和地基的固结速率明显更快; 对于层状地基, 加固表层土体能有效控制地基整体沉降, 并减小差异沉降. 实际工程中, 应充分考虑饱和地基流变及土体分层性的影响, 以准确分析梁与地基的共同作用过程.

2021, 53(5): 1402-1411. doi: 10.6052/0459-1879-20-447

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一种含惯容和接地刚度的动力吸振器参数优化

隋鹏, 申永军, 杨绍普

大多数机械振动属于有害振动, 不仅会产生噪声还会降低设备的使用寿命和工作性能. 接地刚度和惯容这两种器件均能改变系统的固有频率, 在振动控制领域中有着良好的效果. 但目前的大部分研究仅着眼于单一元件对系统产生的影响, 而此类吸振器逐渐难以满足设备对振动控制需求的增长. 在Voigt型动力吸振器模型的基础上, 提出了一种含有惯容和接地刚度的新型动力吸振器模型, 详细研究了该模型的最优设计参数, 推导出最优设计公式的解析解. 首先通过牛顿第二定律建立起二自由度系统的运动微分方程, 计算出系统解析解, 发现系统存在3个与阻尼比无关的固定点, 利用固定点理论得到了动力吸振器的最优频率比. 为保证系统稳定性, 筛选最优接地刚度比时, 发现不恰当的惯容系数会导致系统产生失稳现象, 进而推导出惯容最佳工作范围, 最终得到了最优接地刚度比和近似最优阻尼比. 分析了惯容系数取值在最佳范围以外时系统的工作情况, 并给出了实际应用中的建议. 通过数值仿真验证了推导得到解析解的正确性. 与多种已有的动力吸振器在简谐激励和随机激励的工况下进行对比, 说明了该模型能够大幅降低主系统振幅, 拓宽减振频带, 为设计新型吸振器提供了理论依据.

2021, 53(5): 1412-1422. doi: 10.6052/0459-1879-21-058

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余维三fold-fold-Hopf分岔下簇发振荡及其分类

薛淼, 葛亚威, 张正娣, 毕勤胜

不同尺度耦合系统存在着广泛的工程背景, 通常表现为大幅振荡与微幅振荡交替出现的簇发振荡, 其产生机理一直是当前国内外研究的前沿课题之一. 传统的几何奇异摄动分析方法仅对时域上的两尺度耦合有效, 无法揭示频域上不同尺度之间的相互作用, 同时, 当前相关研究仅针对余维一fold或Hopf分岔展开. 本文针对频域两尺度耦合向量场存在余维三fold-fold-Hopf分岔时的复杂动力特性, 基于包含三阶非线性项以内的该分岔向量场的标准型及其普适开折, 给出相应的分岔集, 从而将双开折参数平面划分为对应于不同行为的子区域. 引入慢变周期激励项取代其中一个开折参数, 随慢变激励项的变化, 会存在两类轨迹访问子区域途径, 产生周期Hopf/LPC, Hopf/LPC/Hopf/LPC, fold/LPC/Hopf/Homoclinic和fold/LPC 4种簇发振荡类型. 在分析过程中, 发现系统轨迹上的真实分岔, 往往与理论上的分岔点之间存在着滞后效应, 这种滞后效应的滞后时间也会随着激励幅值的增大而延长, 因为激励幅值的增大, 会导致轨迹沿相应平衡态运动的惯性增大, 特别是, 当激励幅值增大到一定值后, 会导致轨迹沿某平衡态运动并穿越该区域, 也即相关分岔效应来不及出现, 从而导致振荡形式的改变. 本工作表明, 对于局部分岔下的快慢效应, 通过向量场标准型开折参数的周期扰动, 在一定程度可以对该分岔所导致的所有可能的各种簇发进行归类, 并得到其相应的产生机制.

2021, 53(5): 1423-1438. doi: 10.6052/0459-1879-21-024

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载荷作用位置不确定条件下结构动态稳健性拓扑优化设计

王栋

研究当外载荷作用位置不确定时, 连续体结构动态稳健性拓扑优化设计. 在减小结构对简谐激励动响应的同时, 有效降低其对外载荷作用点随机扰动的敏感性. 首先基于非概率凸模型的方法, 将外激励作用位置的不确定性用有界区间变量表示. 其次通过对加载位置的导数分析, 获得了在激励位置扰动情况下结构动柔顺度的二阶泰勒展开式. 基于变密度方法, 推导出了动柔顺度对拓扑设计变量的一阶灵敏度显性表达式. 最后在材料体积约束下, 采用移动渐近优化算法并结合载荷扰动区间内灵敏度的最大绝对值, 对连续体结构进行动态稳健性拓扑优化设计, 并与传统载荷位置固定条件下的确定性优化结果进行对比, 充分展示考虑外激励作用位置扰动对结构拓扑构型设计及其动柔顺度变化的影响. 数值优化结果表明, 采用文中提出的方法所获得的结构动响应的稳健性更高, 能有效抵抗外激励作用位置的随机扰动. 只要少许增大材料的体积, 稳健性优化设计的动响应将在整个载荷扰动区域内优于确定性优化结果.

2021, 53(5): 1439-1448. doi: 10.6052/0459-1879-21-009

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基于仿真和智能算法骨骼肌超弹性本构参数的反演方法研究

李洋, 桑建兵, 敖日汗, 马钰, 魏新宇

从事高强度的体力工作者经常会发生肌肉软组织的损伤, 因此对骨骼肌的变形特性和应力分布的研究受到了越来越多的重视. 获取正确的本构参数对于生物软组织的力学行为的研究至关重要, 而本构参数的确定本质上是一个逆过程, 具有很大的挑战性. 本文分别采用K近邻(K-nearest neighbor, KNN)模型和支持向量机回归(support vector machine regression, SVR)模型并结合非线性有限元仿真, 提出了两种确定骨骼肌本构参数的反演方法. 首先建立了骨骼肌压缩的有限元模型, 对其压缩条件下的变形特性进行了有限元仿真, 得到了相应的变形特性及应力分布规律, 同时也建立了骨骼肌组织的名义应力和主伸长之间非线性关系的数据集. 其次, 分别利用KNN模型和SVR模型搭建了针对骨骼肌组织进行本构参数反演的机器学习智能算法, 对相应的数据集进行训练, 结合单轴压缩实验的实验数据预测了材料的本构参数. 最后, 对分别基于KNN模型和SVR模型对骨骼肌超弹性本构参数的误差结果进行了分析, 通过引入相关系数$R$和决定系数$R^{2}$对采用两种反演方法的有效性进行数值上的验证. 结果表明, 利用KNN模型和SVR模型结合有限元仿真是确定骨骼肌超弹性本构参数的有效、准确的方法, 该方法也可进一步推广到其他类型的非线性软组织的本构参数反演.

2021, 53(5): 1449-1456. doi: 10.6052/0459-1879-21-038

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滚波演化中聚合过程的数值模拟研究

陈歆怡, 王晓亮, 刘青泉, 张静

滚波是一种重力作用下自由液面失稳诱发的水面波动现象, 通常可分为具有相对稳定波形和波速的周期性滚波与波形和波速不断变化的不规则滚波(自然滚波). 不规则滚波的相互作用和发展演化过程十分复杂, 至今对其认识尚不成熟. 本文采用基于雷诺平均Navier-Stokes方程的立面二维数值模型, 对不规则滚波发展过程中的吸收聚合和追赶聚合现象进行了数值模拟研究. 分析了两种聚合模式的演化过程, 给出了滚波聚合过程中完整的波形、波速、速度剖面以及湍流黏性等重要信息. 结果表明滚波的聚合过程是不规则滚波演化和增长的重要机制, 在特定条件下滚波增长由自然增长模式转变为以吸收聚合和追赶聚合为主的增长模式. 滚波聚合过程中, 依次经历后波追赶、爬升、与前波合并、内部流场调制等多个步骤, 最终形成一个具有更大波长和波高的滚波. 本文发现了在3个滚波间距较近的情况下, 会发生二重聚合现象, 即后两个滚波首先聚合, 然后与前波进一步聚合形成一个新的滚波.

2021, 53(5): 1457-1470. doi: 10.6052/0459-1879-20-459

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考虑表面层厚度不确定的稳健性拓扑优化方法

李冉, 刘书田

采用增材制造工艺制备结构件时, 较差的成型精度和表面粗糙度会导致结构表面层异质, 引起表面层厚度的不确定性. 为了研究不确定性对拓扑优化结构性能的影响, 进而获得对不确定性具有更低敏感性的结构构型, 提出了考虑结构表面层厚度不确定性的稳健性拓扑优化方法. 首先, 采用一种基于腐蚀操作的表面层识别技术, 通过基于Helmholtz偏微分方程的PDE光滑过滤和基于Heaviside过滤、tanh函数的离散映射两个过程实现表面层异质等效模型的建立. 其次, 将表面层厚度作为服从高斯分布的随机变量, 基于摄动有限元方法开展了不确定性传播的分析和系统随机响应的预测; 以结构柔顺性均值和标准差的加权和作为优化目标, 建立了考虑表面层厚度不确定性的拓扑优化模型, 并推导了目标函数关于设计变量的敏度. 最后, 通过数值算例验证了该方法的有效性. 数值结果表明, 在设计过程中考虑表面层厚度不确定性对结构性能的影响, 可以得到具有更强抵抗不确定性能力的结构构型, 有效提升了结构性能的稳健性.

2021, 53(5): 1471-1479. doi: 10.6052/0459-1879-20-419

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波动数值模拟中的外推型人工边界条件

邢浩洁, 李小军, 刘爱文, 李鸿晶, 周正华, 陈苏

当前波动数值模拟中的人工边界条件(artificial boundary condition, ABC)数量繁多, 但用于串联它们的理论及公式体系还需进一步完善, 以便在复杂波动问题模拟中更准确地选取ABC并评估其性能. 本工作发展一种外推型人工边界条件理论, 将一系列利用临近边界一组节点在前若干时刻的运动来外推人工边界节点运动的经典ABC纳入一个体系. 这些ABC包括廖氏透射边界(multi-transmittig formula, MTF)、旁轴近似边界、Higdon边界以及Givoli-Neta、Hagstrom-Warburton、AWWE辅助变量边界等. 针对现有边界公式存在的不足, 分别提出一种引入多个人工波速进行优化的MTF公式(离散公式)和一种定义在统一局部坐标之上并采用多个人工波速作为控制参数的统一Higdon边界公式(连续公式或微分方程形式ABC), 作为外推型ABC的两个基本公式. 这二者是最简单实用的外推型ABC, 其他同类ABC大多可以由它们转化得到, 或者通过某种等价的中间形式与之相关联. 数值试验证实了理论的正确性, 并初步展示了多人工波速ABC比传统单一人工波速ABC所具有的优势. 研究结果不仅具有重要理论价值, 还为更好地解决具有差异较大的多种物理波速的复杂波动, 如大纵横波速比的软土介质中波动或海洋声学、气象学中的频散波动等的ABC问题提供了实用方法.

2021, 53(5): 1480-1495. doi: 10.6052/0459-1879-20-408

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不同排水条件下非饱和土中柱孔扩张问题的解析分析

周凤玺, 牟占霖, 杨汝贤, 张雅森

现有的圆柱孔扩张理论已可为诸如石油工程中井筒稳定性鉴定、及旁压和圆锥贯入实验分析等提供理论依据, 但在非饱和地基压力注浆, 复合地基处理等实际工程问题中却鲜有应用. 基于弹塑性理论和非饱和土力学原理, 采用统一强度理论, 对非饱和土中柱形小孔扩张问题进行了解析研究. 首先将柱孔周围土体分为弹性区和塑性区, 并考虑在弹性区遵循小应变理论, 在塑性区遵循大应变理论, 同时考虑了中间主应力及粒间吸力对非饱和土体强度的影响. 其次应用有效应力表示的统一强度准则, 在本构关系、几何方程、动量平衡方程等基本方程的基础上, 结合相应的边界条件, 最终获得了不同排水条件下柱孔扩张时周围弹塑性区域内的应力场、应变场、位移场及极限扩孔压力的解析表达式. 通过数值算例和参数分析, 在与现有的饱和及非饱和土中柱孔扩张理论进行退化验证的同时, 分析了吸力、剪胀参数、中主应力效应参数及初始径向有效应力等对弹塑性区域内的应力场、应变场及位移场的影响规律, 验证了本文理论的正确性及有效性, 以期为实际工程问题提供合理的理论依据.

2021, 53(5): 1496-1509. doi: 10.6052/0459-1879-20-439

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从钱学森先生的审稿意见,谈对《力学学报》办刊的启示

刘俊丽

本文首次发布钱学森主编1961年给《力学学报》的一份审稿意见,认真解读了钱先生的办刊方针,学术论文评审的基本理念,以及对期刊编辑工作的严格要求.本文还介绍了钱先生审稿意见的时代背景及其产生的效果和影响.作者希望通过回顾这一历史真实过往,重温钱先生针对《力学学报》所提出的办刊思想和推动力学发展的科学精神,回顾《力学学报》发展的传承之路,期望能在新时代的科技期刊办刊实践中,弘扬光大,踏踏实实,走出具有力学特色的办刊之路.

2021, 53(5): 1510-1514. doi: 10.6052/0459-1879-21-117

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