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宏观交通流模型的余维2分岔分析
范爽爽, 刘丹阳, 段利霞
交通流特性是混合交通流建模的一个重要因素. 交通流模型中的分岔现象是导致复杂交通现象的因素之一. 交通流的分岔, 涉及复杂的动力学特征且研究较少. 因此, 提出了一个最优速度模型来研究驾驶员记忆对驾驶行为的影响. 基于带有记忆的最优速度连续交通流模型, 利用非线性动力学, 分析和预测了复杂交通现象. 推导了鞍结 (LP) 分岔存在条件, 并通过数值计算得到了余维1 Hopf (H) 分岔、鞍结 (LP) 分岔和同宿轨 (HC) 分岔以及余维2广义Hopf (GH) 分岔、尖点 (CP) 分岔和Bogdanov-Takens (BT) 分岔等多种分岔结构. 根据双参数分岔区域的特点, 研究了记忆参数对单参数分岔结构的影响, 分析了不同分岔结构对交通流的影响, 并用相平面描述了平衡点附近轨迹的变化特征. 选择Hopf分岔和鞍结分岔作为密度演化的起点, 描述了均匀流、稳定和不稳定的拥挤流以及走走停停现象. 结果表明, 驾驶员记忆对交通流的稳定性有重要影响; 动力学行为很好地解释了交通拥堵现象; 考虑余维2分岔的影响, 能更好地理解交通拥堵产生的根源, 并为制定有效抑制拥堵的方法提供一定的理论依据.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-509
提高高马赫数超燃冲压发动机推力的理论方法
韩信, 刘云峰, 张子健, 张文硕, 马凯夫
斜爆轰发动机和激波诱导燃烧冲压发动机在高马赫数吸气式发动机中具有重要应用前景, 但是斜爆轰发动机是否具有足够大的净推力, 还是一个未知的问题, 因此需要对高马赫数冲压发动机的推进性能以及提高推力的方法进行理论研究. 本文主要分为3部分. 第1部分理论研究了超燃冲压发动机中的爆燃波和爆轰波的传播特性. 保证发动机稳定燃烧是提高推力的前提. 通过对爆燃波和爆轰波传播特性研究, 得到了影响发动机燃烧稳定性的关键参数和物理规律. 第2部分研究了发动机处于热壅塞临界状态下的燃烧规律和推力特性. 在临界状态下, 燃烧室入口气流速度正好等于爆轰波传播速度, 二者处于平衡状态, 这是发动机推进性能的理论上限. 第3部分研究了提高高马赫数超燃冲压发动机推力的理论方法. 对于高马赫数冲压发动机, 燃烧室入口气流速度远远大于爆轰波的传播速度, 这部分速度差就是提高推力的理论空间. 对于马赫数Ma ≥ 12的超燃冲压发动机, 理论上燃烧产生的爆燃波或激波不会引起发动机不起动, 因此可以通过进一步添加燃料和氧化剂的方法来提高其推力. 理论分析结果表明, 对于高马赫数超燃冲压发动机, 不但燃烧流场是容易稳定的, 而且可以有很多方法来进一步提高推力.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-350
高马赫数超燃冲压发动机技术研究进展
岳连捷, 张旭, 张启帆, 陈科挺, 李进平, 陈昊, 姚卫, 仲峰泉, 李飞, 王春, 陈宏
吸气式高超声速飞行在空间运输和国家空天安全领域具有极高价值, 超燃冲压发动机是其核心动力装置. 目前飞行马赫数4.0 ~ 7.0超燃冲压发动机技术日趋成熟, 发展更高速的飞行动力技术成为今后临近空间竞争焦点之一. 本文对飞行马赫数8.0 ~ 10.0 + 的高马赫数超燃冲压发动机技术进行了分析和综述. 首先论述其亟待解决的关键问题和技术, 分别包括高焓离解与热化学非平衡效应、超高速气流燃料增混与燃烧强化技术、高超声速燃烧与进气压缩的匹配及工作模态、高焓低雷诺数边界层流动及其控制方法、高焓低密度流动/燃烧的热防护技术, 以及高马赫数发动机的地面试验风洞技术. 然后, 进一步介绍了国内外高焓激波风洞与驱动技术以及国内外典型的地面和飞行试验进展. 进而针对推进和热防护的总体性能评估、高马赫数发动机内凸显的高焓离解与热化学非平衡效应、超高速气流燃料增混和燃烧强化技术综述了相关研究进展及结论, 讨论了高马赫数超燃冲压发动机的可行性以及各关键技术的特点. 最后进行了总结并对后续研究提出了几点建议.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-547
受损悬索对称性破缺下非线性耦合振动研究
赵珧冰, 郑攀攀, 陈林聪, 康厚军
对称性是振动理论中5大美学特征之一, 然而对称性破缺又难以避免. 本文以工程中常见的易损结构—悬索为例, 探究当该系统遭遇非对称性损伤时, 对称性破缺对其面内耦合振动特性影响. 首先建立受损悬索面内非线性动力学模型, 并采用Galerkin法得到离散的无穷维微分方程. 利用多尺度法计算该非线性系统发生面内耦合共振响应的调谐方程. 截取前9阶模态, 利用数值计算方法得到无损和受损悬索的各类共振曲线及其稳定性, 通过计算最大李雅普诺夫指数来确定系统的混沌运动. 研究结果表明: 已有研究常采用抛物线模拟悬索静态构形, 然而一旦发生不对称损伤, 采用分段函数更能准确描述悬索受损后的静态构形; 对称性破缺会导致悬索固有频率之间的交点变为转向点, 其正、反对称模态均变为非对称模态; 受损后悬索的非线性相互作用系数会发生显著改变, 其内共振响应会产生明显变化; 当激励直接作用在高阶模态时, 无损系统会呈现出单模态解和内共振解, 而受损系统并没有呈现出明显的单模态解; 受损系统的分岔和混沌特性会发生改变, 系统将通过倍周期分岔产生混沌运动.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-542
空腔流动的动量分解及能量输运特性
韩帅斌, 罗勇, 李虎, 武从海, 张树海
空腔结构广泛应用于航空航天飞行器部件及地面交通工具中, 其复杂的流声特性是相关工程设计中必须考虑的关键问题. 空腔流动中的流声相互作用是空腔自持振荡的重要过程, 准确识别并解耦空腔内的流体动力学模态和声模态, 是深入理解空腔流声相互作用和能量转化机制的关键. 通过直接求解二维Navier-Stokes方程数值模拟来流马赫数Ma=0.8的亚声速空腔流动, 获得高精度流场数据; 采用动量势理论, 对动量进行流声组分分解, 获得了动量的涡熵动力学组分和声组分, 并分析各组分的空间分布特征、时间演化特性以及能量输运特性. 结果表明: 空腔流动中动量的涡熵动力学组分仅存在于近场, 集中于剪切层内呈层状分布特性, 且二者分布相似, 随主流以对流速度向下游运动; 其中涡组分携带的能量从剪切层内不断输运至剪切层外侧及空腔后缘点处, 熵组分携带的能量则不断向剪切层内输运, 并在剪切层内耗散; 声组分同时存在于近场和远场, 呈现出典型的压缩膨胀特征, 其携带的能量以声能形式由后缘点处不断以声速向上游和远场传播.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-569
旋转圆球入水空泡特性与流场结构的大涡模拟研究
严晨祎, 陈瑛
圆球旋转入水过程对于基于先导物投放的新型入水降载方式具有重要研究价值. 采用大涡模拟方法结合均质多相流模型和VOF界面捕捉算法, 对低弗劳德数条件下疏水圆球高速旋转入水的自由运动过程进行了数值模拟, 研究了转速对入水空泡演化、流场结构和水动力特性的影响. 采用动网格与滑移网格技术实现圆球的自由运动, 并基于试验结果对比验证了数值模拟的可靠性与正确性. 旋转运动的升力效应导致圆球入水弹道发生偏转并从水面携带横向楔形射流侵入空泡内部. 采用入水砰击速度与转速进行归一化分析, 结果表明入水转速的增加显著改变了圆球的动力特性: 水平方向的速度和位移以及升力峰值都随入水转速的增加而变大, 但升力峰值受到入水速度的限制; 而垂直方向的速度和加速度以及空泡断裂深度几乎不受转速增加的影响, 并且空泡深闭合发生前圆球转速变化不大. 入水转速的增加也使液面飞溅环和空泡断裂的非对称性增强, 在较低转速时发生空泡表面闭合, 而在较高转速时则发生空泡深闭合. 对于空泡深闭合模式, 入水转速的增加带来更强的横向楔形射流, 并且抑制了空泡断裂产生的高压以及相应涡结构的生成, 致使圆球在入水砰击阶段承受更低的侧向压力.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-634
基于SE(3)群局部标架的5/6 Dofs CB壳单元
张腾, 刘铖, 张志娟, 刘绍奎
基于李群局部标架(local frame of Lie group, LFLG)的多柔体系统动力学建模方法可自然消除刚体运动带来的几何非线性, 使系统的广义弹性力、广义惯性力及其雅可比矩阵满足刚体运动的不变性. 本文融合李群局部标架思想和基于连续体(continuum–based, CB)的壳理论, 提出基于SE(3)群局部标架的5自由度(degrees of freedom, Dofs) CB壳单元. 与SE(3)群局部标架下几何精确壳单元相比, 该单元大大简化了插值带来的复杂性, 离散应变张量自然满足客观性. 同时, 该单元在线性化过程中不存在有限元离散与变分操作先后顺序的问题, 进一步简化了广义弹性力及其雅可比矩阵的计算. 为方便处理组合体结构, 在5 Dofs CB壳单元基础上, 通过中面变形梯度张量的极分解建立壳单元中面运动与自转(drilling)自由度之间的关系, 提出基于SE(3)群局部标架的6 Dofs CB壳单元. 为提高单元收敛精度, 采用Hellinger–Reissner两场变分原理缓解单元面内闭锁, 采用假设自然应变(assumed natural strain, ANS)法缓解横向剪切闭锁. 通过5个静力学算例验证了CB壳单元的收敛精度, 通过一个动力学算例验证了CB壳单元可消除刚体运动带来的几何非线性.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-584
复杂机车振动环境下牵引电机轴承服役寿命评估
刘禹清, 陈再刚, 閤鑫, 王开云
牵引电机是铁路机车的动力源, 其关键零部件(支承轴承等)的服役性能直接影响机车传动系统的稳定性和可靠性. 对于重载机车, 传统轴承服役寿命评估方法主要基于定载荷工况, 难以准确评估轨道不平顺等复杂外部激励作用下电机轴承的服役寿命. 因此, 本文根据车辆-轨道耦合动力学理论, 考虑轨道车辆运行过程中的轮轨相互作用和齿轮啮合作用, 建立了具有牵引动力传动系统的机车-轨道耦合动力学模型; 采用线性损伤累积准则和ISO 281标准计算方法, 评估了复杂机车振动环境下牵引电机轴承的服役寿命. 结果表明, 在轨道随机不平顺激励下, 机车轮轨垂向力、齿轮啮合力、牵引电机内部转子离心力、不平衡磁拉力等明显增大; 在复杂机车振动环境中, 电机轴承内部滚子-滚道相互作用加剧, 传动端与非传动端轴承的疲劳寿命缩短; 随着线路状态的不断恶化和机车运行速度的提高, 牵引电机轴承的预测寿命里程不断减小; 由于传动端轴承承受较大的外部动态载荷, 传动端轴承的服役寿命明显低于非传动端轴承. 本文提出的评估方法可为机车牵引电机轴承的设计、选型和寿命评估提供理论指导.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-545
无网格动力分析的循环卷积神经网络代理模型
陈健, 王东东, 刘宇翔, 陈俊
在无网格动力分析中, 除了无网格形函数本身构造复杂引入的计算成本, 还需要逐步递推求解每个时间步的动力响应, 因而计算效率较为低下. 本文通过研究无网格离散数据与机器学习训练样本、无网格动力分析递推计算过程与循环卷积神经网络序列信息传递模式之间的本征联系, 构建了与无网格法相匹配的循环卷积神经网络设计方法, 进而提出了一种无网格动力分析的循环卷积神经网络代理模型. 该模型充分融合了无网格离散模型节点布置灵活的优点, 同时无网格法能够提供具有泛化特征的高精度数值样本, 增强循环卷积神经网络的泛化性和适用性. 此外, 循环卷积神经网络代理模型特有的循环模块历史记忆特性使其可以有效地处理序列信息, 在保证精度的前提下加速无网格动力分析计算过程. 文中通过系列算例验证了所提出的无网格动力分析的循环卷积神经网络代理模型的精度和效率.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-565
基于时程深度学习的流场特征分析方法
战庆亮, 白春锦, 葛耀君
流场的特征分析是流体力学的重要研究方向, 传统方法主要根据流动参数量值的大小加以判断, 所得结果受选取的参数形式及主观阈值影响大. 针对以上问题, 本文提出了基于流场时程深度学习的流动特征分析新方法, 建立了基于自动编码的流动特征提取模型; 采用无监督训练方法充分挖掘流动时程信号中的隐含特征, 进行流场中复杂时序特征的低维表征与特征分析. 开展了ReD = 200的低雷诺数圆柱绕流流场特征分析, 实现了周期层流流场数据的低维表征, 并根据特征编码直接获得了流动特征分布, 得到了合理的结果. 本文所提出的研究方法可为流场特征提取、流动特征分析和流动特征表征等问题的解决提供新的方法与参考.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-524
增材制造TC4钛合金的动态力学行为研究
西禹, 张强, 张欣钥, 刘小川, 郭亚洲
增材制造TC4钛合金是具有优良的力学性能和工艺性能的金属材料, 在航空航天领域已得到重要应用. 近年来, 在塑性力学的研究中, 探究应力状态对金属材料变形和失效行为的影响得到广泛关注, 然而大部分的研究都是在准静态下完成的, 对于中高应变率下金属材料变形失效的研究较少. 本文从增材制造TC4钛合金的基本力学性能出发, 考虑应力状态和应变率对其变形和失效行为的影响, 采用应力三轴度$ \eta $和罗德角参数$ \overline \theta $表征应力状态, 设计了相应的试样形式和实验方法. 利用电子万能实验机、高速液压伺服实验机以及分离式Hopkinson杆, 结合数字图像相关法分析对材料在不同应变率、不同应力状态下的力学性能进行了测试, 获得其变形和失效特性. 为得到试样内部应力状态历程参数和应变场, 通过ABAQUS进行数值仿真, 得到试样应变最大处的应力状态历程参数和失效应变. 以实验测试和仿真分析结果为基础, 对传统MMC失效模型进行了修正, 建立了全面考虑应变率、应力三轴度和罗德角效应的增材制造TC4材料的失效模型; 同时建立了考虑应力三轴度η和应变率效应的 Johnson-Cook 失效模型. 并通过对增材制造TC4钛合金平板进行高速冲击实验和数值仿真, 验证了本文拟合的该材料的本构模型和失效模型描述高应变率下变形失效行为的有效性.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-418
功能梯度碳纳米管增强复合材料板弯曲和模态的广义有限差分法
李煜冬, 傅卓佳, 汤卓超
由复合材料构成的板结构一直以来受到很大关注, 其中功能梯度碳纳米管增强复合材料(functionally graded carbon nanotube-reinforced composite, FG-CNTRC)具有异常优越的力学性能, 使得诸多学者展开了对功能梯度碳纳米管增强复合材料板结构力学行为的研究. 本文以FG-CNTRC板为研究对象, 将一种新型的区域型无网格方法——广义有限差分法应用于求解基于一阶剪切变形的FG-CNTRC板结构的静态线性弯曲和自振模态问题. 广义有限差分法(generalized finite difference method, GFDM)基于函数的泰勒展开式和移动最小二乘法将计算区域中任意一子区域中心点处函数值的各阶偏导数表示成该支撑域节点上函数值的线性叠加. 该方法不仅无需网格划分和数值积分而且避免了全域无网格配点法通常遇到的病态稠密矩阵问题, 使得这类方法具有形式简单、易于应用和实现等优点, 目前广泛应用于各种科学和工程计算问题. 本文首先介绍了基于一阶剪切变形理论的功能梯度碳纳米管增强复合材料板的广义有限差分法离散模型. 随后通过基准算例, 检验了广义有限差分法的计算精度与收敛性. 最后数值分析和讨论了碳纳米管中不同分布型、体积分数、碳纳米管旋转角度、宽厚比、板倾斜角度和长宽比等对FG-CNTRC板结构弯曲和模态的影响.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-439
Nb3Sn高场复合超导体临界性能力学变形效应的多尺度模拟
杨绪佳, 何宇新, 张鑫, 杨小敏, 王涛, 乔力
A15型Nb3Sn超导体是制造高场( > 10T)超导磁体线圈的主要材料, 被广泛应用于磁约束可控核聚变、高能物理等强磁场超导磁体装备制造领域. 力学变形诱导的Nb3Sn超导临界性能退化给高场超导磁体装备的电磁性能指标和安全稳定运行造成了极其不利的影响. 鉴于Nb3Sn超导体具有复杂的多尺度结构特征, 不同尺度下变形与超导电性能耦合行为是相互关联的, 本文建立了考虑微/细/宏观关联的非线性力电磁耦合本构模型, 提出了从原子尺度A15晶体结构到超导体微结构到宏观非均质Nb3Sn复合超导体的多尺度模拟模型. 基于多晶体有限元方法, 对静水压加载条件下Nb3Sn多晶体超导临界温度衰退和单轴拉压加载条件下Nb3Sn复合多晶体临界性能衰退行为进行了模拟预测, 预测结果与实验观测结果定性吻合. 该模型揭示了Nb3Sn复合超导体变形-超导电性能多尺度耦合机理, 实现对高场超导体力、电、磁、热耦合行为的预测, 有助于提高对A15型金属间化合物高场超导复合材料力、电、磁、热多尺度耦合行为的认识和描述能力, 为强磁场超导磁体的设计与制造提供有力的理论支撑.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-491
交通荷载作用下跨海桥梁-电缆组合结构随机振动分析
张振鹏, 赵健康, 李文杰, 赵鹏, 黄凯文
电缆沿桥跨海铺设是海缆铺设的一种新的形式, 针对由汽车和列车交通荷载诱发的沿跨海桥梁敷设电缆的振动问题, 建立了桥梁-电缆的整体组合结构分析模型, 将汽车和列车的作用荷载简化为移动的随机集中荷载序列, 发展虚拟激励法(pseudo-excitation method, PEM)用于分析移动随机荷载作用下电缆位移和应力响应的标准差及演变功率谱 (power spectral density, PSD), 并研究了汽车和列车运行速度对电缆动力响应标准差的影响. PEM将移动随机荷载问题转化为特定频率简谐移动荷载作用下的动力响应分析, 能够计算得到与Monte Carlo (MC) 方法非常吻合的电缆动力响应标准差, 但所需的时域响应分析次数远少于MC方法. 数值结果表明, 随着汽车和列车运行速度的提升, 电缆位移和应力标准差呈现增大的趋势; 在汽车和列车交通荷载作用下, 铝护套的位移标准差和功率谱的值比缆芯要大, 这可能会使得电缆的疲劳破坏首先发生在铝护套层, 本文工作对电缆沿桥跨海铺设实际工程具有一定的借鉴意义.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-626
泵喷推进器水动力及流场特性研究综述
李晗, 黄桥高, 潘光, 董新国
泵喷推进器(简称泵喷)是一种多部件组合式水动力推进装置, 由导管及导管内的旋转叶栅(转子)和静止叶栅(定子)组成, 具有高临界航速、重载、高效率和低辐射噪声等特点, 最早于20世纪中叶在国外出现, 初期主要用于鱼雷推进, 后拓展到潜艇推进, 目前国外潜艇、高速鱼雷普遍采用泵喷推进, 国内外泵喷的研究和应用存在巨大差异. 近年来, 因国外技术封锁、潜艇装备发展需求和拓展泵喷应用等, 泵喷推进技术成为水下装备领域的研究热点. 泵喷各部件间流场相互作用复杂、与航行体耦合程度高, 其应用和推广需要对其水动力和流场特性的深入认识. 本文介绍了泵喷的基本构成和特点, 按方向和目的总结了泵喷的水动力和流场特性研究现状. 从水动力特性的角度, 介绍了泵喷推进器的推进特性、预报方法和水动力变化规律. 从流场特性角度, 介绍了间隙流场、转-定子干扰流场和尾流场等. 分析并总结了泵喷水动力和流场特性的研究以及实际应用中所面临的主要挑战, 提出对未来研究的展望.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-529
激光驱动液滴迁移的机理研究
叶致 君, 段俐, 康琦
液滴热毛细迁移是微重力流体科学中的典型科学问题, 微重力液滴动力学研究不仅具有流体力学的理论意义, 而且具有重要的实际应用价值. 建立了二维轴对称激光驱动液滴迁移模型, 通过仿真计算研究微重力环境下激光驱动液滴迁移的过程, 研究了液滴直径、母液参数等对液滴迁移速度及行为的影响. 首先研究了母液和液滴对激光系数均较小, 液滴初始位置不同时液滴的迁移行为; 然后研究了母液对激光吸收系数较小, 液滴对激光吸收系数较大时, 不同液滴直径与母液宽度比条件下液滴的迁移行为. 仿真结果表明: 当母液和液滴对激光的吸收系数都很小时, 液滴迁移的方向主要受到液滴初始位置的影响; 当母液对激光的吸收系数较小, 液滴对激光的吸收系数较大时, 液滴会朝激光方向迁移, 液滴初始位置对迁移方向影响较小, 但液滴直径与母液宽度之比会影响液滴迁移行为. 将模拟结果与YGB理论对比, 仿真结果与理论结果趋势一致. 研究激光驱动液滴迁移的物理机制, 探索界面张力作用机理, 得到激光驱动液滴迁移的规律, 探索对液滴的驱动控制方法.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-522
考虑锚杆作用的深埋软岩隧道黏弹塑性力学响应解析
赵南南, 邵珠山, 郑晓蒙, 吴奎, 秦溯
深埋软岩隧道围岩表现出显著的塑性软化与剪胀特性, 而当下的理论分析很少同时考虑这两点, 导致预测结果与隧道实际变形行为存在一定误差. 为解决该问题, 本文基于Kelvin-Voigt流变模型和Mohr-Coulomb强度准则, 考虑了塑性阶段时围岩软化与剪胀特征, 并引入了掌子面空间约束效应, 建立了深埋软岩隧道黏弹-塑性计算分析模型. 进一步, 为考虑锚杆对隧道围岩的支护作用, 在理论模型中, 利用等效刚度法建立了加固围岩的力学模型. 结合围岩塑性半径与锚杆长度相对关系, 给出了6种工况下考虑锚杆加固作用的隧道黏弹塑性力学响应的时效解答. 此外, 通过数值解与理论结果的对比, 理论模型的正确性和有效性得到了较好的验证. 最后, 为研究锚杆支护对围岩的加固效果, 基于理论解答, 讨论了锚杆安装时间、锚杆刚度及开挖速度对隧道变形的影响. 结果表明: 在不考虑锚杆加固作用下, 开挖速度仅影响围岩前期变形的发展规律, 但对围岩的最终变形量几乎没有影响. 若不考虑塑性变形将大大低估围岩变形, 造成预测结果与实际情况偏差过大. 若隧道开挖速度越快, 锚杆的安装应尽量提前, 才能保证锚杆有效地发挥限制围岩变形的作用. 锚杆刚度与隧道位移存在一种亚线性关系, 且锚杆刚度的增加也能够延长围岩进入塑性变形所需的时间. 本文的研究结果对相关隧道的设计具有一定的指导作用.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-447
金属增材制造中的关键力学问题与前沿计算技术主题序
廉艳平, 刘谋斌
增材制造(亦称“3D打印”)是以数字模型为基础, 将材料逐层堆积制造出实体构件的新兴制造技术, 涉及力学、光学、材料、机械、控制、计算机、软件等学科的交叉融合, 已成为现代制造业最具代表性的颠覆性技术, 也是《中国制造2025》规划的重要发展方向. 金属增材制造是3D打印技术的一个主要分支, 一般常采用高能束(激光、电子束等)作为输入热源, 通过熔化离散金属材料(粉材、丝材)进行逐层叠加打印制件, 从而弥补传统减材和等材制造的不足, 已在航空航天、汽车电子及生物医学等众多领域取得了典型应用. 然而, 从结构设计、制造过程到性能评价, 金属增材制造涉及众多的关键力学问题亟待解决. 例如, 由于金属粉材或丝材的离散效应, 如果工艺参数选择不当, 金属3D打印产品易出现内部缺陷和表面缺陷, 从而影响打印构件的宏观力学性能及服役可靠性.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-629
初值约束与两点边值约束轨道动力学方程的快速数值计算方法
张哲, 代洪华, 冯浩阳, 汪雪川, 岳晓奎
轨道动力学快速计算是航天工程中的基础问题, 广泛存在于轨道设计、空间抓捕以及深空探测等任务中. 基于有限差分原理的经典数值积分算法, 由于精度严重依赖小积分步长, 难以满足航天器在轨快速计算需求. 针对该问题, 提出一种局部配点反馈迭代算法, 该算法能高效解算受到初值约束和两点边值约束的轨道动力学方程. 基于Picard迭代公式建立数值算法以避免计算雅可比矩阵, 引入误差反馈以加快迭代收敛速度. 通过时域配点法消除迭代公式推导中的复杂符号运算, 使迭代公式更为简洁. 结合拟线性化法及叠加法, 算法能对两点边值约束下的Lambert问题实现高效解算. 基于ph网格细化法建立计算参数自适应调节算法, 能进一步增强局部配点反馈迭代法的大步长计算优势. 通过求解二体动力学模型下的递推轨道, 摄动Lambert问题以及限制性三体动力学模型下的转移轨道验证了算法有效性. 仿真结果表明, 在相同计算精度下, 局部配点反馈迭代算法计算速度比拟线性化-局部变分迭代法提高1.5倍以上, 引入变参数方案能够进一步将算法计算速度提高6倍以上.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-336
海洋柔性立管防弯器结构非线性刚度拓扑优化
范志瑞, 杨志勋, 许琦, 苏琦, 牛斌, 赵国忠
防弯器是海洋柔性立管过弯保护的关键附件, 对提高立管的结构安全性具有重要意义. 目前, 防弯器结构设计主要采用尺寸优化方法. 然而, 与拓扑优化方法相比, 该方法能提供的设计空间有限, 其在提高防弯器的力学性能, 以及探索防弯器创新构型方面具有很大不足. 本文在Dirichlet边界条件下, 以最大化弯曲刚度为目标, 对同时考虑材料和几何非线性的防弯器结构拓扑优化方法进行研究. 通过引入Helmholtz-PDE过滤和Heaviside惩罚, 以克服优化中出现的棋盘格现象和灰度单元等数值不稳定性问题. 与此同时, 研究引入了对称算子, 以提高往复性载荷作用下防弯器结构的承载能力和可制造性, 并且采用伴随法对优化问题的灵敏度进行了推导. 此外, 为了提高结构分析和优化的效率, 研究还基于PETSc库建立了并行程序框架. 数值算例中, 在材料体分比相同的情况下, 对防弯器结构分别进行了2D和3D非线性拓扑优化, 并对两种优化结果的承载能力进行了对比. 数值算例结果表明, 相比于防弯器2D拓扑优化结果, 在大部分波浪载荷方向下, 3D拓扑优化所给出的防弯器设计方案具有更为优越的结构性能. 本文所建立的3D非线性拓扑优化技术, 为深水恶劣海况下的高性能防弯器结构设计提供了新的理论模型和实现技术.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-589
飞行Ma12条件超燃发动机流场及燃烧特征分析
何粲, 邢建文, 欧阳浩, 邓维鑫, 肖保国
为提升针对高马赫数发动机的模拟能力, 对计算方法进行了可压缩性修正, 并针对飞行Ma12条件下超燃冲压发动机进行了多状态三维数值模拟, 分析了发动机内波系、参数以及燃烧性能特征. 研究结果表明: (1)修正后的方法计算所得激波位置及强度与试验值吻合, 在激波串模拟、高马赫数发动机模拟上均展现了更优的能力. (2)发动机内形成激波与反射波系, 燃烧并未改变波系贯穿流道的基本结构, 且随着当量比增加, 激波角增大, 反射激波数量增多, 激波交汇带来的温升与压升有利于燃烧释热, 且随着反射激波沿流向减弱, 激波导致的壁面热流升高现象逐渐减弱. (3)流场中绝大部分区域为非预混燃烧. 燃烧室后段平均静温超过2500 K, 完全产物H2O减少, H2与O2燃烧效果变差, 发动机可利用的有效释热在燃烧室前段增加, 在后段减少. O原子复合主要发生在喷管中. (4)当量比0.5时, 化学反应主要发生在燃烧室前部; 当量比1.0时, 反应距离更长. 当量比0.5与1.0下燃烧室阻力差异较小, 总推力系数提升主要由尾喷管贡献. 燃烧会导致燃烧室摩阻及整机总摩阻减小, 进气道与尾喷管摩阻变化较小.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-496
坚守初心, 重温钱先生的办刊目标
陆夕云
2021年12月11日是钱学森先生诞辰110周年,力学学报编委会和编辑部共同主办《力学者说》第3期暨纪念力学学报首任主编钱学森先生诞辰110周年,让我们共同缅怀和追思钱先生的丰功伟绩,不断传承和弘扬钱先生的爱国精神和科学精神。1955年钱学森回到祖国,1956年1月创建了中国科学院力学研究所,1957年,钱学森先生亲自领导了《力学学报》的创刊,并任第一任主编。在创刊号首篇文章《我们的目标》中,钱先生明确指出了《力学学报》的办刊目标。今天在这个值得纪念的日子里,我们《力学学报》全体编委会成员再次重温钱先生为《力学学报》制定的《我们的目标》。
, doi: 10.6052/0459-1879-21-662
基于XFEM-MBEM的嵌入式离散裂缝模型流固耦合数值模拟方法
杜旭林, 程林松, 牛烺昱, 方思冬, 曹仁义
离散缝网的表征与模拟是目前国内外研究的热点. 在非常规油气开发过程中, 由于地应力场的存在会对裂缝的流动属性产生显著影响, 若将裂缝视为静态对象, 与矿场数据会出现极大偏差, 因此要基于动态裂缝做更深入的研究. 本文针对致密油藏应力场−渗流场耦合力学问题, 提出了一种高效的混合数值离散化方法, 其中采用扩展有限元法 (XFEM) 求解岩石的弹性形变, 采用了混合边界元法 (MBEM) 精确计算基岩与裂缝间的非稳态窜流, 这两种数值格式是完全耦合的, 并对整体计算格式的时间项进行了全隐式求解, 可准确表征致密油藏开采过程中的裂缝变形及流体流动机理. 此外, 本文采用了嵌入式离散裂缝前处理算法显式表征大尺度水力压裂缝, 并考虑了支撑剂的作用; 采用了双孔有效应力原理和双重介质隐式裂缝表征方法, 可捕捉基质与小尺度天然裂缝的动态信息; 由此, 本文所提出的混合模型综合表征了基质−天然裂缝−水力压裂缝共同组成的致密油藏复杂渗流环境, 并通过几个实例论证了模型的准确性, 研究表明: 对致密油藏压裂水平井进行产能评价时, 应力场所引起渗流参数的改变及裂缝开度降低的影响不可忽略. 本文研究可为非常规油气资源的开发提供理论指导.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-300
基于沿程坐标积分模式颗粒流与结构物阵列相互作用的数值模拟
杨肃, 张会琴, 余王昕, 程鹏达, 刘青泉, 王晓亮
近年来, 由颗粒物质流动主导的泥石流、滑坡等自然灾害评估及其防护工作越来越受到人们的关注. 本文基于沿程坐标积分模式建立了陡峭地形条件结构物作用下颗粒流运动的数值模型, 可以较为准确地表征陡峭地形情形结构物影响下颗粒流的流态特征和运动过程, 尤其是相互作用过程中激波结构的形成与演化, 颗粒流的反射、绕射和爬升等动力效应. 通过数值模拟研究了颗粒流与不同分布密度四面体结构物阵列相互作用时的流态演化与堆积形貌, 提出了新型偏转效率无量纲指标, 结合流通效率, 定量评估了四面体结构物阵列对颗粒流流通距离和侧向铺展特征的影响. 结果表明, 单个四面体结构物对颗粒流的作用包括耗散作用和偏转作用两种模式, 其中偏转作用尤为显著; 结构物阵列对颗粒流产生综合的耗散和偏转作用, 通过多级作用形成系列的弓形激波耗散颗粒流能量, 通过偏转作用分隔和改变颗粒流路径, 增强耗散作用, 调控堆积形态, 可望对下游地区产生显著的防护效果.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-200
仿双髻鲨头部的仿生机器鱼外型设计及其流场特性
马楷东, 张瑞荣, 郭鑫, 许铭扬, 浦玉学
近年来对海洋资源的开发利用成为了社会的研究热点, 推动了国内外学者关于水下航行器各方面的研究工作. 其中航行器的外形设计是研究中较为重要的一部分, 直接影响其在水中行进时所表现流体性能的优劣. 自然界中存在的各种鱼类以其阻力性能好等优点吸引了科研工作者广泛关注. 为设计流体性能较好的航行器壳体外形, 本文将目光放在了双髻鲨身上, 它的头部就像一个水中翼, 帮助其在海洋中灵活的游动. 本文以其为仿生的对象, 首先建立模型分析了3种不同双髻鲨的头部减阻效果, 选定锤头双髻鲨的生物形体特征作为壳体外形特征曲线, 并结合工程实际设计了一种仿生机器鱼外形, 应用Ansys Mosaic 技术建立三维流场结构化网格模型, 对其进行Fluent仿真. 随后与目前主流的翼型壳体外形和回转体航行器外形进行对比, 重点研究其减阻性能. 通过仿真分析得出, 与上述两种常见的水下航行器相比, 仿双髻鲨模型在定常流场中表现出更优秀的流体性能. 本文还探究仿双髻鲨模型周围流场的特性, 对于减少航行器对周围流场干扰方面和改善航行器隐蔽性方面的研究有一定的指导意义, 同时也为水下航行器的设计提供新的方向.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-160
基于子结构解耦的连接特性识别新方法
范新亮, 王彤, 夏遵平
连接部件动态特性的准确辨识对预测装配式机械结构的动力学行为有重要意义. 针对传统基于子结构解耦的连接结构动力学特性识别方法难以直接利用可测量数据进行辨识及辨识结果受噪声影响显著等问题, 本文提出了一种新方法. 首先, 提取子结构解耦基本方程在测试自由度上的分量, 并经矩阵变换得到显含连接动刚度矩阵的形式, 而后由真实连接动刚度矩阵分解为已知的初始矩阵与待求的增量矩阵, 推导了具有收敛性质的增量型方程以增强界面自由度较多时辨识的数值稳定性, 并采用多项式拟合动刚度将其转化为了拟合系数的频域估计方程, 按给定准则选取合适的频率点联立方程后, 得到了只需装配体测试自由度上的频响函数来辨识连接特性的迭代公式. 最后, 以若干算例说明了算法的具体流程. 对10自由度弹簧−质量块系统进行了数值仿真, 验证了所提方法的正确性及抗噪性; 对包含一处胶接连接的T形梁结构和包含两处螺栓连接的L形梁结构进行了试验, 所辨识连接结构与残余结构重组的装配体有限元模型计算的频响函数与测量值在较宽频带内吻合较好, 表明了该方法能有效识别实际装配体结构中的连接特性.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-280
分数阶拟周期Mathieu方程的动力学分析
郭建斌, 申永军, 李航
分数阶微积分有着诸多优异的特点, 目前在动力学领域主要用来提高非线性系统振动特性研究的准确性. 本文在拟周期Mathieu方程的基础上, 引入分数阶微积分理论, 研究了分数阶微分项参数对方程稳定性的影响. 首先, 采用摄动法得到方程稳定区和非稳定区分界线(即过渡曲线)近似表达式, 利用数值方法验证了解析结果的准确性, 图像显示两者吻合较好. 随后, 通过归纳总结不同情况下的过渡曲线近似表达式, 发现在系统中分数阶微分项以等效线性刚度和等效线性阻尼的方式存在. 根据这一特点, 得到了系统等效线性阻尼和等效线性刚度的一般形式, 并且定义了非稳定区域厚度. 最后, 通过数值仿真直观地分析了分数阶微分项参数对方程稳定区域大小和过渡曲线位置的影响. 结果发现, 分数阶微分项不仅具有阻尼特性还具有刚度特性, 并且以等效线性刚度和等效线性阻尼的方式影响着方程稳定区域大小和过渡曲线位置. 合理选择分数阶微分项参数可以使其呈现不同程度的刚度特性或阻尼特性, 方程稳定区域的大小和过渡曲线的位置也因此产生了不同程度的变化.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-455
激光冲击下CoCrFeMnNi高熵合金微观塑性变形的分子动力学模拟
杜欣, 熊启林, 周留成, 阚前华, 蒋虽合, 张旭
激光冲击强化技术可以有效地提高材料的疲劳寿命, 被广泛应用于航空航天领域. CoCrFeMnNi高熵合金作为一种经典的高熵合金体系, 研究其激光冲击强化后的微观组织变化以及冲击动态响应对该材料未来在航空航天领域中的应用具有重要意义. 采用分子动力学方法, 对CoCrFeMnNi高熵合金进行了冲击模拟, 发现冲击时弹、塑性双波分离现象以及微结构演化具有明显的取向相关性. 沿[100]方向进行冲击时未出现双波分离结构, 并且塑性变形过程中会产生中间相; 而沿[110]与[111]方向冲击时产生了双波分离结构, 并且受冲击区域存在大量的层错以及无序结构, 高位错密度是产生无序结构的重要原因. 双波分离现象与可开动滑移系个数有关, 而沿不同取向冲击时的Hugoniot弹性极限和发生塑性变形的临界冲击速度与其可开动滑移系的Schmid因子大小有关. 此外, 冲击诱导了梯度位错结构的产生, 位错密度沿冲击深度先增加后减小, 在沿原子密排方向冲击时产生了更高的位错密度. 冲击之后在模型两侧存在残余压应力, 芯部为残余拉应力, 残余应力的大小具有明显的取向相关性. 最后, 与具有相同尺寸及取向的纯Ni进行对比, 发现CoCrFeMnNi高熵合金在冲击过程中由于晶格畸变效应产生了较纯Ni更多的无序结构.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-468
机翼尺度效应对等离子体分离流动控制特性的影响
阳鹏宇, 张鑫, 赖庆仁, 车兵辉, 陈磊
等离子体流动控制技术是一种以等离子体气动激励为控制手段的主动流动控制技术. 为了进一步提高等离子体激励器可控机翼尺度, 以超临界机翼SC(2)-0714大迎角分离流为研究对象, 以对称布局介质阻挡放电等离子体为控制方式, 以测力、粒子图像测速仪为研究手段, 从等离子体激励器特性研究出发, 深入开展了机翼尺度效应对等离子体控制的影响研究, 提出了适用于分离流控制的能效比系数, 探索了分离流等离子体控制机理, 掌握了机翼尺度对分离流控制的影响规律. 结果表明: (1)随着机翼尺度的增大, 布置到机翼上的激励器电极长度会相应增加; 在本文的参数研究范围内, 激励器的平均消耗功率不会随电极长度的增加而线性增大; 当电极长度达到一定阈值时, 激励器的平均消耗功率趋于定值; (2)在固定雷诺数的情况下, 随着机翼尺度的增大, 等离子体的控制效果并未降低, 激励器能效比系数提高; (3)等离子体在主流区诱导的大尺度展向涡与在壁面附近产生的一系列拟序结构成为分离流控制的关键. 研究结果为实现真实飞机的等离子体分离流控制, 推动等离子体流动控制技术工程化应用提供了技术支撑.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-379
上下反翼对双后掠乘波体低速特性的影响
孟旭飞, 白鹏, 刘传振, 李盾, 王荣
相比于传统乘波体外形, 双后掠乘波体在保持高超声速良好性能的条件下能够提升乘波体低速气动性能, 但其仍存在低速稳定性不好等缺陷. 本文从密切锥乘波体理论提出给定前缘型线的乘波体设计方法, 通过给定三维前缘型线分别生成具有相同平面投影形状的上反和下反机翼双后掠乘波体. 使用CFD技术评估不同上下反程度外翼乘波体的低速性能, 分析升阻特性以及流场涡结构特点. 选取稳定性判据, 研究上下反翼对纵向和横侧向稳定性的影响. 结果表明, 机翼上下反对乘波体低速升阻特性影响较小; 不同外形均为纵向静不稳定的, 且俯仰力矩变化趋势比较类似, 机翼下反可使气动焦点位置后移, 提升纵向稳定性; 机翼上反有助于提升乘波体的横向静稳定性, 而下反则会下降; 机翼上反可以提升侧向稳定性, 且上反程度越大提升效果越明显; 同时机翼上反使乘波体的偏航动态稳定性有明显提升, 下反则会降低, 影响程度与机翼上下反程度呈正相关. 通过结果分析, 说明通过机翼上下反改善乘波体低速稳定性是可行的, 为乘波体在宽速域高超声速飞行器中的应用拓展了途径.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-234
超音速尾流作用下通气空泡稳定性及闭合位置数值研究
赵小宇, 向敏, 张为华, 刘波, 李尚中
以喷气推进为动力的水下超空泡航行体, 通气空泡的稳定性和空泡形态控制问题是关键所在. 本文利用VOF耦合水平集界面追踪方法, 考虑气体的可压缩性, 通过改变射流强度和模型长度, 开展了一系列通气空泡和超音速尾射流相互作用的数值仿真, 重点分析了通气空泡的稳定性和闭合位置. 数值结果表明: (1)在超音速尾射流作用下, 通气空泡的界面会经历膨胀、颈缩、断裂回缩过程, 然后开始周期性震荡泄气. 通气空泡的形态长度相较于无射流条件下大大减小; (2)气液界面两侧强剪切有可能诱导空泡失稳溃灭, 而这种空泡失稳机制主要取决于两个无量纲参数$ \overline J $(射流推力和空化器阻力之比)和$ \overline L $(模型长度和空化器直径之比), $ \overline J $越大, $ \overline L $越小, 空泡越容易失稳. 在此基础上, 进一步总结了算例中出现稳定和失稳两种状态的临界曲线; (3)空泡越稳定, 喷管出口的压力波动的幅度和频率就越低, 此时通气空泡能为火箭发动机提供稳定的工作; (4)对于空泡失稳的工况, 空泡闭合在喷管出口; 而空泡稳定的工况, 喷管出口到闭合位置的长度只与$ \overline J $有关, 与模型长度无关.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-346
基于多层分块算法的激波干扰流场预测
李帅, 彭俊, 罗长童, 胡宗民
激波-激波干扰流场预测是超声速乃至高超声速流动中最具挑战性的问题之一. 特别地, 第IV类激波干扰由于其在壁面驻点附近产生极高的热载荷而备受关注. 本文针对圆柱诱导的弓形激波和入射斜激波的干扰问题, 分别基于量热完全气体模型和考虑振动激发的热完全气体模型, 数值求解有黏二维可压缩NS方程, 分析了高温气体效应对激波干扰流场结构, 以及第IV类激波干扰流场状态参数的影响. 接着, 本文基于一种具有广义可分离特性的遗传算法 (多层分块算法), 给出能够预测不同气体模型下第IV类激波干扰流场三波点的坐标位置、超声速射流的几何形状等特征性几何结构的数学模型, 进一步获得高温气体效应对激波干扰类型转变准则影响的定量化评估. 激波干扰类型转变准则面上的多组临界工况的激波干扰流场结构以及壁面压力和壁面热流分布的对比结果表明, 不同气体模型下的激波干扰类型和流场结构差异较为显著, 获得的定量化预测模型对工程中气动热环境的预测具有一定的参考价值.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-385
增材制造微结构演化及疲劳分散性计算
易敏, 常珂, 梁晨光, 周留成, 杨阳祎玮, 易新, 胥柏香
为了预测增材制造中工艺参数−微结构−力学性能之间的关联规律, 提出了集成离散元、相场模拟、晶体塑性有限元和极值概率理论的计算方法, 揭示了激光扫描速度对微结构演化、屈服应力和疲劳分散性的影响. 首先, 采用离散元实现了重力作用下粉床在已凝固层表面上的逐层铺设; 其次, 通过热−熔体−微结构耦合的非等温相场模拟, 获得了熔体、气孔、晶界、晶粒取向等的时空演化以及最终形成的多晶微结构; 然后, 应用晶体塑性有限元计算了增材制造多晶微结构的宏观力学响应, 并得到表征疲劳裂纹萌生驱动力的疲劳指示参数(FIP); 最后, 采用极值概率理论分析了增材制造多晶微结构的FIP极值分布规律及疲劳分散性. 以316L不锈钢选区激光熔化增材制造为例的计算结果表明: 增材制造微结构的宏观屈服强度随激光扫描速度的增加而降低, 且呈各向异性; FIP极值符合Gumbel极值分布规律, 激光扫描速度增加可降低增材制造微结构疲劳分散性, 但会导致FIP极值升高, 使得疲劳裂纹萌生驱动力增加, 疲劳寿命降低.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-389
激光定向能量沉积的粉末尺度多物理场数值模拟
黄辰阳, 陈嘉伟, 朱言言, 廉艳平
激光定向能量沉积技术作为一种同轴送粉式金属增材制造技术, 以其制造效率高、成形尺寸大等优势在航空、航天、交通等领域具有广阔的应用前景. 然而, 该技术在金属零件的尺寸精度和形状精度控制方面存在诸如尺寸偏差大、表面不平整等控形问题, 亟需发展高效高精度预测熔覆层成形尺寸形貌的数值模拟方法. 针对该问题, 本文建立了考虑激光-粉末-熔池交互过程的高保真多物理场数值模型. 其中, 采用高斯面热源等效激光光束, 利用拉格朗日质点法求解粉末输送及其与激光交互的过程, 进一步结合有限体积法和流体体积法求解粉末-熔池的交互及其流动凝固过程, 并通过TC17合金单道熔覆层实验结果进行了验证. 基于该模型, 首先预测了不同工艺参数下单道熔覆层形貌尺寸, 并对熔覆层形貌的变化趋势及其内在的物理机理进行了深入分析. 结果表明, 依赖于工艺参数的粉末温度分布和粉末基板能量分配比例对熔池流场和熔覆层尺寸有显著的影响. 本文所建立的数值模型可辅助激光定向能量沉积增材制造技术控形工艺参数优化, 所得结论可为成形件尺寸和形状精度控制提供理论指导.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-420
激光选区熔化增材制造中的粉体热动力学行为
陈辉, 闫文韬
激光选区熔化(SLM)可以直接成形近全致密、性能接近锻件的复杂结构金属零件, 是金属增材制造(3D打印)领域的热点技术之一. SLM成形过程中粉末颗粒的热/动力学行为复杂, 与零件成形缺陷及力学性能紧密相关. 本文介绍了离散单元法(DEM)与计算流体力学(CFD)联合建模在SLM中的创新应用, 结合粉末床原位测试及成形在线监测, 探索SLM粉末铺设和粉末床熔融两个工艺环节的复杂粉体热/动力学行为机制. 研究发现, 粉末铺设过程中: 粉体的黏结效应、壁面效应和渗流效应3种机制相互竞争、共同支配粉末动力学行为并最终决定粉末床铺设质量. 粉末床熔融过程中: 熔池喷发的高温金属蒸汽带动环境保护气体形成内旋涡流, 由此驱动散体粉末形成复杂流固耦合运动, 导致粉末床飞溅与剥蚀现象; 热浮力效应对粉末运动不起主导作用. 文中提出了DEM-CFD双向动态耦合模型, 可以充分考虑离散粉末与熔池蒸发气体之间的热力耦合作用, 为SLM粉体熔融热/动力学行为的仿真模拟提供了一种新途径.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-403
高马赫数燃烧强化的激波风洞试验研究
张旭, 张启帆, 岳连捷, 孟东东, 罗苇航, 于江鹏, 张晓源, 李进平, 陈宏, 李飞
基于中国科学院力学研究所的JF-24激波风洞, 通过开展高马赫数超燃冲压发动机的直连试验, 研究了高马赫数燃烧的强化方法以及燃料类型对燃烧的影响. 试验段是采用凹腔结构的圆截面燃烧室, 喷孔布置在隔离段, 燃料分别是氢气和乙烯, 当量比均为0.7. 燃料喷注分别采用无支板和小支板两种构型, 后者部分喷孔位于小支板顶部. 两种构型均设置了流向近距双排喷孔, 可分别进行单环和双环喷注. 试验结果论证了飞行马赫数10.0条件下氢气和乙烯在超高速气流中的稳定燃烧性能. 并且, 相比于单环喷注, 双环喷注以及补充小支板可以强化燃烧. 推测其原因是双环射流和激波/分离结构的近距离交互作用很可能改善掺混, 而补充小支板顶部喷注还能利用更多空气组织掺混. 在同样采用双环耦合小支板顶部喷注的强化措施下, 氢气与乙烯燃烧效率接近, 但氢推力性能更优. 这是因为较高热值氢的释热更多. 此外, 试验还证明了在当前来流条件下, 释热受控于掺混, 且高温离解效应限制释热上限. 这是由于释热降低流速且提高静温, 使高温离解的吸热效应更加显著.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-348
页岩气高效开采的可压裂度和射孔簇间距预测
王涛, 柳占立, 庄茁
页岩储层的可压裂性是影响页岩气产量的关键因素. 本文基于断裂力学理论, 以高围压下岩石层理弱面的剪切破坏为主要研究对象, 依据岩石抗拉强度和层理弱面抗剪强度的比值关系, 首先提出了可压裂度的概念, 给出了无量纲的定性曲线图, 涵盖了岩石脆性矿物质含量, 粘性主导和韧性主导裂缝尖端流体压强、射孔簇分布间距的综合地质与工程因素. 接着提出了一种新的表征高围压下页岩可压裂度的无量纲参数, 在保证达到充分解吸附的最小压裂间距前提下, 依据该参数可计算水平井压裂中的射孔簇间距, 可作为工程参考指标. 本文将断裂力学理论结合水力压裂高效开采页岩气工程, 具有力学理论意义和工程应用前景.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-197
几何参数对V字形钝前缘气动热特性影响
王军, 李祝飞, 张志雨, 杨基明
针对三维内转式进气道V字形唇口部位气动热载荷严酷的问题, 将唇口简化为V字形钝前缘, 在来流马赫数6条件下, 采用数值模拟并辅以激波风洞实验, 研究了气动热随前缘几何参数的变化规律. 结果表明, 在半径比R/r (根部倒圆半径R和前缘钝化半径r之比)和半扩张角β的联合作用下, V字形根部主要出现三种激波反射类型, 其壁面热流峰值的位置和大小均差异明显. 在(R/r, β)几何参数空间中, 当R/rβ都相对较小时, V字形根部发生异侧激波规则反射, 超声速气流冲击驻点附近壁面, 并产生极其严酷的第一类中心热流峰值, 最高可达相同钝化半径圆柱驻点热流的12倍. 当R/rβ较大, V字形根部发生马赫反射时, 异侧超声速射流对撞以及激波/边界层干扰分别导致了第二类中心热流峰值和外侧热流峰值, 其严酷程度仅次于第一类中心热流峰值, 采用R/rβ建立了第二类中心热流峰值和外侧热流峰值强弱转变的边界. 当R/r充分大, V字形根部发生同侧激波规则反射时, 第二类中心热流峰值和外侧热流峰值都减小至相同钝化半径圆柱驻点热流的水平.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-448
面向增材制造的熔池凝固组织演变的相场研究
肖文甲, 许宇翔, 宋立军
激光增材制造(laser additive manufacturing, LAM)技术极适合复杂整体构件的近净成形和高附值损伤件的快速修复. 然而, 激光增材制造熔池内部复杂的动态凝固过程显著影响成形件的终态组织, 进而制约其服役性能. 本文针对激光直接能量沉积(direct energy deposition by laser, DED-L) Inconel 718过程, 构建宏观传热传质与多相场耦合的多尺度数学模型, 解决了熔池宏−微观温度场的直接耦合, 并基于MPI并行程序设计实现了熔池二维的全域定量模拟, 研究了凝固过程中的晶粒演变过程. 结果表明, 模拟的熔池尺寸、凝固界面与实验结果吻合较好. 熔池凝固界面形态和晶体择优取向是影响晶粒演变的重要因素. 在熔池横截面上, 凝固过程主要受温度梯度方向的驱使, 取向与温度梯度方向夹角越小的晶粒占优生长. 在纵截面上, 晶粒的生长表现出弯曲生长以及“上三角”的晶粒特征, 温度梯度方向的渐变导致了晶粒弯曲, 相邻晶粒的竞争行为决定了晶粒形貌. 本文阐明了金属激光增材制造晶粒演变的机理, 有助于厘清增材制造热物理、化学、冶金过程, 为凝固组织的预测和调控提供理论指导. 此外, 该多尺度数学模型也适用于其他金属材料的激光增材制造过程.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-364
竖直振动无黏液滴的法拉第不稳定性分析
刘德华, 黎一锴
由于外部周期性的振动而在液滴表面产生的Faraday不稳定效应广泛存在于超声雾化、喷涂加工等应用中, 对Faraday不稳定性进行分析对研究振动液滴的表面动力学有着重要意义. 本文将Faraday不稳定性问题从径向振动拓展到竖直振动, 研究了竖直振动无黏液滴表面波的不稳定性. 竖直方向的振动使得液滴动量方程为含有空间相关项和时间周期系数的Mathieu方程. 采用Floquet理论进行求解, 得到了竖直振动液滴表面波线性增长率与模态数以及流动参数之间的色散关系. 通过求解一个关于表面变形模态的特征值问题, 得到了竖直振动无黏液滴在Faraday不稳定性下的中性稳定边界, 并比较了竖直振动与径向振动的液滴中性稳定边界的差异. 通过大模态数假设下的近似计算, 得到了仰角θ对中性不稳定边界的影响规律. 结果表明竖直振动的液滴与径向振动相比, Faraday不稳定区域更小, 激发的模态范围更窄, 并且不会出现亚简谐的不稳定波. 另外, 对于竖直振动的液滴, 仰角θ越大的位置, 中性不稳定区域越小, 在受到外部激励时液滴表面越容易保持稳定.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-483
强磁场影响下镓液滴撞击固壁的实验研究
孟旭, 王增辉, 蔡志洋, 张登科
在材料的电磁冶金过程及磁约束核聚变装置中, 金属液滴在磁场和壁面温度影响下的撞击过程表现出复杂的动力学特性. 本文对水平磁场作用下液态镓(Ga)液滴撞击等温和过冷壁面的铺展和回弹特性进行了实验研究. 采用高速相机拍摄液滴撞击过程中轮廓的变化, 通过图像处理获得不同磁场强度、不同撞击速度和不同底板温度下的最大铺展因子、回弹过程中的最大高度以及产生的二次液滴的半径和速度. 碰撞速度由0.45 ~ 1.8 m/s, 磁场强度从0 ~ 1.6 T, 底板温度为30 °C, −20 °C和−10 °C. 基于实验结果分析了磁场和壁面温度对液滴铺展和回弹的影响规律. 实验结果表明, 液滴撞击等温壁面和过冷壁面的最大铺展因子随We的变化均与理论预测关系式一致. 液滴撞击等温壁面的情况下, 不同的We下, 出现不同的回弹现象. 磁场抑制了平行于磁场方向的液滴铺展和回弹过程中二次液滴的产生, 而对回弹过程中的液滴在平行磁场方向上有拉伸作用. 液滴撞击过冷壁面时, 在一定的We值范围内, 同样会出现二次液滴分离现象, 此时产生的二次液滴的速度较小. 磁场的增强和We的增大都会导致液滴在高度方向的振荡减弱, 加速凝固过程.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-513
比较基于化整交融应力拓扑优化诸解法的效果
彭细荣, 隋允康, 叶红玲, 铁军
由于单元应力属于局部性能约束, 导致相应的结构拓扑优化存在难以承受的大量约束条件; 尽管化整方法极大地减少了约束数量, 但是优化结果中有少数应力超限现象. 为此, 本文在应力约束的结构拓扑优化中, 瞄准克服应力超限和提高求解效率两个目标, 进行了探索. 提出了乘子法及序列二次规划(SQP)法两种解法, 首先在化整交融(即化整-集成)解法中的m方集成模型应用, 与一阶近似的移动渐近线(MMA)解法进行了求解效率对比. 然后, 在此基础上采用了效果最好的m方集成模型的SQP解法, 建立了求解应力约束下结构体积极小化模型(即s方模型), 将化整交融解法与以往单独的化整解法进行了对比. 结果表明: (1) m方集成模型的3种解法中, 乘子法及SQP法的求解效率远高于MMA法, SQP法的求解效率略高于乘子法; (2) 化整交融解法与化整解法相比, 虽然求解效率相当, 但化整交融解法完全避免了个别约束超限的现象, 在满足应力约束条件下, 得到的最优拓扑结构体积更小, 表现出更强的寻优能力.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-499
高径比对GaAs熔体液桥热毛细对流失稳的影响
周游, 曾忠, 刘浩, 张良奇
采用基于谱元法线性稳定性分析方法, 研究了高径比对GaAs熔体(Pr = 0.068)液桥热毛细对流失稳的影响, 同时结合能量分析揭示了热毛细对流的失稳机制. 研究结果表明: 与典型低普朗特数(例如Pr = 0.011)熔体静态失稳模式和典型高普朗特数(例如Pr>1)熔体振荡失稳模式不同, GaAs熔体热毛细对流失稳模式依赖于液桥高径比(As). 随高径比的变化, GaAs熔体热毛细对流存在两种失稳模式. 高径比As 在0.4≤As≤1.18范围内, 热毛细对流失稳是从二维轴对称定常对流转变为三维周期性振荡对流(振荡失稳); 高径比在1.20≤As≤2.5范围内, 热毛细对流失稳是从二维轴对称定常流动转变为三维定常流动(静态失稳). 典型的高普朗特数熔体液桥热毛细对流失稳机制是热毛细机制; 典型的低普朗特数液桥热毛细对流失稳机制是水动力学惯性机制. 本文基于扰动能量分析的结果表明: GaAs熔体热毛细对流失稳同时包括水动力学惯性失稳机制和热毛细失稳机制的贡献, 其中水动力学惯性失稳机制占主导作用, 两种机制对热毛细对流失稳能量贡献的占比随高径比的变化而变化.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-227
双自由面溶质−热毛细液层的不稳定性
赵诚卓, 胡开鑫
溶质−热毛细对流是流体界面的浓度和温度分布不均导致的表面张力梯度驱动的流动, 它主要存在于空间微重力环境、小尺度流动等表面张力占主导的情况中, 例如晶体生长、微流控、合金浇筑凝固、有机薄液膜生长等. 对其流动进行稳定性分析具有重要意义. 本文采用线性稳定性理论研究了双自由面溶质−热毛细液层对流的不稳定性, 得到了两种负毛细力比(η)下的临界Marangoni数与Prandtl数(Pr)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: 溶质−热毛细对流和纯热毛细对流的临界模态有较大的差别, 前者是同向流向波、逆向流向波、展向稳态模态和逆向斜波, 后者是逆向斜波和逆向流向波. 在Pr较大时, Pr增加会降低流动稳定性; 在其他参数下, Pr增加会增强流动稳定性. 在中低Pr, 溶质毛细力使流动更加不稳定; 在大Pr时, 溶质毛细力的出现可能使流动更加稳定; 在其他参数下, 溶质毛细力会减弱流动稳定性. 流动稳定性不随η单调变化. 在多数情况下, 扰动浓度场与扰动温度场都是相似的. 能量分析表明: 扰动动能的主要能量来源是表面张力做功, 但其中溶质毛细力和热毛细力做功的正负性与参数有关.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-148
微重力下成一定夹角平板间的表面张力驱动流动的研究
陈上通, 吴笛, 王佳, 段俐, 康琦
空间微重力环境中, 由于重力基本消失, 表面张力等次级力发挥主要作用, 流体行为与地面迥异, 因此有必要深入探究微重力环境中的流体行为规律和特征. 板式贮箱利用板式组件在微重力环境中对流体进行管理, 从而为推力器提供不夹气的推进剂, 这对航天器精确进行姿态控制、轨道调整具有重要意义. 板式组件中常包含成一定夹角的平板结构, 比如蓄液叶片之间. 本文研究了微重力环境中成一定角度平板间的表面张力驱动流动问题, 考虑了液体与壁面的动态接触角、对流引起的压力损失、黏滞阻力、液池内弯曲的液面等因素的影响, 推导出了表面张力驱动流动中液体爬升高度的二阶微分方程. 该方程可用四阶Runge−Kutta方法求解. 通过同时考虑两个主导力, 可将流动过程分为三个阶段, 并得到了不同阶段内的爬升高度的近似方程. 本研究建立了6个不同尺寸的计算模型、选用3种不同型号的硅油, 利用有限体积法开展仿真工作, 仿真结果与理论结果吻合良好, 验证了理论解的正确性. 本文的研究结果可为板式贮箱的研制和空间流体管理提供理论依据和数据支撑.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-261
多尺度法的推广及在非线性黏弹性系统的应用
范舒铜, 申永军
黏弹性材料在航空、机械、土木等领域具有广阔的应用前景, 而具有1.5自由度的非线性Zener模型能更好地描述其特性. 因此, 研究多尺度法的推广和应用具有重要意义. 在传统多尺度法的基础上, 推广并利用多尺度法对非线性奇数阶微分方程进行研究, 解决非线性奇数阶系统的动力学求解问题. 以非线性Zener模型为例, 首先通过推广的多尺度法对该模型进行近似解析求解, 并通过数值方法对解析解进行数值验证, 结果吻合良好, 证明该推广方法求解过程的正确性. 然后, 从解析解中推导出稳态响应的幅频方程和相频方程, 从幅频曲线中发现对于弱阻尼系统, 在一定的频率范围内存在多值解的现象. 基于Lyapunov第一方法得到稳态周期解的稳定性条件, 利用该条件分析系统的稳定性. 最后分析非线性项、外激励以及Maxwell元件的刚度系数和阻尼系数对系统动力学行为与稳定性的影响. 研究发现: 不管非线性刚度硬化还是刚度软化, 都可使共振幅值逐渐降低, 多解区域扩大; 外激励幅值对幅频特性的骨架线影响很小, 对幅频曲线的形态影响较大; Maxwell元件刚度系数的增大使共振幅值小量增加; Maxwell元件阻尼系数的增大会使共振幅值降低, 多解区域减小, 最终多解现象消失. 这些结果对以后非线性黏弹性系统动力学特性的研究具有重要意义.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-487
TSTO马赫7安全级间分离问题的数值研究
王粤, 汪运鹏, 薛晓鹏, 姜宗林
两级入轨(two stage to orbit, TSTO)飞行器在高超声速来流条件下级间分离, 会在两级之间产生复杂的非定常气动干扰, 直接增加TSTO级间分离失败风险. 级间分离过程中的这种复杂气动干扰伴随着两级之间的激波与边界层干扰、马蹄涡、激波与尾流干扰的综合作用. 本文将TSTO助推级和轨道级的复杂模型简化为两个三维楔, 采用重叠动网格技术, 耦合求解流动控制方程及六自由度刚体动力学方程组对级间分离过程开展模拟分析, 探究级间分离流动特性及其物理机制. 在数值分析过程中, 针对不同抬升角度下的TSTO三维流场进行了静态和动态数值模拟, 给出了不同抬升角度下的干扰流场流动规律和特性, 结合流场结构和壁面压力分布以及分离流动模式阐明了两级之间这种气动干扰对TSTO气动分离的影响机制, 并探讨了轨道级抬升角对TSTO安全分离的影响. 结果表明两级间的气动干扰强度随着轨道级抬升角的增大而增强, 并且在动态分离过程中随着两级间隙的增加而减弱; 在轨道级释放前两级间气动干扰和三维分离拓扑结构随着抬升角的增大变得更加复杂, 流动分离区域增大, 临界点数量增加; 在级间分离过程中, 两级气动特性变化幅度随着轨道级抬升角增大而增大, 分离时间则随之减小. 另外, 当轨道级抬升角度在6° ~ 8°时可实现该TSTO更加安全可靠的分离.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-423
宽速域下神经网络对雷诺应力各向异性张量的预测
任海杰, 袁先旭, 陈坚强, 孙东, 朱林阳, 向星皓
基于Pope修正的有效黏度假设, 张量基神经网络(tensor based neural network, TBNN)构建了从雷诺平均方程湍流模型(RANS)的平均应变率张量和平均旋转率张量到高精度数值解的雷诺应力各向异性张量的映射. 将高精度数值解用于TBNN的训练, 从而使TBNN根据RANS求解的湍动能、湍流耗散率和速度梯度预测其雷诺应力各向异性张量, 并与对应的高精度数值模拟结果以及风洞实验结果对比以评估TBNN的预测能力. 本工作将TBNN的预测能力从低速域拓展至高超声速工况, 分别对低速槽道流、低速 NACA0012 翼型以及高超声速平板边界层3种工况进行了小样本的训练并成功预测, 并以槽道流训练的TBNN较好地预测了低速平板边界层, 验证了模型的泛化能力. 对于外推的低速槽道流算例, TBNN预测的结果在y + >5的区域与直接数值模拟(DNS)以及实验的误差均在10%以内, 预测结果揭示了TBNN对雷诺应力各向异性张量的良好预测能力; 对于翼型的预测效果尽管相较于槽道流略有下降, 但近壁关键区域较RANS结果仍有显著提升; 对于高超声速平板, TBNN在边界层内展现出了良好的预测能力, 在y + >5的区域与DNS的误差同样在10%以内. 基于Pope本构关系的TBNN方法在平板的高超声速工况下仍能较准确预测边界层内的雷诺应力各向异性张量, 方法在宽速域下的预测能力具有较好的表现, 且模型泛化能力亦得到了验证.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-518
同轴气流式液体射流分裂液滴粒径研究
郭立梅, 吕明, 宁智
针对同轴气流式液体射流分裂液滴粒径预测模型缺乏的现状, 结合射流线性稳定性理论, 建立了基于临界模数的同轴气流式黏性液体射流分裂液滴粒径表达式, 在此基础上, 分别研究了气流旋拧(气流同时存在轴向和周向运动)及流体物性(气体可压缩性、液体黏性、气液密度比和表面张力)对液滴粒径的影响规律. 研究发现: 周围气流轴向引射作用和同轴旋转作用均会导致分裂液滴粒径整体呈先增大后减小的趋势; 且在气流仅作同轴旋转运动时, 相同临界模数下气流旋转对分裂液滴粒径的影响较小. 在本文的研究参数范围内, 分裂液滴粒径随气体可压缩性和气液密度比的增加而减小, 随液体黏度和表面张力的增加而增加; 其中, 气体可压缩性在气流作同轴旋转运动时作用效果更强, 液体黏度在气流作同轴引射运动时效果更为显著. 研究结果对同轴气流式液体射流的分裂液滴粒径预测具有一定的理论意义和工程应用价值.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-375
乙烯燃料超燃燃烧室流动特性与燃烧稳定性研究
时文, 田野, 郭明明, 刘源, 张辰琳, 钟富宇, 乐嘉陵
在低飞行马赫数条件下, 乙烯燃料超燃冲压发动机为实现成功点火及稳定燃烧, 常使用先锋氢引燃乙烯, 本文通过试验研究了多种喷注方案下的超燃燃烧室流动特性、火焰传播特性及燃烧稳定性, 喷注方案包括单先锋氢、单乙烯和组合喷注方式. 超燃燃烧室入口马赫数为2.0, 总温为953 K, 总压为0.82 MPa. 多种非接触光学测量手段被应用于超燃冲压发动机流场结构和火焰传播规律的诊断, 包括纹影、CH自发光照相和OH-PLIF, 并使用10 kHz的压力传感器来采集燃烧室上壁面中线处压力. 结果表明: 在无燃料喷注情况下, 发动机内流场会以约450 Hz的主频振荡; 在有燃料喷注情况下, 凹腔上游喷注方式会抑制振荡, 而凹腔台阶下游喷注方式对流场振荡影响较小. OH-PLIF图像结果表明: 先锋火焰是不稳定的, 当先锋氢在凹腔上游喷注时, 先锋火焰主要集中于凹腔中后部, OH基在凹腔中部重复地集聚与扩散; 当先锋氢在凹腔台阶下游喷注时, 先锋火焰呈破碎状分布于剪切层内, 且凹腔后斜坡处无燃烧. 燃料组合喷注时, 燃烧也是不稳定的. 先锋氢关闭后, 火焰从凹腔中部后移至凹腔后斜坡处, 且火焰形态稳定, 组合喷注时的燃烧不稳定现象源于先锋氢燃烧的不稳定性.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-353
基于扭摆的微冲量测量方法及实验研究
杨超, 贺建武, 章楚, 康琦, 段俐
超高微重力水平的卫星平台在空间引力波探测、地球重力场测量中发挥着重要的作用, 脉冲微推力器可以帮助微重力卫星实现姿态控制. 微冲量是评价脉冲微推力器性能的重要指标之一, 常用的基于扭摆的微冲量测量方法有两种, 方法一是根据单个冲量元瞬间作用于无阻尼扭摆后, 扭摆转动最大角位移计算冲量, 方法二是根据高固定频率的连续脉冲作用于有阻尼扭摆后, 扭摆转动的平均角位移计算冲量. 为了在地面实现对脉冲微推力器的微冲量测量, 利用已有的基于扭摆的亚微牛级推力测量系统, 进行了实验研究. 利用静电梳齿产生的标准静电力标定已有的扭摆推力测量系统, 通过电容式位移传感器测量扭摆角位移, 进而得到推力与角位移的关系, 以及其他扭摆系统参数; 然后, 根据两种冲量测量方法, 再以电磁螺线圈与永磁体分别产生瞬时磁力与固定频率的磁力作用于扭摆, 研究推力测量系统微冲量测量性能. 实验结果表明: 使用方法一时, 推力测量系统冲量测量范围为0.05 ~ 220 μN·s, 分辨力可达到0.02 μN·s; 而利用方法二测量微冲量相比于方法一而言, 能够扩大冲量测量范围, 提高冲量分辨能力.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-191
气相爆轰驱动二级轻气炮内弹道数值模拟
尚甲豪, 邢好运, 汪球, 李进平, 赵伟, 魏炳忱
二级轻气炮是超高速弹丸驱动技术中使用最广泛的技术之一, 它在超高速气动物理现象及材料高速碰撞下力学性能的实验研究和验证方面起着不可或缺的作用. 中国科学院力学研究所基于爆轰驱动方法研制了一座大型二级轻气炮, 可弥补高压气体驱动能力有限和火药使用受限的不足. 本文基于经过实验验证的准一维数值模拟方法, 详细研究了该设备的内弹道动力学参数及发射性能, 并探讨了不同发射方法及装填参数对设备性能的影响规律和机理. 研究结果表明, 氢氧爆轰驱动相比于高压气体驱动具有明显优势; 不同爆轰驱动方式对弹丸发射性能影响较小, 但其影响到整个设备的强度设计; 对装填运行参数的研究表明增大爆轰段充气压力可以有效加强轻气炮发射性能, 而活塞质量变化对发射速度的影响较为复杂, 轻气炮实际运行中受设备设计指标及模型材料性能的限制, 优化过程中需要同时调整3种参数以达到轻气炮最佳性能.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-437
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, 做了如下三点改进, 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.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-265