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尺度无关高阶WCNS格式
张子轩, 董义道, 黄梓全, 孔令发, 刘伟
高速流场的数值模拟中, 既要保证对小尺度结构的高保真分辨, 又要实现对激波稳定、无振荡地捕捉.当前工程中广泛应用的高精度数值格式虽然都能一定程度地满足上述两种要求, 但仍与理想目标存在较大差距.例如, 模拟雷诺应力模型等小尺度问题时, 高精度格式在间断解附近易产生数值振荡.基于高精度格式所存在的上述问题, 本文引入去尺度函数, 探索了一种更加简单稳定的非线性权重构造方法, 并将其应用于7阶精度加权紧致非线性格式WCNS, 提出了一种尺度无关的7阶WCNS格式.该格式的性能与灵敏度参数和尺度因子的选择无关, 并且在小尺度下仍可以有效捕捉流场激波.同时, 该格式在间断处具有基本无振荡性质, 且在任意尺度函数下保持尺度无关, 并且在极值点处也能保持最优精度.本文还推导了7阶D权函数的形式.最后, 在一维线性对流方程中验证了新格式在流场光滑区能够达到设计精度, 并通过一系列数值实验证明了尺度无关的7阶WCNS格式在激波捕捉能力上具有良好表现, 为WCNS格式改进和解决可压缩湍流等非线性问题提供了一种新途径.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-399
物理信息依赖核函数配点法的研究进展
傅卓佳, 李明娟, 习强, 徐文志, 刘庆国
在过去几十年里, 尽管有限元等传统计算方法已被成功用于众多科学与工程领域, 但是其在数值模拟无限域波传播、大尺寸比结构、工程反演和移动边界问题时仍面临计算量大、计算效率低、网格生成困难等计算难题. 本文介绍一类基于物理信息依赖核函数的无网格配点法及其在上述难点问题中的应用. 物理信息依赖核函数配点法的关键在于构建能反映问题微分控制方程物理信息的基函数. 基于这些物理信息依赖核函数, 该方法无需/仅需少量配点对所求微分控制方程进行离散, 即可有效提高计算效率. 本文首先介绍满足常见齐次微分方程的基本解、调和函数、径向Trefftz函数以及T完备函数等典型物理信息依赖核函数. 接着依次介绍非齐次、非均质、非稳态以及隐式微分方程构造物理信息依赖核函数的方法. 随后, 根据所求问题特点, 选用全域配点或局部配点技术, 建立相应的物理信息依赖核函数配点法. 最后, 通过几个典型算例验证所提物理信息依赖核函数配点法的有效性.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-485
CO2微气泡溶解动力学及提高采收率机理研究
贾昊卫, 于海洋, 谢非矾, 袁舟, 徐克, 汪洋
CO2微气泡是一种具有潜力的提高采收率与碳埋存方法, 本文在自主设计的CO2微气泡发泡装置的基础上, 表征了高温高压条件下微气泡形态, 进一步研究了微气泡的溶解特征, 研究结果表明: 10 MPa下制备出的微气泡直径10 ~ 70 μm, 平均直径34.43 μm; 15 MPa下制备的微气泡直径更小, 平均直径25.03 μm; 地层水高矿化度条件下, 平均气泡直径277.17 μm, 且气泡稳定性降低. 微气泡的溶解实验结果表明CO2微气泡的溶解速率较高, 但是未溶解的CO2仍以气泡的形式在地层中运移, 微气泡注入地层后将形成“碳化水 + 微气泡”的运移模式. 采用可视化微流控平台, 首次研究了高温高压条件下无化学剂辅助CO2微气泡的提高采收率机理: ①提高微观洗油效率; ②通过体积膨胀、溶解携带作用将油滴带出盲端, 采出盲端中的剩余油; ③打破油滴的毛管压力平衡状态, 采出柱状残余油; ④在流动中产生“贾敏效应”, 封堵大孔隙、提高波及效率. 本文研究可为CO2微气泡提高油藏采收率与碳封存提供指导.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-507
深部煤岩界面超低摩擦时变模型及能量转化研究
李利萍, 余泓浩, 张海涛, 潘一山
深部煤岩超低摩擦型冲击地压实质是巨量煤岩体沿煤岩界面发生失稳滑动的时变过程, 期间煤岩界面摩擦力和摩擦系数随时间变化, 同时伴随煤岩界面摩擦力做功向煤岩冲击动能释放能量转化特征. 为定量描述煤岩界面能量转化规律, 引入量纲分析法, 实验测定了煤岩弹性系数、阻尼系数和待定系数, 给出了深部煤岩界面摩擦系数表达式. 以沈阳红阳三矿为研究对象, 通过实验研究和工程实际相结合, 定义了冲击动能转化率新指标, 验证了所建模型可靠性, 定量描述了煤岩界面摩擦力做功向煤岩冲击动能转化规律. 研究结果表明: 深部煤岩界面摩擦系数随冲击载荷幅值增大而线性降低, 随冲击载荷频率增大而线性增加. 深部煤岩界面摩擦力的降幅和降低速率变化急剧, 当冲击载荷幅值为5000 N、冲击载荷频率为500 Hz时, 深部煤岩界面摩擦力降幅为97%、降低速率为38.9 kN/ms ~ 41.38 kN/ms时发生超低摩擦效应. 首次从摩擦力降低幅值和降低速率定量表征超低摩擦效应. 结合实验和工程实际分析发现, 能耗比实验结果均值为0.441, 红阳三矿“11.11”冲击地压计算结果为0.488, 两者较为接近, 进一步证明所建模型合理性.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-467
双振子同异步振动主动控制湍流边界层减阻实验研究
白建侠, 赵凯芳, 程肖岐, 姜楠
本文以镶嵌在平板上沿展向对放的两个压电陶瓷振子为主动控制激励器,自主设计了零质量射流主动控制湍流边界层减阻实验方案.在风洞中开展了双压电振子同步和异步振动主动控制湍流边界层减阻的实验研究,实现了压电振子的周期扰动对湍流边界层多尺度相干结构的干扰和调制,施加控制后减小了壁面摩擦阻力,获得减阻效果.当异步控制100 V, 160 Hz工况时得到最大减阻率为18.54%.小波多尺度分析结果表明,施加控制工况中PZT振子的周期性扰动使得小尺度结构的湍流脉动强度增强,改变了近壁区大尺度和小尺度结构的含能分布,且异步控制工况比同步控制工况的减阻效果好.当双振子振动频率为160 Hz时,流向脉动速度的小波系数PDF曲线呈现出波动特征,尾部变宽显著,近壁湍流脉动更加有序和规则,湍流间歇性减弱.对小尺度脉动进行条件相位平均的结果表明,施加PZT周期扰动后使得大尺度结构破碎成为小尺度结构,小尺度脉动强度增强,实现减阻.随着流向位置离PZT振子越来越远,周期性扰动对相干结构的调制作用逐渐减弱.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-248
7阶WENO-S格式的计算效率研究
武从海, 李虎, 刘旭亮, 罗勇, 张树海
WENO-S格式是一类适合于含间断问题数值模拟的加权本质无振荡格式. 这类格式的光滑因子满足对单频波为常数, 这使得其近似色散关系与线性基底格式一致, 并且具有良好的小尺度波动模拟能力.计算效率是数值方法性能指标的一个重要方面. 由于WENO-S格式的光滑因子在各子模板上的计算公式除下标不同外形式一致, 在计算线性对流方程相邻数值通量时, 部分光滑因子完全相同.为此提出一种消除WENO-S格式冗余光滑因子计算的方法. 该方法要求一条网格线上用于重构或插值的量可以表示为一个序列. 基于此要求分析其对于几种不同物理问题的可行性和使用方法. 以7阶WENO-S格式为例介绍了格式性质和去除冗余光滑因子计算的方法. 该方法中预先计算和存储一条网格线上的所有光滑因子, 在网格点较多的情况下, 光滑因子计算次数约为原7阶WENO-S格式的1/4. 对一维对流问题、球面波传播问题、二维旋转问题、二维小扰动传播问题及一维和二维无黏流动问题进行了数值模拟. 结果表明该格式对多种流动结构具有良好的捕捉能力, 并且同时具有良好的计算效率, 去除冗余计算后又降低了约20%的计算时间.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-371
无网格粒子类方法专题序
张雄
, doi: 10.6052/0459-1879-22-557
MPS-FEM方法模拟弹性船体在规则波中的运动
黄聪祎, 赵伟文, 万德成
船舶在海洋中航行时经常会受波浪的作用, 在波浪的作用下, 船体可能会发生六自由度的运动. 在船体运动幅度较小时, 可以将简单地将船体运动视为刚体运动. 但当波浪环境较为剧烈、船体运动幅度较大时, 船体可能会发生变形, 此时船舶弹性的影响无法忽略. 因此, 研究弹性船体在波浪中的运动对船舶运动性能和航行安全具有重要的意义. MPS(Moving Particle Semi-implicit method)方法是一种基于拉格朗日方法表示的无网格粒子类方法, 该方法在模拟具有自由面大变形特征的问题时具有其独特的优势. 有限元方法FEM(Finitie Element Method)作为一种传统的并且已被广泛应用的结构求解方法, 具有很好的稳定性、准确性和鲁棒性. 本文将MPS方法与FEM方法二者的优势结合, 基于MPS-FEM耦合方法, 使用自主开发的MPSFEM-SJTU流固耦合求解器, 模拟刚性船体和弹性船体在规则波中的运动, 并分析船体的弹性对船体运动响应的影响. 首先模拟刚性船体在不同波长的规则波中的运动, 研究规则波波长对船体运动响应的影响. 接着分别模拟了刚性和弹性船体在规则波中的运动, 结果表明, 刚性船体的运动幅值大于弹性船体的运动幅值, 而弹性船体船舯附近的压力大于刚性船体.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-468
考虑相变的近场动力学热−力耦合模型及多孔介质冻结破坏模拟
李星, 顾鑫, 夏晓舟, 陈爱玖, 章青
多孔介质的传热传质现象广泛存在于自然界和工业领域中. 低温条件可能导致多孔介质中的组分发生相变, 并由此诱发材料损伤, 甚至导致结构失效破坏. 对这类破坏现象的预测需要精细化建模, 以能够反映物质的相变过程和材料的破坏特征. 本文采用热焓法改写经典的热传导方程, 在近场动力学框架下, 建立了一种考虑物质相变的热-力耦合模型, 发展了交错显式求解的数值计算方法, 进行了方板角冻结、热致变形和多孔介质冻结破坏等问题的模拟, 得到了方板的冻结特征、温度场和变形场的分布规律以及多孔介质的冻结破坏过程, 与试验和其他数值方法的结果具有较好的一致性. 研究表明, 本文所建立的考虑物质相变的近场动力学热-力耦合模型能够反映材料的非局部效应和物质相变潜热的影响, 准确捕捉相变过程中液固界面的演化特征, 再现多孔介质中材料相变、基质热致变形和冻结破坏过程, 突破了传统连续性模型求解这类破坏问题时面临的瓶颈, 为深入研究多孔介质冻融破坏过程和破坏机理提供了有效途径.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-521
踝关节外骨骼人机耦合动力学与助力性能分析
高钰清, 靳葳, 徐鉴, 方虹斌
踝关节在人体下肢运动过程中提供了最大的关节力矩, 因此在下肢增强型外骨骼的研究中, 踝关节外骨骼受到了重点关注. 穿戴外骨骼的人体的行走是典型的动力学问题, 但目前人机耦合动力学的相关研究还处于早期阶段. 本文以绳驱踝关节外骨骼为研究对象, 融合机器人正运动学方法和拉格朗日方程建立了考虑足−地交互力、人体关节力矩和外骨骼力矩的人−机耦合动力学模型. 模型中, 足−地交互力由Kelvin-Voigt模型结合库伦摩擦模型描述, 人体关节力矩由基于粒子群优化的PD控制生成, 外骨骼期望力矩由上层控制器依据人体步态周期确定. 通过基于模型的动力学仿真, 本文从人体踝关节角度、踝关节力矩、踝关节功率和踝关节做功多个角度系统分析了踝关节外骨骼对人体行走的助力效果. 研究表明, 在2.0 km/h到6.5 km/h的人体步行速度下, 穿戴外骨骼可以实现至少24.84%的人体踝关节平均力矩下降和至少24.69%的踝关节做功下降. 本文也开展了基于SCONE平台的肌肉骨骼建模和预测仿真. 仿真结果表明, 在3.6 km/h的步行速度下, 穿戴外骨骼可以有效降低比目鱼肌的激活度峰值, 并使肌电信号的RMS值下降了6.21%, 从而从生理学的角度证实了踝关节外骨骼的助力效果. 本文的结果进一步完善了人体下肢−外骨骼耦合系统的动力学建模和分析方法, 从动力学和生理学角度证实和解释了踝关节外骨骼对行走的助力机制, 也为今后下肢外骨骼的实验研究提供了理论支撑.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-472
基于磁补偿实验的微重力下毛细管内动态流动特性研究
金宇鹏, 肖明堃, 邱一男, 王天祥, 杨光, 黄永华, 吴静怡
微重力环境下流体由于受到毛细力的主导作用, 其流动特性相较于地面常重力环境有着本质上的不同. 基于磁补偿原理, 在地面上建立了具有高可调性的微重力模拟流动实验台, 通过将实验数据与理论模型进行对比的方法验证了实验系统的准确性, 并对不同等效重力水平下竖直毛细管内水基磁流体的动态流动行为进行研究. 实验数据与两种采用不同动态接触角模型的理论模型解的平均相对偏差分别为7.1%和13.7%, 验证了利用磁补偿方法开展微重力流动研究的可行性. 进一步, 定量研究了管径大小、等效重力水平以及接触角等因素对毛细管内动态流动特性的影响. 在近似零重力的环境下, 可将动态流动过程分成三个阶段: 即液面高度h先后与t2, t, $\sqrt t $成线性关系. 管径对毛细爬升过程的影响复杂, 其对流动的影响并不随着管径呈线性变化, 在不同的流动阶段对流速的影响规律也不相同. 等效重力加速度越大, 水基磁流体在管内的毛细爬升能力越差, 且越难观察到第一毛细爬升阶段的存在. 相同条件下, 流体的前进接触角越大, 其毛细爬升速率越小.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-346
流固耦合破坏分析的多分辨率PD-SPH方法
姚学昊, 陈丁, 武立伟, 黄丹
流固耦合破坏是一类涉及结构变形与破坏以及复杂自由表面现象的强非线性力学问题. 结合近场动力学(peridynamics, PD)与光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)各自的优势并考虑其计算效率问题, 提出一种适用于分析流−固耦合破坏问题的多分辨率PD-SPH混合方法. 分别采用SPH和PD方法以不同的空间和时间分辨率对流体和结构进行离散与求解, 利用具有与流体粒子相同光滑长度的虚粒子处理流−固界面, 以高精度满足界面边界条件. 通过两个经典算例: 液柱静压力下弹性板的变形和溃坝流体冲击弹性闸门的变形问题, 表明提出的多分辨率PD-SPH方法兼具较高的计算精度和计算效率; 对含裂缝的Koyna重力坝水力劈裂问题进行模拟计算, 所得裂缝扩展路径与文献结果吻合, 说明该方法适用于涉及结构破坏的流固耦合问题仿真. 最后尝试采用该方法进行流体冲击作用下含裂纹混凝土板崩塌过程数值仿真, 准确描述混凝土板的断裂破坏和全过程中的流体运动. 多分辨率PD-SPH混合方法或可为流−固耦合作用下的结构损伤破坏仿真提供一种新选择.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-268
结构爆炸毁伤的浸没多介质有限体积物质点法
倪锐晨, 孙梓贤, 李家盛, 张雄
结构在爆炸载荷作用下的毁伤现象涉及强非线性激波、固体结构极端变形和破坏破碎、强流固耦合, 给数值计算方法带来了极大的困难与挑战. 针对结构爆炸毁伤问题, 建立了浸没多介质有限体积物质点法(iMMFV-MPM), 采用基于黎曼求解器的多介质有限体积法(MMFVM)模拟爆炸产物和空气的多介质流体, 采用物质点法(MPM)模拟固体结构, 并将提出的基于拉格朗日乘子的连续力浸没边界法(lg-CFIBM)扩展到多介质流体中以处理流固耦合边界条件. 该算法在每个时间步严格满足流固耦合界面处的速度边界条件及动量守恒方程, 不需要重构流固耦合界面, 能够有效地模拟近场爆炸下爆炸产物与结构的相互作用、激波与结构的相互作用和演化以及结构的动态断裂和拓扑变化. 利用iMMFV-MPM对近场爆炸下方形钢筋混凝土靶板的失效模式、外爆载荷下建筑物的毁伤现象以及多腔室内爆炸试验进行了模拟, 模拟结果与相关实验数据吻合良好, 验证了所建立的流固耦合算法的有效性及精度.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-446
不同类型水平弹簧组合刚度非线性吸振器的性能分析及稳定性研究
陈依林, 杜敬涛, 崔海健, 赵雨皓, 刘杨
动力吸振器作为一种振动控制单元被广泛运用于各种工程场合, 但传统的线性吸振器只能实现窄带振动控制. 文章在线性吸振器的基础上引入对称水平弹簧构建线性刚度与非线性刚度相结合的组合刚度非线性吸振器, 以提升吸振器的吸振性能. 考虑实际工程中可能的安装方式, 分别建立水平弹簧接地安装和不接地安装的组合刚度非线性吸振器模型, 利用谐波平衡法结合弧长延拓法解析求解动力学响应, 并与数值结果相互验证, 证明了求解结果的准确性. 随后分析比较两种组合刚度非线性吸振器与线性吸振器以及非线性能量阱之间的吸振性能, 发现水平弹簧接地安装类型的组合刚度非线性吸振器在保留线性吸振器优势的同时又改善其吸振频带窄的缺点, 且与非线性能量阱相比在主共振频率附近的较宽频内吸振性能更优. 在此基础上, 讨论了水平弹簧参数以及吸振器阻尼对主结构振动幅频响应和稳定性的影响, 最后观察分析主结构幅频响应曲线不稳定区内的复杂动力学行为. 研究结果表明合适的设计参数能够使得主结构振动峰值较低的同时, 频响曲线不稳定运动区域的范围也较小.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-413
正弦交流介质阻挡放电等离子体激励器诱导流场研究的进展与展望
张鑫, 王勋年
正弦交流介质阻挡放电等离子体流动控制技术是基于等离子体激励的主动流动控制技术, 具有响应时间短、结构简单、能耗低、不需要额外气源装置等优点, 在飞行器增升减阻、抑振降噪、助燃防冰等方面具有广阔的应用前景. 针对“激励器消耗的大部分能量尚未被挖掘利用、诱导流场的完整演化过程尚未完全掌握、诱导流场的演化机制尚不明确”这三方面问题, 本文首先从激励器诱导流场的空间结构、时空演化过程、演化机制三个方面回顾总结了激励器诱导流场的研究进展. 在诱导流场空间结构方面, 发现了高电压激励下诱导射流的湍流特性, 辨析了壁面拟序结构与无量纲激励参数之间的关联机制; 从激励器诱导声能方面挖掘出了激励器潜在的能量, 发现了“等离子体诱导超声波与诱导声流”的新现象, 提出了声激励机制; 在时空演化过程方面, 阐明了激励器诱导流场从薄型壁射流发展为“拱形”射流、再演变为启动涡, 最终形成准定常射流的完整演化过程; 在演化机制方面, 结合声学特性提出了以“升推”为主的诱导流场演化机制. 其次, 围绕激励器诱导流场, 进一步凝练出下一步研究重点, 为突破等离子体流动控制技术瓶颈, 打通“概念创新—技术突破—演示验证”的创新链路, 实现工程应用提供支撑.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-377
多体系统碰撞动力学中接触力模型的研究进展
王庚祥, 马道林, 刘洋, 刘才山
接触碰撞行为作为大自然与多体系统中的常见现象, 其接触力模型对于多体系统的碰撞行为机理研究与性能预测至关重要. 静态弹塑性接触模型与考虑能量耗散的连续接触力模型是研究接触碰撞行为的两类不同方法, 在多体系统碰撞动力学中存在诸多共性与差异. 本文分别从上述两类接触模型的发展历程入手, 详细介绍了两类模型的区别与联系. 首先, 根据阻尼项分母中是否含有初始碰撞速度将连续接触力模型分为黏性接触力模型与迟滞接触力模型, 讨论了能量指数与Hertz接触刚度之间的关系, 阐述了现有连续接触力模型在计算弹塑性材料接触碰撞行为时存在的问题. 其次, 着重介绍了分段连续的准静态弹塑性接触力模型(可连续从完全弹性转换到完全塑性接触阶段), 分析了利用此类弹塑性接触力模型计算碰撞行为的技术特点. 同时, 以恢复系数为桥梁和借助线性化的弹塑性接触刚度, 避免了Hertz刚度对弹塑性接触刚度的计算误差, 根据碰撞前后多体系统的能量与动能守恒推导了弹塑性接触模型等效的迟滞阻尼因子. 探索了连续接触力模型与准静态弹塑性接触力模型之间的内在联系, 数值计算结果定量说明了人为阻尼项代表的能量耗散与弹塑性接触力模型中加卸载路径代表的能量耗散具有等效性. 另外, 为了避免阻尼项分母中初始碰撞速度在计算颗粒物质动态性能时导致的数值奇异问题, 通过求解等效的线性单自由度欠阻尼非受迫振动方程获得了阻尼项分母中不含初始碰撞速度的连续接触力模型, 并以一维球链为例, 证明了该模型相比EDEM软件使用的连续接触力模型具有更高的精度. 最后, 本文分析了当前多体系统碰撞动力学的研究现状, 并简要展望了多体系统碰撞动力学中接触力模型的发展趋势与面临的挑战.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-266
涡波一体乘波飞行器宽速域气动优化设计研究
刘超宇, 屈峰, 李杰奇, 白俊强, 刘传振, 白鹏, 钱战森
涡波一体宽速域乘波飞行器通过在低速引入涡效应, 显著改善了传统乘波体在低速状态下的升阻特性, 具有在未来宽速域空天飞行器总体气动设计当中得到广泛应用的巨大潜力. 但是, 该设计方法的研究尚不完善, 特别是在基准流场建立过程中忽略了三维效应、低速效应、黏性效应以及头部/前缘的钝化效应, 因此其高低速气动特性均有优化设计的空间. 针对此问题, 本文结合高保真RANS求解器、自由变形参数化方法、鲁棒的结构网格变形方法、离散伴随方法以及序列二次规划算法, 发展了基于离散伴随的宽速域飞行器气动优化设计方法. 基于上述方法, 针对涡波一体乘波飞行器开展了兼顾低速与高超声速气动性能的三维整机气动优化设计研究, 获得了宽速域优化构型并对其进行了流动机理分析. 结果表明, 相较于初始构型, 宽速域优化构型可以将飞行器高超声速状态下升阻特性略微提升的同时, 显著增强低速状态飞行器背风面的旋涡效应, 进而使飞行器低速状态的升力和升阻比均提升10%以上, 改善了涡波一体宽速域乘波飞行器的高低速气动性能.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-412
基于碎点法的动态断裂分析
沈宝莹, 王松, 李明净, 董雷霆
工程中的冲击防护结构在撞击、爆炸等冲击载荷下可能发生动态断裂并最终破坏, 抑制结构的动态断裂是提升结构防护能力的重要手段, 为此需要准确预测结构在动态载荷下的断裂行为. 数值仿真是预测动态断裂的重要手段, 然而当前工程中常用的有限元法在模拟断裂方面仍存在网格畸变和难以显式引入裂纹等问题. 碎点法是近年来提出的一种不连续型伽辽金弱形式无网格方法, 适合模拟断裂问题, 本文提出一种显式动力学格式的碎点法并将该方法应用于动态断裂分析. 一方面, 碎点法参考弱形式无网格类方法, 将求解域离散为空间中的节点和子域, 并基于支持域内的节点群构造子域的位移试函数, 因此该方法的子域具有抵抗畸变的能力. 另一方面, 碎点法参考间断伽辽金有限元法, 使用分片连续的位移试函数, 并引入内部界面数值通量修正保证方法的一致性和稳定性, 因此该方法易于在结构中显式引入裂纹. 本文首先介绍碎点法的核心思想和离散形式, 接着推导了动力学碎点法弱形式动量方程, 然后建立了碎点法的显式动力学求解格式, 最后通过算例验证动力学碎点法预测应力波传播和动态断裂行为的能力.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-498
基于相场法的周期性多孔结构断裂行为研究
应宇轩, 黄玮, 马玉娥, 彭帆
周期性多孔结构具有质量轻、比密度低、比强度高、隔音等优良特点, 同时也能很好地满足结构-功能一体化的需求, 在许多领域具有广泛的应用前景. 目前, 对周期性多孔结构在复杂载荷下的力学响应和断裂行为的研究较少. 采用细观力学和相场方法相结合, 基于二维代表性体积单元RVE模型, 施加能实现比例加载的周期性边界条件, 研究周期性多孔结构在复杂多轴比例加载状态下的裂纹萌生位置、断裂模式、承载极限及其变化规律. 本文的数值模拟结果表明: 首先, 周期性多孔结构在竖直方向拉伸载荷作用下, 裂纹均从孔边萌生并沿水平方向同步扩展; 其次, 在双轴载荷作用下, 随着水平载荷的增加, 结构在竖直方向的极限拉伸载荷逐渐增大; 当双轴拉伸载荷等值时, 结构的抗拉强度达到最大, 此时断裂模式呈现为十字正交型开裂; 最后, 面内剪切应力的引入会导致结构的拉伸强度极限降低, 孔边裂纹的萌生位置和扩展路径发生偏移, 裂纹模式从单S型转变为双弧线型, 裂纹向水平位置上相邻的孔洞扩展. 随着水平载荷的增加, 裂纹模式最终转变为斜裂纹, 从孔边对角线位置萌生并沿着45°方向扩展.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-411
基于深度神经网络的横流转捩预测
胡震宇, 王子路, 陈坚强, 袁先旭, 向星皓
基于深度神经网络DNN构建了从层流流场无量纲速度梯度、流向涡强度等物理量到横流转捩模态下间歇因子间的映射关系, 获得一种新的数据驱动转捩模型. 通过将数据驱动转捩模型与SST k-ω湍流模型耦合, 有效简化了转捩模型输运方程求解, 实现高效、准确的亚音速三维边界层横流转捩流场计算. DNN训练数据来自变雷诺数的NLF(2)-0415无限展长后掠翼计算结果, 并以两种工况进行测试, 数据驱动转捩模型预测精度与γ-Reθ转捩模型近似. 将数据驱动转捩模型用于其他典型横流转捩算例的计算, 以验证其泛化能力. 对于变后掠角的NLF(2)-0415后掠翼, 数据驱动转捩模型与γ-Reθt-CF模型预测的转捩位置几乎一致, 并且能够预测出后掠角从45°增长到65°的过程中, 转捩位置先向前再向后移动的现象; 对于标准椭球体, 使用低分辨率网格进行计算, 数据驱动转捩模型依然能够实现转捩位置预测, 对椭球体表面Cf的计算结果与多个平台的横流转捩模型、实验结果基本一致. 研究表明, 以横流转捩相关物理量作为输入对DNN进行训练, 并将获得的数据驱动转捩模型与SST k-ω湍流模型耦合, 可以实现对横流转捩的有效预测, 且具有较强的泛化能力. 数据驱动转捩模型对网格分辨率要求更低, 在保证计算精度的前提下, 具有较高的计算效率.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-448
基于非线性分析的加肋板肋条位置无网格优化
彭林欣, 李知闲, 项嘉诚, 覃霞
在加肋板无网格模型中, 肋条的位置对各种工况下加肋板受力性能的影响至关重要. 文章基于一阶剪切变形和移动最小二乘法理论提出一种考虑非线性影响的加肋板无网格模型, 并利用遗传算法优化肋条位置. 首先, 采用离散节点分别对平板和肋条进行离散, 得到加肋板的无网格离散模型; 其次, 通过冯·卡门大挠度理论得到非矩形板几何非线性问题的弯曲控制方程; 再次, 通过哈密顿原理得到加肋非矩形板自由振动问题的控制方程; 最后引入遗传算法, 以肋条的位置为设计变量、非矩形加肋板中心点挠度最小或自振频率最大为目标函数, 对肋条位置进行优化. 在考虑了几何非线性影响的肋条位置优化过程中, 肋条位置改变时只需重新计算位移转换矩阵, 避免了网格重构. 本文以全局荷载下单肋条菱形板为例与理论解进行对比, 进行有效性验证. 再以板的中点挠度最小和自振频率最大为优化目标, 对局部荷载作用下不同形状、不同肋条布置方式的加肋板进行优化, 分析方法的收敛性及稳定性.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-433
考虑最小尺寸精确控制的SIMP和MMC混合拓扑优化方法
廉睿超, 敬石开, 李营, 肖登宝, 陈阳
拓扑优化作为一种先进设计方法, 已被成功用于多个学科领域优化问题求解, 但从拓扑优化结果到其工程应用之间仍存在诸多阻碍, 如在结构设计中存在难以制造的小孔或边界裂缝和单铰链连接等. 在拓扑优化设计阶段考虑结构最小尺寸控制是解决上述问题的一种有效手段. 在最小尺寸控制的结构拓扑优化方法中, 通用性较强的固体各向同性材料惩罚法SIMP优化结果边界模糊不光滑, 包含精确几何信息的移动变形组件法MMC对初始布局具有较强依赖性. 本文提出一种考虑最小尺寸精确控制的SIMP和MMC混合拓扑优化方法. 所提方法继承了二者优势, 避免了各自缺点. 在该方法中, 首先采用活跃轮廓算法ACWE获取SIMP输出的拓扑结构边界轮廓数据, 提出了SIMP优化结果到MMC组件初始布局的映射方法. 其次, 通过引入组件的3个长度变量, 建立了半圆形末端的多变形组件拓扑描述函数模型. 最后, 以组件厚度变量为约束, 构建了考虑结构最小尺寸控制的拓扑优化模型. 采用最小柔度问题和柔性机构问题验证了所提方法的有效性. 数值结果表明, 所提方法在无需额外约束的条件下, 仅通过组件厚度变量下限设置, 可实现整体结构的最小尺寸精确控制, 并获得了具有全局光滑的拓扑结构边界.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-283
弯曲波宽频分波超栅拓扑优化设计和表征
李林, 张雪彬, 刘涛, 章俊
超表面/超栅的出现, 使得波前调控变得越来越方便和灵活. 然而大多数现有超表面/超栅均基于经验设计, 其波前调控性能往往没有到达最佳, 并且工作频率带宽窄, 严重制约着它们在实际工程中的应用. 同时, 研究人员发现当入射角大于某一临界角时, 用来设计各种超表面的广义斯涅耳定理将失效. 为了解决上述问题, 本文基于高阶衍射定理, 提出了一种利用遗传算法的宽频分波超栅拓扑优化设计方法. 基于上述优化设计方法, 针对薄板中弯曲波, 具体设计了的三种宽频分波超栅, 其胞元由两个相位差为${\text{π} }$的子功能单元组成. 首先, 利用有限元方法对这三种超栅性能进行了数值表征; 然后, 利用3D打印技术加工试件开展了实验验证; 最后, 与其他两种方法设计的同类超栅进行了比较. 结果表明本文所设计的弯曲波宽频分波超栅在设定的宽频范围内功能稳定, 达到宽频分波效果. 虽然本文仅考虑了弯曲波, 但设计思路同样适用于其他形式的弹性波. 研究结果将为其他宽频超栅设计提供一种可能有效途径.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-373
齿轮传动系统共存吸引子的不连续分岔
金花, 吕小红, 张子豪, 王昕
大量的多吸引子共存是引起齿轮传动系统具有丰富动力学行为的一个重要因素. 多吸引子共存时, 运动工况的变化以及不可避免的扰动都可能导致齿轮传动系统在不同运动行为之间跳跃变换, 对整个机器产生不良的影响. 目前, 一些隐藏的吸引子没有被发现, 共存吸引子的分岔演化规律没有被完全揭示. 考虑单自由度直齿圆柱齿轮传动系统, 构建由局部映射复合的Poincaré映射, 给出Jacobi矩阵特征值计算的半解析法. 应用数值仿真、延拓打靶法和Floquet特征乘子求解共存吸引子的稳定性与分岔, 应用胞映射法计算共存吸引子的吸引域, 讨论啮合频率、阻尼比和时变激励幅值对系统动力学的影响, 揭示齿轮传动系统倍周期型擦边分岔、亚临界倍周期分岔诱导的鞍结分岔和边界激变等不连续分岔行为. 倍周期分岔诱导的鞍结分岔引起相邻周期吸引子相互转迁的跳跃与迟滞, 使倍周期分岔呈现亚临界特性. 鞍结分岔是共存周期吸引子出现或消失的主要原因. 边界激变引起混沌吸引子及其吸引域突然消失, 对应周期吸引子的分岔终止.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-424
基于Treloar实验数据的超弹性材料完全本构关系研究
韩磊, 王新彤, 李录贤
超弹性材料在航天航空、民用工业等多个领域已得到广泛应用, 但因具有的大变形非线性特性, 其本构行为异常复杂, 本构模型多种多样. 本文从超弹性材料的应变能函数出发, 在连续介质力学框内开展超弹性材料完全本构关系的理论与应用研究. 首先, 分析了Treloar针对某硫化橡胶超弹性材料开展的单轴拉伸、等双轴拉伸以及纯剪切3种基本变形模式实验数据的特点; 接着, 理论分析了这3种变形模式所具有的相同应力条件, 从而将3种模式的本构关系均表示为加载方向应力随伸长比的变化, 并就$I_1^m$$I_2^m$两类幂函数型应变能函数的本构特性进行了研究; 然后, 将实验曲线分为初始和剩余两个阶段, 对初始阶段采用neo-Hookean模型应变能函数、对剩余阶段采用非指定指数的幂函数型应变能函数, 在3种变形模式实验数据总体误差泛函最小条件下对模型参数进行识别, 最终建立了典型超弹性材料的完全本构关系. 对3种基本变形模式下的不同响应进行了重新预测, 其结果均优于文献上已发表的多个本构模型. 本文工作表明, 依据多种不同变形模式下全程变形范围的实验曲线, 可建立超弹性材料的完全本构关系, 从而为超弹性材料断裂等复杂问题的理论研究与实际应用提供支撑.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-317
Bingham流体双自由面热毛细液层的稳定性分析
王胜, 胡开鑫
热毛细对流是流体界面温度分布不均导致的表面张力梯度驱动的流动. 它主要存在于空间等微重力环境或小尺度流动等表面张力占主导的情况中. 在很多工业领域, 如晶体生长、聚合物加工、喷墨打印、微流控, 产品质量都与热毛细对流密切相关. 空间3D打印是太空制造的重要技术, 可以支持空间站的在轨长期有人照料的运行和维护, 实现按需制造. 本文以聚合物流体的空间3D打印为应用背景, 采用线性稳定性理论研究了Bingham流体双自由面热毛细液层的稳定性, 得到了在不同Bingham数(B)下的临界Marangoni数(Mac)与Prandtl数(Pr)的函数关系,分析了临界模态的流场和能量机制. 研究发现: 该流动的临界模态包括流向波和斜波模态, 与B, Bi和两界面垂直方向上的温差(Q)相关. BBi的增加会增强热毛细对流的稳定性. 当Q = 0时, 扰动温度分布分成对称和反对称两种情况. 当Q > 0时, Pr的增加会减弱流动稳定性. 在小Pr情况下, 扰动温度分布在整个流场, 在大Pr情况下, 扰动温度在栓塞区为零. 能量分析表明: 扰动动能的主要能量来源是表面张力做功, 但小Pr数下基本流也有一定贡献.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-364
基于自适应多可信度多项式混沌-Kriging模型的高效气动优化方法
赵欢
多可信度代理模型已经成为提高基于代理模型的优化算法效率和可信度水平最有效的手段之一. 然而目前流行的co-Kriging和分层Kriging (HK)等多可信度代理模型泛化能力不足, 缺乏对高阶/高非线性建模问题的适应性, 难以广泛应用. 文章基于发展的自适应多可信度多项式混沌-Kriging (MF-PCK)代理模型, 在提高建模效率和对高阶/高非线性问题近似准确率的同时, 建立了基于该自适应MF-PCK模型的高效全局气动优化方法. 在发展的方法中, 提出了基于MF-PCK模型的新型变可信度期望改进加点方法, 使代理优化算法效率进一步提高. 为了验证发展方法的全面表现, 将其应用在经典的数值函数算例以及多个跨音速气动外形的确定性优化和稳健优化设计中, 并与基于Kriging和HK模型的代理优化算法进行了全面比较. 结果表明, 发展的新型多可信度全局气动优化方法其优化效率相对于基于Kriging和HK模型的优化效率显著提高, 结果更好也更加可靠, 并且稳健优化设计效率和结果也更符合工程应用需求, 证明了其相对于基于Kriging和HK模型的代理优化算法的显著优势.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-391
Walsh函数有限体积法的多重网格特征研究
王刚, 干源, 任炯
Walsh函数有限体积法(FVM-WBF)是一种能够在网格内部捕捉间断的新型数值方法. 持续增加Walsh基函数数目能够稳步提高FVM-WBF方法的求解分辨率, 但计算量暴发式增长和收敛速度下降的问题也会同步出现. 针对Walsh基函数数目增加而引起的计算效率问题, 本文分析了Walsh基函数及其系数所能影响的网格单元局部均值区域尺度, 发现其中隐含类似多重网格的尺度特征, 据此提出一种结合多重网格策略的FVM-WBF方法. 在定常流场计算中根据各级Walsh基函数影响尺度的不同, 对每级Walsh基函数设置满足其稳定性约束的时间步长, 在时间推进求解的过程中快速消除不同波长的数值误差, 实现多重网格的加速收敛效果. 选取NACA0012翼型和二维圆柱的定常无黏绕流问题作为算例, 对引入多重网格策略的FVM-WBF方法和不考虑多重网格策略的FVM-WBF方法进行对比测试. 数值结果证实: 新发展的FVM-WBF方法具备多重网格的关键特征, 在不增加任何特殊处理和计算量的情况下, 只需通过时间步长的调整, 就能够达到多重网格的加速效果, 显著提升计算效率.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-281
聚脲弹性体力学性能与本构关系研究进展
龚臣成, 陈艳, 戴兰宏
聚脲是一种由异氰酸酯组分和氨基组分反应生成的新型弹性体高聚物. 由于聚脲具有断裂伸长率高、应变率强化、高耗能等一系列优异的力学性能, 其在国防、能源、交通等领域显示出广阔的应用前景. 目前, 国内外学者针对聚脲在不同温度、不同应变率下的静动态力学性能开展了大量研究, 在此基础上提出了多种本构模型, 对温度、应变率等因素相关的力学行为进行了描述和预测. 这些工作为深刻理解聚脲抗冲击机理及材料的进一步应用奠定了基础. 文章首先简要介绍了聚脲弹性体的微相分离结构及特点; 然后从小变形线性黏弹性和大变形非线性粘弹性两个方面概述了关于聚脲力学性能的研究, 包括相应测试技术的发展和聚脲粘弹性影响因素的研究; 进一步从变形梯度乘法分解法、遗传积分法、应变-时间解耦法等不同建模方法出发对已建立的聚脲本构模型进行综述, 并从应变率范围、温度范围、压力相关性、软化行为表征及模型参数数量的角度对比了不同类型模型的区别; 最后针对聚脲力学性能与本构关系下一步研究值得重点关注的问题提出了几点建议.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-455
近似不可压软材料动力分析的完全拉格朗日物质点法
章子健, 刘振海, 张洪武, 郑勇刚
物质点法(MPM)在模拟非线性动力问题时具有很好的效果, 其已被广泛应用于许多大变形动力问题的分析中. 然而传统的MPM在模拟不可压或近似不可压材料的动力学行为时会产生体积自锁, 极大地影响模拟精度和收敛性. 本文针对近似不可压软材料的大变形动力学行为, 提出一种混合格式的显式完全拉格朗日物质点法(TLMPM). 首先基于近似不可压软材料的体积部分应变能密度, 引入关于静水压力的方程; 之后将该方程与动量方程基于显式物质点法框架进行离散, 并采用完全拉格朗日格式消除物质点跨网格产生的误差, 提升大变形问题的模拟精度; 对位移和压强场采用不同阶次的B样条插值函数并通过引入针对体积变形的重映射技术改进了算法, 提升算法的准确性. 此外, 算法通过实施一种交错求解格式在每个时间步对位移场和压强场依次进行求解. 最后, 给出几个典型数值算例来验证本文所提出的混合格式TLMPM的有效性和准确性, 计算结果表明该方法可以有效处理体积自锁, 准确地模拟近似不可压软材料的大变形动力学行为.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-471
轮对非线性动力学模型稳定性和分岔特性研究
王鹏, 杨绍普, 刘永强, 刘鹏飞, 赵义伟, 张兴
为了探究轮对系统的横向失稳问题, 考虑了陀螺效应和一系悬挂阻尼的影响作用, 建立非线性轮轨接触关系的轮对动力学模型, 研究轮对系统的蛇行稳定性、Hopf分岔特性及迁移转化机理. 通过稳定性判据获得了轮对系统失稳临界速度. 采用中心流形定理和规范型方法对轮对动力学模型进行化简, 得到与轮对系统分岔特性相同的一维复变量方程, 理论推导求得轮对系统的第一Lyapunov系数的表达式, 根据其符号即可判断轮对系统的Hopf分岔类型. 讨论了不同参数对轮对系统Hopf分岔临界速度的影响, 探究了轮对系统的超临界、亚临界Hopf分岔域在二维参数空间的分布规律. 利用数值模拟得到轮对系统的3种典型Hopf分岔图, 验证了轮对系统超临界、亚临界Hopf分岔域分布规律的正确性. 结果表明, 轮对系统的临界速度随着等效锥度的增大而减小, 随着一系悬挂的纵向刚度和纵向阻尼的增大而增大, 随着纵向蠕滑系数的增大呈先增大后减小. 系统参数变化会引起轮对系统Hopf分岔类型发生改变, 即亚临界与超临界Hopf分岔相互迁移转化. 轮对系统Hopf分岔域在二维参数空间的分布规律对于轮对系统参数匹配和优化设计具有一定的指导意义.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-469
考虑应变率效应的混凝土随机损伤本构模型研究
虢成功, 李杰
混凝土材料组分复杂且具有随机分布的特点, 其受力力学行为不可避免地存在非线性和随机性. 同时, 在动力荷载作用下, 混凝土材料具有不可忽视的率敏感性. 为了综合反映混凝土受力力学行为中的非线性、随机性与率敏感性, 本文从对材料的纳-微观裂纹扩展分析入手, 引入速率过程理论描述纳观裂纹的扩展速率, 并研究了对应的能量耗散过程. 在此基础上通过裂纹层级模型将纳观分析推演到微观尺度, 建立了微观能量耗散的基本表达式. 进而与微-细观随机断裂模型相结合, 形成了混凝土纳-微-细观随机损伤本构模型. 同时, 基于速率相关势垒的分析, 揭示了动力强度的提高源自加载速率和原子键断裂速率的竞争机制. 据此, 假定微裂纹间相互作用与应变率比值的相关关系以建立微弹簧能量耗散速率与应变率的联系, 实现了从静力本构模型向动力本构模型的扩展. 数值算例表明, 建议模型能够同时反映混凝土材料力学行为中的非线性、随机性和率敏感性. 最后通过与相关试验结果的对比, 验证了建议模型的正确性.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-306
时变切换时滞反馈镇定混沌系统不稳定周期轨线
曾尖尖, 郑远广
为提高经典时滞反馈控制镇定不稳定周期轨线的效果, 扩大受控周期轨线的稳定区域, 本文基于时变切换策略对经典时滞反馈控制进行改进, 提出了时变切换时滞反馈控制. 时变切换时滞反馈控制的控制信号仅在特定的时段中存在, 而在其他时段上不存在控制信号, 这与经典时滞反馈控制中具有固定的控制信号是不同的. 通过实例分析, 研究了时变切换时滞反馈控制在镇定不稳定周期轨线中的具体性能. 以反馈增益系数为变量, 计算受控周期轨线的最大条件Lyapunov指数, 得到了受控周期轨线的稳定区域随切换频率变化的关系曲线. 结果表明, 随着切换频率增大, 受控周期轨线的稳定区域呈现非平滑地变化. 当选取恰当的切换频率时, 时变切换时滞反馈控制的稳定区域显著大于经典时滞反馈控制的稳定区域. 在混沌控制的工程实践中, 控制信号常常受到一定的限制. 要实现对目标周期轨线的稳定控制, 就需要受控周期轨线具有足够大的稳定区域. 因此, 与经典时滞反馈控制相比, 本文提出的时变切换时滞反馈控制具有更广泛的应用前景.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-361
完全拉格朗日SPH在冲击问题中的改进和应用
王璐, 徐绯, 杨扬
光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)在模拟固体大变形、破碎和裂纹扩展等问题中有天然的优势, 但SPH固有的拉伸不稳定缺陷是SPH在计算固体力学领域进一步应用的一大障碍. 完全拉格朗日SPH (total Lagrangian-SPH, TL-SPH)方法是一种有效的改善拉伸不稳定的措施, 但其仍面临边界区域精度低、界面条件难以施加、损伤裂纹难以模拟等缺陷. 因此, 首先将可达到二阶精度的高阶SPH方法与TL-SPH耦合, 为了节省高阶方法的计算量, 进一步简化粒子选取模式, 提出TL-SFPM (TL-simplified finite particle method)方法; 其次, 将可提高界面精度的DFPM (discontinuous finite particle method)方法与TL-SPH结合, 并提出一种基于黎曼解的界面接触算法, 通过在不同材料粒子间建立黎曼模型求解不同材料间的相互作用, 分别应用于流体−固体接触和固体−固体接触中; 再者, 为了捕捉固体受外载荷后的损伤程度及破坏模式, 提出一种完全拉格朗日框架下的粒子损伤破坏模型; 最后, 通过流−固冲击的带弹性挡板溃坝算例和固−固冲击的子弹撞击靶板算例验证提出的TL-SFPM方法、界面接触算法和损伤破坏模型的合理性和精确性, 进一步扩展TL-SPH方法在计算固体冲击问题中的应用.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-214
基于虚拟区域法的黏弹性流体中微生物游动的数值模拟和应用
彭方远, 潘定一, 陈杏藩, 林昭武
微生物是自然生态系统的重要组成部分, 掌握微生物在复杂流体中的运动特性可以为微型器件的设计制造提供理论指导. 壁面效应是微生物游动研究中的重要问题之一, 已有研究表明微生物在壁面附近存在复杂的行为特征. 然而已有研究大多集中于微生物在牛顿流体中的游动模拟, 仅有少数涉及黏弹性流体等非牛顿流体. 本文采用直接力虚拟区域法与乔列斯基分解相结合的数值方法, 引入Squirmer微生物游动模型, 研究了微生物在黏弹性流体中的游动问题. 首先给出求解黏弹性流体本构方程的数值格式; 并将该方法应用于研究微生物游动中的壁面效应. 研究结果表明, 游动方向是影响微生物颗粒壁面效应的重要因素. 流体弹性应力会对微生物产生一个反向转矩, 影响微生物的游动方向, 从而阻碍微生物逃离壁面. 微生物颗粒在黏弹性流体中与壁面作用时间较长, 几乎达到牛顿流体的两倍以上.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-372
关节混合空间控制下的冗余绳驱并联机器人绳力分布特性分析
秦志伟, 刘振, 高海波, 孙光耀, 孙聪, 邓宗全
绳驱并联机器人是由绳索代替刚性杆件的一类特殊机器人, 其中绳索具有只能承受拉力而不能承受压力的特点, 冗余绳驱并联机器人的绳力分配问题是一个难点. 在关节混合空间控制中, 将冗余的绳索组合采用绳力控制, 而其余绳索进行绳长控制. 因为不同的绳索组合可能导致不同的控制效果, 本研究旨在解决关节混合空间控制条件下, 力控绳索组合的选择问题. 以二冗余绳驱并联机器人为例, 通过向量空间基变换方法, 实现了冗余绳驱系统绳力在拉力索张力空间的表达. 基于拉力索张力空间, 计算了绳力控制绳索组合的对称最大误差带, 用于找到合适的绳索组合用于力控. 使用多体动力学仿真手段, 对关节混合空间的控制效果和对称最大误差带解析解计算方法的正确性进行了模拟验证. 在同时考虑绳长和绳力控制误差的条件下, 发现当选择不合适的绳索组合时, 绳力误差会被显著放大, 说明了本文针对绳力分布特性分析的意义. 本文提出的对称最大误差带概念同时也为关节混合空间控制策略下的绳力控制器设计提供指导.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-463
求解三维流固耦合问题的一种全隐全耦合区域分解并行算法
邓小毛, 廖子菊
三维流固耦合问题的非结构网格数值算法在很多工程领域都有重要应用, 目前现有的数值方法主要基于分区算法, 即流体和固体区域分别进行求解, 因此存在收敛速度较慢以及附加质量导致的稳定性问题, 此外, 该类算法的并行可扩展性不高, 在大规模应用计算方面也受到一定限制.本文针对三维非定常流固耦合问题, 提出一种基于区域分解的全隐全耦合可扩展并行算法.首先基于任意拉格朗日−欧拉框架建立流固耦合控制方程, 然后时间方向采用二阶向后差分隐式格式、空间方向采用非结构稳定化有限元方法进行离散.对于大规模非线性离散系统, 构造一种结合非精确Newton法、Krylov子空间迭代法与区域分解Schwarz预条件子的Newton-Krylov-Schwarz (NKS) 并行求解算法, 实现流体、固体和动网格方程的一次性整体求解.采用弹性障碍物绕流的标准测试算例对数值方法的准确性进行了验证, 数值性能测试结果显示本文构造的全隐全耦合算法具有良好的稳定性, 在不同的物理参数下具有良好的鲁棒性, 在“天河二号”超级计算机上, 当并行规模从192增加到3072个处理器核时获得了91%的并行效率.性能测试结果表明本文构造的NKS算法有望应用于复杂区域流固耦合问题的大规模数值模拟研究中.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-398
面向双碳目标的建筑能源系统再认识
刘晓华, 张涛, 刘效辰, 江亿
建筑领域是实现双碳目标的关键部门, 在双碳目标指引下建筑能源系统需要做出革新. 为此, 本研究对建筑能源系统的发展任务进行了深入探讨, 提出了面向双碳目标的建筑能源系统发展方向: 传统的建筑能源系统以满足建筑自身冷、热、电等基本能源需求为主; 双碳目标下, 建筑能源系统需要从建筑节能向建筑低碳的新目标转变, 需要在降低建筑本体能源需求、全面电气化、提升建筑能源系统能效水平、实现灵活可调并成为具有柔性调节能力的能源系统可调负载等方面做出变革, 需要从单纯能源系统的消费者转变为集能源生产、消费、调蓄于一体的复合体. 以构建低碳建筑能源系统为目标, 对建筑能源系统的研究趋势进行了展望: 需要进一步认识建筑能源、建筑环境营造的需求从而更好地理解建筑能源系统的基本要求, 需要建筑与交通、电力等领域进一步融合, 需要从单体建筑向区域建筑、城市等多个尺度上以建筑为载体构建城乡新型能源系统. 本研究可为建筑能源系统如何实现自身角色转变、加快实现双碳目标下的能源系统变革提供有益参考.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-462
基于改进LBM的气液自发渗吸过程中动态润湿效应模拟
张晟庭, 李靖, 陈掌星, 张涛, 吴克柳, 冯东, 毕剑飞, 朱上
微通道内气液自发渗吸是广泛发生在自然界及诸多工业领域的物理现象, 而动态接触角是影响整个渗吸过程的关键因素. 针对该问题, 本文使用改进的伪势多相流格子玻尔兹曼方法LBM, 直接捕捉微通道内气液自发渗吸过程中的实时接触角, 并分析接触角的动态变化特性及其对渗吸长度的影响. 首先, 本文在原始的伪势多相流LBM的基础上耦合Peng-Robinson(PR)状态方程, 改进流体−流体作用力以及流−固作用力格式, 并采用精确差分方法将外力添加至LBM框架中. 然后, 通过校准模型的热力学一致性, 模拟测试界面张力, 静态平衡接触角等界面现象验证了模型的准确性. 最后, 基于建立的模拟方法, 在水平方向上模拟微通道内气液自发渗吸过程. 结果表明: 渗吸过程中的接触角呈现动态变化特征, 在渗吸初期, 因受到惯性力的影响存在较大波动; 随着渗吸距离的增大, 其逐渐减小并趋近于静态平衡接触角. 渗吸过程中的接触角与微通道尺寸及静态接触角有关, 随着微通道宽度增大, 实时的动态接触角与静态接触角相差大; 随着静态接触角增大, 实时的动态接触角与静态接触角的相差增大. 此外, 忽略动态接触角的Lucas-Washburn (LW) 方程所预测的弯液面位置与模拟结果存在一定偏差, 利用模拟得到实时动态接触角数据可以直接用于校正LW方程, 校正后的LW方程预测的弯液面位置与模拟结果基本一致.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-409
垂向双蝠鲼变攻角滑翔水动力性能研究
高鹏骋, 刘冠杉, 黄桥高, 潘光, 马云龙
为了探究垂向间距和攻角对双蝠鲼在沿垂向分布集群滑翔时的水动力性能影响, 根据蝠鲼的实际外形建立了蝠鲼计算模型, 设置了4种间距排布即0.25, 0.5, 0.75, 1倍体厚排布以及9种攻角状态即−8°~8°, 随后借助Fluent软件进行了双蝠鲼变攻角、变垂向间距的集群滑翔数值模拟, 结合流场压力云图以及速度云图对集群系统平均升/阻力以及集群中各单体的升/阻力进行了分析. 数值计算结果表明: 双蝠鲼沿垂向分布在攻角范围为−8°~8°进行集群滑翔时系统平均阻力均高于单体滑翔时所受阻力. 单体在集群滑翔过程中获得减阻收益, 当双蝠鲼以负攻角集群滑翔时, 下方蝠鲼阻力减小, 且垂向间距越小, 减阻效果越明显; 当以正攻角集群滑翔时, 上方蝠鲼获得减阻收益. 当双蝠鲼以负攻角滑翔时, 系统平均升力大于单体滑翔时所受升力; 当双蝠鲼以负攻角滑翔时, 系统平均升力小于单体滑翔时所受升力, 系统平均升力几乎不受垂向间距影响. 下方蝠鲼升力始终大于上方蝠鲼升力, 但随着垂向间距的增大, 升力差距逐渐减小.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-353
神经动力学研究进展和若干思考
韩芳, 王青云
神经动力学是动力学与控制学科的基础性分支, 属于力学与脑科学、智能科学的国际前沿交叉学科领域, 主要是通过动力学与控制的基本理论和方法, 建立合理的模型来探究神经系统电生理动力学行为和脑认知功能的机理. 近年来, 国内外学者在神经动力学的基础研究方面取得了显著成果, 包括神经元和神经元网络动力学行为的深入研究、大脑不同功能结构的建模分析以及神经疾病关联脑区的网络动力学建模与控制等. 本文首先对国内外神经动力学研究领域取得的进展做了较全面的概括分析, 特别是给出了建模方面的发展历程. 进而, 基于解析生物神经网络及其动力学的研究成果, 对神经动力学未来的研究方向提出了一些思考展望, 期望神经动力学的研究将助力具备较强可解释性和泛化能力的类脑智能原理和方法的突破及在重大工程中的应用.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-404
泊松白噪声激励下强非线性系统的半解析瞬态解
叶文伟, 陈林聪, 孙建桥
自然界与工程中都普遍存在着随机扰动, 且大多数呈现出固有的非高斯性质, 若采用高斯激励建模可能会导致巨大的误差. 泊松白噪声作为一种典型且重要的非高斯激励模型, 已引起了广泛的关注. 目前, 泊松白噪声激励下系统的动态特性分析主要集中于稳态响应的研究, 而针对瞬态响应的求解难度仍较大, 需进一步发展. 本文引入径向基神经网络, 提出了一种泊松白噪声激励下单自由度强非线性系统瞬态响应预测的高效半解析方法. 首先将广义Fokker-Plank-Kolmogorov (FPK) 方程的瞬态解表示为一组含时变待定权值系数的高斯径向基神经网络; 然后采用有限差分法离散时间导数项, 并结合随机取样技术构造含时间递推式的损失函数; 最后通过拉格朗日乘子法使得损失函数最小化获得时变最优权值系数. 作为算例, 探究了两个经典强非线性系统, 并采用蒙特卡罗模拟方法对解析结果加以验证. 结果表明: 本文方法所获得的瞬时概率密度函数与蒙特卡罗模拟数据吻合地较好, 并且算法具备较高的计算效率. 在系统响应的整个演化过程中, 本文所提方法能够非常有效地捕捉到系统响应在各个时刻下的复杂非线性特征. 此外, 本文方法所获得的高精度半解析瞬态解, 不仅可作为基准解检验其他非线性随机振动分析方法的精度, 对于结构的优化设计也存在巨大的潜在应用价值.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-381
机器人单足系统沙土跳跃刚−散耦合动力学分析
孙昊, 刘铸永, 刘锦阳
在行星探索过程中涉及探测器在星壤上着陆、运动以及收集、存储某些样本材料等问题, 因此需要建立探测机器人在沙土上运动的动力学模型, 从而优化其系统构型. 近年来, 对跳跃型探测机器人研究得到了越多越多的关注. 本文采用离散元法对颗粒场进行建模, 以及采用多体动力学方法对机械系统进行建模, 对机器人单足系统在沙土上的跳跃问题进行耦合动力学仿真分析. 基于经典土力学Prandtl-Reissne理论, 从颗粒场受压分层的形式和动量传递出发, 对描述颗粒侵入阻力的惯性力动阻力项进行了修正, 提出了一种修正的Poncelet公式. 通过与离散元仿真结果对比, 说明所提出修正公式比原始的Poncelet公式更准确地计算了机械足受到的沙土侵入阻力, 尤其在达到一定侵入深度表现出更好的收敛性. 最后分析了机械腿足部的不同尺寸和形状对沙土中跳跃效果的影响, 给出了锥形足部和柱形足部的体积对跳跃效果影响的近似计算公式. 本研究将拓展刚−散耦合动力学理论, 并且为新型探测器在行星土壤上运动的系统设计提供技术支撑.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-405
中国海域盆地CO2地质封存选址方案与构造力学分析
李春峰, 赵学婷, 段威, 吴涛, 姚泽伟, 陈国新, 李刚, 彭希
本文围绕“碳达峰、碳中和”国家战略目标, 从断裂活动、盆地压力、构造沉降特征、地震活动性和地温梯度等角度综合分析中国海域盆地适宜大规模CO2地质封存的条件与目标, 在宏观上认为东海陆架盆地、珠江口盆地、琼东南盆地东部以及南海中央海盆是最佳CO2地质封存区域, 但这并不排除其他盆地内部存在适宜的CO2地质封存点, 因为具体某个地质封存工程目标的范围相对较小. 东海陆架盆地、珠江口盆地和琼东南盆地内适用于CO2地质封存的地层包括盆地晚期快速沉降期沉积层的底部咸水层和热沉降沉积层内的含油气单元, 在适宜的海底之下800~4000 m深度范围内, 孔隙度大于10%, 静水压力约在8~40 MPa之间、静岩压力约在13~83 MPa之间变化. 在此压力范围和合适的地温梯度范围内, CO2以超临界状态存在, 其密度随温压变化相对稳定, 有利于CO2的流动和渗透. 另外, 盆地内的基性岩浆岩建造的规模和数量也为CO2地质封存和永久矿化提供了很好的条件. 虽然工程难度大和代价高, 但南海中央海盆是非常安全的适宜封存CO2的区域, 注入到海底大洋玄武岩的CO2因为玄武岩矿化需要较长时间, 可能存在CO2泄露, 但是除了玄武岩矿化以外, 可能泄露的CO2在后面的逃逸中还可以被多次封存, 包括: 火山碎屑岩矿化、海底沉积物封存、海底沉积物CO2水合物封存、碳酸钙中和反应、海底碳湖和海洋溶解CO2等. 南海中央海盆目前6个钻遇基底大洋玄武岩的国际大洋发现计划(IODP)钻孔可以为先导性南海海盆CO2封存实验提供很好的科学与工程基础.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-384
面向微振信号的驻极体减振俘能装置设计与建模
刘国平, 杨朝舒, 何忠波, 周景涛, 孙民政
随着航天工程的飞速发展以及先进制造业对加工精度要求的持续提高, 对低频微振信号的控制与利用越发受到关注. 本文采用驻极体材料, 参考动力减振器理论, 开发了一种面向低频微振环境的减振俘能一体化装置, 建立了驻极体减振俘能装置的机电耦合模型. 为兼顾减振和俘能的双重要求, 本文分析和等效了静电力对系统动力学特性的影响, 并进行了参数的评估, 提出了适用于驻极体减振俘能的优化方法. 建立了AMEsim和Simulink的联合仿真环境, 对模型和结果进行了仿真验真. 建模和仿真的结果表明, 本文建立的驻极体减振俘能装置的机电耦合模型可以准确描述装置的运动过程, 建模与仿真的误差在5%以内. 驻极体减振俘能装置对参数变化十分敏感, 且副结构刚度、初始间距等对减振俘能性能的影响都明显强于副结构阻尼. 经过优化, 本文设计的驻极体减振俘能装置, 能够兼顾减振和俘能需求, 可以实现接近于理想动力减振器的减振效果, 也可以在牺牲15%减振效果前提下, 获得1700 V输出电压和3.1 mW俘能功率. 本文建立的机电耦合模型和动态静电力解析模型, 有助于理解驻极体减振俘能机构的工作原理, 揭示了非线性静电力的变化过程和作用机理.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-444
煤炭地下气化关键力学问题的数值研究进展
刘曰武, 方惠军, 李龙龙, 葛腾泽, 郑太毅, 刘丹路, 丁玖阁
煤炭资源的清洁高效利用已成为“双碳”背景下科学研究的重要方向和新课题. 在众多相关技术中, 煤炭地下气化技术近年来得到快速发展并展现出巨大潜力. 然而, 由于室内实验和现场试验的实施成本非常高, 气化机理认识和控制运行工艺优化方面的研究均受到很大限制. 近年来, 运行成本低、操作简单、实施周期短的数值模拟方法成为重要的研究工具, 得到越来越多的关注. 由于煤炭地下气化过程极其复杂, 数值模拟方法在数学建模和数值求解方面均面临巨大挑战. 对此, 本文开展了以下工作: 对煤炭地下气化过程进行了详细分析, 阐明各个运行空间的物质和关键问题, 厘清煤炭地下气化的本质; 归纳出流体动力学问题、热力学问题、材料应力问题以及化学反应动力学问题等4类关键力学问题; 详细介绍每个关键力学问题数值研究的最新成果和发展历程; 介绍煤炭地下气化数值研究的工程应用, 并指出其发展趋势. 本文工作对推动煤炭地下气化数值方法的发展以及指导我国煤炭地下气化先导试验设计和现场实施有积极的理论意义.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-331
基于赫林格−赖斯纳变分原理的一致高效无网格本质边界条件施加方法
吴俊超, 吴新瑜, 赵珧冰, 王东东
无网格法具有高阶连续光滑的形函数, 在结构分析中呈现出显著的精度优势. 但无网格形函数在节点处一般没有插值性, 导致伽辽金无网格法难以直接施加本质边界条件. 采用变分一致尼兹法施加边界条件的数值解具有良好的收敛性和稳定性, 因而得到了非常广泛的应用, 然而该方法仍然需要引入人工参数来保证算法的稳定性. 本文以赫林格−赖斯纳变分原理为基础, 建立了一种变分一致的本质边界条件施加方法. 该方法采用混合离散近似赫林格−赖斯纳变分原理弱形式中的位移和应力, 其中位移采用传统无网格形函数进行离散, 而应力则在背景积分单元中近似为相应阶次的多项式. 此时的无网格离散方程可视为一种新型的尼兹法施加本质边界条件, 其中修正变分项采用再生光滑梯度和无网格形函数进行混合离散, 稳定项则内嵌于赫林格−赖斯纳变分原理弱形式中, 无需额外增加稳定项, 消除了对人工参数的依赖性. 该方法无需计算复杂耗时的形函数导数, 并满足积分约束条件, 保证了数值求解的精度. 数值结果表明, 所提方法能够保证伽辽金无网格法的计算精度最优误差收敛率, 与传统的尼兹法相比明显提高了计算效率.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-151
固定鸭舵双旋弹全弹道动态稳定性及其影响因素
赵新新, 史金光, 王中原, 张宁
为研究固定鸭舵双旋弹全弹道飞行时的动态稳定性问题, 在小攻角条件下建立复攻角运动的状态空间模型, 并应用霍尔维茨方法导出其特征根实部皆负的一般性条件. 针对起控前/后前体滚转角的运动特点, 利用常规旋转弹的稳定性分析方法, 建立固定鸭舵双旋弹在不同飞行状态下的动态稳定性判据, 其与常规旋转弹的形式相似, 无控飞行时在升力和静力矩项中对应增加了舵面控制力和力矩项; 有控飞行时进一步增加了有关项相对增量的影响. 据此在后体参数确定的条件下推导舵面参数约束条件, 并分析操纵舵控制力系数导数、安装位置和舵偏角对动态稳定性的影响, 揭示了该类炮弹动不稳定形成的原因. 对复攻角运动在不同条件下的仿真分析结果表明, 当舵面引起的有关项相对增量同时位于无控和有控飞行的边界曲线内时, 固定鸭舵双旋弹全弹道飞行动态稳定, 验证了本文推导的动态稳定性判据和舵面参数约束条件合理, 为该类炮弹的研制提供了理论依据与设计参考.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-636
细长旋成体亚声速超大攻角非定常流动特性研究
王方剑, 王宏伟, 李晓辉, 董磊, 黄湛, 陈兰
空空导弹作为现代空战的主要攻击手段, 要求比目标飞机更高的机动性和敏捷性. 新型空空导弹在面对新一代飞机时必须具备全方位攻击能力, 尤其对来自后方目标的威胁, 则需要更高转弯率和更大机动包络线的航向反转机动等先进高效机动方法. 为了保证高效机动的顺利完成, 要求导弹在超大攻角(α = 0° ~ 180°)范围内具有飞行和机动控制能力. 以往对超大攻角流动的观测和研究大多集中在α = 40° ~ 60°范围内, 最大角度不超过90°. 本文采用数值模拟(delayed detached eddy simulation, DDES)与风洞试验(油流显示试验)结合的方法, 研究了细长体亚声速下(Ma = 0.6)攻角α = 0° ~ 180°范围内的瞬时流动特性以及非定常特性. 研究表明, 数值模拟与油流显示试验获得的物面流线吻合较好, 在攻角α = 0° ~ 90°范围内, 细长体背风侧流动主要为圆柱段引起的集中涡主导, 体现为非对称、非定常和涡脱落等流动现象; 在攻角α = 90° ~ 180°范围内, 这时细长体底部朝前, 由此带来较大的回流区, 回流区内存在较多小尺度旋涡相互作用干扰, 随着流动逐渐沿轴向向后发展, 背风侧流动逐渐以非对称涡流动为主导. 非对称旋涡诱导的物面压力脉动频率St范围St = 0.19 ~ 0.33, 底部回流区诱导的物面压力脉动St范围为St = 1.55 ~ 1.64.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-415
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
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