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基于ED-LSTM的智能汽车神经网络横向动力学建模与控制
方培俊, 蔡英凤, 陈龙, 孙晓强, 王海
车辆动力学建模过程中通常会进行简化和假设, 导致模型在某些工况下无法准确反映车辆的实际动态特性, 影响控制精度甚至安全性. 鉴于此, 该文提出了一种基于数据驱动的非线性建模与控制方法, 建立了新型神经网络车辆横向动力学多步预测模型, 实现了智能汽车对参考轨迹的跟踪控制. 首先, 在分析车辆单轨模型并考虑轮胎非线性和纵向负载转移的基础上, 基于编码器-解码器结构设计神经网络横向动力学模型. 其中, 使用串行排列来扩展微分方程描述不完全的动力学信息, 隐藏层神经元学习车辆的高度非线性和强耦合特性, 进而提高模型全局计算精度. 利用所构建的数据集进行模型训练和测试, 结果表明, 相比于物理模型, 所提出的模型在不同路面附着系数条件下均具有更高的建模精度, 具有隐式预测路面摩擦条件能力. 其次, 利用提出的模型设计轨迹跟踪控制算法, 根据车辆稳态转向假设, 计算所需的前轮转向角和稳态质心侧偏角, 将稳态质心侧偏角纳入基于路径误差的转向反馈中, 实现参考轨迹跟踪控制. 最后, 使用CarSim/Simulink联合仿真及HIL实验测试进行不同工况试验的对比分析, 对所提出的基于神经网络模型的控制算法进行评价, 结果表明, 该模型能够实现智能汽车在高速下精确的跟踪控制效果, 并具有良好的横向稳定性.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-667
融入压力分布信息的气动力建模方法
赵旋, 张伟伟, 邓子辰
气动外形优化设计与飞行器性能分析中, 直接运用数值模拟或风洞实验获取气动力的成本高, 构建代理模型是提高外形优化和性能分析效率的重要途径. 然而, 构建模型的过程中, 研究者只关注积分后的气动力和力矩信息. 本文通过充分利用采样过程中所产生的压力分布信息, 来提高建模的精度和泛化性, 进而降低样本获取的成本. 提出了一种小样本框架下融入压力分布信息的气动力建模方法, 首先通过数值模拟或风洞试验获得不同流动参数状态下翼型表面的压力分布信息和气动系数, 其次通过本征正交分解技术对压力分布信息进行特征提取, 获取不同输入参数状态下压力分布信息对应的POD系数, 之后结合输入参数通过Kriging算法对压力分布信息进行建模, 将压力分布信息积分得到低精度气动系数的预测模型, 最后低精度气动系数结合输入参数通过Kriging算法构造高精度的气动系数预测模型. 通过同状态变翼型算例以及CAS350翼型变状态算例进行验证, 该方法相比于传统的克里金模型直接预测气动力, 有效提高了气动力的预测精度和模型的鲁棒性, 同时缩小了学习样本的数据量.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-170
重力环境下液体大幅晃动运动脉动球模型及实验研究
卢煜, 岳宝增, 马伯乐
现代航天器通常携带大量的液体推进剂, 在航天器的姿态发生变化的过程中, 由于惯性力和重力的作用, 可能会导致液体燃料发生剧烈晃动, 由此产生附加的晃动力会对航天器造成重要影响. 为了得到液体晃动的规律并满足星载计算机实时计算的要求, 本文研究并验证了一种用于等效液体大幅晃动的动力学模型. 首先将液体大幅晃动运动脉动球模型(MPBM)推广到重力环境中, 通过脉动球的牛顿−欧拉动力学方程和“呼吸运动”过程中能量关系式, 推导出晃动力法向分量的表达式. 同时, 引入不参与晃动的液体的等效模型, 使得液体质心位置的计算更加准确. 通过和文献中实验数据以及CFD软件的计算结果进行比较, 分别验证了推广的MPBM模型在大幅晃动、零动量机动工况下的有效性, 并基于该等效模型, 研究了脉冲激励的不同时序对航天器中液体晃动响应的影响. 最后, 设计并搭建了用于精确测量液体晃动力的实验平台, 验证了MPBM模型在等效非球形储箱的液体晃动时也同样可以很好地反应出晃动力的变化趋势. 本文的研究工作对进一步研究重力环境中充液航天器刚–液耦合动力学行为具有重要的参考价值.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-187
倾斜圆柱结构涡激振动研究进展
徐万海, 马烨璇
圆柱结构涡激振动现象在生活中十分常见, 如海洋工程中的管道、土木工程中的高耸建筑、桥梁斜拉索, 核工程中的热交换器等频繁受到涡激振动影响, 诱发结构的疲劳损伤, 甚至破坏失效. 现阶段, 人们对垂直来流作用下圆柱结构涡激振动机理已有较为全面的认识. 然而, 当圆柱倾斜置于流场中, 结构后缘的尾流形态与垂直放置差异显著, 结构与流体的耦合作用机理更为复杂. 为简化倾斜圆柱涡激振动问题, 提出了不相关原则, 来流速度被分解为垂直圆柱结构轴向和平行圆柱结构轴向的两个速度分量, 仅考虑垂直结构轴向速度分量的影响, 忽略平行结构轴向速度分量的影响. 近年来, 针对倾斜圆柱涡激振动及不相关原则的适用性, 出现了大量实验和数值模拟研究成果. 为了深化对倾斜圆柱结构涡激振动相关机理的认知, 本文全面阐述了倾斜圆柱结构涡激振动响应规律、尾迹流场模式和流体力特性等方面的研究进展, 分析了不相关原则的适用范围, 探讨了倾斜圆柱结构涡激振动抑制措施, 并对今后该领域的研究进行了力所能及的展望.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-186
大型空间结构热−动力学耦合分析方法综述
薛明德, 向志海
近年来, 各种大型空间结构逐渐在我国航天工程中得到应用, 相应的热诱发振动问题也日益受到重视. 在此背景下, 有必要进一步梳理热诱发振动的机理和分析设计中的关键问题. 本文将结合作者的研究工作对此问题进行全面介绍, 并主要强调在分析复杂工程结构的热诱发振动问题时需要注意的特殊问题. 本文首先介绍了可以高效地分析空间薄壁杆件结构(包含开口和闭口薄壁杆件)在辐射换热条件下的瞬态温度场的Fourier有限元方法; 随后介绍了热诱发振动的线性和非线性分析方法, 强调了热−动力学耦合效应. 为了对复杂空间结构产生热诱发振动的必要条件给出解析表达式, 本文将瞬态温度场与振动位移场统一在模态空间中进行分析, 从而得到评价热诱发振动剧烈程度的一般性条件. 在此基础上, 本文进一步讨论了热诱发振动的运动稳定性问题, 以悬臂杆件的热颤振准则为例揭示了热诱发振动发散的物理机理, 并给出了评定复杂工程结构热颤振的分析方法. 论文最后概要地指出了在热诱发振动的地面试验和抑制方法中需要注意的问题, 并对将来的研究工作进行了展望.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-171
二元复合材料板的自由振动: 半解析法
薛坚, 牛牧青, 张文勇, 陈立群
二元复合材料板是超材料板结构中常见的单元之一. 针对由材料参数相差两个量级的基体和嵌入体组成的二元复合材料板, 提出结构自由振动的半解析模型, 并对其振动特性进行了研究. 基于区域分解法和二元材料的分布, 将二维平板分解成两个子区域. 通过在振型函数中附加区域试函数, 来描述复合材料板面内刚度突变引起局部位移和转角的非光滑性. 基于二元复合材料板的基本边界条件和两子区连接处的变形协调条件, 构造了新的振型函数. 基于经典薄板理论, 利用带特殊试函数的里兹法, 求得不同几何构型下二元复合材料板的固有频率和振型, 并研究了嵌入体的尺寸和位置对结构振动特性的影响规律. 通过收敛分析并与有限元仿真结果对比, 验证了本文方法的准确性. 研究结果表明: 传统的全局试函数在分析具有振动局部化的模态时会得到不准确的结果, 而附加区域试函数可以显著提高里兹法的收敛速度以及结果的准确性; 嵌入体位置对低阶固有频率的作用不明显, 却能显著改变低阶振型节线的分布和振动局部化发生的区域.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-160
自由场中液氮单空泡动力学特性的实验研究
陈家成, 陈泰然, 韩磊, 耿昊, 谭树林
本文专门设计搭建了低温介质空泡演化实验测试平台, 对液氮单空泡非定常演化过程和动力学特性开展了实验研究. 实验中利用电火花瞬态放电激发液氮汽化形成单空泡, 通过高速摄影系统对单空泡的瞬态特征进行了精细化捕捉. 为了进一步揭示低温介质独特的物理性质以及强热力学效应对单空泡演化过程的影响机制, 对比分析了在相同环境压力下, 77.41 K液氮和298.36 K水单空泡的演化过程和动力学特性. 基于实验得到空泡半径与界面速度等定量数据, 阐明了液氮单空泡球形与非球形演化阶段的非定常特性. 研究结果表明: (1) 在相同输入电压下, 液氮单空泡的整体尺寸比常温水更小, 当输入电压为400 V时, 液氮空泡的最大半径约为常温水空泡的0.69倍. 同时, 液氮单空泡经历了膨胀阶段—收缩阶段—振荡阶段以及上升阶段的演化过程; (2)液氮空泡的收缩过程主要由相界面的热传导主导, 没有明显的塌陷现象. 收缩阶段液氮空泡的最小收缩半径约为常温水的5.5倍; (3)在液氮空泡振荡初期, 空泡相界面传热增强, R-T不稳定与热力学效应共同引起了空泡界面的表面粗化效应. 在整个振荡阶段, 空泡界面附近存在破碎的小泡. 当输入电压较高时, 空泡底部的小泡数量显著增多; (4)由于液氮空泡浮力系数较大, 液氮空泡在演化后期空泡整体向上迁移显著, 液氮空泡底部收缩更快产生凹陷, 促使空泡变为环状.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-144
基于神经网络的核电厂设备易损性分析
刘鸿泉, 陈少林, 孙晓颖, 吴绍恒
核电结构的易损性分析是核电厂地震安全评估中至关重要的一环, 但是由于核电结构的复杂性以及考虑土−结相互作用SSI时较大的计算规模, 使得计算核电厂设备易损性曲线十分耗时. 为发展高效的核电厂设备易损性分析方法, 本文采用核电结构土−结相互作用分析的分区计算方法, 并利用有限的SSI分析结果建立神经元模型ANN代替有限元模型, 分别基于对数正态假定的回归法和蒙特卡洛法进行了设备易损性分析. ANN数值模拟包括了以下内容: (1)基于半偏相关系数选择最相关的地震动参数作为ANN输入, 并通过交叉检验建立神经元模型; (2)量化研究ANN数值模拟的预测不确定性, 其中包含了由于简化地震动输入引起的随机不确定性和训练样本缺失引起的认知不确定性; (3)基于ANN模型预测结果分别采用蒙特卡洛法和基于对数正态假定的回归法进行设备的易损性分析. 本文探讨了不同的地震强度指标以及土层材料的不确定性对易损性曲线的影响, 同时验证了回归法中对数正态模型假定的基本合理性, 为核电厂设备易损性分析提供了一种可能方向.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-466
基于统一强度理论的非静水压圆形隧道塑性区半径的脆塑性摄动解
张常光, 李宗辉, 关港辉, 孙松
基于统一强度理论和弹−脆−塑性模型, 综合考虑围岩强度的中间主应力效应和脆性软化, 采用摄动法建立了非静水压圆形隧道塑性区半径的解析解, 继而探讨所得解析解的适用范围, 并与文献复变函数法、摄动法、数值模拟和总荷载不变法进行对比, 最后分析各因素对隧道塑性区形状和大小的影响规律. 研究结果表明: 所建立的圆形隧道塑性区半径摄动解析解为反映中间主应力效应不同程度的系列解答, 可退化为理想弹塑性模型解答且得到文献中4种方法的正确性和合理性验证, 适用于塑性区完全包围隧道的情况, 对应的隧道塑性区为双轴对称的类椭圆, 具有广泛的理论意义和工程应用价值; 摄动参数对隧道类椭圆形塑性区的大小和长/短轴变化都有明显影响; 隧道塑性区范围随中间主应力效应、围岩峰后强度参数的增加均显著减小, 说明不考虑中间主应力效应的Mohr−Coulomb强度准则解答偏保守, 弹−脆−塑性模型相比理想弹塑性模型更适合隧道塑性分析.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-025
表面残余应力的仪器化压入检测方法研究进展
彭光健, 张泰华
针对表面残余应力的仪器化压入检测方法, 阐释利用压入方式检测残余应力的基本原理及其力学机制, 梳理建立残余应力压入检测方法的常用技术路线, 结合残余应力压入检测方法的不同分类, 着重分析六种代表性压入检测方法的优势与局限, 讨论验证压入检测方法可靠性的常用方法, 最后总结残余应力压入检测方法的研究进展, 展望未来的发展趋势为建立无需参考试样一体化检测材料力学参数和非等轴残余应力的仪器化压入分析方法, 探讨建立方法的四个研究要领, 即机制清楚、分析可靠、技术可行、结果可信. 仪器化压入检测技术是郑哲敏先生晚年的研究兴趣之一, 作者在中科院力学所工作期间曾受到郑哲敏先生的热切关注和提问式激励, 谨以此文纪念郑哲敏先生逝世周年.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-222
复杂时间序列的多尺度分析
高剑波
为纪念郑哲敏先生仙逝一周年, 作者先回忆在读研期间先生对自己的教诲, 然后介绍先生和自己在非线性科学领域的一些工作, 及后来这些工作如何被拓展并演变成一些非线性问题通用的分析方法. 具体的方法包括混沌时间序列分析的相空间最优重构, 混沌的直接动力学判据, 基于依赖于尺度的李雅普诺夫指数(Scale-Dependent Lyapunov Exponent, SDLE)的多尺度分析, 及自适应分形分析. 特别, SDLE可以非常好地刻画已知的所有类的时间序列模型, 因此, 可以统一已知的各种复杂性的度量. 自适应分形分析基于自适应滤波, 能非常好地决定趋势, 包括各种震荡模式和回归分析的非线性回归曲线, 也能非常好地去噪, 并把时间序列分解成各种内在固有模式. 这些方法已被广泛用于自然科学、工程技术和社会科学的诸多领域. 它们特别适用于各领域(包括运维)的故障诊断, 生物医学数据的分析, 及不确定性的度量. 郑先生从不囿于他自己熟悉的领域, 而是随着时代发展不断拓展新的领域. 身处百年未遇之大变局时期, 我们必须发扬光大先生的这种求真务实和开拓进取的精神.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-213
平面叶栅气动试验研究进展与展望
张庆典, 马宏伟, 杨益, 肖安琪
平面叶栅气动试验传统上是验证压气机、涡轮的基元性能的主要手段, 近年来国内外研究人员利用平面叶栅开展了大量的流动测量试验, 以揭示叶栅内部复杂流动现象的本质和规律、探索减小叶栅内流动损失的方法. 本文从试验装置、测试技术和研究内容三个方面, 综述了近年来平面叶栅气动试验研究的进展情况. 首先介绍了平面叶栅试验装置的发展及提高平面叶栅试验段流场品质的措施; 其次介绍了叶栅气动试验采用的部分流场测试技术, 包括叶片表面压力场、叶片表面温度场、内流速度场及流场可视化等测试技术, 分析了这些测试技术的进展和存在的问题; 然后梳理了近年来平面叶栅试验研究的相关科学问题及进展, 包括跨音速叶栅中的激波研究, 叶顶间隙泄漏流动研究, 叶型优化研究, 多尺度非定常旋涡结构研究, 振动环境下叶栅流场研究等; 最后对平面叶栅气动试验研究方向进行了展望. 通过了解叶栅内复杂流动现象及本质, 为进一步探索和提高压气机、涡轮的气动性能提供技术支撑.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-684
横向磁场下侧壁加热方腔熔化的数值模拟研究
孙思睿, 张杰, 倪明玖
磁场下的固−液相变过程在电磁冶金和增材制造等工程应用中广泛存在, 其中的熔化过程和流动机理尚未完全探究清楚. 方腔熔化是研究固−液相变过程的基础模型, 具有良好的普适性, 研究磁场对其流动的影响可以为其他复杂相变过程提供参考. 本文基于焓方法开展了固−液相变的数值模拟研究, 得到了垂直主环流方向的横向磁场对侧壁加热方腔中流动、传热和熔化过程的影响. 首先, 对于无磁场时的方腔熔化问题, 通过与已有的实验结果和数值结果进行对比, 证实了文献中方腔宽度对固−液界面的形状及位置影响不能忽视的结论. 随后, 对小磁场情况下的三维工况进行了直接数值模拟, 发现此时磁场效应主要表现为对混乱三维流动产生整流作用, 使流动趋于二维化. 但由于固−液界面的存在, 主流区的速度在趋于一致的同时也会反作用于界面, 其形状随磁场增强而逐渐转变为二维结构. 最后, 本文采用准二维模型分析了更强磁场时的情形, 讨论了不同参数对传热效率及界面形状的影响, 并发现了横向磁场作用下的垂直最大速度仍满足磁对流中的无量纲参数标度律关系.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-155
气泡碰撞亲疏水曲壁的行为特性研究
唐子建, 杜伟, 杜鹏, 胡海豹, 陈效鹏, 文俊, 谢络
气泡碰撞固壁行为和影响因素的研究一直以来都是科学界关注的重点之一, 其在矿物浮选、气膜减阻等工业领域中的应用也极具科研价值. 论文聚焦曲壁对于气泡撞击行为特性的影响研究. 采用高速摄像技术记录气泡碰撞不同曲率半径下亲疏水曲壁的撞击过程, 分析了曲壁润湿性、曲率半径对气泡碰撞固体曲壁的影响规律. 结果表明, 气泡碰撞亲水曲壁时会发生多次弹跳直至离开曲壁; 曲率半径越大, 弹跳次数越少, 且第一次反弹的最远距离越近, 再次发生碰壁时的速度越小. 而碰撞疏水曲壁时会出现碰撞—滑移—附着的现象, 此外针对液膜挤压破裂的现象, 建立理论模型推导出液膜诱导时间的预测公式, 其主要与液膜厚度、液膜临界破裂厚度和液膜被压缩速度有关, 预测误差小于5.0%.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-116
斑马鱼直线加速游动试验研究
郭春雨, 梁泽军, 韩阳, 郐云飞, 徐鹏, 孙路程
海洋生物低噪音、高速、髙效游动能力是任何人造水下航行器所无法比拟的. 借助时间解析粒子图像测速技术对斑马鱼直线加速游动过程进行精细流场测量, 对其运动学行为特性和动力学机理进行分析. 同时应用双正交分解对涡量场进行模态分解, 获取流场的时间演化和空间分布特征. 从流动机理的角度探究斑马鱼游动过程的流动结构特征及旋涡动态演化特性. 试验结果表明: 流动可视化展现了整体涡流尾迹的结构分布,方便探究运动特性与旋涡尾迹之间的耦合关系. 斑马鱼从运动开始时体干保持着鲹科式的运动规律, 游动时的动能主要由前几次大幅的摆尾过程提供, 后续的摆尾主要调整方向及姿态. 两次不同方向的摆尾动作会形成一对方向相反的旋涡, 并在时序下旋涡逐渐脱落. 同时尾流的涡量变化在一定程度上反映鱼体的游向的变化. 基于双正交分解分解后的时间演化结果验证本次试验在时间上涡量场具有合理的恒定幅度, 空间分布表明低阶空间模态表征斑马鱼游动的主要涡流动结构, 高阶空间模态表征涡流动的细节结构. 研究鱼类游动时的摆尾推进机制与动力学特性能够为高效率的仿鱼类推进装置设计提供一定科学参考.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-157
三浦折纸超材料结构数字化设计与模型验证
陈耀, 叶王杰, 史佳遥, 冯健
折纸结构在航空航天、柔性电子、汽车船舶和建筑结构等领域具有较好的应用前景. 三浦折纸单元沿三向拓展可构建出三浦折纸超材料结构, 具有高孔隙、可自锁、平面折展、负泊松比、形态可控等特性. 为了便于生成折纸超材料结构的复杂三维模型、推广应用于缓冲吸能结构及可展结构, 本文利用Matlab和Grasshopper软件, 发展了三浦折纸超材料结构的数字化设计方法, 利用数字化建模及3D打印技术, 实现了零厚度及非零厚度三维折纸模型的统一建模, 并开展了物理模型验证分析, 探讨了3D打印制作折纸超材料结构模型的优缺点; 推导了三浦折纸超材料的折痕长度、相对密度、折叠率等特性与几何参数的关系, 利用Abaqus/Explicit软件开展了结构准静态压缩过程分析与验证, 揭示相对密度对结构吸能指标的影响规律. 研究结果表明, 折纸超材料结构数字化设计方法高效、准确, 便于结构选型及优化分析, 所得三维模型结果与理论值吻合较好. 当胞元面板构型、面板厚度及结构折痕总长不变时, 相对密度较小的三浦折纸超材料结构具备更为优异的吸能效率.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-080
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, 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和最优误差收敛率, 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
加载速率和几何尺寸对国产A508-III钢断裂行为影响的实验研究
崔光顺, 包陈, 李一磊, 孙建华, 杜开开
由加载速率和几何约束改变而引起的压力容器钢韧脆转变问题是核能安全领域亟待解决的关键问题. 为了准确分析国产A508-III钢的动态断裂行为, 借助INSTRON VHS高速材料试验机, 开展了不同加载速率和几何尺寸条件下的国产A508-III钢的断裂韧性试验, 研究了加载速率和几何尺寸等因素对国产A508-III钢动态断裂韧性的影响. 研究表明, A508-III钢具有良好的抗冲击韧性, 随着加载速率的提高, 试样的总冲击吸收能基本保持恒定, 裂纹萌生吸收能量不断上升, 而裂纹扩展吸收能量呈下降趋势. Ja阻力曲线和条件起裂韧性JQ随着几何约束的增加而降低, 随加载速率的增加而升高. 当达到某一临界速率时, 条件起裂韧性JQ基本恒定, 试样断裂方式也由韧性断裂转变为韧−脆−韧混合断裂. 由于出现混合断裂模式, 发生脆性断裂时的最大J积分值Jmax更适于描述国产A508-III钢的断裂韧性演化规律. 随着试样面外几何约束的降低, Jmax随Δam的增加而线性增大. 试样面内几何约束越高, Jmax与Δam之间的线性关系斜率越大. 随着试样几何约束的增加, 材料的韧脆转变速率增加, Jmax值下降. 改变几何约束只能在有限的加载速率范围内改变材料的断裂方式, 当加载速率超过某个临界值时, 加载速率成为影响材料断裂方式的主要因素.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-613
条形荷载下梯度非均匀非饱和土的动力响应分析
施力维, 马强, 舒进辉
基于多孔介质混合物理论, 建立了梯度非均匀非饱和土地基模型, 研究了条形荷载作用下梯度非均匀非饱和土地基的动力响应问题. 通过傅里叶积分变换和Helmholtz矢量分解原理, 获得频域内非饱和土地基动力响应问题的通解, 结合回传射线矩阵法和边界条件, 求解获得了非均匀非饱和土层中位移、应力以及孔隙压力的计算列式. 假设沿深度方向梯度非均匀非饱和土的物理力学性质按幂函数连续变化, 通过数值傅里叶逆变换得到了非均匀非饱和土地基中的应力、位移以及孔隙压力等物理量的数值解, 分析讨论了土体非均匀性对非饱和土介质动力响应的影响规律. 结果表明: 土体非均匀性显著改变了非饱和土中竖向位移、正应力和孔隙压力在其深度方向上的振动模态, 其中孔隙气压在其深度方向的振动频率随着梯度因子的增加而不断增大, 波峰值不断靠近地表处附近; 竖向位移随着梯度因子的增大不断减小; 正应力和孔隙水压随着梯度因子的增大先增大后减小, 并且土体非均匀程度越高, 正应力与孔隙水压的幅值越大.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-612
盾构施工荷载作用下带榫管片水平轴线偏移预测模型研究
王超, 邹金锋
小曲率半径盾构施工容易引起管片错台破损、拼装质量降低和水平轴线偏移等不良情况产生, 需要重点探明小曲率半径隧道盾构施工引起管片水平轴线偏移的量化情况. 由于小曲率半径条件下盾构施工将导致隧道整体向弧线外侧偏移, 轴线难以控制, 因此有效预测该条件下盾构施工阶段管片水平轴线偏移量并探明其偏移规律就显得尤为重要. 本文结合实际工程需要, 综合考虑盾构施工过程中隧道收敛变形引起的管片环“椭圆化”变形的影响、管片环缝及接头构造对纵向刚度的影响、榫杆连接时凹凸榫面的接触滑移影响和环间同时出现张开和错台的影响, 建立了盾构隧道纵向等效刚度有效率连续化改进模型. 通过求解小曲率半径条件下的文克尔地基曲梁微分方程, 分别构建均质等截面和非均质变截面文克尔地基曲梁条件下的带榫管片水平轴线偏移预测模型, 由此建立盾构施工荷载作用下带榫管片水平轴线偏移预测模型, 并依托实际工程加以验证. 结果表明:现场监测与数值模拟结果证明了本文预测模型的可靠性和适用性, 且模型预测结果与现场监测结果之间的误差在多数情况下均小于5%, 并未出现超出工程上规定的20%误差的情况, 预测结果与监测结果的拟合效果良好, 且均在规范容许的合理范围内. 为小曲率半径盾构隧道工程及其类似工程中的管片偏移及错台问题提供有效的理论指导.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-372
基于统一相场理论的锂电池电极颗粒断裂模拟研究
吴建营, 洪屹峰
锂电池充放电过程中, 锂离子的脱出和嵌入会引发电极颗粒的不均匀体积变化和机械应力. 上述锂离子扩散过程诱发的应力与电极颗粒的尺寸大小、截面形状和冲放电速率有关, 可能会导致电极颗粒出现裂缝起裂、扩展甚至断裂等力学失效, 对锂离子电池的容量和循环寿命等性能产生不利影响. 为准确模拟并预测电极颗粒的力学失效过程, 在笔者前期提出的统一相场理论框架内进一步考虑化学扩散、力学变形和裂缝演化等耦合过程, 建立化学–力学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, 并应用于二维柱状和三维球体锂电池电极颗粒的力学失效分析. 由于同时涵括了基于强度的起裂准则、基于能量的扩展准则以及基于变分原理的裂缝路径判据, 这一模型不仅适用于带初始缺陷电极颗粒的开裂行为模拟, 而且适用于无初始缺陷电极颗粒的损伤破坏全过程分析. 数值计算结果表明, 相场内聚裂缝模型能够模拟锂离子扩散引发的电极颗粒裂缝起裂、扩展、汇聚等复杂演化过程, 可为锂离子电池电极颗粒的力学失效预测和优化设计提供有益的参考.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-057
黏弹性管道水柱分离弥合水锤有限体积法模型
王宁, 周领, 李赟杰, 潘天文
基于有限体积法二阶Godunov求解格式对黏弹性输水管道中水柱分离弥合现象进行建模和模拟研究. 在传统的弹性管道模型基础上考虑管道黏弹性效应的影响. 在瞬变流控制方程中引入管道黏弹性项和动态摩阻项, 采用有限体积法进行求解, 考虑压力修正系数来模拟自由气体对计算单元的影响, 同时为避免数值模拟结果产生虚假震荡引入斜率限制器MINMOD函数; 通过虚拟单元法进行边界构建, 实现了计算区域的统一计算. 将所建模型计算结果与已有模型结果、试验结果进行对比, 并对影响模型的各参数进行敏感性分析. 结果表明, 本文模型能够准确模拟出纯水锤、水柱分离弥合水锤两种情况下的瞬态压力变化, 均能与试验数据高度吻合; 与传统的特征线方法相比, 当库朗数Cr小于1时, 有限体积法二阶Godunov格式计算结果更准确、稳定; 在压力波动的衰减过程中, 黏弹性效应相比于管道摩阻起主导作用; 与弹性管道模型相比, 考虑管道黏弹性效应后可显著提高模拟结果的准确性, 尤其是压力波峰值的相对误差明显降低.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-069
含高温度梯度及接触热阻非线性热力耦合问题的谱元法
史鑫, 赵建宁, 杨苗苗, 张家雷, 刘冬欢
建立了含高温度梯度及接触热阻的非线性热力耦合问题的谱元法格式, 考虑了温度相关的热导率、弹性模量、泊松比和热膨胀系数, 以及界面应力相关的接触热阻的影响. 谱元法的插值函数基于非等距分布的Lobatto结点集或第二类Chebyshev结点集, 兼具谱方法的高精度和有限元法的灵活性. 数值算例表明, 建立的谱元法计算格式可以高效高精度地求解域内高温度梯度以及含接触热阻的非线性热力耦合问题, 不仅收敛速度快于传统有限元法, 而且用较少的自由度和较短的计算时间即可得到比传统有限元法更高精度的计算结果, 在工程实际热力耦合问题中具有广阔的应用前景.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-062
基于DRBF-EKF算法的车辆质心侧偏角与路面附着系数动态联合估计
李韶华, 王桂洋, 杨泽坤, 王雪玮
车辆质心侧偏角和路面附着系数是实现车辆底盘智能化所需要的关键参数. 车辆质心侧偏角对于提高车辆安全性和操控性至关重要, 轮胎-路面附着系数决定轮胎力的峰值, 进而确定汽车的动力学稳定性边界. 本文针对四轮独立驱动电动汽车提出了一种基于惯性测量单元、轮毂电机内置转速/转角传感器的车辆质心侧偏角和路面附着系数动态联合估计方法. 对四轮独立驱动电动汽车进行车辆动力学分析, 结合Dugoff轮胎计算模型得到车辆质心侧偏角估计器; 利用机器学习中高维数据降维PCA多元分析方法, 提取主元特征参数, 建立路面附着系数估计器. 采用可自适应调节网络结构的双径向基神经网络和扩展卡尔曼滤波DRBF-EKF方法, 通过K-means算法改进RBF神经网络结构, 扩展卡尔曼滤波进行噪声滤波提高估计精度, 实现车辆质心侧偏角和路面附着系数的动态联合估计. 通过仿真和实车实验表明, 所设计的DRBF-EKF动态联合估计器实时性和估计精度均优于扩展卡尔曼滤波算法, 可以适应车辆行驶过程中路面附着特性与车速的变化, 表现出较强的鲁棒性; 与DRBF方法相比, 显著提高了估计精度; 并且分析了可以同时满足估计精度和实时性要求的最佳隐含层神经元个数.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-551
基于优化多核极限学习机的车轮多边形磨耗识别
谢博, 陈是扦, 徐明坤, 杨云帆, 王开云
多边形车轮是铁路机车车辆中普遍存在的一种磨损现象, 随着列车运营里程的增加, 车轮磨耗程度显著提升, 严重影响着列车乘坐舒适性和运营安全性, 借助于列车运营监测大数据开展多边形车轮动态检测方法研究具有重要意义. 本研究基于列车轴箱垂向加速度建立了多边形车轮定量识别模型, 首先通过阶次分析识别出轴箱加速度中包含的多边形车轮主要阶次, 同时获取各阶次对应的加速度幅值信息, 在此基础上引入加速度信号熵特征共同构建多边形车轮磨耗幅值识别特征矩阵, 然后建立遗传变异粒子群优化多核极限学习机 (GMPSO-MELM) 识别模型, 通过特征矩阵与磨耗幅值的映射关系, 进一步实现了车轮多边形磨耗幅值识别. 通过仿真与现场实测数据研究结果表明, 所提出的识别模型能有效地从轴箱加速度中提取多边形车轮主要阶次, 磨耗幅值的识别精度均优于对比模型且具有较高的检测效率, 可实现均方根误差为0.0010 (仿真结果) 与0.0134 (试验结果) 的精确识别, 本文提出的多边形车轮磨耗识别模型可为列车车轮检测与智能维护提供理论基础.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-083
基于2D网格的轴对称浸没边界法
蔡政刚, 潘君华, 倪明玖
浸没边界法是处理颗粒两相流中运动边界问题的一种常用数值模拟方法. 当研究的物理问题的无量纲参数满足一定要求时, 该流场结构呈现轴对称状态. 为此本文提出了一种基于2D笛卡尔网格和柱坐标系的轴对称浸没边界法. 该算法采用有限体积法(FVM)对动量方程进行空间离散, 并通过阶梯状锐利界面替代真实的固体浸没边界来封闭控制方程. 为了提高计算效率, 本文采用自适应网格加密技术提高浸没边界附近网格分辨率. 由于柱坐标系的使用, 使得动量方程中的黏性项产生多余的源项, 我们对其作隐式处理. 此外, 在对小球匀速近壁运动进行直接数值模拟时, 由于球壁间隙很小, 间隙内的压力变化比较剧烈. 因此想要精确地解析流场需要很高的网格分辨率. 此时, 需要在一个时间步内多次实施投影步来保证计算的稳定性. 而在小球自由碰壁运动中, 我们通过引入一个润滑力模型使得低网格分辨率下也能模拟小球近壁处的运动. 最后通过小球和圆盘绕流、Stokes流小球近壁运动以及小球自由下落碰壁弹跳算例验证本算法对于轴对称流的静边界和动边界问题均是适用和准确的.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-110
基于实测载荷谱的重载铁路货车车钩钩尾框剩余寿命预测
秦天宇, 任鑫焱, 胡飞飞, 刘宇杰, 奥妮, 阚前华, 吴圣川, 康国政
随着我国重载铁路货车运行规模及开行频次的增加, 车钩钩尾框断裂破坏问题日益严重. 本文以国产16/17型车钩钩尾框(锻造E级钢)为研究对象, 首先通过系统的材料试验获得了锻造E级钢的基本力学性能和断裂性能参数; 其次建立了含初始裂纹缺陷的钩尾框有限元模型; 最后基于实测线路载荷谱, 采用NASGRO方程开展了伤损钩尾框剩余寿命预测. 计算结果表明: 当裂纹形貌比a/c为0.8, 0.5, 0.3时计算得到的车钩钩尾框剩余寿命逐渐减小, 疲劳裂纹从深度2 mm扩展至20 mm的计算剩余寿命分别为36, 32, 26万公里, 均不足一个段修期; 3种裂纹形貌比下裂纹扩展至12 mm后的剩余寿命占比均较小, 仅为总剩余服役里程的4.7%, 4.0%, 2.2%, 因此可将12 mm作为钩尾框损伤容限止裂判据较为合理; 为研究近门槛区对裂纹扩展寿命的影响, 当裂纹形貌比为0.5且初始裂纹的尺寸降低至0.5 mm时, 裂纹将处于裂纹扩展门槛区附近, 剩余服役里程约为156万公里, 约为2 mm初始裂纹的4.9倍, 跨越了三个段修期. 论文研究结果可为重载铁路货车钩尾框检修周期的优化提供基本参考.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-687
一种基于Hamel形式的无条件稳定动力学积分算法
顾崴, 刘铖, 安志朋, 史东华
时间积分算法是求解动力学系统的一个核心问题. 动力学方程的时间积分经常会出现数值不稳定现象, 有限元空间离散也通常会造成伪高频振荡, 因而, 发展解决上述问题的数值积分算法具有重要的理论价值. 本文基于Hamel场变分积分子, 通过新的数值积分算法的构造方法, 提出了一种无条件稳定的Hamel广义$ \alpha $方法, 具体内容包括: 构造特殊的变分形式, 利用变分积分子等工具, 建立无条件稳定的数值积分算法; 在相同框架下, 提出更高精度的数值格式; 结合活动标架法的特性, 将算法的一般形式推广到李群空间, 得到Hamel-广义$ \alpha $方法李群形式; 对算法的收敛性和稳定性等性质进行了讨论, 并通过算例验证了结论. 理论分析的结果表明本文所提出的Hamel广义$ \alpha $方法是无条件稳定的, 具有二阶精度并且能够快速过滤掉虚假的高频振荡. 数值算例的结果显示, 本文所提方法具备了传统方法的精度、耗散和稳定性优势, 既适合一般的线性空间, 也适用于李群空间, 同时还可以发展高阶精度算法. 本文发展了构造变分积分子的新模式.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-131
冲击波诱发含孔Mg-3 Al-1 Zn合金位错形核及演化行为研究
杨晓悦, 徐爽, 刘立胜
由于汽车和航空航天领域对轻量化材料的需求, 镁及其合金因其具有低密度、高强度等一系列优点而拥有难以替代的地位. 目前, Mg-3Al-1Zn合金是目前应用最广泛的一种商用镁合金, 研究其在冲击载荷作用下的变形机理和冲击响应, 对促进镁合金在汽车和航空航天领域的应用具有重要意义. 本文针对$ {\text{[0001]}} $${\text{[10}}\bar {\text{1}} {\text{0]}}$两种不同冲击晶向, 采用分子动力学方法讨论了含有圆柱形孔洞的Mg-3Al-1Zn合金模型在冲击波作用下孔洞表面位错形核与演化的过程. 研究表明, 孔洞附近滑移系的激活强烈依赖于冲击晶向, 当沿着$ {\text{[0001]}} $晶向冲击时, 基面位错在孔洞表面优先形核, 随后沿着与之前21°的夹角方向滑移形成一个大角度晶界; 对于${\text{[10}}\bar {\text{1}} {\text{0]}}$晶向的冲击, 孔洞附近的变形最初由柱面位错主导, 随后大量的基面位错分布在孔洞周围. 基于应力波理论进一步讨论了冲击波前沿导致的孔洞附近晶格转向行为, 发现孔洞表面的反射等容波(SV2)决定了孔洞表面位错的形核位置和滑移方向, 而反射无旋波(P2)决定了孔洞附近与坍缩有关的塑性变形行为. 最后, 结合孔洞周围应力场分布分析了两种冲击晶向下孔洞表面位错的分布规律. 总的来说, 本文的分子动力学模拟结果与基于应力波理论的分析、孔洞周围应力场的分析均吻合较好, 获得了孔洞附近的位错形核及演化规律.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-125
密度梯度柱壳链的弹性波传播特性研究
彭克锋, 郑志军, 周风华, 虞吉林
均匀圆柱壳链可以调控弹性波传播, 引入密度梯度有望进一步提高波形调控能力. 通过建立密度梯度柱壳链的细观有限元模型和连续介质模型, 研究了密度梯度柱壳链的弹性波传播特性. 通过将密度梯度柱壳链等效为变密度连续介质弹性杆, 建立了其在应力脉冲作用下的控制方程. 运用拉普拉斯积分变换方法, 考虑杆中密度遵循线性分布, 获得了方程的解析解. 以三角形应力脉冲作用为例, 通过与细观有限元模拟结果比较, 发现解析解可以较好地预测梯度柱壳链中载荷的演化趋势. 正梯度链中载荷峰值随着波传播逐渐增大, 负梯度链中载荷峰值随着波传播逐渐减小. 正梯度链支撑端峰值载荷高于均匀链, 负梯度链支撑端峰值载荷低于均匀链, 这表明相较于均匀柱壳链, 密度梯度柱壳链可以在更大范围内对波形进行调控. 线性密度梯度参数对梯度柱壳链的波形调控能力影响较大, 梯度参数越小, 传递到支撑端的峰值载荷越小; 相反, 梯度参数越大, 支撑端的峰值载荷越大. 建立的理论模型及其解析解为研究梯度柱壳链中应力波传播规律及揭示载荷调控机理提供了理论基础.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-019
W25Fe25Ni25Mo25高熵合金高速侵彻时的细观结构演化特性
陈海华, 张先锋, 赵文杰, 高志林, 刘闯, 谈梦婷, 熊玮, 汪海英, 戴兰宏
为了探究W25Fe25Ni25Mo25高熵合金弹体在侵彻过程中宏观变形行为与材料微细观结构之间的联系, 基于对两相流动模型的简化, 建立了考虑软、硬相密度、流速以及浓度差异的等截面直管两相流动演化模型. 类比宏观状态下侵彻弹体头部材料的流入流出特性, 选定分析区域, 建立两相细观结构下材料在分析区域的流入流出关系, 再结合细观结构演化方程, 给出了分析区域中浓度演化结果, 提出了表征材料浓度演化速率的流动稳定系数t/llength. 为了对比不同细观结构弹体的侵彻行为, 选取典型两相材料钨铜合金(W70Cu30), 基于小口径弹道枪发射平台开展两种弹体侵彻半无限钢靶试验, 对比两种合金弹体细观结构演化行为. 结果表明, 硬相浓度分布总体上体现“中心浓, 边缘稀”的特点; 硬相的浓度越高, 密度越大, 驱动速度越快, 则流动稳定系数t/llength值越小, 侵彻过程中弹体的流动稳定性越好, 弹体头部材料越容易形成连续的塑性流动带. 等截面直管两相流动演化模型可用于描述侵彻过程中弹体头部材料的流动稳定性, 揭示了侵彻过程中弹体头部变形与细观两相结构之间的关联机制.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-128
剪切变稀流体液滴撞击疏水表面回弹现象及最大铺展的研究
郑诺, 刘海龙
非牛顿流体液滴撞击固体表面的行为广泛存在于多种工农业生产中, 然而目前相关研究主要关注牛顿流体, 非牛顿流变特性对液滴撞击动力学的影响机制还有待探索. 本文研究了纯剪切变稀流体(质量分数≤ 0.03%的黄原胶水溶液)液滴撞击疏水表面后的最大铺展及回弹行为. 通过高速摄像技术捕获液滴撞击疏水表面的运动过程及形态变化, 研究了液滴的铺展回缩过程. 实验结果表明, 在相同We下, 剪切变稀特性对液滴撞击疏水表面后的铺展阶段影响很小, 但对回缩阶段影响很大. 黄原胶浓度增加使得液滴依次表现出部分回弹、完全回弹和表面沉积三种不同的回弹行为. 利用能量守恒定律推导出了液滴能在疏水表面上回弹的临界无量纲高度ξc理论值. 发现牛顿流体与非牛顿流体液滴最大无量纲高度ξmax均符合标度律ξmax ~ αWe斜率随黄原胶浓度增大而减小. 基于有效雷诺数Reeff, 提出了一种有效黏度μeff表达式, 并据此建立了剪切变稀流体的最大无量纲直径βmax预测模型. 该模型在较广We区间与实验测量值取得了良好一致.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-135
高速列车轴箱轴承健康监测与故障诊断研究综述
顾晓辉, 杨绍普, 刘文朋, 刘泽潮
随着我国高速列车的发展, 针对其运营维护中的故障预测与健康管理问题日益受到关注. 轴箱轴承是高速列车走行部中的关键旋转部件, 在复杂的轮轨相互作用下极易出现由疲劳、过载等原因导致的失效, 影响列车的行车效率和运行安全. 而现有诊断方法和技术难以满足高速列车动态化、系统化的安全保障需求, 亟待进一步发展轴箱轴承健康监测和诊断技术. 首先, 介绍了工程中维修检测、轨边监测和车载监测系统的主要内容和发展现状. 然后, 从动力学正、反问题两个方面, 分析和总结了在轴箱轴承的理论建模方法和轴箱轴承与列车耦合系统的动态特性分析、基于先进信号处理技术和机器学习技术的诊断方法等方面的研究思路和研究进展. 最后, 对轴箱轴承健康监测与故障诊断技术的发展趋势进行了展望, 评述了在指导列车故障预测与健康管理方面的不足.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-007
金字塔点阵圆筒结构轴向弹性波传递特性研究
任怡, 张昊, 张望, 刘海东, 李钊, 张满弓
点阵结构的周期和多孔特征使其相较于普通的实体结构具有轻质、耐冲击、减振降噪和高比强度等优势, 在航空航天和船舰等领域具有十分广泛的应用前景. 本文以金字塔点阵圆筒结构为对象, 根据单胞的宽、高和阵列的个数等独立的结构参数进行参数化建模, 并利用商用有限元软件计算了点阵圆筒结构轴向振动特性. 通过无量纲手段针对归一化频率和相对带宽, 系统研究了单胞的宽、高以及杆件直径等关键参数对减振效果的影响. 根据参数分析的结果, 设计了一种具有低频宽带减振性能的金字塔点阵圆筒结构. 使用增材制造技术制作了样件, 并进行了振动测试实验, 结果表明, 实验和有限元模拟的结果基本一致, 在500~1500 Hz范围内, 结构表现出明显的减振效果, 平均的衰减强度达到了50 dB左右.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-168
简谐激励下黏弹性非线性能量阱的研究
范舒铜, 申永军
黏弹性材料作为一种良好的减振材料, 广泛应用于机械、航空和土木等领域. 本文用黏弹性Maxwell器件代替传统非线性能量阱中的阻尼元件, 提出一种新型的黏弹性非线性能量阱, 并对该模型在简谐激励下的减振性能进行分析. 首先, 根据牛顿第二定律建立系统的动力学方程, 采用谐波平衡法求解系统的幅频响应曲线, 并利用MATLAB中的Runge-Kutta数值方法验证解析解的正确性, 结果吻合良好. 然后, 分析黏弹性非线性能量阱的减振性能和参数的影响. 最后, 分析了不同质量比下非线性刚度比和阻尼比同时变化时减振效果的变化趋势, 并讨论了黏弹性非线性能量阱的最佳取值范围. 研究结果表明: 主系统的最大振幅随着非线性刚度的增加先减小后增大; 当参数选取恰当时, 黏弹性非线性能量阱比传统非线性能量阱的减振效果更优; 另外, 随着质量比的增加, 主系统最大振幅的最小值出现先减小后趋于不变的现象, 且非线性刚度比和阻尼比的最佳取值范围有所增大. 以上结论对黏弹性非线性能量阱的实际应用提供了一定的理论依据.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-193
非线性连续体拓扑优化方法综述
文桂林, 刘杰, 陈梓杰, 魏鹏, 龙凯, 王洪鑫, 荣见华, 谢亿民
连续体拓扑优化方法可以从力学本质上提升结构的性能, 为设计人员提供多样性的创新性设计, 近年来得到了快速发展. 该领域在线性问题上发展已经较为成熟, 已经成功应用到很多工程结构的高性能设计. 但实际工程中会涉及大量非线性问题, 如果将其近似为线性问题, 往往会产生较大误差, 甚至得到错误的结果, 可能会导致重大的工程安全事故. 在航空航天、机械工程、海洋工程、高速列车、建筑工程等重要工程领域需求驱动的背景下, 非线性连续体拓扑优化方法近年来取得了引人注目的进展. 本文系统地综述了涉及材料非线性、几何非线性和边界非线性三种类型的连续体拓扑优化方法, 并对现有典型方法进行讨论和评述. 最后, 指出了非线性连续体拓扑优化方法目前存在的困难(如数值分析精度差、计算效率低、局限于静力学领域等)以及未来的发展方向. (如大变形大应变问题、非线性动力学问题、大规模拓扑优化设计问题等). 本研究综述可为非线性连续体拓扑优化领域的初学者提供较为全面的知识梳理, 同时也为从事相关领域学者提供应有的帮助.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-179
求解固体力学问题的强−弱耦合形式单元微分法
胡凯, 高效伟, 徐兵兵
单元微分法是一种新型强形式有限单元法. 与弱形式算法相比, 该算法直接对控制方程进行离散, 不需要用到数值积分. 因此该算法有较简单的形式, 并且其在计算系数矩阵时具有极高的效率. 但作为一种强形式算法, 单元微分法往往需要较多网格或者更高阶单元才能达到满意的计算精度. 与此同时, 对于一些包含奇异点的模型, 如在多材料界面、间断边界条件、裂纹尖端等处, 传统单元微分法往往得不到较精确的计算结果. 为了克服这些缺点, 本文提出了将伽辽金有限元法与单元微分法相结合的强−弱耦合算法, 即整体模型采用单元微分法的同时, 在奇异点附近或某些关键部件采用有限元法. 该策略在保留单元微分法高效率与简洁形式等优点的同时, 确保了求解奇异问题的精度. 在处理大规模问题时, 针对关键部件采用有限元法, 其他部件采用单元微分法, 可以在得到较精确结果的同时, 极大提高整体计算效率. 在本文中, 给出了两个典型算例, 一个是具有切口的二维问题, 一个是复杂的三维发动机问题. 针对这两个问题, 分析了该耦合算法在求二维奇异问题和三维大规模问题时的精度与效率.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-087
基于岩石蠕变及D-P准则的深部巷道围岩弹塑性分析
经纬, 陈洪恩, 杨仁树, 经来旺, 薛维培, 王福奇
为深入分析岩石蠕变及中间主应力对深部高应力软岩巷道围岩稳定性及分区变形特性的影响机理, 通过剖析长期荷载作用下深部巷道围岩的变形特征, 揭示了基于围岩蠕变特性的深部巷道围岩四分区变形机理, 并依据D-P准则及关联性流动法则考虑了中间主应力、岩体扩容及应变软化的影响, 推导出巷道围岩各分区应力、变形和半径解析解. 结合工程算例, 通过对现场监测数据以及不同力学模型的计算结果进行对比分析, 论证了本文理论的科学性, 并揭示了不同强度准则和围岩参数对深部巷道围岩各分区形态的影响规律. 结果表明, 忽视深部巷道围岩的蠕变特性将导致初始黏聚力的取值大于实际值, 从而造成围岩的理论承载能力大于实际承载能力; 在[0, 0.7]区间内提高中间主应力系数可有效控制围岩塑性区及破碎区范围的扩展; 当初始黏聚力及内摩擦角减小时, 中间主应力系数对围岩塑性区、破碎区范围及巷道变形的影响力显著提高. 研究成果可为地下工程支护设计及围岩稳定性评估提供理论参考.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-619
高斯色噪声和谐波激励共同作用下耦合SD振子的混沌研究
周碧柳, 靳艳飞
耦合SD振子作为一种典型的负刚度振子, 在工程设计中有广泛应用. 同时高斯色噪声广泛存在于外界环境中, 并可能诱发系统产生复杂的非线性动力学行为, 因此其随机动力学是非线性动力学研究的热点和难点问题. 本文研究了高斯色噪声和谐波激励共同作用下双稳态耦合SD振子的混沌动力学, 由于耦合SD振子的刚度项为超越函数形式, 无法直接给出系统同宿轨道的解析表达式, 给混沌阈值的分析造成了很大的困难. 为此, 本文首先采用分段线性近似拟合该振子的刚度项, 发展了高斯色噪声和谐波激励共同作用下的非光滑系统的随机梅尔尼科夫方法. 其次, 基于随机梅尔尼科夫过程, 利用均方准则和相流函数理论分别得到了弱噪声和强噪声情况下该振子混沌阈值的解析表达式, 讨论了噪声强度对混沌动力学的影响. 研究结果表明, 随着噪声强度的增大混沌区域增大, 即增大噪声强度更容易诱发耦合SD振子产生混沌. 当阻尼一定时, 弱噪声情况下混沌阈值随噪声强度的增加而减小; 但是强噪声情况下噪声强度对混沌阈值的影响正好相反. 最后, 数值结果表明, 利用文中的方法研究高斯色噪声和谐波激励共同作用下耦合SD振子的混沌是有效的.本文的结果为随机非光滑系统的混沌动力学研究提供了一定的理论指导.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-123
卷积神经网络在流场重构研究中的进展
陈皓, 郭明明, 田野, 陈尔达, 邓雪, 乐嘉陵, 李林静
近年来, 随着深度学习在图像处理、语音识别、自动驾驶、自然语言处理等领域迅速发展, 该技术也被越来越广泛地应用于处理具有复杂非线性、高维度、大数据量等特点的流体力学方向. 传统的方法无法有效地处理这些庞大的数据, 深度学习因其具有强大的函数拟合能力, 可以从大量的数据中挖掘有用的信息. 当前, 流体力学深度学习技术有了初步的一些研究成果, 在流动信息特征提取、多源数据信息融合及流场的智能重构等方面具有重要的工程价值, 其应用潜力逐渐得到证实. 如何利用地面风洞试验、数值模拟及飞行试验获取的数据进行深入挖掘, 快速智能感知及重构流场, 可为主动流动控制提供重要指导. 本文主要从深度学习不同类型的网络结构出发探讨了卷积神经网络在流场重构中的研究进展, 文章首先介绍卷积神经网络的一些基本概念以及基本网络结构, 之后简要介绍流场超分辨率重构网络、端到端的映射网络、长短期记忆网络(LSTM)的基本结构与理论, 并详细归纳出他们的改进形式在流场重构领域的一系列研究进展与成果, 最后对文章做出总结并探讨了流场重构深度学习技术所面临的挑战与展望.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-130
弯曲波彩虹捕获效应及其在能量俘获中的应用
王芳隆, 沈一舟, 徐艳龙, 周生喜, 杨智春
弹性波在色散关系经过设计的梯度结构中传播时会产生空间分频现象和波场能量增强现象, 即不同频率的弹性波会在结构的不同位置停止向前传播并发生能量聚集, 这就是弹性波彩虹捕获效应. 其相关研究成果可以促进结构健康监测、振动控制以及能量俘获等领域的发展. 本文通过所设计的梯度结构梁, 系统地研究了弯曲波彩虹捕获效应及其在压电能量俘获中的应用. 首先, 利用传递矩阵法获得了梯度结构梁元胞能带结构的解析解, 进而分析了弯曲波彩虹捕获效应的产生机理: 不同频率的弯曲波会在不同元胞附近群速度减小到零, 从而停止向前传播并发生反射; 入射波和反射波的叠加, 以及群速度减小带来的能量聚集, 会显著增强反射处的波场能量. 其次, 通过有限元仿真和实验验证了弯曲波彩虹捕获效应的空间分频现象和波场能量增强现象. 最后, 通过有限元多物理场耦合仿真和实验, 研究了粘贴PVDF压电薄膜的梯度结构梁相对于均匀梁的弯曲波能量俘获效果及其随入射波频率的变化规律. 结果表明, 在弯曲波彩虹捕获效应发生频带内, 粘贴在梯度结构梁上的PVDF压电薄膜的输出电压约为粘贴在均匀梁相应位置处的PVDF压电薄膜的输出电压的2倍.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-107
具有非线性支撑和弹性边界约束的轴向载荷梁结构动力学行为研究
赵雨皓, 杜敬涛, 陈依林, 刘杨
弹性梁结构作为一种基本单元被广泛于建筑、航空、航天、船舶等工程领域. 为有效降低弹性梁结构的振动水平, 深刻理解其振动特性、动力学行为显得尤为重要. 本文建立了具有非线性支撑和弹性边界约束的轴向载荷梁结构动力学分析模型, 并采用伽辽金截断法预报梁结构的动力学响应. 在伽辽金截断法的求解过程中, 选取具有弹性边界约束的轴向载荷梁结构的模态振型函数作为伽辽金截断法的试函数与权函数. 首先, 研究截断数对伽辽金截断法稳定性的影响, 并采用谐波平衡法研究伽辽金截断法的可靠性. 在此基础上, 研究谐波激励扫频方向、非线性支撑参数对具有非线性支撑和弹性边界约束的轴向载荷梁结构动力学响应的影响规律. 研究结果表明, 具有非线性支撑和弹性边界约束的轴向载荷梁结构的动力学响应具有初值敏感性且非线性支撑参数对梁结构动力学响应的影响显著. 相关非线性支撑参数使得梁结构出现复杂动力学行为. 合适的非线性支撑参数能够抑制具有非线性支撑和弹性边界约束的轴向载荷梁结构的复杂动力学行为并对梁结构边界处的减振具有有益效果.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-088
低频弹性波超材料的若干进展
王凯, 周加喜, 蔡昌琦, 徐道临, 文桂林
超材料是一类新兴的具有超常物理性质的人造周期/拟周期材料, 能够改变电磁波、声波以及弹性波等在介质中的传播特性. 因在航天、国防以及民用科学等方面的巨大应用潜力, 超材料自被提出后便受到极大的关注并引发研究热潮. 弹性波超材料是超材料的一种, 能够基于弹性波与超材料结构的相互耦合作用实现对弹性波的操控. 带隙是评估弹性波超材料实现弹性波操控的重要工具, 其性质与超材料的材料参数、晶格常数以及局域振子的固有频率相关. 受制于超材料的承载能力、外观尺寸以及局域振子结构等因素, 利用传统超材料开启低频( ~ 100 Hz)弹性波带隙依然存在较大困难. 文章首先简要介绍超材料开启弹性波带隙的基本原理, 然后从低频弹性波超材料基本结构与低频带隙实现方法、低频带隙优化与调控策略、低频带隙潜在应用等三个方面详细总结低频弹性波超材料的研究工作. 其中, 低频带隙超材料的基本结构主要包括布拉格散射型超材料、传统局域共振型超材料以及准零刚度局域共振超材料. 文章通过总结低频弹性波超材料的研究进展, 分析了目前研究中的不足并对未来低频弹性波的研究方向进行了展望.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-108
流固耦合地震波动问题的显式谱元模拟方法
孔曦骏, 邢浩洁, 李鸿晶
流固耦合地震波动问题主要研究由流体和固体构成的复杂系统中地震波传播特性及其规律. 传统模拟方法中一般以声波方程、弹性波方程的数值解分别描述理想流体和弹性固体中的波动, 并实时地处理两种不同性质介质之间的相互耦合作用, 数值格式复杂且限制数值模拟精度与计算效率. 本文采用谱元法结合多次透射公式人工边界条件实现了一种流固耦合地震波动问题的高阶显式数值计算方法. 该方法利用了流固耦合问题统一计算框架,可将饱和多孔介质的Biot波动方程分别退化为理想流体的声波方程和弹性固体的弹性波方程. 通过P波垂直入射的水平成层理想流体-饱和多孔介质-弹性固体场地模型、P波斜入射的不规则层状界面以及任意形状界面的理想流体-饱和多孔介质-弹性固体场地模型等三个算例, 与传递函数法解析解以及集中质量有限元法计算结果进行对比分析, 证明了本文方法的正确性与有效性. 数值模拟结果表明, 本文方法相较传统有限元法可以少得多的节点数量获得更高的数值精度, 并且在较宽的频率范围内都能可靠地模拟出流固耦合系统的动力响应, 充分体现出本文方法兼顾高精度、计算效率和复杂场地建模灵活的特点.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-068
变转速工况下高速列车轴承转子系统特性分析
王宝森, 刘永强, 张斌
高速列车的发展使得其关键零部件——轴承的安全问题日益突出. 现有的轴承模型均是建立在匀速工况下, 不能描述系统在变转速工况下运动状态. 为了解决这个问题, 建立了一个变转速工况下高速列车轴箱轴承转子系统动力学模型, 模型通过角度迭代计算得到了滚动体在不均匀时间内转过的总角度, 进而确定了滚动体在任意时刻的空间位置. 在匀速工况和变转速工况下, 对具有外圈故障的轴承模型进行了实验对比, 验证了模型的有效性. 利用轴心轨迹定性分析了外圈故障、内圈故障和滚动体故障对系统稳定性的影响, 并通过实验验证了分析结果的可靠性. 利用二维不变矩作为特征指标定量分析了三类故障对系统稳定性的影响. 分析结果表明: 当轴承角加速度较小时, 外圈故障对系统稳定性影响最大; 当轴承角加速度较大时, 滚动体故障对系统稳定性影响最大, 但是影响程度随着故障尺寸的变大而逐渐减小. 同样地, 利用二维不变矩作为特征指标进行了系统的稳定性临界状态分析, 确定了在不同转速工况下和不同故障类型下临界状态对应的最大故障尺寸. 研究结果表明: 随着轴承内圈转速的上升, 不同故障类型对应的最大尺寸都会减小, 其中滚动体故障尺寸大都是最小的, 说明滚动体故障对系统稳定性影响最大.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-067
内孤立波作用下潜深对潜体运动响应和载荷特性的影响研究
汪超, 杜伟, 杜鹏, 李卓越, 赵森, 胡海豹, 陈效鹏, 黄潇
内孤立波常发生于海洋密度跃层, 因其峰高谷深、携带能量巨大, 在传播过程中会导致跃层上下的海水流动呈现剪切状态, 并引起突发性的强流. 潜体在水下悬停时极有可能会遭遇内孤立波, 由于内孤立波的流场特性, 置于跃层上下的悬浮潜体所产生运动响应和水动力载荷变化不尽相同, 甚者会出现掉深现象. 为探究潜深对波体耦合作用的影响, 基于不可压缩N-S方程和mKdV理论, 采用速度入口造波, 结合重叠网格技术和流固耦合方法, 建立了分层流中内孤立波耦合水下潜体多自由度运动的数值模型, 通过该模型分析了不同潜深下悬浮潜体的运动响应和载荷特性. 结果表明: 在内孤立波作用下, 位于密度跃层上方和跃层中的潜体顺着波的前进方向运动, 先下沉后抬升, 位于跃层下方的潜体则会逆流持续下沉; 潜体与波面的垂向距离越小, 对其纵荡、垂荡和速度的影响越显著, 而位于密度跃层中的潜体在分界面处沿着波形运动, 其运动响应和载荷变化受影响较小; 潜体在跃层上、下流体中所受水平力的方向相反, 水平力峰值小于垂向力峰值, 且位于跃层下方的潜体一直受到低头力矩, 最终导致掉深.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-649
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
极高超声速稀薄气体原子辐射效应的p-DSMC方法
杨全顺, 方明, 李埌全, 粟斯尧, 杨彦广
极高超声速流动激波层内的高温导致内能模态的激发并伴随热辐射发生, 过高的温度使得空气分子完全解离, 原子组分对辐射热的贡献将达到80%以上. 本文基于优化的原子辐射模型, 提出追踪光子−直接模拟蒙特卡罗(p-DSMC)方法, 研究了稀薄流区不同马赫数下的高超声速二维圆柱绕流的壁面辐射加热, 获得了有无激发辐射效应的壁面压力和热流以及沿驻点线变化的平动、振动和转动温度. 在不考虑激发辐射效应的情况下, 得到的壁面压力和热流与已有的模拟结果符合的非常好, 误差均在5%以内, 尤其是在驻点位置, 误差在1%以内; 获得的平动、振动以及转动温度均与文献结果符合的很好. 在相同的来流条件下, 考虑辐射效应后发现, 来流速度低于10 km/s时, 辐射加热不明显, 在驻点区域, 辐射加热占对流加热比重在7%左右; 来流速度大于10 km/s时, 在驻点区域, 辐射加热占对流加热比重将超过30%. 考虑辐射效应后, 对非平衡区的平动、转动和振动温度的最大值影响不大. 此外, 另一个重要结论是, 流场中原子的浓度是影响壁面辐射热流大小的一个重要因素.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-046
基于数据驱动的全线控底盘纵臂式悬架系统研究
姚淇, 李全通, 杜秋月, 陈松, 王翔宇, 詹伟梁, 尹思维
汽车在越野类极限路况下行驶, 对车身高度有一定范围的调节需求, 传统悬架方案与全线控底盘进行技术融合时, 存在机构运动干涉、底盘升降过程中车轮外倾程度过大、车轮发生侧向位移等现象, 易导致轮胎过度磨损, 致使行驶失稳. 将车身高度变化对轮胎侧向参数的影响转化为车轮纵向滚动, 进而实现稳定的大行程车身高度调节, 是解决上述问题的关键. 本研究建立整车七自由度动力学模型, 对悬架系统导向机构展开力学分析, 集两者作为系统研究的输入信息; 通过正弦波激振台对弹性元件、减振器进行相关特性参数获取, 基于数据驱动开展一体化电动轮的运动学仿真测试, 包括对悬架系统关键铰接位置进行力学性能分析、对电动轮整体结构进行运动学特性研究, 以此定义系统关键性能指标, 结合理论研究与仿真测试, 确定双纵臂式主动悬架系统方案. 仿真结果与实车验证综合表明, 搭载本研究系统方案的全线控平台, 进行大行程高度调节过程中, 车轮外倾问题得到有效解决, 一体化电动轮具备良好的独立运行能力, 本研究对提高车辆在极限路况下的通过性具有重要意义.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-624
轮对非线性动力学系统蛇行运动的解析解
史禾慕, 曾晓辉, 吴晗
在对铁路车辆系统的极限环幅值和非线性临界速度进行分析时通常采用数值方法, 不便于研究其随系统参数的变化规律. 轮对系统保留了影响车辆系统动力学性能的几个关键要素: 如轮轨几何非线性约束、轮轨接触蠕滑关系和悬挂系统等, 可以反映铁路车辆系统蛇行运动的本质特性. 轮对系统自由度少、参数少, 可以采用解析方法进行分析. 本文选取合适的特征量把轮对非线性动力学方程无量纲化, 得到了带有小参数的两自由度微分方程; 采用多尺度方法对该方程进行了解析求解; 给出了轮对系统极限环幅值的解析表达式并对其稳定性进行了判定; 给出了轮对系统的分岔速度解析表达式, 并进而获得系统的非线性临界速度的解析表达式. 在对得到的解析解用数值结果进行验证后, 用得到的解析解进行了系统参数影响分析. 传统的分岔图计算方法(如降速法、路径跟踪法等)需对微分方程进行大量数值积分计算方可求解系统的非线性临界速度值, 而通过本文获得的解析表达式可直接给出系统的非线性临界速度值和极限环幅值, 便于研究轮对系统动力学特性随参数的变化规律,进行快速方案比对和筛选, 为转向架结构优化设计提供参考.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-003
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