力学学报

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闵光云, 冯琳娜, 姜乃斌

EPR (European pressurized reactor)燃料棒相比M310燃料棒的棒长更长, 导致其频率降低、幅值增大, 在冷却剂的作用下, 会加剧格架与棒束之间微动磨损(grid-to-rod fretting, GTRF), 进而造成放射性物质的泄漏. 将EPR燃料棒简化为3D梁模型, 将刚凸和弹簧对燃料棒的约束等效为弹性约束, 将带格架的燃料棒简化为多跨连续简支梁模型, 然后基于ANSYS-APDL建立了EPR燃料棒的有限元模型. 阐述了湿模态分析和湍流激振响应分析的基本原理, 整理了12个格架失效工况, 系统地研究了格架失效对湿模态和湍流激振响应的影响. 针对EPR燃料棒流致振动问题, 提出了采用本征正交分解(proper orthogonal decomposition, POD)原理分析EPR燃料棒流致振动特性的方法, 通过对快照矩阵进行POD分解生成投影子空间, 将湍流激振响应投影到子空间进行模型降阶, 最后在物理空间快速地重构湍流激振响应. 结果表明: 格架失效会导致频率降低, 且湍流激振响应的幅值会在格架失效处增大; 当格架失效使得EPR燃料棒模型成为悬臂梁结构时, 湍流激振响应最大; 前2阶POD降阶模型基本能快速重构燃料棒的湍流激振响应, 且误差非常小. 文章的研究将有助于核反应堆工程的优化和设计.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-243

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载荷方向不确定条件下结构动态稳健性拓扑优化设计

杜鼎新, 王栋

采用一种高效的方法开展了在外载荷作用方向不确定条件下, 连续体结构动态稳健性拓扑优化设计研究, 有效降低了结构的稳态动响应对简谐激励作用方向随机扰动的敏感性. 首先基于概率模型, 将动载荷作用方向的不确定性用正态分布函数表示. 其次通过二阶泰勒展开式, 高效地计算出在激励方向扰动情形下结构动柔顺度的均值和方差, 进而推导出了其对拓扑设计变量的一阶导数灵敏度显性表达式. 最后在材料体积约束下, 以动柔顺度概率特征指标的加权和为设计目标, 基于变密度方法, 对连续体结构进行动态稳健性拓扑优化设计, 并与传统载荷方向固定条件下的确定性优化结果进行对比, 充分展示了考虑外激励作用方向随机扰动对结构拓扑构型设计及其动柔顺度变化的影响. 对优化数值结果进一步分析表明, 采用文章提出的方法所得结构的动响应稳健性更高, 能有效抵抗外激励作用方向的随机扰动. 只需少许增加材料, 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.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-288

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基于分数阶导热的热脉冲涂层边裂研究

陈少华, 陈学军

热震边裂是涂层的常见失效模式之一, 严重影响涂层的防护性能, 因此准确预测涂层边缘裂纹的热致扩展行为至关重要. 文章基于Caputo分数阶导热模型, 研究热脉冲作用下涂层边缘裂纹扩展驱动力. 首先, 采用拉普拉斯变换和有限余弦积分变换得到瞬态温度场及热应力场的封闭解; 其次, 运用叠加原理及权函数法计算边缘裂纹尖端的热应力强度因子. 探讨了分数阶阶次、无量纲裂纹长度、无量纲时间等参数对热应力强度因子的影响规律. 结果表明: 热应力强度因子的峰值随着分数阶阶次的增大而提高; 与分数阶超扩散情形相比较, 经典傅里叶导热将低估热流脉冲对边缘裂纹的扩展驱动力; 与分数阶亚扩散情形相比较, 经典傅里叶导热则会高估热流脉冲对边缘裂纹的扩展驱动力; 热流脉冲作用下, 短裂纹的热应力强度因子峰值更高, 因而更易扩展.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-134

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基于非线性耦合本构关系模型的尖化前缘气动加热影响研究

杨俊沅, 李旭东, 曾舒华, 赵文文, 张赋, 陈伟芳

结合数值模拟与风洞试验技术, 在高超声速连续/稀薄滑移流条件下对尖化前缘这一典型构型的气动加热影响开展深入研究. 在三维有限体积框架下, 应用非线性耦合本构关系(nonlinear coupled constitutive relations, NCCR)模型对试验工况下的尖化前缘外形开展数值计算, 检验NCCR模型在尖化前缘构型中准确描述局部稀薄非平衡流动和物面气动热的性能. 数值结果与实验数据对比表明, 在等效高度33 km的风洞试验条件下, NCCR模型计算得到的驻点热流系数峰值同实验值偏差为1.81%, Fay-Riddell公式和纳维−斯托克斯(Navier-Stokes, NS)方程得到的驻点热流系数峰值同实验值偏差均在5%以内, 物面其他位置的壁面热流系数计算值与实验值偏差均在10%以内, 证明此时飞行器尖化前缘区域局部稀薄气体效应对气动加热影响程度较弱; 在等效高度60 km时, 飞行器尖化前缘区域附近的局部稀薄气体效应对气动加热的影响较为明显, NS方程计算的驻点热流系数偏差为33.31%, Fay-Riddell公式计算驻点热流系数同实验值偏差为29.5%, NCCR模型计算的驻点热流系数与实验值的偏差为11.77%. 体现出NCCR模型求解稀薄非平衡流动的优势.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-171

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利用斜齿离合升频机制实现瓦级输出的超低频电磁式振动能量收集器

毛新辉, 张继元, 齐欢, 邱长泉, 申维和, 田建国, 汪飞, 陶凯

目前, 大多数的能量收集器从低频运动中只能收集到较少的能量, 且能量收集效率较低. 低频激励下发电输出能量低是当前限制电磁俘能器多场景应用的关键问题, 而电磁感应发电作为目前应用广泛且较为成熟的发电技术, 具有高功率输出, 被广泛应用于能量收集领域, 有望解决这一技术瓶颈. 本文提出了一种基于斜齿离合传动系统的电磁式振动俘能器以系统性解决输出频率低和能量转化时间短的问题. 俘能器的机械传动系统由直线−旋转转化模块、牙嵌离合模块和能量存储/释放模块三部分构成, 可将外界低频、不规则的瞬时激励(约0.2-5 Hz)转化为高频、连续的单向旋转运动以实现能量转换效率最大化. 对所提出的俘能器建立了机电耦合动力学模型并进行实验验证. 研究结果表明, 俘能器在外界脉冲激励下可以实现开路状态长达30 s的输出; 接入负载后惯性旋转运动的最高转速可达750 rpm, 并实现了运动频率从0.17 Hz到50 Hz的近300倍提升; 单层发电模块的峰值功率可达1.25 W, 两层发电模块并联输出2.5 W的峰值功率, 可实现134 mW平均输出功率. 此外, 其紧凑高效的传动结构设计使得俘能器可以进一步集成到可穿戴设备中, 在人体能量收集领域和构建自供能物联网传感节点等方向具有重要意义.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-362

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生物质基长链含氧燃料的制备与应用

陈佳慧, 吴石亮, 肖睿

基于全球化石能源紧张问题, 着眼于从生物质、光能等可再生能源缓解化石能源的压力并同时减少二氧化碳的排放. 生物质作为含碳的可再生能源, 在燃料制备方面具有独特的地位. 生物质热解/水解后产物复杂, 涉及到醇、酸、醛等多种有机物, 而这些有机物大多品质较低, 不能作为燃料直接使用. 与碳氢燃料相比, 含氧燃料更适合在内缸中燃烧, 促进燃烧的深度, 减少氧气供应量和由于不完全燃烧产生的废渣. 由生物质制备长链含氧燃料不仅原料低廉, 还能充分利用生物质解聚后多种品质较低的含氧有机物. 本文简单分类介绍了常见生物质衍生物醛酮、醇醚和羧酸类代表物质的制备路径及应用领域, 详细总结了这些含氧衍生物通过醛羟缩合、烷基化、齐聚化、酮基化、Diels-Alder反应、还原醚化等不同化学手段进行碳链加长的方法路径. 在保证一定含氧量的前提下, 增大反应物的碳链长度, 提高热值, 尽可能与现有化石燃料主要成分匹配. 根据不同提质路径的特点, 本文将以上六大路径分为三类并给出每一类路径的适用条件. 通过对最新生物质领域的长链含氧化合物合成路径的综合评价为生物质长链含氧燃料的发展提供参考借鉴.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-323

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直流电晕放电中的离子风增强带电气溶胶沉积

李嘉诚, 刘大伟

为解决我国水资源短缺问题和开发大气水资源的急迫需求, 突破之前单电极电晕放电离子源的离子密度较低、气溶胶荷电困难的难题, 开发了一套基于离子风增强带电气溶胶沉积的负直流电晕放电系统. 该系统利用多个针电极与接地的网状电极, 实现了大面积、阵列式的负直流电晕等离子体, 可以对流经其中的气溶胶进行高效的荷电和处理. 虽然单电极放电产生的开放空间中的离子密度是双电极放电的20倍, 但双电极放电区域的电场约为单电极放电的15倍, 放电电流也更大. 强电场推动离子流进行定向运动, 同时推动中性分子, 使该装置可以产生速度高达2 m/s的离子风, 而与之相比, 单电极电晕放电的离子风速低于检测限. 双电极电晕放电产生的离子风带动了云室中空气的流动, 可以有效促进气溶胶的荷电、碰并以及在接地网状电极上的沉积, 可以快速减少空气中的气溶胶密度, 所需的时间仅为单电极放电的1/4. 在水雾气溶胶的沉积实验中, 其水雾的总沉积量是单电极放电的8.3倍. 因此, 双电极放电系统是诱导降水或消除致病生物气溶胶的潜在有效方法.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-339

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阶梯式圆柱射弹小角度入水弹道特性研究

祁晓斌, 施瑶, 刘喜燕, 潘光

圆锥圆柱外形射弹小角度高速入水过程中, 入水初期空泡呈不对称性发展. 随着入水角度减小, 入水空泡发展不对称性现象加剧, 使得弹体受到阶跃性突变力矩作用, 导致其姿态角发生大幅度变化, 严重影响射弹入水弹道稳定性, 甚至出现入水跳弹现象. 为了改善高速射弹小入水角度入水过程弹道稳定性, 本文基于“空化器空化效应”原理提出了一种阶梯式圆柱外形射弹设计方案. 通过流体体积多相流模型和动网格技术, 建立超空泡射弹小角度入水数值计算方法, 并通过入水试验验证了数值方法的有效性. 对阶梯圆柱外形射弹与圆锥圆柱外形射弹以5°入水角的入水过程进行了数值模拟研究, 得到了不同射弹外形空泡演化特性对水动力特性及弹道稳定性的影响. 结果表明: 阶梯圆柱外形能够加快初生空泡的发展并伴随多空泡融合现象, 在0°攻角条件下, 当空泡充分发展后, 空泡尺寸未发生改变, 在小攻角(5°)工况下, 空泡对弹体的包覆面积增大, 改善了射弹的升力性能; 在小角度入水过程中射弹锥段空泡发展形态对入水稳定性具有重要影响, 阶梯圆柱外形能够有效加快入水空泡的发展, 进而形成有效抑制攻角持续增大的恢复力矩, 提升了高速射弹小角度入水初期弹道稳定性.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-212

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超大型多模块结构组装过程动力学与姿态控制

符康琦, 张乐榕, 李庆军, 邓子辰, 吴志刚, 蒋建平

机器人在轨自主组装是未来建造超大型航天结构最具潜力的方式. 超大型结构通常包含多个模块, 需要机器人在柔性结构上反复进行抓捕、安装、爬行等操作. 此外, 组装过程中结构还受到空间环境干扰力的影响, 需要经历构型的增长和参数的变化, 导致其动力学行为非常复杂. 为了研究机器人空间组装超大型多模块结构的过程, 提出了一套轨道−姿态−结构耦合动力学、规划与控制的仿真框架. 首先, 采用自然坐标法和绝对节点坐标法建立主结构、空间机器人、组装模块的轨道−姿态−结构耦合动力学模型, 采用Kelvin-Voigt线性弹簧阻尼模型描述机器人末端夹持机构和模块对接机构的接触碰撞. 然后, 对机器人进行运动规划、轨迹规划和关节轨迹跟踪控制研究. 最后, 采用不同的组装姿态和不同的姿态控制方案对组装过程进行动力学仿真. 仿真结果表明, 由于质心位置的改变和组装模块的轨道差异, 主结构在组装过程中可能会出现显著的轨道漂移(取决于组装姿态). 如果模块沿轨道半径方向组装到主结构, 将导致组装过程长半轴和离心率出现快速增长; 反之, 如果模块沿轨道切向组装, 长半轴和离心率基本保持不变. 此外, 即使采用了万有引力梯度稳定的组装姿态, 仍需进行姿态控制和结构振动控制, 以减小结构振动幅值, 降低机器人与结构的碰撞风险, 提高组装精度和组装效率.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-289

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高速重载人字齿轮传动非线性动力学分析

莫帅, 曾彦钧, 王震, 张伟

人字齿轮承载能力强, 重合度大, 可靠性高, 多于高速、重载工况下使用. 探究高速重载人字齿轮传动系统非线性动力学特性, 可为其设计提供参考. 首先, 计算齿轮副时变啮合刚度; 引入齿侧间隙、间隙非线性函数和综合传动误差, 计算时变啮合力; 引入轴承游隙, 计算轴承受力. 随后, 建立高速重载人字齿轮传动系统非线性动力学方程, 使用4阶Runge-Kutta法对方程求解. 最后, 探究不同因素对系统动态响应影响. 保持系统其他参数不变, 分别改变输入转矩、啮合阻尼、齿侧间隙、啮合刚度及激励频率, 绘制系统时间−位移图像、时间−速度图像、空间相图、空间频谱图及分岔图, 观察系统非线性动力学响应变化趋势, 判别系统运动状态. 结果表明: 在一定范围内, 系统稳定性与啮合阻尼、啮合刚度呈正相关关系, 与齿侧间隙、输入转矩呈负相关关系; 逐渐增大外部激励频率时, 系统运动从单周期运动逐渐变为混沌运动, 随后又回归单周期运动. 为保证系统平稳运行, 应合理选取外部激励频率.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-166

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原子尺度断裂模拟进展

丁彬, 高源, 陈玉丽, 李晓雁

材料/结构的断裂是一个多尺度过程, 绝大多数断裂过程都涉及到原子键的断裂, 因此原子尺度的演化对材料的宏观断裂行为有重要影响. 随着实验技术的飞速进步, 高清电子显微镜已经可以观察到原子尺度的裂纹, 而计算能力的日渐强大使得原子尺度模拟成为揭示实验现象背后的断裂机制、研究众多典型纳米结构材料断裂行为的有力工具. 在本综述文章中, 我们首先介绍了原子尺度断裂模拟的加载方法, 包括均匀加载、速度梯度加载、K场加载和静水应力加载, 并综合对比了上述加载方法的适用范围, 然后给出了基于原子尺度信息定量计算断裂韧性的方法, 包括能量释放率法、线下面积积分法、临界应力强度因子法、原子尺度内聚力模型法和原子尺度J积分法. 随后介绍了近年来有代表性的不同类型的纳米结构材料(包括单晶、多晶、孪晶等晶体结构, 非晶结构, 异质界面结构)断裂行为模拟研究, 例如钝化处理的单晶硅太阳能电池裂纹抗力大大增加、锂离子电池中锂化浓度控制的硅电极韧脆转变、错配应力驱动界面自发分层一步制备大尺度纳米硅片. 这些研究结果揭示了实验现象背后的机理, 同时和实验结果的一致性也印证了原子尺度模拟的可靠性与准确性. 最后强调了原子尺度模拟面临的一些问题和挑战, 并对将来的发展方向进行了展望.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-281

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融合相似性原理的涡轮叶型流场预测方法研究

郭振东, 成辉, 陈云, 蒋首民, 宋立明, 李军, 丰镇平

计算流体力学(CFD)方法是涡轮叶片等设计阶段性能评估的重要手段. 然而, 基于CFD的数值仿真方法通常比较耗时, 难以满足涡轮叶型设计阶段快速迭代的需求. 为实现快速性能评估并克服纯数据驱动预测模型泛化能力不足的问题, 受到物理增强的机器学习思路的启发, 将相似性原理与深度学习模型相结合, 提出了一种泛化能力强的涡轮叶型流场预测新方法. 以涡轮叶片表面等熵马赫数分布预测为例, 提出采用相似性原理对叶型几何变量和气动参数进行归一化, 进而在归一化参数空间构建训练样本集与深度学习预测模型, 由此建立统一的流场预测模型, 对几何尺寸、边界条件差异较大的叶型气动性能进行评估. 在完成模型训练后, 对归一化条件下不同工况/不同形状叶型的流场、真实环境下不同工况/不同尺寸叶型的流场以及GE-E³低压涡轮不同截面叶型的流场进行预测, 结果表明预测结果的分布曲线与CFD评估结果吻合良好, 平均相对误差在1.0%左右, 由此验证了所提出的融合相似性原理的流场预测模型的精度与泛化能力.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-382

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颗粒材料破碎行为数值分析方法研究综述

梁绍敏, 冯云田, 赵婷婷, 王志华

颗粒材料在自然界和工程领域普遍存在, 外载荷作用下颗粒可能发生破碎现象. 颗粒材料的破碎行为会引起其物理力学性质的变化, 给工程和建筑建设带来极大影响. 研究宏、细观尺度下颗粒材料的破碎行为不仅可以揭示颗粒破碎的力学机理, 还对工程领域的安全和正常进行提供保障. 因此, 分析颗粒破碎过程既具有实际工程意义, 又有理论研究价值. 文章综述了颗粒破碎行为研究的数值分析方法, 在基于离散元法理论的数值方法中, 介绍了黏结−破碎法和碎片替代法; 在基于离散元−有限元耦合算法的方法中, 介绍了比例边界有限元法、组合有限元−离散元法和内聚力模型; 此外还详细介绍了近场动力学方法. 文章主要梳理并讨论了以上数值方法的提出、实现过程、发展、关键问题、优势以及这些方法的不足之处. 此外, 针对每一种数值方法回顾了国内外的研究成果以及在工程中的主要应用, 对每种方法重点关注的问题进行了介绍. 最后对目前关于颗粒破碎的数值研究进行总结, 并对今后的发展方向进行简单的展望.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-215

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爆轰驱动多介质问题的Lagrange多分区自适应数值模拟研究

周蕊, 李理, 田保林

凝聚炸药爆轰驱动惰性金属材料形成的多介质流动问题广泛存在于工程应用领域, Lagrange方法由于其物质界面的高保真特性一直在相关问题的数值模拟中发挥着不可替代的作用. 加密网格是提高爆轰驱动多介质问题模拟精度的常用途径之一. 然而, Lagrange框架下整体密网格计算常会遇到网格畸变、计算效率低等问题. 为此, 针对爆轰驱动多介质流动问题, 本文提出了一种Lagrange框架下的非结构网格多层自适应方法, 在保证所关心区域局部网格分辨率的前提下, 大幅缩减了整体计算规模, 提升了Lagrange计算的健壮性. 我们设计了非结构网格多层数据结构, 提出了多层网格分层存储、有效网格压至一层进行Lagrange计算的AMR策略, 同时还发展了自适应接触滑移耦合算法, 实现了AMR计算与多分区接触滑移计算的“紧耦合”. 相比于已有工作, 本文所提出的AMR方法既保持了非结构网格多层数据结构的灵活性优势, 又避免了Lagrange框架下多层网格分别计算带来的层间耦合困难, 同时因实现了与接触滑移的自适应耦合, 使得它能很好地适应多分区的多介质问题. 在一维、二维爆轰算例验证所提出方法正确性的前提下, 开展了拐角爆轰、多层炸药隔爆、有限尺寸弯道爆轰等复杂爆轰弹塑性多介质问题的数值模拟研究. 计算结果显示, 采用Lagrange非结构多层AMR数值模拟方法, 可以有效捕捉凝聚炸药爆轰与惰性金属材料相互作用过程中的波系结构, 可节省90%以上的网格规模. 该方法对复杂几何边界、复杂波系结构、多分区相互作用等问题具有良好的适应性, 为后续开展凝聚炸药爆轰约束问题的机理研究奠定了坚实的基础.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-256

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失谐整体叶盘多模态振动抑制的吸振器阵列方法

王帅, 孙磊, 吴君, 郑召利, 付海岭, 毕传兴

整体叶盘是新一代高性能航空发动机的关键部件, 具有结构紧凑、重量轻、推重比高等优点, 但也存在结构阻尼低、模态密度高和随机失谐问题, 导致其通过共振区域时振幅大, 显著影响整体叶盘结构的可靠性和疲劳寿命.为有效抑制失谐整体叶盘的多模态振动, 提出一种由一系列吸振器环状布置而成的吸振器阵列减振方法, 通过设置多组匹配不同模态的吸振器, 实现对多模态共振峰值的抑制. 为揭示吸振器阵列方法的多模态减振机理, 采用具有代表性的集中参数模型构建整体叶盘−吸振器阵列系统的动力学分析模型, 结合解析形式的功率流分析方法, 分析吸振器质量、频率调谐精度、阻尼水平以及吸振器个数等关键参数对吸振器阵列减振性能的影响. 搭建了吸振器阵列方法验证实验台, 并通过实验验证了吸振器阵列方法的效果. 分析结果表明: 吸振器阵列方法能够有效控制叶片主导与叶片−轮盘耦合型模态, 能够以较小的质量实现对谐调与失谐整体叶盘多模态共振的高效抑制, 减振性能的鲁棒性较好.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-336

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水翼端部间隙泄漏流的压降及粘性损失机理

向秋杰, 陈为升, 黎耀军, 刘竹青

叶顶泄漏流产生的局部压降及粘性损失, 是导致轴流式水力机械效率下降和轮缘间隙空化的主要原因. 为探明间隙泄漏流的粘性损失特性和低压形成机制, 本文以NACA0009水翼为对象, 采用超大涡模拟方法(VLES)对翼端间隙流动进行数值模拟, 基于平均流动动能转换与输运分析, 提出了间隙区粘性损失定量计算模型, 研究了翼端间隙区湍动能生成、粘性损失和压降的产生机理及主要影响因素. 结果表明, 间隙区存在间隙分离涡(TSV)、间隙泄漏涡(TLV)和诱导涡(IV)等流动结构; 湍动能生成是导致TSV内压降的主导因素, TLV内压降则主要受湍动能生成和平均动能的对流和扩散效应影响; 湍动能耗散导致的翼端区域粘性损失占间隙区粘性损失总量的91.2%. 间隙区不同流动结构对湍动能生成的影存在明显差异, 水翼吸力面的强剪切效应主要生成湍动能的$\left\langle {{\bar u'} {\bar u' } } \right\rangle$分量, 而TLV、TSV和IV等间隙涡结构则主要生成湍动能的$\left\langle { {\bar v' } {\bar v' } } \right\rangle$和$\left\langle { {\bar w' } {\bar w' } } \right\rangle$分量; 湍动能产生机制分析表明, 湍动能生成项分量P_vw是TLV和TSV中湍动能生成的主导因素, 减小TSV和TLV内的速度梯度$ {{\partial \left\langle {\bar v } \right\rangle } \mathord{\left/ {\vphantom {{\partial \left\langle {\bar v } \right\rangle } {\partial z}}} \right. } {\partial z}} $, 可有效降低湍动能生成, 进而减少翼端区域因湍流耗散导致的粘性损失. 研究结果可为间隙流动控制提供参考.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-046

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黏性牛顿流体液滴撞击干燥或预湿网面的实验研究

宗绍强, 徐龙, 郝继光

液滴撞击网面现象广泛存在于自然界和一系列应用中, 液滴撞网后会穿透破碎产生二次液滴或不破碎全部附着在网面上, 两种情况下都会残留液体在网面而形成预湿, 影响后续撞击结果, 但前人研究集中于低黏性液滴撞击干燥网面, 黏性牛顿流体液滴撞击干燥或预湿网面的演化与机理仍有待探索. 本文采用高速阴影成像技术, 研究了黏性液滴(甘油水溶液)撞击干燥和预湿网面形成液指和破碎的演化规律, 考虑了网面结构尺寸、液滴黏性及撞击前网面上预湿液膜厚度对撞击结果的影响. 实验结果表明, 液滴撞击干燥网面后形成液指的最大长度随网孔宽度降低、液滴黏性增加而减小; 液滴黏性增加、网孔宽度减小均会抑制液滴对干燥网面的完全穿透; 预湿液膜高度的增加抑制液滴对网面的完全穿透, 并使不完全穿透时形成液指的最大长度减小. 建立了考虑液滴黏性、网孔宽度和网面预湿的液滴撞击网面后不完全穿透时形成液指的最大长度预测模型, 以及出现完全穿透时的临界参数理论预测模型, 模型预测结果均与实验结果吻合良好.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-344

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一种磁力滑动式翼型颤振能量俘获器

李支援, 吕文博, 马小青, 周生喜

风致振动是自然界中普遍存在的一种现象, 并且蕴藏着巨大的可利用能源. 如何充分利用风致振动引起的结构大幅值响应进行能量俘获, 为微电子器件供电是能量俘获领域的一个难题. 为了高效俘获风致振动能量, 文章提出了一种磁力滑动式翼型颤振能量俘获器. 基于半经验非线性空气动力学模型并考虑与磁铁位置相关的机电耦合系数, 建立了该能量俘获器的动力学模型, 搭建了风洞实验平台, 制作了实验样机. 通过增加风速和降低风速的方式为能量俘获器提供两种不同的初始状态, 发现其具有两个临界风速(5.2 m/s 和 8.3 m/s), 降风速实验中在8.3 m/s风速下出现突跳现象. 在数值仿真中, 在6.8 m/s 和8.2 m/s 风速下出现了两个突跳点, 和一段多解区域. 分析了沉浮位移和电压响应, 发现沉浮位移以正弦形式响应, 输出电压以非正弦形式响应, 并出现明显的偶次谐波. 仿真的沉浮位移和电压输出波形与实验波形吻合较好, 验证了模型的准确性. 能量俘获器的均方根电压随电阻的增加而增加, 平均功率随电阻增加呈现先增加后降低的趋势. 分析了负载电阻对能量俘获性能的影响, 在8.6 m/s风速下, 实验中能量俘获器的负载电阻接近线圈内阻值时平均功率达到最大值7.5 mW. 文章为高效颤振式能量俘获器的设计提供了一种新方案, 可为驰振、涡振等其他形式的风致振动能量俘获器的设计提供参考.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-330

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基于涡激振动的压电风能收集器研究进展

黄浩博, 曹迪, 周志勇, 杜文风

近年来, 随着物联网、无线传感器网络、便携式医疗设备的迅速发展, 如何为这些独立设备提供可靠、清洁、自给的能源成为其发展的关键. 传统的化学电池不仅寿命有限, 而且庞大的电池数量带来了高昂的维护成本, 废弃后的电池还会给环境保护带来更大的负担. 自然环境中风能分布广泛、储藏量大、无污染, 是绿色可再生能源将风能转换为电能是目前能源利用的重点. 然而, 涡轮风力发电机投资巨大、对风场要求高、占地面积大、维修困难, 同时产生的噪声和生态问题日益突出. 目前, 如何利用新材料和简单结构实现低速风能的高效收集正在成为国内外研究的热点. 基于涡激振动的微型风能收集器是目前较为有效的风能收集技术之一, 有望实现分散分布的无线传感器自供电. 本文从涡激振动能量收集器的工作原理、研究进展、效率提升方法等方面综述了涡激振动能量收集器的研究现状. 着重讨论了钝体形态优化、非线性特性引入、多风向风能收集结构设计、混合风能收集器设计等增强方案对涡激振动风能收集器性能的影响, 为高性能涡激振动能量收集器的设计提供参考. 最后, 对涡激振动风能收集器面临的关键问题与难点进行了分析和总结, 并对今后的研究方向和未来的发展前景进行了展望.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-364

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分段线性系统经典数学模型的修正与动力学分析

张瑞良, 申永军, 韩东

由于间隙的存在, 很多机械系统可以简化为分段线性模型, 而简化后的模型中副簧系统通常包含阻尼. 在大多数文献建立的数学模型中, 主、副系统的接触点与分离点固定在间隙处. 文章研究发现, 由于副簧系统中弹簧与阻尼的力学特性不同, 主、副系统的接触点与分离点位置实际上是随着系统参数和运动状态而变化的. 若忽视这一点, 后续的包括分岔和混沌在内的动力学分析就会出现误差甚至错误. 首先基于经典的数学模型, 用数值方法揭示了在简谐激励下主系统未返回到间隙处就与副簧系统提前分离, 证明了经典数学模型的不当之处. 进一步研究发现主系统不仅会出现提前分离, 还会出现接触滞后的现象. 因此对系统的接触与分离条件提出了修正, 得到了更合理的数学模型. 研究发现修正后的接触点、分离点位置与修正前相差较大, 修正后的幅频响应曲线与修正前存在一定差别; 在复杂运动中, 修正前后的运动性质也可能发生改变, 证明了修正后的模型更加合理, 更能反映工程实际. 然后, 采用平均法并对平均法的积分区间进行推广, 求得了修正模型的幅频响应的解析解, 并通过龙格库塔法验证了解析解的正确性. 对解析解进行稳定性分析, 得到了解析解的稳定性判别式. 最后, 探究了修正模型的副簧系统参数对主系统幅频响应的影响.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-295

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参外联合激励下非线性Zener系统的减振机理研究

邢景点, 李向红, 申永军

旨在揭示参外联合激励下不同尺度非线性Zener系统的减振机理. 以Duffing系统为主系统, 引入周期变化的低频参数激励和外激励, 通过耦合黏弹性元件, 系统变为1.5自由度非线性Zener系统, 经过对比系统变化前后时间历程图、相图, 发现耦合黏弹性元件后, 系统由单一激发态的大幅高频振动转变为激发态和沉寂态共存的簇发振动, 且振动幅值大幅降低, 减振效果明显. 然后分析自治系统的稳定性和分岔情况, 利用包络快慢分析法, 将参数激励项定义为慢变参数, 基于外激励在激励幅值变化范围内存在最值思想, 分析了广义自治系统的稳定性、破缺分岔与非自治系统振动行为的密切关系. 结果发现, 自治系统对非自治系统具有明显的调节作用, 具体表现为耦合黏弹性元件后自治系统平衡点稳定性增强, 平衡点类型由中心变为稳定焦点, 平衡线对系统轨线的吸引力增强, 同时多条稳定平衡线限制了非自治系统的振动区域, 这些因素是减振的根本原因. 另外, 基于双参数分岔分析, 发现通过调节参数可以控制系统破缺分岔的发生, 进而提高系统减振性能.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-294

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温度对撞击器内颗粒沉积粒径影响的研究

彭慧, 池辉, 徐聪, 尹招琴, 包福兵, 凃程旭

微颗粒的性质几乎与颗粒的粒径紧密相关, 为研究气溶胶粒子特性, 需获取颗粒粒径分布信息. 惯性撞击器是一种基于惯性原理实现大气中不同粒径颗粒沉积分离的装置, 在实际使用过程中, 经历复杂多变的环境. 文章利用拉格朗日多相 (LMP) 模型对撞击器内的气−固两相流动进行数值模拟, 使用有限体积方法(FVM) 研究了在绝热和换热两种情况下, 气溶胶温度变化 (−40°C ~ 60°C) 对颗粒沉积率的作用, 并分析其对颗粒粒径分离的影响. 结果表明: 在壁面绝热情况下, 随着气溶胶温度的升高, 颗粒沉积位置由冲击板中心向边缘发散, 颗粒收集效率逐渐降低, 颗粒收集数量减少; 在气溶胶和壁面换热情况下, 随着气溶胶温度的升高, 大颗粒沉积位置由冲击板中心向边缘发散, 颗粒收集效率降低, 小颗粒正好相反. 此外, 不同气溶胶温度下的颗粒收集效率曲线存在一个交点, 交点两侧大小颗粒的收集效率随温度的变化情况相反. 通过研究温度对撞击器颗粒收集的影响, 可以对颗粒分径结果进行修正, 获得更精确的粒径分布.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-316

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基于翅片超表面钝体的流致振动俘能特性研究

张野, 王军雷

超表面结构对钝体气动力特性有显著影响. 为了增强普通圆柱的流致振动俘能特性, 在圆柱表面装配不同高度和不同数量的翅片超表面并研究其对流致振动俘能特性的影响. 搭建流致振动俘能实验平台并制作压电俘能器, 实验分析了不同俘能器的俘能特性. 基于Tamura和Shimada提出的涡驰耦合模型 (Tamura-Shimada模型), 推导单自由度 (single-degree-of-freedom, SDOF) 压电俘能器流−固−电耦合理论模型, 并研究了俘能器的气动力参数对其俘能特性的影响. 建立计算流体动力学 (computational fluid dynamics, CFD) 模型, 仿真分析了不同钝体的旋涡脱落模式和流场特性. 实验结果表明翅片超表面能够显著改变钝体的动力学响应: 抑制涡激振动从而降低俘能特性或从涡激振动转变为驰振从而显著增强俘能特性. 当风速超过相应驰振起振风速后, 俘能器出现驰振特征并表现为稳定的极限环振荡 (limit cycle oscillation, LCO). 理论模型能够较为准确地预测俘能器的电压响应. 通过仿真分析可知, 翅片超表面能够显著改变钝体后方的旋涡强度, 导致其动态响应发生变化, 最终影响其俘能特性. 此外, 研究了不同接口电路对压电俘能器输出功率的影响, 与标准直流 (direct current, DC) 电路相比, 自供能同步电荷提取 (self-powered synchronous charge extraction, SP-SCE) 电路不仅可以提升压电俘能器的输出功率同时也可以提供更加稳定的功率输出, 消除了阻抗匹配的要求, 保证了高性能压电俘能器在实际应用中的灵活性.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-298

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亲水−超疏水相间表面通气减阻实验研究

郭沛洋, 张毅, 张梦卓, 胡海豹

超疏水表面有利于在壁面形成气膜层, 是一种潜在的兼具防污功能的新式仿生减阻技术, 但在高速来流的剪切作用下该气膜易流失破坏. 通过构造亲水−超疏水相间表面来增强超疏水表面气膜层的稳定性, 从而期望达到更优的减阻效果. 采用重力式水循环管道测试系统, 测试了在湍流状态下, 超疏水条带宽度与雷诺数对减阻效果的影响, 并分析了对应的气膜铺展状态及其对减阻特性的影响. 结果表明, 亲水−超疏水相间表面持续通气能解决表面气膜层的流失问题, 实现气膜层的长时间稳定维持; 表面减阻率随水流速度(雷诺数)的增大呈现降低趋势, 且表面气膜稳定性逐渐降低; 表面减阻率随超疏水条带宽度增加呈现出先增后减的趋势, 并在超疏水条带宽度为5.0 mm时达到最大, 最大减阻率为40.2%. 分析原因在于, 超疏水条带较窄时, 高剪切应力的液固界面占比较高, 带来了较高的阻力; 而条带较宽时, 表面气膜层稳定性不佳. 因而在某一流动状态下, 存在最为合适的超疏水条带宽度, 使得减阻效果最佳.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-303

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不倒翁式电磁俘能器的非线性动力学特性研究

潘侠圭, 余宁, 严博

海洋波浪能作为一种可再生能源, 将其俘获并转化为电能为无线传感器持续供电, 可以推动海洋环境监测的数字化改造升级. 然而, 海浪能的低频与随机性等特征导致其俘获难度大. 不倒翁结构具有不同于传统结构的超低频振动特性, 并且其对低频激励敏感的特点, 可以吸收周围振动能量. 为此, 文章通过引入不倒翁机制与Halbach磁铁阵列, 构建了磁非线性力, 设计一种不倒翁式电磁俘能器, 以实现提高低频波浪能的俘获效果. 首先, 基于拉格朗日方程建立不倒翁式电磁俘能器的理论模型, 并用谐波平衡法推导了不倒翁摆角与输出电压的频率响应关系. 将解析解与数值解进行对比验证. 其次, 探究了激励频率与幅值等参数对系统动力学行为的影响规律. 最后, 研制了不倒翁式电磁俘能器原理样机, 搭建俘能试验平台并进行试验, 验证了理论模型的正确性. 研究表明: 引入磁非线性力使得系统呈现刚度硬化特征, 有利于提升低频俘能效率. 不倒翁式电磁俘能器随激励频率与幅值的变化, 呈现周期、准周期及混沌运动等复杂动力学行为. 低频与大激励条件更容易造成俘能器系统的混沌运动, 有利于提高俘能效果. 本研究为不倒翁式电磁俘能器的设计及在低频波浪能高效俘获的应用提供了理论支持.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-332

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调谐质量阻尼器和非线性能量阱抑制内燃机闭环轴系扭转振动的比较研究

马凯, 杜敬涛, 刘杨, 陈曦明

传统线性减振器在抑制内燃机轴系的扭转振动方面有着长期的应用, 但较窄的减振带宽限制了其性能的发挥. 考虑到内燃机闭环轴系的周期性激振力随转速的变化而变化, 其在相对较宽的频率域内实现高效的减振十分必要. 为了探究非线性能量阱(nonlinear energy sink, NES) 替代调谐质量阻尼器(tuned mass damper, TMD) 抑制曲轴扭转振动的可行性, 本文将建立曲轴的多惯量非线性闭环自激耦合振荡模型, 在此基础上, 研究TMD和NES对闭环曲轴扭振减振的影响规律. 分析过程综合考虑了轴系不同轴段位置的瞬态和稳态扭转振动, 除此之外, 定义了振动密度, 性能领先效率和波动率3种函数综合考虑不同动力吸振器(dynamic vibration absorber, DVA) 的性能优劣. 讨论了NES和TMD在不同的设计参数下(变刚度、变阻尼和变位置排布) 的减振效率和鲁棒性. 结果表明, NES和TMD控制曲轴扭振时具有不同的刚度及阻尼失效区间. 随着设计参数的变化, NES和TMD的减振性能交替领先, NES的综合性能领先了24.5%, TMD的综合性能领先了3.3%. 同时, NES具有较高的阻尼依赖性(13.6%), TMD具有较高的刚度(3.6%)及位置依赖性(25.6%).

, doi: 10.6052/0459-1879-23-285

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热轴力对双层微梁谐振器热弹性阻尼的影响分析

李世荣

近年来, 已有不少关于复合材料层合梁/板谐振器热弹性阻尼的研究论文发表. 然而, 在这些研究中热轴力(热薄膜力)对热弹性阻尼的贡献都被忽略了. 众所周知, 若梁/板的材料性质分布关于几何中面不对称则其物理中面将偏离几何中面. 于是, 热−弹耦合振动引起的变温场不但会形成热弯矩, 还会产生热轴力(热薄膜力), 二者将共同产生热弹性阻尼. 文章基于Euler-Bernoulli 梁理论和经典热传导理论, 建立了双层矩形截面微梁热-弹耦合振动数学模型, 精确考虑了热轴力对微结构内能耗的贡献. 然后, 采用解析方法求得了用变形几何量表示的热轴力和热弯矩, 进而求得到了系统自由振动的复频率以及用逆品质因数表示的热弹性阻尼解析解. 作为数值算例, 选取由均匀的银(Ag)和氮化硅硅(Si₃N₄)分层组成的双层微梁, 通过大量的数值实验定量分析了分层体积分数变化对热弹性阻尼的影响规律, 考察了热轴力对热弹性阻尼的影响程度. 结果表明, 忽略热轴力将会低估层合梁谐振器的热弹性阻尼. 在金属银的体积分数为70%(氮化硅体积分数为30%)时, 忽略热轴力后对热弹性阻尼最大可低估达16.3%.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-381

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基于自旋梁的压电振动能量采集与动力学分析

赵翔, 袁铭泽, 方仕童, 李映辉

为研究轴向载荷及梁上外激励共同作用下自旋梁结构强迫振动的压电振动能量采集问题, 文章提出运用格林函数法求解自旋梁压电俘能器强迫振动下的电压解析解. 基于Euler-Bernoulli梁理论, 采用扩展Hamilton原理及PZT-5A压电本构, 建立了自旋梁压电俘能器强迫振动的力电耦合模型. 采用Laplace变换法求得耦合振动方程的格林函数解, 并根据线性叠加原理和格林函数的物理意义, 对耦合的系统方程进行解耦, 进而求得强迫振动下自旋梁压电俘能器的电压解析解. 数值计算中, 通过与现有文献中的解析解以及实验结果进行对比, 验证了本文解的有效性, 并分别分析了自旋梁压电俘能器的压电响应与电阻、转速等重要物理参数之间的关系. 数值分析研究表明: (1) 自旋梁俘能器的压电响应随电阻阻值的增大而增大, 直至阻值达到最优负载电阻; (2)通过调高转速, 可以提高压电俘能器的最大输出电压; (3)通过降低轴向载荷, 可在保持俘能器高效工作的情况下改善俘能器的高基频现象.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-328

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基于龙格库塔法的多输出物理信息神经网络模型

韦昌, 樊昱晨, 周永清, 刘欣, 张超群, 王赫阳

物理信息神经网络(physics-informed neural networks, PINN)由于嵌入了物理先验知识, 可以在少量训练数据的情况下获得自动满足物理约束的代理模型, 受到了智能科学计算领域的广泛关注. 但是, PINN的离散时间模型(PINN-RK)无法同时近似多个物理量相互耦合的偏微分方程系统, 限制了其处理复杂多物理场的能力. 为了打破这一限制, 文章提出了一种基于龙格库塔法的多输出物理信息神经网络(multi-output physics-informed neural networks based on the Runge-Kutta method, MO-PINN-RK), MO-PINN-RK模型在离散时间模型的基础上采用了并行输出的神经网络结构, 通过将神经网络划分为多个子网络, 建立了多个神经网络输出层. 采用不同输出层近似不同物理量的方式, MO-PINN-RK模型不仅可以同时表征多个物理量, 而且还能够实现求解偏微分方程系统的目的. 另外, MO-PINN-RK克服了PINN离散时间模型仅适用于一维空间的局限性, 将其应用范围扩展到了更为普遍的多维空间. 为了验证MO-PINN-RK的有效性, 文章对圆柱绕流问题进行了流场预测和参数辨识研究. 测试结果表明, 与PINN相比, MO-PINN-RK在流场预测问题中的准确性获得了提升, 其精度至少提高了2倍, 而在参数辨识问题中, MO-PINN-RK的相对误差降低了一个数量级. 这凸显了MO-PINN-RK在流体动力学领域的卓越能力, 为解决复杂问题提供了更准确、更有效的解决方案.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-299

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无拉力弹性地基上矩形板屈曲/后屈曲问题的辛求解方法

熊斯浚, 郑新然, 梁立, 周超, 赵岩, 李锐

无拉力弹性地基上矩形薄板的屈曲/后屈曲问题是板壳力学中一类重要课题, 在工程中有着大量应用. 因涉及接触非线性, 目前主要采用数值方法对该类问题进行求解, 发展具有重要基准价值的解析方法是当前面临的一项挑战. 针对上述问题, 本文将板划分为若干包含强制边界条件的板, 形成子问题, 在辛空间下利用分离变量与辛本征展开对子问题进行解析求解, 通过子问题边界处的连续条件确定板与地基的接触状态; 通过迭代求解上述过程, 获得子问题划分的收敛结果, 并得到最终屈曲载荷及模态. 结果表明, 无拉力弹性地基与Winkler地基上板的屈曲行为存在显著差异, 且无拉力弹性地基的刚度对板的屈曲载荷与屈曲模态均有重要影响. 在此基础上, 结合Koiter摄动法与辛方法, 对无拉力弹性地基上矩形板的后屈曲问题进行求解, 获得板的后屈曲平衡路径. 所得到的屈曲与后屈曲分析结果均与有限元计算结果吻合良好, 确认了本文结果的正确性. 由于本文方法数学推导严格, 求解效率高, 因此不仅为研究无拉力弹性地基上矩形薄板的屈曲/后屈曲行为提供了一种有价值的理论工具, 更有望拓展至更多复杂板壳力学问题的求解.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-384

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气流作用下气道组织变形的流固耦合研究

秦源, 陈茜, 魏东, 任晓勇, 徐光魁

悬雍垂腭咽成形术(UPPP)是一种治疗阻塞性睡眠呼吸暂停(OSA)的常规外科手术, 然而由于手术作用机制仍不清楚, 手术成功率较低. 现有的研究大多忽略了患者上气道的具体形态以及呼吸作用下气道软组织的弹性变形, 不足以有效指导手术治疗. 文章基于OSA患者在术前、术后的CT扫描图像, 构建了精确的三维上气道模型, 通过双向流固耦合(FSI)计算, 模拟研究了呼吸作用下上气道软组织的弹性变形和气道内气流流动情况. 比较手术成功案例和失败案例中OSA患者上气道的流速、压力分布及气道弹性变形情况, 从气道流体流动状态和气道软组织变形的角度解释了OSA的发生原因与手术作用机制. 结果表明, 最小横截面积尺寸并不是UPPP手术成功与否的决定性因素, 成功的手术应当是减轻气道壁负压力程度、降低气道进出口之间的压降. 此外, 使用双向FSI方法, 文章进一步构建了简化的人体二维软腭模型, 探究了软腭弹性模量对吸气过程的影响, 发现当软腭的弹性模量在0.5 ~ 1.5 MPa的范围内时, 刚度更小的软腭会改善流场的流动情况, 但也更易发生变形塌陷. 文章所发展的流固模型为个性化预测手术效果提供了研究工具.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-278

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非线性振动系统的多项式向量方法

金栋平

对于常微分方程描述的非线性振动系统, 当采用摄动方法求近似解时, 先是给出满足各阶近似解的二阶常微分方程组, 继而依次对每一个常微分方程进行求解, 以致多自由度非线性振动系统的求解过程相当繁琐. 文章针对常微分方程表示的非线性振动系统, 提出了一种求解非线性振动系统近似解的多项式向量方法, 该方法将二阶常微分方程组表示成一阶状态方程组, 将非线性部分写成常数矩阵和多项式向量之积的形式. 然后, 采用直接摄动方法, 获得每个幂次近似解所满足的一组状态方程, 此时状态方程的非线性部分成为常数矩阵和前一幂次近似解作为元素组成的多项式向量的乘积. 进一步, 借助Toeplitz矩阵将多项式向量之乘法表示成矩阵形式, 以解决多项式相乘带来的幂次方系数的确定问题, 再根据一阶非齐次方程组的求解方法, 获得状态方程组的全部近似解析解. 多项式向量方法将二阶常微分描述的非线性振动求解过程转换为一阶非齐次状态方程组的求解问题, 计算过程主要是矩阵和向量之间乘法运算, 提高了计算效率和程序化水平.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-331

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非均匀矩形网格的局部网格细化LBM算法研究

安博, 孟欣雨, 杨双骏, 桑为民

传统的格子玻尔兹曼方法(LBM), 特别是基于均匀正方形网格的经典单松弛计算模型(SLBM), 其算法鲁棒性和数值稳定性较差, 限制了LBM的发展和应用. 而网格细化策略可以有效缓解这一窘境, 但是传统LBM中网格细化必然会导致计算效率骤降, 计算设备要求攀高. 为了解决这一问题, 文章基于非均匀矩形网格结构, 结合插值LBM算法的思路, 在保证物面处和流动变化剧烈区域的局部网格细化以及计算精度的前提下, 提出了25点拉格朗日插值LBM算法. 以经典顶盖驱动方腔内流为算例, 开展了包括不同网格分辨率和插值格式的对比分析研究. 验证算例既包括了定常流动的数值模拟, 也涉及了非定常周期性流动的求解. 计算结果表明, 相较于其他插值格式, 拉格朗日插值格式表现优异; 文章局部网格细化工作可以确保物面处及流动变化剧烈区域流动细节的捕捉; 数值模拟算法可以为数值仿真提供可信的计算结果; 同时大幅降低了总网格数量. 因此很大程度上提升了计算效率; 数值模拟方法鲁棒性较好, 适用于包括定常和非定常流动的数值模拟.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-062

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化可分离凸规划为对偶规划显式模型的普适解法研究比较

彭细荣, 隋允康

文章旨在提升对偶规划显式模型(dual programming-explicit model, DP-EM)的建模和求解的境界. DP-EM模型从一类变量可分离凸规划的特点出发, 突破了对偶目标二阶采用近似的定势, 推导得出显式的对偶目标函数; 应用于ICM方法求解连续体结构拓扑优化问题时, 其求解效率比对偶序列二次规划方法(DSQP)和可移动渐近线方法(MMA)求解效率更高. 文章进一步把常见的一类显式模型抽象为普适的可分离凸规划列式, 在需要满足的一些条件下, 转换为DP-EM模型, 并且提出4种处理方法: (1)对偶变量迭代逼近法; (2)指数函数形式的解法; (3)幂函数形式的解法; (4)基于变换的精确解法. 为了进行数值验证, 做了广泛的计算, 限于篇幅, 文章列出了5个具有代表性的算例, 除了算例1属于纯数学问题, 其余4个算例皆基于ICM方法, 分别对于位移、应力、疲劳等约束和破损−安全的连续体结构拓扑优化问题, 基于所提出的方法进行建模和求解, 都显示了所提出方法的普适性及更高的求解效率. 工作的意义在于: (1)深度方面, 加深了结构优化对偶解法的研究; (2)广度方面, 对数学规划对偶理论的发展做出了新的贡献.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-267

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准零刚度驱动式压电低频振动能量采集方法

陈婷婷, 王凯, 成利, 周加喜

如何高效且经济环保地为数以万计的传感器网络节点供电, 是物联网快速发展和大范围应用的瓶颈性难题. 将振动能转换为电能以实现传感器自供电是物联网传感器网络节点供能的潜在方案. 但是, 环境振动中低频成分占比较大, 而传统振动能量采集方法较难实现低频( < 10Hz)振动能量的高效转化, 这限制了振动能量采集技术在物联网领域的大范围应用. 文章提出了一种准零刚度驱动式压电振动能量采集装置, 可将环境、人体及部分机械设备的低频振动能量高效地转化为电能. 首先利用能量法得到压电俘能单元的机电耦合方程, 并用谐波平衡法获得系统动力学及电学响应的解析表达式, 同时对比了数值解与解析表达式的结果; 进一步探究了阻尼比、激励幅值等参数对动力学响应及电学输出的影响. 最后加工制备了准零刚度驱动式压电振动能量采集装置样机, 搭建了实验平台, 测试了系统的动力学响应与电学输出, 验证了理论结果的正确性. 研究结果显示当频率为2.5Hz时, 准零刚度驱动式压电振动能量采集装置中单个能量转化单元的最大峰值电压达到25V. 文章提出的准零刚度压电能量采集装置有望克服传统共振型压电能量采集装置能量采集频带依赖于能量采集系统固有频率以及多稳态能量采集器需要跨越势垒而难以实现超低频小幅值能量俘获的难题, 进一步夯实振动能量采集理论, 为超低频小振幅振动能量的高效采集提供新思路.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-315

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基于数据驱动的舵面结构优化设计

时光辉, 贾宜播, 郝文宇, 武文华, 李强, 林晔, 杜宗亮

在航空航天领域, 基于结构拓扑优化理论的轻量化设计需求逐步增加; 而一些高端装备的空气舵通常服役于严酷的热力耦合环境中, 对其进行高效地轻量化设计兼具挑战和重要意义. 对于给定的载荷, 薄壁结构的刚度特性可以通过增加肋或加强筋而得到显著增强, 这与空气舵结构的设计需求高度一致. 然而, 传统隐式拓扑优化框架下的加筋设计存在设计变量数目多、计算效率较低、不易保证筋条几何特征以及不便直接将优化设计结果导入CAD系统等问题. 本研究采用了全新的显式拓扑优化方法−移动可变形组件法(MMC), 并结合数据驱动对具有异形封闭几何特征的空气舵进行高效加筋设计. 该方法直接对筋条骨架的几何信息进行优化, 具有设计变量少、计算效率高、优化结果可与CAD软件无缝衔接等优势, 从而解决了采用隐式拓扑优化方法及后续模型重构、参数优化等冗余步骤所面临的优化周期长、对设计人员经验依赖性强等问题. 进一步, 建立了加筋布局与关键力学性质映射的人工神经网络模型; 将其作为代理模型进行优化可极为高效地得到高质量的初始设计, 从而显著提升了舵面结构优化设计的效率. 文章设计框架融合了结构拓扑优化算法与人工神经网络技术, 可以推广应用于其他高端装备的智能设计.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-187

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基于组合超表面的跨水空声波调控研究

张少聪, 朱家辉, 李辰洋, 瓮佳轩, 王艳锋, 汪越胜

现有声学超表面的研究多是针对空气或水等单一介质, 有关跨介质声波调控的研究相对较少. 文章主要基于组合超表面研究跨水空界面声波的调控特性. 首先, 利用遗传算法设计了可以调控波前的高透射空气声超表面. 接着, 通过复合离散型跨水空高透射超表面设计组合超表面实现了对跨水空界面声波的波前调控, 并讨论了组合超表面间距对波控性能的影响. 最后加工制作组合超表面试样, 并对跨水空声波聚焦功能进行了实验验证. 结果表明通过复合两种独立设计的超表面可以实现跨水空界面声波的异常折射和聚焦功能. 组合超表面的间距会影响其对声波的调控效果. 当间距较小时, 组合超表面虽然可以实现对跨水空界面声波的调控, 但是调控效果较差; 随着间距的增加, 组合超表面对跨水空声波的调控效果会迅速增强并趋于稳定. 在实验中观察到了跨水空界面的声聚焦现象以及组合超表面间距对跨水空界面声波聚焦效果的影响, 实验结果与仿真结果基本一致. 研究工作为跨水空声学器件的设计提供了一定的数值和实验基础.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-293

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横向喷流对低速大攻角细长旋成体非对称气动特性影响研究

徐一航, 刘伟

采用风洞试验和数值模拟相结合的方法, 对雷诺数Re = 55000条件下细长旋成体有、无横向喷流时大攻角非对称特性进行了分析. 通过风洞试验发现了旋成体在法向和侧向进行喷流时其大攻角非对称气动特性与无喷流时的区别, 通过数值模拟方法对几个典型工况下旋成体有、无横向喷流时的非对称气动特性进行了分析, 揭示了喷流对旋成体非对称流动分离的影响. 通过风洞试验发现当细长旋成体进行法向控制时无喷流、喷流位于迎风区和喷流位于背风区的旋成体表现出了不同的非对称流动特性: 首先喷流位于迎风区时攻角范围在20º ~ 40º之间有喷流和无喷流旋成体所产生的侧向力方向相反, 攻角大于40º之后侧向力系数的方向发生了改变, 与无喷流时的侧向力系数方向相同, 但是其绝对值要比无喷流时的侧向力系数小. 其次喷流位于背风区时攻角在15º ~ 35º之间有喷流时的侧向力系数绝对值要明显比无喷流时大, 在随后的40º ~ 70º之间旋成体侧向力系数变化规律与无喷流的趋势相似. 当细长旋成体进行侧向控制时由于沿侧向的喷流所产生的直接力使得攻角范围在0º ~ 20º之间和大于45º时有喷流的旋成体侧向力系数绝对值要比无喷流时大, 但是攻角在25º ~ 40º之间时旋成体的侧向力系数绝对值减小, 甚至在35º时几乎为0. 通过数值模拟发现当细长旋成体进行法向控制时, 喷流位于迎风区和背风区时喷流都对有扰流片一侧的流动分离产生了影响, 使得其与无喷流时的流场结构不同. 无喷流时细长旋成体有扰流片的一侧首先发生流动分离, 但是当喷流存在时无扰流片的一侧首先发生流动分离, 从而导致了侧向力绝对值增大以及侧向力方向发生改变等现象. 当细长旋成体进行侧向控制时, 没有扰流片的一侧流动首先发生了分离, 有扰流片的一侧后发生流动分离. 旋成体有扰流片一侧由于喷流的影响在弹体喷嘴附近及后方产生了低压区, 无扰流片一侧的流动分离之后旋成体中后部分产生了高压区, 使弹体产生了沿z轴正向的侧向力, 这与喷流产生的直接力方向相反、大小相当, 从而出现了旋成体攻角在20º ~ 40º之间侧向力较小、甚至在35º时几乎为0的情况.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-251

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基于扩散模型的流场超分辨率重建方法

韩阳, 朱军鹏, 郭春雨, 范毅伟, 汪永号

低分辨率的流场数据具有较少的信息量, 不能充分捕捉流场中的细节演化过程. 尤其对于湍流的随机脉动特征和小尺度涡旋细节特征更加难以获取, 这限制了对流场演化机理进行深入研究. 为了解决这一局限性, 并从低分辨率流场中重建高分辨率数据, 文章提出一种流场超分辨率重建的生成扩散模型FlowDiffusionNet. 该模型以低分辨率流场数据输入作为约束条件, 采用去噪分数匹配方法, 来实现高分辨率流场数据的复现. FlowDiffusionNet在结构设计上充分考虑了流场数据的低频信息与高频空间特征, 采用基于扩散过程的建模方法, 用于重建高分辨率流场数据的残差. 该模型结构便于实现迁移学习, 可在不同程度的退化流场上应用. 将该方法在多种经典流场数据集上进行测试, 并与双三次插值(Bicubic)、超分辨率生成对抗网络(SRGAN)、超分辨率卷积神经网络(SRCNN)等方法进行比较. 结果表明, 该方法在各种流场上的重建性能达到最佳水平, 特别是对于包含小尺度涡结构的4倍下采样流场数据, 客观评价指标SSIM达到0.999.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-167

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摆式摩擦发电机非线性机电耦合建模研究

韩勤锴, 高帅, 邵卿洋, 褚福磊

面向摆式摩擦发电机结构优化设计需求, 开展非线性机电耦合建模与参数敏感性分析, 以推动其向工程实用化方向发展. 在摩擦发电机理分析的基础上, 构建等效电容拟合函数; 结合能量原理和等效电路法, 建立了考虑摆角非线性变化的机电耦合模型. 利用谐波平衡法, 解析求解摆式摩擦发电机的周期稳态输出, 并判断结果稳定性. 结合数值积分和动态测试两种手段, 验证谐波平衡分析的准确性. 与线性模型结果进行深入对比, 并考察了不同设计参数对摆式摩擦发电机输出特性的影响. 考虑非线性效应, 模型预估的工作带宽显著增加(相对增量83%). 文章提出的机电耦合模型能够有效避免线性模型对工作带宽的低估问题, 显著提升输出性能估计的准确性; 增加激励幅值、降低系统阻尼或减小电极夹角, 均有助于提升摆式摩擦发电机的输出表现; 在实际设计时, 需综合考虑间隙长度和摩擦力幅值, 以使摆式摩擦发电机输出表现处于较优状态; 构建多种拟合模型用于表征设计参数与输出性能的关系, 可作为摆式摩擦发电机输出性能设计的依据.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-197

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基于多层级LSTM的铝板缺陷检测

张枫毅, 王莉华, 叶文静

铝板因其优良的抗疲劳性和延展性广泛应用于航空航天和建筑等领域. 然而在生产过程中, 由于外部环境、操作工艺等的限制往往会产生各种各样的缺陷, 从而影响其力学性能, 例如会降低铝材料的强度、延展性和韧性等, 导致其使用寿命的缩短. 在单次发射和接收超声波的情况下, 论文提出了多层级长短期记忆(long short-term memory, LSTM)神经网络的方法, 用于辅助检测铝板的夹杂(气泡)缺陷. 利用有限元软件COMSOL Multiphysics模拟含有夹杂缺陷的铝板中超声波的传播过程, 导出含有缺陷信息的波形数据, 通过训练波形数据, 得到可以反映波形数据与夹杂缺陷大小和位置关系的网络模型. 此外, 该模型采用硬投票的方法以缓解网络训练过程中繁杂的参数调整问题, 提高了检测结果的可靠性. 结果表明: 夹杂缺陷半径检测的准确率超过了98%, 夹杂缺陷深度检测的准确率达到1, 夹杂缺陷横坐标位置检测的准确率超过95%. 为LSTM神经网络应用于超声无损检测提供了借鉴.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-193

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基于共振转换器的自主水下航行器动力学建模及减振降噪

张康宇, 路宽, 程晖, 傅超, 郭栋

文章以自主水下航行器(AUV)振动噪声抑制及其隐秘性提高为研究背景, 提出了一种含有轴承非线性的AUV振动−声学模型, 并通过寻找共振转换器(RC)最佳设计参数使壳体产生的振动声辐射功率级最小, 达到反共振的目的. 首先通过Lagrange法建立了含有浆−轴−壳的双梁系统有限元模型, 基于赫兹接触理论加入轴承非线性因素, 然后根据声传播原理推出了声偶极子辐射场模型; 然后, 采用Runge-Kutta法求解了系统振动响应, 通过时域响应、频谱、分岔和幅频响应图等后处理信号分析了系统的动力学特征; 最后, 以壳体声功率级作为代价函数并根据响应分析结果, 对RC进行参数设计. 通过对比非线性轴承和线性弹簧两种支撑, 发现AUV在非线性轴承支撑下壳体振动辐射声功率级主体趋势是沿着线性结果分布的, 同时均高于线性弹簧支撑下的系统噪声, 并且在对应共振区域达到峰值; 同时结果显示RC装置能够大幅度降低系统共振响应幅值及振动辐射声功率级, 尤其在共振频率设计点处减振降噪效果最为显著, 在共振频率设计点处频率没有发生偏移, 但在其他个别区间内, 除了最大共振幅值降低明显之外, 共振频率产生一定的偏移. 文章的理论模型揭示了AUV动力学响应特征及参数影响规律, 其研究结果可为AUV减振降噪优化设计提供新的改进思路, 具有一定的理论指导意义.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-217

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垂直发射条件下水下航行体头型对通气空泡流动及压力特性的影响分析

任泽宇, 王小刚, 权晓波, 程少华

为了揭示垂直发射条件下水下航行体头型对通气空泡演化过程的力学影响机理, 首先基于有限体积法, 结合改进型延迟分离涡模型、流体体积多相流模型及重叠网格技术建立了垂直发射条件下通气空泡的数值计算模型. 其次, 将计算结果与垂直发射实验进行对比, 验证了所提出的数值方法对通气云空泡的预测具有较高精度, 说明了该方法在通气空泡复杂非定常计算中的适用性. 最后, 对比研究了相同工况下流线头型和钝头头型航行体通气空泡流动特性和压力特性的差异, 从涡量动力学的角度分析了差异产生的原因, 结果表明: 相比于流线头型航行体, 钝头航行体通气空泡气液交界面处速度梯度较小, 受到重力和浮力的影响更大, 在瑞利−泰勒不稳定性机制的作用下, 通气空泡更早发生非线性失稳, 空泡失稳区域呈现更为剧烈的浮动行为以及空泡脱落等非定常流动特性; 较强的空泡非定常流动特性影响了钝头航行体通气空泡末端的流动分离, 从而抑制了空泡末端滞止高压的高幅值特性.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-230

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手性超材料惯容吸振器的扭转振动抑制研究

李卉, 魏国崇, 姚红良, 彭禧

惯容结构常用于振动抑制中, 有着较为良好的减振效果. 而惯容与吸振器结合的新型吸振器具有轻量化的优点, 然而设计复杂的惯容结构限制了惯容吸振器在振动领域的广泛应用. 针对这一局限性, 设计一种具有简单高效惯容结构的手性超材料惯容吸振器(CIDVA). 首先引入了手性超材料的压缩−扭转耦合效应, 并利用该效应放大惯容盘的扭转行程, 形成惯容机制. 为了保证惯容机制的可行, 设计一种辅助机构来保证手性超材料的运动. 其次研究了CIDVA结构和工作原理并进行有限元仿真分析, 计算和验证其惯容放大常数. 并在此基础上建立了CIDVA−主系统的动力学方程, 对CIDVA−主系统在稳态和瞬态激励下的扭转振动抑制能力进行了研究, 并与锁定CIDVA进行了对比. 接着对惯容有效性进行了分析. 最后, 基于试验验证了CIDVA对主系统的扭转抑振能力. 结果表明, CIDVA能在瞬态和稳态激励下有效抑制主系统扭转振动, 且相较于传统DVA, 能节省自身10倍以上的转动惯量. 为DVA实现轻量化设计和高效的振动抑制提供了新思路和方法.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-189

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回流区稳定燃烧的近熄火特性理论分析

汪洪波, 连城阅, 张锦成, 曾宇, 杨揖心, 王亚男

基于火焰稳定在回流区剪切层中的假设, 建立了预混火焰近贫燃熄火极限特性的理论分析模型. 一旦火焰稳定在剪切层中, 由于剪切层同时从两侧卷吸流体, 所以进入火焰的流体将是自由流与回流区流体的混合物. 如果是贫燃火焰, 回流区流体由燃烧产物和多余的氧化剂组成而没有燃料, 因此进入剪切层火焰的混合物当量比将低于自由流的当量比. 如此一来, 即使自由来流是可燃的, 剪切层中混合物的当量比也可能超出可燃极限. 分析表明, 对于回流区稳定的贫燃火焰, 进入剪切层火焰的混合物有效当量比将低于自由来流的当量比. 根据理论分析建立了近贫燃熄火极限的回流区稳定燃烧模式图, 其中涉及4个参数: 自由来流当量比、剪切层卷吸比、吹熄极限和再点火极限. 分析揭示出4种可能的燃烧模式: 超稳定火焰、亚稳定火焰、振荡火焰和熄火. 特别地, 在参数空间发现了一个振荡区, 它可能为近吹熄火焰引入一种新的固有不稳定性机制. 在这种机制中, 剪切层中的当量比振荡实际上是由燃烧过程本身驱动的 , 因为火焰的位置/振荡影响着进入回流区的流体成分进而影响剪切层中的当量比. 因此, 当量比振荡与燃烧过程之间的反馈循环由于周期性的火焰吹熄和闪回/再稳定而得以封闭.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-206

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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

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