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2004年  第36卷  第1期

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论文
动力刚化问题的实验研究
杨辉, 洪嘉振, 余征跃
针对当前柔性多体系统动力学的热点问题------动力刚化现象进行了相关的实验研究,以大量文献中研究过的旋转悬臂梁为实验对象,验证了理论分析中的一些结论:在某些高速旋转情况下,传统零次近似模型在计算梁的横向振动响应时会产生错误的结论,而柔性梁实际的横向振动是稳定的,其振动频率随着转速的增加而升高,即所谓的动力刚化现象. 进一步的定量分析表明,实验得到横向振动响应与一次近似耦合模型所预测的结果基本一致,说明了该模型的正确性和有效性.
2004, 36(1). doi: 10.6052/0459-1879-2004-1-2002-122
动态断裂力学的无限相似边界元法
程玉民, 稽醒, 贺鹏飞
对弹性动力学的相似边界元法进行了进一步研究,推导了相应的计算公式,并在此基础上提出了动态断裂力学的无限相似边界元法. 与传统的边界元法相比,相似边界元法由于只需在少数单元上进行数值积分,大大减少了计算量. 对动态断裂力学问题,无限相似边界元法由于在裂纹尖端的边界上设置了逼近于裂纹尖端的无限个相似边界单元,可直接得到裂纹尖端具有奇异性的应力,而不需要设置奇异单元,从而突破了奇异单元对应力奇异性阶次的局限. 另外,还讨论了无限相似边界元法得到的无限阶的线性代数方程组的求解方法.
2004, 36(1). doi: 10.6052/0459-1879-2004-1-2002-125
对流扩散方程的摄动有限体积(PFV)方法及讨论
高智, 柏威
在有限体积(FV)方法的重构近似中,引入数值摄动处理,即把界面数值通量摄动展开成网格间距的幂级数,并利用积分方程自身的性质求出幂级数的系数,同时获得高精度迎风和中心型摄动有限体积(PFV)格式. 对标量输运方程给出积分近似为二阶、重构近似为二、三和四阶迎风和中心型PFV格式,这些PFV格式的结构形式及使用基点数与一阶迎风格式完全一致,迎风PFV格式满足对流有界准则;二阶和四阶中心PFV格式对网格Peclet数的任意值均为正型格式,比常用的二阶中心格式优越. 用一维标量输运和方腔流动算例说明PFV格式的优良性能,并把PFV方法与性质相近的摄动有限差分(PFD)方法及相关的高精度方法作了对比分析.
2004, 36(1). doi: 10.6052/0459-1879-2004-1-2002-219
填隙幂率流体下两刚性圆球相对错移时的粘性阻力
黄文彬, 李红艳, 徐泳
湿颗粒离散元模型以两球作用时填隙流体定常流动解为基础,其中切向作用是难点,国外仅有Goldman的牛顿流体渐近解. 基于Reynolds润滑理论导出了两刚性球切向错动时填隙幂律流体的压力方程,并利用傅立叶级数展开简化,通过数值解法得到相应的压力分布、黏性阻力及阻力矩. 该方程的解较之作者先前对速度场附加假定的结果精确,而当幂指数为1时等价于Goldman的牛顿流体渐近解.
2004, 36(1). doi: 10.6052/0459-1879-2004-1-2002-232
气相爆轰在T形管中传播新现象的实验研究
王昌建, 郭长铭
对2H$_{2}$/O$_{2}$/Ar系统爆轰波在T形管(截面为40\,mm$\times$40\,mm)中传播现象进行了实验研究. 用烟迹片记录了T形管中爆轰波的胞格结构,用压电传感器记录了分叉口附近指定点压力时间曲线,得到了爆轰波在分叉口附近的平均速度和胞格图案演变. 结果表明:初压$P_{0} \ge2.67$\,kPa ,在水平和垂直支管下游区域(距离分叉口约3.5$\sim$6倍方管截面边长),分叉口影响消失,爆轰波恢复稳定,且强度基本保持不变. 在分叉口绕射过程中,爆轰波在膨胀区中衰减,诱导激波阵面弯曲. 两个支管中发生马赫反射,三波点迹线清晰可见. 该传播特性是爆轰波的诱导激波和横波共同作用的结果. 分叉口附近的胞格结构先消失再恢复,在无胞格和平衡胞格之间的区域存在细密胞格的过渡区,表征了在诱导激波与化学反应阵面分离后的区域中出现二次点火. $P_{0}=2.00$\,kPa,水平支管中稳定自持爆轰能重建,垂直支管中爆轰熄灭. $P_{0}<2.00$\,kPa,分叉口上游已不能形成稳定爆轰. 还对胞格结构中的几个特征参数进行了测量,并初步分析了$P_{0}$对这些参数的影响.
2004, 36(1). doi: 10.6052/0459-1879-2004-1-2002-260
壁面展向周期振动的槽道湍流减阻机理的研究
黄伟希, 许春晓, 崔桂香, 张兆顺
利用直接数值模拟研究了带有壁面展向周期振动的槽道湍流. 壁面在展向的周期运动使湍流受到抑制,并使壁面摩擦阻力减小.通过对雷诺应力输运方程的分析研究了壁面展向周期振动的减阻机理,进一步揭示了压力变形项在湍流抑制中的关键作用.
2004, 36(1). doi: 10.6052/0459-1879-2004-1-2002-368
主动板的正交性条件
李宁, 张景绘
给出主动结构的伴随主动结构定义,将由离散主动结构的基本方程推导出来的互易定理推广应用于连续主动结构,具体研究分布作动和分布测量的主动板. 通过引入作动和测量的位置函数,给出线性控制方程和测量方程,推导出用主动板振型和伴随主动板振型表示的模态正交性条件,并用数值模拟实例加以解释. 应用这些正交性条件,可将主动板的运动微分方程解耦.
2004, 36(1). doi: 10.6052/0459-1879-2004-1-2002-392
复合材料层合板1:1参数共振的分岔研究
叶敏, 吕敬, 丁千, 张伟
针对复合材料对称铺设各向异性矩形层合板的物理模型,在同时考虑了材料、阻尼和几何等非线性因素后,建立了二自由度非线性参数振动系统动力学控制方程,并应用多尺度法求得基本参数共振下的近似解析解,利用数值模拟分析了系统的分岔和混沌运动. 指出了伽辽金截断对系统动力学分析的影响,以及系统进入混沌的途径.
2004, 36(1). doi: 10.6052/0459-1879-2004-1-2003-024
横观各向同性板的分解理论
赵宝生, 王敏中
将分解理论从各向同性板推广至横观各向同性板,得到横观各向同性板的分解理论,即横观各向同性板内应力状态可以分解成内应力状态、剪切应力状态和超越应力状态,并给出严格的数学证明.
2004, 36(1). doi: 10.6052/0459-1879-2004-1-2003-034
双材料应力分析中的镜像点方法
许金泉
提出一种分析各类双材料中任一点受集中力作用问题的方法. 通过将结合界面或其自由表面看作镜面,将应力函数或位移函数设定成固定于受载点及其镜像点上的局部坐标系下的形式,利用界面连续条件和Dirichlet的单值性原理,所有应力函数或位移函数就可由无限体中集中力的解或半无限体表面集中力的解的应力函数求得. 这种方法不仅可适用于单一界面的情况,也可使用于多个界面并存的情况,并且也可适用于具有自由表面的结合材料.这一方法可应用于各类结合材料、涂层薄膜材料、板材等.
2004, 36(1). doi: 10.6052/0459-1879-2004-1-2003-036
充分发展湍流场中Pr数对被动标量输运的影响
周海兵, 崔桂香, 许春晓, 张兆顺
采用直接数值模拟方法,研究壁湍流中分子$Pr$数对湍流被动标量输运的影响. 发现在槽道湍流的外层,湍流雷诺平均普朗特数$Pr_{T}$与分子普朗特数的倒数呈线性关系;湍流亚格子普朗特数$Pr_{t}$与分子普朗特数的关系较为复杂,在分子普朗特数为1附近时,湍流亚格子$Pr_{t}$数出现极小值
2004, 36(1). doi: 10.6052/0459-1879-2004-1-2003-058
缺口件表象疲劳极限的定量化分析
张志建, 姚枚, 杨庆祥, 杜国君, 高玉魁
测定了淬火、高温回火35CrMo钢光滑试样和三种缺口试样的三点弯曲疲劳极限,并利用ANSYS有限元软件计算了缺口试样加载时缺口截面上的应力分布. 用``疲劳源形成的微细观过程理论''对试验结果进行了分析,认为,疲劳源的形成虽然发生在个别薄弱晶粒内部,是其中位错往返运动及交互作用的结果,但还必须满足一定的形变协调条件和概率条件,因而必须形成由相当多晶粒组成的``细观屈服区''. 对试验结果的分析表明,如取``细观屈服区''临界尺寸($x_W$)等于11个奥氏体晶粒平均直径,则计算得到的缺口试样的表象疲劳极限,与实测值相比,其综合误差最小. 据此计算的三种缺口试样的表象疲劳极限,其误差都小于5\%. 该$x_{W}$可认为是材料的特征参量.
2004, 36(1). doi: 10.6052/0459-1879-2004-1-2003-068
三维问题边界元法中几乎奇异积分的正则化算法
牛忠荣, 王秀喜, 周焕林
当源点靠近边界单元时,边界积分方程通常存在几乎奇异积分的计算难题. 基于三角形单元,将源点到单元的距离与单元特征长度比值定义为接近度,用于度量边界单元中积分奇异性的程度. 将单元上的面积分在局部的极坐标系$\rho \theta $下表示,利用一些初等函数的积分公式,获得对变量$\rho $作单层积分的解析表达式. 几乎强奇异和超奇异面积分被转化为沿单元围道上一系列线积分,而Gauss数值积分能够有效计算这些线积分. 应用该算法分析三维弹性薄壁结构获得了成功.
2004, 36(1). doi: 10.6052/0459-1879-2004-1-2003-070
8阶群速度控制格式及其应用
李新亮, 傅德薰
构造了8阶精度的群速度控制型差分格式. 根据激波捕捉能力及对小尺度分辨能力对格式系数进行了优化. 采用该格式对可压缩均匀各向同性湍流进行了直接数值模拟,所计算的最大湍流马赫数达到0.95. 相同计算条件下的结果与他人结果吻合较好,说明了格式在捕捉激波的同时对湍流小尺度有较好的分辨能力.
2004, 36(1). doi: 10.6052/0459-1879-2004-1-2003-072
二维含裂纹结构与声耦合问题研究
吴国荣, 钟伟芳
应用分形有限元方法结合边界元方法研究了二维含裂纹结构和声耦合问题. 采用二级分形有限元方法对含裂纹的弹性结构体进行离散处理,这样可以使得自由度数大大地减少;无限大外域声场的计算使用边界元方法,可以自动满足无穷远辐射条件. 数值仿真算例结果表明:结构声耦合系统的共振频率随着裂纹深度的增加而下降;裂纹附近的声场所受的影响较为明显.
2004, 36(1). doi: 10.6052/0459-1879-2004-1-2003-100
非定常IV型激波-激波干扰数值模拟研究
田正雨, 李桦, 范晓樯
对Ⅳ型激波-激波干扰非定常流动进行了数值模拟,采用有限体积法,结合空间半隐的二阶OC-TVD格式与时间二阶显式Runge-Kutta法求解三维全N-S方程,并且使用了Baldwin-Lomax代数湍流模型. 得到了周期性流场变化结果,其中包括周期变化的双涡结构. 壁面压强峰值的大小和位置均呈周期性振动,壁面压力系数和Stanton数的时均分布与定常实验结果符合得较好. 并从一周期内流场结构的扰动传播出发,分析了结构变化的相位,说明了Ⅳ型激波-激波干扰内在的非定常性机理与影响因素.
2004, 36(1). doi: 10.6052/0459-1879-2004-1-2003-155
热结构瞬态响应的耦合灵敏度分析方法与优化设计
顾元宪, 刘涛, 亢战, 赵国忠
研究结构瞬态热变形和热应力的灵敏度分析方法及其优化设计,灵敏度计算给出了直接法和伴随法两种算法. 考虑了温度场的耦合作用,在直接法中需要计算温度场对设计变量的导数,在伴随法中需要计算热载荷对温度场的导数. 数值算例验证了该方法的精度. 伴随法在应用程序中的实现,为大型结构优化提供了高效率的灵敏度计算方法.
2004, 36(1). doi: 10.6052/0459-1879-2004-1-2003-165
细长体大迎角非对称涡流的数值研究
杨云军, 崔尔杰, 周伟江
通过数值方法对大迎角细长体低速湍流流场的模拟,探讨头部顶端极小扰动对细长体非对称绕流形成与发展的影响. 结果表明在细长体顶端附近施加极小扰动可以模拟出实验观测到的非对称流场,非对称的涡系结构沿轴向是逐步发展的,截面侧向力沿轴向的分布呈现正弦型曲线的变化特征,扰动能量经过指数增长后达到饱和,有效扰动的规模影响涡流非对称性的大小及分布,单侧扰动产生的流场非对称性随扰动周向位置的变化呈现单周期性规律. 小扰动诱发非对称的数值算例表明非对称绕流的形成是源于流场的空间不稳定性机制.
2004, 36(1). doi: 10.6052/0459-1879-2004-1-2003-180
环形激波绕射, 反射和聚焦的数值模拟研究
滕宏辉, 姜宗林, 韩肇元
应用频散可控耗散格式对环形激波在圆柱形激波管内绕射、反射和聚焦的问题进行了数值模拟研究. 研究结果表明环形激波形成强烈聚焦的关键因素是环形激波在圆柱形管道中向对称轴运动时,绕射激波就不断加速而不作通常情况下的衰减;不同马赫数的环形激波绕射也产生不同马赫数及形状的准柱形激波,导致聚焦效果和位置的差异;另外,环形激波聚焦于一个点而圆柱形激波聚焦于一条线,两者有本质不同.
2004, 36(1). doi: 10.6052/0459-1879-2004-1-2003-341