力学学报

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张健, 何国威, 陆利蓬, 张子范

当大涡模拟用于研究化学反应流动时，传统的滤波方法会导致化学反应项不封闭. 为克服这个困难，发展了条件滤波大涡模拟方法. 在选择适当的条件变量后，条件滤波的化学反应项可以表达为一个封闭项. 但同时也带来了新的问题：条件滤波耗散或条件滤波扩散项的不封闭. 为解决这一问题，采用了直接数值模拟方法研究了它们在大小尺度上的统计特性. 研究结果表明：条件滤波耗散和扩散对于大尺度的依赖主要体现在大尺度标量场中扩散层结构的影响，同时小尺度脉动的变化几乎与条件滤波扩散无关，而它对条件滤波耗散却显现出明显的作用. 在构造条件滤波耗散的亚格子模型时，小尺度脉动的作用不容忽视.

2006, 38(4): 433-437. doi: 10.6052/0459-1879-2006-4-2004-500

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逆向喷流流场模态分析及减阻特性研究

何琨, 陈坚强, 董维中

逆向喷流减阻的基本原理是利用逆向高速喷流与飞行器绕流的相互作用，使飞行器周围的流场结构发生变化，致使飞行器的气动特性发生改变，从而改善飞行器的气动性能.利用数值模拟方法对轴对称球头、截锥的逆向喷流流场开展了研究，考虑了高温非平衡化学反应对流场的影响. 模拟了球头和截锥在不同总压比时流场不同的模态：长穿透流模态(LPM)和短穿透流模态(SPM)，得到了不同模态下钝体表面压力、气动力系数和不同模态之间转换的瞬态效应. 简单分析了喷流在减阻方面的应用，给出了几个喷口参数与减阻效率之间的关系，提出了喷流减阻工程应用时应考虑的主要因素.

2006, 38(4): 438-445. doi: 10.6052/0459-1879-2006-4-2005-067

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高超声速钝锥流场红外辐射实验研究

林贞彬, 黄德, 杭建, 林建民, 郭大华, 曾明, 葛学贞

报道了在JF-10氢氧爆轰驱动高焓激波风洞中开展的再入流场红外辐射实验研究. 风洞的试验状态为：驻室总压19.6MPa, 总焓15.5MJ/kg, 自由流速度约5 km/s. 实验以锑化铟多元红外成像系统为测量手段，以球头钝锥体为试验模型，测量激波层与近尾流中红外辐射功率的横向分布剖面. 试验数据呈现明显的规律性. 试验结果表明，激波层内壁面附近的红外辐射功率较小，中间有一区域辐射较大且相对均匀，激波层外缘辐射单调减小；尾流中红外辐射功率在轴线附近的核心区最大，随着离轴线距离的增大而单调减小.

2006, 38(4): 446-451. doi: 10.6052/0459-1879-2006-4-2004-496

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海上溢油迁移转化的双层数学模型

汪守东, 沈永明, 郑永红

海上溢油的双层数学模型将泄漏在海域中的溢油考虑为表层油膜和分布在整个水体中的悬浮油滴两层组成. 采用Lagrangian追踪法模拟油膜的输移扩散.在此方法中，油膜可用大量的小油滴表示，对每个油滴都规定随时间而变化的坐标系，油滴的运动受到风、潮流和周围油的浓度影响. 油的迁移过程包括对流、扩展、湍动扩散、附着在岸边以及沉降到海底等过程. 转化过程包括挥发、溶解、乳化等.此外，光化学反应、生物降解能够改变油的特征以及减小油的污染.该模型可以用于瞬时和连续溢油的情况，不仅可以用于模拟油，也可以模拟其它与油的密度相近的有害物质的泄漏. 水动力学模型采用美国普林斯顿海洋模式(POM).该溢油模型已应用于渤海海峡突发性溢油事故的模拟与预报.

2006, 38(4): 452-461. doi: 10.6052/0459-1879-2006-4-2005-007

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颗粒附壁燃烧机理及模拟方法探讨

汪小憨, 赵黛青, 何立波, 陈勇, 青木秀之, 三浦隆利

在燃用固体燃料，如生物质、煤、固体废弃物时，都存在一定程度的附壁燃烧现象. 以燃煤液排渣燃烧器为例，探讨了颗粒在熔融面上的沉积、流动以及燃烧机理. 并针对现有煤粉燃烧程序在液排渣燃烧器模拟上的局限，开发了一种考虑液渣流动的附壁燃烧模型，给出了总体的计算框架. 通过对不同壁面处理方式下计算结果的比较，分析了不同手法的优劣和特点，为液排渣燃烧器的正确模拟提供一种完整的思路，对生物质或固体废弃物燃烧模拟起到一定的参考作用.

2006, 38(4): 462-470. doi: 10.6052/0459-1879-2006-4-2005-358

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混凝土中化学-热-湿-力耦合过程的数值方法

李荣涛, 李锡夔

提出了一个火灾下混凝土中化学-热-湿-力耦合过程分析的两级数学模型. 混凝土模型化为充满两种非混溶孔隙流体的非饱和变形多孔多相介质. 数学模型基于控制干空气、湿份及基质溶解物的质量守恒、混凝土介质混合体的动量守恒和焓(能量)守恒的耦合偏微分方程组. 模型中特别考虑到了高温下的脱盐过程. 构造了一个用于数值模拟化学-热-湿-力耦合行为的有限元求解过程的混合弱形式. 并且针对其中具有非自伴随算子特性的双曲线控制方程的空间离散进行了特殊考虑. 数值结果例题显示所发展的数学模型和数值方法在重现火灾条件下的混凝土中化学-热-湿-力耦合行为的有效性.

2006, 38(4): 471-479. doi: 10.6052/0459-1879-2006-4-2005-242

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坡形加热下的二维广义磁热黏弹性问题研究

宋亚勤, 张元冲

运用具有一个热松弛时间的广义热黏弹性理论，研究了处于均布磁场中的二维磁热黏弹性问题. 运用Laplace变换(对时间变量)和Fourier变换(对于一个空间变量)，得到了变换域内场量的精确表达式，并把结果应用到表面受到坡形加热的半空间问题. 应用数值逆变换得到了时间-空间域内场量的解，对丙烯酸塑料给出场量的响应图. 并把运用广义热黏弹性理论所得的结果与传统热黏弹性理论及热弹性理论下的结果进行了比较.

2006, 38(4): 480-487. doi: 10.6052/0459-1879-2006-4-2005-240

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单壁碳纳米管的等效梁单元有限元模型

李海军, 郭万林

石墨层和单臂碳纳米管都是以C---C共价键结合的. 在小变形条件下C---C键的势能可用谐和函数来描述，这与梁单元的变形能具有相同的形式，因此可以用梁单元等效C---C键的作用.提出了一种C---C键的等效梁单元有限元模型，该模型能够完备地替代谐和势描述C---C键的伸长、面内键角变化、离面键角变化和扭转. 通过分析石墨层的典型受载情况得到了等效梁单元的参数，以及等效梁单元参数与谐和势参数的关系，并用该模型计算了单臂碳纳米管的杨氏模量和泊松比，计算结果为相关文献所验证.

2006, 38(4): 488-495. doi: 10.6052/0459-1879-2006-4-2005-328

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任意多孔多裂纹板的裂纹闭合接触分析

郭树祥, 许希武

基于摩擦接触问题的数学规划解法，采用各向异性体平面弹性理论中的复势方法，建立了含多椭圆孔及裂纹群有限大各向异性板，在任意载荷作用下裂纹闭合或局部闭合问题的有效分析方法. 通过在可能闭合的裂纹边界引入互补变量函数并将其展成Fourier级数形式，以Faber级数为工具，应用保角映射技术和最小二乘边界配点法，导出无卸载情况下裂纹面摩擦接触的线性互补模型，并通过算例验证了方法的有效性. 数值结果表明，由于采用级数解描述板应力场和位移场，该方法具有较高的计算精度和效率，便于研究裂纹闭合对应力强度因子等断裂参数的影响.

2006, 38(4): 496-504. doi: 10.6052/0459-1879-2006-4-2005-263

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含损伤演化的TM耦合数值模型及其应用研究

蔡坤, 张洪武, 陈飙松, 郭旭

基于生物力学中的Wolff法则，发展了一种连续体拓扑优化的新方法. 有待优化的结构被看作是一块遵从Wolff法则生长的骨骼，把寻找其最优拓扑的过程比拟为骨骼的重建/生长过程. 采用骨骼的重建/生长规律作为准则更新材料分布，直至达到一个平衡状态并由此获得结构的最优拓扑. 算例表明了所提出方法的有效性.

2006, 38(4): 505-513. doi: 10.6052/0459-1879-2006-4-2005-219

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含损伤演化的TM耦合数值模型及其应用研究

李连崇, 唐春安, 唐世斌, P.-A. Lindqvist

从岩石材料的细观结构层次出发，应用损伤力学和热弹性理论，对热力耦合作用下岩石破裂过程中热－应力相互作用关系进行了分析. 初步建立了细观岩石热－力(TM)耦合数值模型，探讨了TM耦合作用下岩石材料的细观结构损伤及其诱发的材料力学性能演化机制，把岩石热固耦合问题的研究从应力状态分析深入到损伤、破坏过程分析之中. 运用该数值模型对某硬岩实验室开展的原位尺度实验中的废料处理井间柱稳定性进行了模拟分析，其应力场、岩石剥离破坏形态及破坏诱发的AE特性等均与实验监测结果表现出了较好的一致性，证明了该数值模型的合理性和有效性.

2006, 38(4): 514-521. doi: 10.6052/0459-1879-2006-4-2005-452

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多孔材料/结构尺度关联的一体化拓扑优化技术

张卫红, 孙士平

针对多孔材料的尺度效应和微结构构型的可设计性，提出以宏观结构最大刚度为目标，材料表征体胞构型为变量的材料/结构尺度关联一体化设计新方法. 采用有限元超单元技术，验证了材料表征体胞尺度、边长比、平移、对称周期分布方式对构型设计结果的影响，实现了材料宏观布局设计、材料表征体胞构型精细设计以及多尺度均匀化设计的统一. 基于凸规划对偶优化求解技术与二次型周长控制约束，完成了快速设计与材料分布棋盘格效应的控制. 计算结果表明，在给定材料用量的情况下，该方法能有效地实现蜂窝结构的拓扑优化设计，设计结果充分反映了蜂窝夹层结构的尺度效应，为轻质结构设计提供了新的设计方法.

2006, 38(4): 522-529. doi: 10.6052/0459-1879-2006-4-2005-209

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列车通过道岔时转向架结构振动特性的研究

金新灿, 孙守光, 陈光雄

建立了考虑线路弹性并视转向架构架为柔体的三节车辆组成的列车通过道岔运行的列车/线路模型. 分析了列车通过道岔时作用于转向架构架上的动载荷，将动载荷通过程序FEMBS{-1}转化为适用于FE程序的文件并由ANSYS软件分析整个构架的应力分布及最大应力时间历程变化等. 分析对比了列车及单节车辆的仿真结果并与线路动应力试验结果进行了对比. 研究认为列车通过道岔时各构架的拉、压动应力幅值变化各异且在岔心处大于单辆车的相应值，表明单辆车模型适用于初步的计算分析，欲详细分析构架的结构性能应采用多车模型. 根据动应力频谱分析可知，构架的动应力可分为3个频域区，分别对应由直线驶入道岔的曲线上、岔心和岔尖处及构架固有振动频率附近的弹性振动区.

2006, 38(4): 530-539. doi: 10.6052/0459-1879-2006-4-2005-369

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高升阻比乘波构型优化设计

耿永兵, 刘宏, 雷麦芳, 王发民

在M∞ =6, 30km高空条件下，以升阻比为目标函数，进行了锥形流乘波体的黏性优化设计，讨论了影响乘波体升阻比的因素，并对优化结果进行了数值验证. 结果表明：对于升阻比最大的黏性优化乘波体，存在最优圆锥角使得源自该基本流场的乘波体升阻比最大；摩阻和波阻处于同一量级；体积率、细长比和展长比都随着基本流场圆锥角的增大而增大.

2006, 38(4): 540-546. doi: 10.6052/0459-1879-2006-4-2005-021

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绕水翼初生空化涡的实验观测

张敏弟, 王国玉, 鲁君瑞

对绕2D水翼无分离流边界层内的初生空化形态进行了实验研究. 采用高速摄像机观测了空化初生结构的形态，应用2D-LDV测量了空化初生时翼型周围的流动速度分布，并对实验结果进行了分析. 结果表明：绕水翼无分离边界层内，初生空化结构中空泡伴随着近壁湍流拟序结构的发生而出现，在初生空化条件下，形成空化涡结构，大量的微空泡产生于发夹涡结构中，并在涡结构的猝发过程中出现生成---长大---溃灭---反弹---再溃灭的过程. 初生空化涡结构具有空泡和近壁拟序结构双重特性.

2006, 38(4): 547-552. doi: 10.6052/0459-1879-2006-4-2005-020

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不同理论下广义压电热弹性问题的有限元求解

田晓耕, 张婕, 沈亚鹏

基于G-L和L-S广义压电热弹性理论研究了无限大厚压电板在上下表面受到条带状热冲击时的广义压电热弹性问题. 在时间非常短的情况下，为避免积分变换求解带来的精度丢失，采用有限元方法对问题在时间域进行直接求解，获得压电板在热冲击作用下的温度、位移、应力及电势等，并将结果与经典压电热弹性理论进行比较. 结果表明，直接求解方法可以准确描述热在介质中以有限的速度传播.

2006, 38(4): 553-558. doi: 10.6052/0459-1879-2006-4-2005-456

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功能梯度双材料弱/微间断界面的冲击断裂分析

李永东, 张洪才, 贾斌, 谭伟

提出强间断、弱间断、微间断和全连续界面的概念与分类，建立功能梯度弹性双材料弱间断界面冲击断裂问题的力学模型，采用积分变换法推导问题的Cauchy奇异积分方程，并用配点法求得数值解. 分析表明，弱/微间断性对于FGMs界面裂纹应力强度因子有着重要影响，而且微间断性是优于弱间断性的一种界面力学性能连接关系. 以FGMs界面某一侧的力学性能函数在界面处的Taylor展开式的低阶项作为界面另一侧的力学性能函数，便可以使FGMs界面成为``微间断''界面. 界面的一阶微间断对应力强度因子的减小作用较为明显，而高阶(二阶及以上)微间断对应力强度因子的影响较小. 减小界面的弱间断程度或使FGMs界面具备``微间断性''，都将利于提高功能梯度双材料界面抗冲击断裂能力，在一定程度上达到界面增韧的目的.

2006, 38(4): 559-564. doi: 10.6052/0459-1879-2006-4-2005-095

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关于黏弹性材料的广义Maxwell模型

帅词俊, 段吉安, 王炯

采用流变力学分析黏弹性材料的流变特性时，常要用到广义Maxwell模型表达的应力松弛模量. 而从试验中获得的应力松弛模量，其表达式常为Kohlrausch-William-Wattsfunction(KWW函数)形式. 通过把KWW函数和广义Maxwell模型的拟合问题转化为两矩阵相等的求解问题后，又把两矩阵的相等等价于两矩阵差值向量的一阶范数为无穷小的问题，并通过引入广义逆矩阵，求得两矩阵差值向量的一阶范数的最小值，最后以一阶范数的最小值为目标函数，松弛时间为约束条件，利用单纯形法对两矩阵差值向量的一阶范数的最小值优化，从而提出了一种针对黏弹材料的KWW函数与广义Maxwell模型转换的计算方法.借助于MATLAB软件，实现了对黏弹材料的广义Maxwell模型的拟合.

2006, 38(4): 565-569. doi: 10.6052/0459-1879-2006-4-2005-132

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具损伤压电智能层合中厚板的非线性动力稳定性分析

郑玉芳, 傅衣铭, 王锋

基于各向异性损伤理论和压电理论，采用能量法和Lagrange方程，建立了具损伤压电智能层合中厚板在参数激励下的非线性运动控制方程，应用增量谐波平衡法，求解了具损伤压电智能层合中厚板的非线性动力稳定性问题. 算例中，分析了损伤参数和压电效应对压电智能层合板非线性动力稳定性的影响，揭示了力电耦合效应的内在特征，并与有关文献的结果进行了比较.

2006, 38(4): 570-576. doi: 10.6052/0459-1879-2006-4-2005-214

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