力学学报

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王俊高, 付世晓, 许玉旺, 宋磊建

在风浪流的作用下，海洋浮式结构物将带动悬链线立管在水中作周期性往复运动，从而在立管运动方向上产生相对振荡来流，这种振荡来流将激励立管悬垂段发生“间歇性” 的涡激振动. 在海洋工程水池中对一个4m 长的立管微段进行模型试验研究，以探索相对振荡来流作用下立管涡激振动产生的机理及其发展的物理过程. 试验通过振荡装置带动模型作正弦运动来模拟不同最大约化速度U_R_max、不同KC（Keulegan-Carpenternumber）的相对振荡来流，利用光纤应变片测量立管涡激振动响应. 结合模态分析方法处理试验数据得到位移响应时历，继而提出相对振荡来流下柔性立管涡激振动发展的3 个阶段：建立阶段、锁定阶段以及衰减阶段. 并进一步总结了最大约化速度U_R_max，KC 对涡激振动发展过程的影响规律. 最终获得不同最大约化速度U_R_max下，涡激振动各发展阶段随KC 所占时间分布比例图.

2014, 46(2): 173-182. doi: 10.6052/0459-1879-13-277

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谐波平衡法在动导数快速预测中的应用研究

陈琦, 陈坚强, 袁先旭, 谢昱飞

谐波平衡法以傅里叶级数展开为基础，将周期性非定常流场的非定常求解过程转化为几个定常流场的耦合求解过程，并通过重建得到整个流场的非定常过程. 建立了基于谐波平衡法的动导数快速预测方法，数值模拟了超声速带翼导弹俯仰的动态流场，并通过积分法获取了俯仰动导数，与实验结果吻合很好；且在同等计算精度下，谐波平衡法的计算效率是双时间步方法的13 倍. 应用谐波平衡法研究了较大范围内减缩频率对俯仰动导数的影响规律. 研究发现，对于本外形，当减缩频率降低到一定值后，俯仰动导数的值迅速变化，甚至发生变号；对此现象产生的原因进行了深入分析，并通过对导弹自激俯仰运动的数值模拟验证了该结果. 此外，针对大攻角条件下动态流场非线性强的特点，开展了谐波平衡法在大攻角下的适用性研究. 结果表明，谐波平衡法在大攻角下也能取得很好的计算结果.

2014, 46(2): 183-190. doi: 10.6052/0459-1879-13-145

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非定常空化流动涡旋运动及其流体动力特性

赵宇, 王国玉, 黄彪, 胡常莉, 陈广豪, 吴钦

采用大涡模拟方法对绕水翼云状空化的水动力特性和非定常流场结构进行研究. 基于实验结果对数值方法进行验证，分析空化与流场内部涡旋结构之间的相互作用以及对水翼动力特性的影响. 研究结果表明：大涡模拟方法可以准确模拟绕水翼流动的非定常过程. 在无空化条件下，升阻力系数存在斯特劳哈数St = 0.85 的主频波动，这是由水翼尾部涡旋结构的发展脱落引起的；在云状空化条件下，升阻力系数存在St = 0.34 的高能量密度低频波动，这是由大规模云状空泡团的发展和脱落引起的；云状空化阶段的升阻力系数在St = 0.5~1.5 的范围内都存在较高的波动，这是由于空化现象对水翼尾缘涡旋结构的发展和脱落产生影响，在不同发展阶段，空化现象不同程度地降低尾缘涡旋结构脱落频率.

2014, 46(2): 191-200. doi: 10.6052/0459-1879-13-177

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基于CN自由基的火星再入流场温度测量

林鑫, 余西龙, 李飞, 张少华, 辛建国, 张新宇

利用氰自由基（CN）B²Σ⁺→X²Σ⁺ 电子带系的发射光谱温度测量技术诊断模拟火星再入流场高温气体的温度. 以双原子分子光谱理论为基础，通过确定CN 自由基B²Σ⁺→X²Σ⁺ 电子带系中 Δv = 0 振动带系发射光谱的跃迁波数、Einstein 跃迁几率以及不同振转能级粒子数等参数，得到了任意转动温度和振动温度下的理论光谱强度分布，结合经窄线宽半导体激光器标定的仪器展宽（Lorentz 线型，半宽度FWHM 为0.154 nm），为CN自由基B²Σ⁺→X²Σ⁺ 电子带系发射光谱测温技术提供理论依据. 利用激波管模拟火星再入流场环境，通过分析激波波后不同时刻处高时间、空间分辨率的CN 自由基发射光谱，得到了激波波后高温气体不同时刻处的转动温度和振动温度，并根据得到的温度信息给出了激波诱导时间和弛豫时间.

2014, 46(2): 201-208. doi: 10.6052/0459-1879-13-224

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Y型微通道两相流内部流动特性

刘赵淼, 刘丽昆, 申峰

利用显微粒子图像测速技术、高速度数码显微系统及数值模拟方法研究了Y 型微通道内液滴的形成. 主要考虑了Y 型角度（45°，90°，135°，180°）、两相流量大小等因素的影响. 发现在挤压机制中，Y 型微通道内分散相液滴的形成主要受到来自连续相的剪切作用，Y 型角度越小，分散相所受到的剪切作用越大. 在液滴生成过程中，连续相速度剖面呈非对称抛物线型分布. 当Y 型角度小于180°时，角度的变化对液滴直径大小影响较小，但角度的减小会加快液滴的生成时间. 当Y 型角度为180°时，生成的液滴体积最大且生成时间最长. 毛细数对液滴直径和生成时间的变化同时产生影响，连续相毛细数的增大使得连续相在两相交汇位置处对分散相的作用力更集中，导致分散相更易破裂.

2014, 46(2): 209-216. doi: 10.6052/0459-1879-13-228

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双扩散对流中台阶结构的实验研究

万伟, 屈玲, 周生启

线性层结的盐水系统在底部加热和顶部冷却时，会产生明显的温盐台阶结构，这是双扩散对流现象. 温盐台阶由界面和混合层组成. 温度垂向廓线的变化可以反映台阶的生成与合并. 根据盐水系统上下边界之间温差的变化，系统演化过程分为两个阶段. 在温差增加阶段，主要发现在已有台阶顶部生成新台阶，而最下层台阶与其上层台阶发生合并过程. 在此阶段，由于台阶的生成速率大于合并速率，系统内台阶越来越多. 在温差减小阶段，系统仅存在台阶的合并过程，因此台阶数目越来越少. 最后，系统内仅存在一个大尺度环流. 同时，发现台阶的生成与合并过程虽然发生在局部区域，但会影响到系统的其他区域. 例如，由于最下层台阶的合并，系统下边界的温度梯度发生明显变化. 实验中，由于最下层台阶不断与其上层台阶合并，最下层台阶厚度比其他台阶厚度大，而其他台阶厚度变化不大. 最下层台阶厚度（h）随时间（τ）的变化满足h~τ^0.7 的关系.

2014, 46(2): 217-223. doi: 10.6052/0459-1879-13-230

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一种模拟气液两相流的格子波尔兹曼改进模型

史冬岩, 王志凯, 张阿漫

基于格子波尔兹曼自由能模型，提出了一种模拟黏性流场中大密度比气液两相流的改进模型. 为了提高模型的精度，在原始模型的基础上计入了邻近点间粒子数密度的传递速率控制，考虑了碰撞项的差分松弛；为了避免两相间大密度比造成的数值不稳定问题，分别采用六点和九点差分格式求解∇和∇2. 同时，与传统格子波尔兹曼方法不同，实现了由单步碰撞操作到两步操作的转化. 通过对无重力场中气泡的模拟及与已有模型的计算结果的对比分析，表明该模型具有更高的数值精度. 成功模拟了重力作用下，单个上浮气泡的形变和尾涡形成过程，以及水平和竖直方向上两个气泡的相互作用过程，并验证了其质量守恒和体积不可压缩性.

2014, 46(2): 224-233. doi: 10.6052/0459-1879-13-243

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污染区对部分打开井井底压力响应的影响

欧阳伟平, 刘曰武, 万义钊

钻井造成的污染区对部分打开井的影响不同于裸眼井. 为了分析污染区对部分打开井井底压力响应的影响，建立了一种部分打开井的二维轴对称渗流模型，模型考虑了真实的污染区以及储层渗透率各向异性特征.利用有限元数值方法对模型进行求解，获得了部分打开井的井底压力响应及储层压力分布. 根据压力响应及压力分布特征，将部分打开井的压力响应过程划分为5 个流动阶段，其中早期局部径向流动和椭球流动是该类井最典型的特征. 对污染区的影响分析表明：传统方法中的表皮系数S 并不等于污染区引起的机械表皮系数S_d；无量纲井筒储存系数不能与机械表皮系数组合. 修正了传统方法中部分打开井的井底压力公式，验证了部分打开井的总表皮计算公式，为该类井的井底压力响应解释及产能预测提供理论指导.

2014, 46(2): 234-240. doi: 10.6052/0459-1879-13-183

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磁驱动准等熵压缩下LY12铝的强度测量

罗斌强, 王桂吉, 谭福利, 赵剑衡, 孙承纬

高压高应变率加载下材料的强度研究一直是冲击动力学的一个难题，目前动态载荷下材料的高压强度测量主要是基于平板撞击技术，冲击温升和应变率效应对材料强度的影响难以分离. 基于小型磁驱动加载装置CQ-4，开展了磁驱动准等熵压缩下LY12 铝的声速和强度测量的实验研究，讨论了考虑加载-卸载过程时磁驱动压缩实验的负载电极设计、实验样品设计、数据处理与分析等内容，并获得了12 GPa 压力范围沿加载-卸载路径的声速变化和峰值压力点的强度数据.

2014, 46(2): 241-247. doi: 10.6052/0459-1879-13-227

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分数阶理论下实心球体受热冲击作用的渐进分析

王颖泽, 王谦, 刘栋, 宋新南

基于分数阶广义热弹性理论，针对实心球体在外表面受均匀热冲击作用下的一维广义热弹性问题进行研究分析. 利用热冲击的瞬时特征，借助于Laplace 正、反变换技术及柱函数的渐进性质，推导了热冲击作用周期内位移场、温度场和应力场的渐进表达式. 通过计算，得到了不同传热能力下受热冲击作用时热波、热弹性的传播规律以及位移场、温度场及应力场的分布规律. 结果表明：分数阶参数取值的不同，热波、热弹性波的传播以及各物理场的分布均有所不同，分数阶参数可视为延迟时间的影响因子，通过改变延迟效应对热弹性行为的影响来改变热冲击的作用效果.

2014, 46(2): 248-254. doi: 10.6052/0459-1879-13-287

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复合材料刚度性能表征的协同损伤力学模型

沈浩杰, 姚卫星, 吴富强

针对复合材料层合板的弥散型损伤，提出一个刚度性能表征的协同损伤力学模型. 该模型兼顾了微观物理损伤响应和宏观材料刚度性能表征. 从微观角度，建立细观RVE 模型求解裂纹表面张开位移和滑开位移，以此定义损伤张量，并在宏观上通过对材料应变和损伤表面位移进行均匀化处理，建立单向板或层合板的损伤刚度矩阵和损伤张量之间的联系. 以基体裂纹为例，详细分析并建立了横向裂纹和纵向裂纹的损伤本构. 计算了[±θ/90₄]_S 铺层层合板中基体横向裂纹对刚度性能的影响，结果表明该方法能够准确地预测复合材料层合板由损伤导致的刚度性能衰减.

2014, 46(2): 255-263. doi: 10.6052/0459-1879-13-255

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针对非线性极限状态方程的时变可靠度分析

黄新萍, 姜潮, 韩旭

提出了一种针对一般非线性极限状态方程的时变结构可靠度分析方法. 该方法首先将时变功能函数中的随机过程进行离散，获得多个不同时间段的静态功能函数. 之后，将各功能函数在最大可能点处进行线性化，并运用全概率公式将其化简为一新的静态可靠度分析模型，该模型可运用传统的一次二阶矩方法进行高效求解.最后通过管状悬臂梁、十杆桁架、汽车发动机主轴3 个算例验证了该方法的有效性.

2014, 46(2): 264-272. doi: 10.6052/0459-1879-13-190

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含铰接杆系结构几何非线性分析子结构方法

王刚, 齐朝晖, 汪菁

将细长杆系结构按长度方向划分为多个子结构，由于在子结构坐标系下的节点位移均是小位移，可以将子结构内部自由度凝聚到边界. 考虑到子结构端面在变形过程中保持为刚性截面，将端面节点自由度进一步凝聚到端面形心点，这样每一个子结构就减缩成形式上只有两个节点的广义梁单元，大大减缩了自由度. 大位移大转动是细长杆系结构产生几何非线性效应的一个重要原因，基于共旋坐标法，建立了随单元一起运动的随动坐标系，推导了子结构单元的节点力平衡方程及其切线刚度阵. 同时，考虑到工程机械中细长杆系结构含有相互铰接的刚体加强块，给出了非独立自由度节点力转换到独立参数下的广义节点力及其导数. 最后，通过履带式起重机的副臂工况算例，给出了其在不同载荷下的臂架结构位移，验证了方法的正确性.

2014, 46(2): 273-283. doi: 10.6052/0459-1879-13-345

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低重环境下俯仰运动圆柱贮箱内液体晃动

吴文军, 岳宝增

考虑低重环境下由于表面张力的影响使得圆柱贮箱内液体呈现弯曲自由液面的情况，以俯仰激励下液体晃动的占优模态振型函数为晃动速度势的基函数，利用傅里叶-贝塞尔级数对贮箱受俯仰激励时的自由液面处的运动边界条件进行展开，得到能描述晃动系统本质的广义状态方程，并分别给出了固有频率、晃动波高、晃动力和晃动力矩等晃动特征的计算方法. 通过具体算例得到了俯仰激励下贮箱内液体晃动特征的动态响应，同时验证了文中方法的收敛性、可行性和正确性.

2014, 46(2): 284-290. doi: 10.6052/0459-1879-13-236

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一种新型高鲁棒性动网格技术及其应用

黄江涛, 高正红, 周铸, 刘刚, 赵轲

首先对四元数进行李代数空间指数映射，解决了多个四元数插值问题，并结合距离倒数插值方法实现网格边界扰动向空间网格的传播，建立了新型高鲁棒性的四元数变形网格技术. 针对该型动网格技术中由于大型矩阵运算量引起的运算效率低问题，同时利用四元数方法在动网格变形中具备与物面边界高阶一致性的特点，提出了分层次变形策略，避免了面向全流场网格节点的大型矩阵运算；进一步基于无限插值技术较强的逻辑保持能力，建立了面向结构网格分层混合变形方法. 充分利用多区域重叠、对接网格变形技术中隐含的并行性，基于对等式编程思想及MPI 库函数对动网格程序进行并行化编程，建立了高效高鲁棒性的变形网格技术. 以某型客机翼身组合体气动弹性分析为范例，研究了不同方法之间的计算效率以及鲁棒性，进一步将分层混合变形网格技术应用于某型支线客机全机型架外形设计与修正，验证了所建立的新型动网格技术的高效性与鲁棒性.

2014, 46(2): 291-299. doi: 10.6052/0459-1879-13-121

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多种冲击载荷条件下的人体肋骨骨折有限元分析

王方, 杨济匡, 李桂兵

旨在研究不同碰撞载荷条件下基于不同失效模型的人体肋骨骨折机理. 为此采用已验证的人体有限元胸部模型来分析人体肋骨骨折现象. 该模型基于人体解剖学结构，包含了人体胸椎、腰椎、肋骨、胸骨、肋间软骨、胸腹部器官和其他的软组织，定义的生物材料参数都基于已有的文献记载. 基于人体在损伤生物力学领域内一些较为典型的肋骨骨折失效模型，根据已发表文献中的人体标本实验载荷条件模拟了人体肋骨结构在不同冲击载荷下的骨折现象，并与这些实验结果进行了对比分析. 所引用的实验结果包括单根肋骨强度结构实验和人体胸部正面碰撞块冲击实验. 从文中有限元仿真分析的结果来看，针对不同的载荷条件，不同肋骨骨折失效模型的适用性各不相同. 该人体胸部有限元模型可用于车辆交通事故中冲击载荷条件下的人体肋骨损伤生物力学研究.

2014, 46(2): 300-307. doi: 10.6052/0459-1879-13-247

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涡流发生器对细长体侧向力的控制研究

翟建, 张伟伟, 高传强, 张艳华, 叶正寅

细长体在大攻角情况下会出现很大的侧向力. 在10°半顶角细长旋成体头部安置涡流发生器（微型三角翼），通过调节涡流发生器相对模型轴线的滚转安装角，实现了对大迎角状态下旋成体侧向力的近似比例控制.研究了涡流发生器半展长、后掠角和攻角等参数对侧向力控制效果的影响. 研究发现半展长为6mm、后掠角为45°的涡流发生器具有较好的控制效果，在一系列攻角下均能够实现侧向力的近似比例控制. 由于该机构非常简单，在工程中具有一定的应用前景.

2014, 46(2): 308-312. doi: 10.6052/0459-1879-13-232

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由Bezier曲线构造的聚合物熔体剪切黏度模型

杨晓东, 申长雨, 李倩

为提高聚合物熔体剪切黏度模型的描述精度，提出了一个基于二次Bezier 曲线的黏度模型. 模型采用分段函数描述，在对数坐标系中，低剪切速率时的牛顿区和高剪切速率时的幂律区采用线性函数，介于二者之间的过渡区采用二次Bezier 曲线. 通过牛顿区和幂律区的直线延长线构造Bezier 曲线的控制多边形，从而保证三段曲线的光滑过渡. 模型可以明确给出任意温度下低剪切速率时牛顿区的结束点，以及高剪切速率时幂律区的开始点. 拟合算例表明，所提出模型的拟合精度明显高于Cross-Arrhenius 黏度模型.

2014, 46(2): 313-317. doi: 10.6052/0459-1879-13-163

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接触碰撞动力学的多变量选取方法

王检耀, 洪嘉振, 刘铸

在柔性多体的接触碰撞动力学问题中，多变量方法基于附加约束的接触模型，将柔性体的变形用不同变量来描述：接触局部区域的变形用有限元节点坐标描述，非接触局部区域的变形用模态坐标描述，兼顾了计算精度和效率. 将该方法推广到三维空间碰撞问题，对两柔性杆纵向碰撞过程进行动力学仿真，数值结果与实验结果吻合良好，验证了该方法的有效性. 针对柔性体各自区域的变量如何选取的问题，研究了节点取法、模态阶数以及材料参数对计算结果精度的影响，寻找到合理的多变量选取方法，保证精度的同时使自由度得到最大程度的缩减.

2014, 46(2): 318-322. doi: 10.6052/0459-1879-13-166

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“海洋结构与装备的关键基础科学问题”研讨会学术综述

周济福, 颜开, 詹世革, 张攀峰, 孟庆国, 汲培文

简要介绍了“海洋结构与装备的关键基础科学问题” 研讨会的基本情况，对邀请报告分类进行了学术综述，对专家们的自由发言和集中研讨形成的研究对象及前瞻性关键科学问题进行了归纳总结.

2014, 46(2): 323-328. doi: 10.6052/0459-1879-14-021

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