力学学报

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丁圆圆, 王士龙, 郑志军, 杨黎明, 虞吉林

运用一维冲击波模型和三维细观有限元模型分析了多胞牺牲层的抗爆炸行为. 基于刚性-塑性硬化(R-PH)的多胞材料模型,建立了一维冲击波模型,得到了多胞牺牲层中冲击波传播的控制方程. 揭示了冲击波在多胞牺牲层中的传播特性,并阐述了附加质量和爆炸载荷强度两个参数对牺牲层设计的重要影响. 比较了基于刚性-理想塑性-锁定(R-PP-L) 模型和基于刚性-塑性硬化(R-PH) 模型的多胞牺牲层的结构设计,指出了两种模型的适用范围. 通过基于三维Voronoi 技术的细观有限元方法验证了基于R-PH 模型的多胞牺牲层结构的设计准则.

2014, 46(6): 825-833. doi: 10.6052/0459-1879-14-187

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动载实验中压电晶体应力量计的设计与应用

卢芳云, 李俊玲, 赵鹏铎, 崔云霄, 文学军

各种压电器件广泛用于电子工业、信息传输、医学诊断等许多领域,以实现能量转换、传感、驱动、频率控制等功能. 特别地,压电晶体以其高频响的压电效应,在动载实验中用于动态应力的测试. 利用其特有的各向异性特性,通过设计特殊的切型方向,可以实现对不同应力的测试. 本文通过分析各向异性晶体的特性,从压电效应的基本原理出发,导出了利用各向异性晶体作为剪应力量计的设计思想,并给出了两种典型的动态剪应力计:17.705°Y 切石英和165.44°Y 切铌酸锂晶体.

2014, 46(6): 834-842. doi: 10.6052/0459-1879-14-162

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Laplace变换法研究SHPB实验中试件的黏弹性波传播问题

郑宇轩, 陈亮, 周风华, 王礼立

对分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB) 实验中试件的黏弹性波传播的控制方程组进行Laplace 变换,并结合恰当的初始-边界条件求解,得到变换域的应力、速度、应变等变量的像函数的精确表达式. 采用该方法处理SHPB 实验中涉及黏弹性试件内部应力非均匀性问题,并给出数值反变换解. 作为特例,对于弹性试件分别采用级数展开法和留数定理进行反Laplace 变换,从而给出弹性夹层介质中应力波传播问题的解析解.

2014, 46(6): 843-852. doi: 10.6052/0459-1879-14-002

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超高速碰撞产生等离子体的毁伤特性研究

宁建国, 栗建桥, 宋卫东

以热力学为基础,结合化学反应速率方程,推导得出描述超高速碰撞产生的等离子体电子密度与系统内能关系的物理方程组. 应用自行编写的二维光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH) 程序求解了此方程组,在模拟超高速碰撞过程中计算产生的等离子体,实现对超高速碰撞产生等离子体的数值模拟.进行铝球超高速碰撞双层铝板的数值模拟研究,给出与实验对比的结果. 统计前后两次碰撞产生等离子体的电量,发现碰撞较薄的前板产生了较少的电荷而一次碎片云对较厚后板的碰撞产生了大量的电荷. 交换前后两板的位置. 进行相同速度碰撞的模拟,分析结果发现一次碎片云碰撞后板产生的等离子体电量远小于第一次的模拟结果,而前板碰撞产生的等离子体电量要高于第一次模拟结果,由此可见,超高速碰撞产生等离子体的总电量不仅与弹丸的质量和碰撞速度有关,与薄板的厚度也有很大的关系,通过一次碎片云与第二层板碰撞可以产生远高于弹丸碰撞单层板产生的电量,可以提高等离子体产生效率,增强对航天器的电磁毁伤.

2014, 46(6): 853-861. doi: 10.6052/0459-1879-14-058

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串列双圆柱流致振动的数值模拟及其耦合机制

及春宁, 陈威霖, 黄继露, 徐万海

对雷诺数Re= 100 条件下串列双圆柱的流致振动进行了数值模拟. 圆柱的质量比m^*均为2.0,间距比L/D 为2.0 5.0. 考虑两种工况:(a) 上游圆柱固定,下游圆柱可沿横流向自由振动;(b) 上、下游圆柱均可沿横流向自由振动. 结果表明:无论上游圆柱静止或者振动,下游圆柱横向振幅明显大于单圆柱的. 工况(b) 的下游圆柱最大振幅要大于工况(a) 的,这是由于两圆柱均振动时,两圆柱之间耦合作用增强,上游圆柱的尾流和下游圆柱的振动之间“相互调节” 作用显著. 对工况(b) 的下游圆柱振动和间隙流之间的作用机制进行了详细的研究,发现当上游圆柱脱落的自由剪切层重新附着于下游圆柱上并且完全从间隙之间通过时,下游圆柱的振幅最大.

2014, 46(6): 862-870. doi: 10.6052/0459-1879-14-118

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基于粗粒化水分子模型的Cu-H₂O纳米流体黏度模拟

何昱辰, 刘向军

分子动力学模拟是研究纳米流体的黏度特性的重要手段,但计算量庞大. 文章通过对基液水分子粗粒化,使得计算量大幅度减小,且计算精度与全原子模拟相当. 基于平衡态分子动力学,模拟研究了Cu-H₂O 纳米体系的微观运动特性,通过格林- 库博(Green-Kubo) 公式对Cu-H₂O 纳米流体的黏度进行了模拟计算,并考察了温度、体积分数、粒径和颗粒形状对于Cu-H₂O 纳米流体黏度的影响,对已有的悬浮液黏度经验公式进行了修正.

2014, 46(6): 871-878. doi: 10.6052/0459-1879-14-087

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超声珩磨作用下两空化泡动力学特性

郭策, 祝锡晶, 王建青, 成全, 刘国东

为了探讨超声珩磨作用下磨削区的空化机理,基于速度势叠加原理,考虑超声珩磨速度和珩磨压力,建立了磨削区两空化泡的动力学模型. 数值模拟了磨削区空化泡初始半径、两空化泡间距、超声声压幅值、珩磨压力、珩磨头转速对磨削区两空化泡动力学特性的影响. 研究表明,考虑两空化泡之间的相互作用时,要想获得良好的空化效果,可将两空化泡初始半径之比控制在3 倍以内;选择较高的超声波声压幅值与较低的珩磨压力,并且使超声波声压幅值与珩磨压力和液体静压力之差介于0.66~1.89MPa 之间;增大珩磨头转速空化泡溃灭也略有加速;通过试验测量材料表面粗糙度的方法间接验证了理论分析的合理性.

2014, 46(6): 879-886. doi: 10.6052/0459-1879-14-108

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控压钻井中三相流体压力波速传播特性

孔祥伟, 林元华, 邱伊婕

考虑虚拟质量力、相间阻力、气相溶解度及滑脱速度等因素,在双流体模型基础上,建立了控压钻井中油-气-钻井液三相流体压力波速模型. 将溢流气体视为气相,将溢流油相及钻井液相视为液相,液相弹性模量及密度等参数为油相及钻井液相中各参数的加权和,利用半隐式差分及小扰动理论等数学方法,借助计算机编程对其求解. 结果表明,当井底气侵量从0.36m³/h 增至3.6m³/h,波速减小峰值为498.59m/s,而相同的油侵增加量,波速呈缓慢减小趋势,波速减小峰值为19.21m/s;当回压从0.1MPa 增至9.0MPa,波速呈增大趋势,波速增大峰值为233.15m/s;不考虑虚拟质量力,在低频段引起的波速误差呈增大趋势,在高频段引起的波速误差峰值稳定于10.03%.

2014, 46(6): 887-895. doi: 10.6052/0459-1879-14-093

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含非均匀界面相粒子填充复合材料的有效比热

张振国, 陈永强, 黄筑平

基于细观力学复合球模型研究了含非均匀界面相粒子填充复合材料的有效热弹性性质,重点讨论了界面相性质的径向分布对有效比热的影响. 首先,将非均匀界面相沿径向离散为多个同心球壳,每个球壳内的材料性质假设是均匀的. 基于上述离散模型,利用含界面相的复合球模型,推导了复合材料的有效体积模量、有效热膨胀系数及有效比热的数值求解表达式;进一步,假设界面相的性质沿径向连续变化,建立了一组微分方程,上述有效性质依赖于该微分方程组的解. 特别地,当界面相杨氏模量为幂次分布时,通过求解该微分方程组得到了有效比热等热弹性性质的解析解. 算例结果表明,应用此方法预测的有效热膨胀系数与实验结果吻合良好;界面相热膨胀系数的径向分布对有效比热和有效热膨胀系数均有显著的影响,而界面相弹性模量的径向分布对有效比热有显著的影响,对有效热膨胀系数的影响相对较小.

2014, 46(6): 896-904. doi: 10.6052/0459-1879-14-190

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基于Lenosky原子作用势单层石墨烯片的力学模型

黄坤, 殷雅俊, 屈本宁, 吴继业

基于对Lenosky 碳-碳共价键作用势连续化得到的单层石墨烯的势能和Hamilton 原理,导出了单层石墨烯的动力学方程. 使用该数学模型及Galerkin 方法,研究了矩形单层石墨烯片的静力挠曲问题. 结果显示,石墨烯片的几何尺寸较小时,弯曲刚度对结构的受力影响较大,可用板理论来描述;随着结构尺寸的增大,弯曲刚度的影响迅速降低;当矩形石墨烯片的短边尺寸大于10 nm 时,可以忽略弯曲刚度对结构的影响,使用薄膜理论来描述单层石墨烯的力学性质.

2014, 46(6): 905-910. doi: 10.6052/0459-1879-14-076

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基于微-细观机理的混凝土疲劳损伤本构模型

丁兆东, 李杰

该文致力于混凝土疲劳损伤发展机理的微细观解释. 以速率过程理论为基础,通过考虑裂纹断裂过程区中的水分子动力作用,在细观尺度上建立了具有物理机理的疲劳损伤能量耗散表达式. 结合细观随机断裂模型,以宏观损伤力学为框架,建立了疲劳损伤演化方程. 通过数值模拟,计算了单轴受拉时的疲劳损伤演化以及不同加载幅度下的疲劳寿命. 与相关试验结果的对比显示出该文模型能够很好地表现混凝土材料的疲劳损伤演化过程.

2014, 46(6): 911-919. doi: 10.6052/0459-1879-14-041

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宏微观耦合本构模型参数识别取值范围研究

曲杰, 覃威, 金泉林

宏微观耦合本构模型的参数识别往往通过反分析方法进行,为了使参数识别结果具有高的置信度,需要确定合适的参数取值范围. 基于动态再结晶过程的微观机理以及相应本构方程的数学特征,提出一个确定参数取值范围的方法. 首先详细给出考虑动态再结晶的黏塑性本构模型,并根据模型构造物理机理,提出通过6 步确定该模型参数取值范围的方法;其次,对300M 低合金钢进行不同温度、应变速率下的热变形试验,测试宏观的流动应力-应变数据及微观的组织数据;然后应用提出的方法,依据试验数据,确定参数取值范围;最后,基于确定参数取值范围中获得的知识,对模型进行局部修改,使模型模拟结果更接近实验结果.

2014, 46(6): 920-930. doi: 10.6052/0459-1879-14-049

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基于固有耗散的材料疲劳性能快速评估方法

郭强, 郭杏林, 樊俊铃, 侯培军, 吴承伟

材料疲劳损伤的累积过程是一个伴随着温度变化的能量耗散过程. 相比于疲劳过程中试件的局部温升,固有耗散是材料能量变化的直接反映,与材料微观结构演化联系也更为紧密,因此以材料的固有耗散作为疲劳损伤指标具有更加明确的物理意义. 基于对试件表面温升的一维双指数回归,构建了一种材料固有耗散的计算模型,并在此基础上提出了一种快速评估材料疲劳性能的能量方法. 利用该能量方法,对FV520B 钢的疲劳性能进行了实验研究,并对实验结果进行了分析与对比,从而证明了该能量方法及计算模型的可行性和有效性.

2014, 46(6): 931-939. doi: 10.6052/0459-1879-14-139

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基于高斯原理的多体系统动力学建模

刘延柱

基于高斯最小拘束原理,以释放中的绳系卫星为背景,建立地球引力场内变长度大变形柔索联系的多体系统动力学模型. 利用基尔霍夫动力学比拟方法将柔索的变形转化为刚性截面沿中心线的转动,使包含刚性分体与变形体的刚柔耦合系统转化为由柔索的刚性截面与刚性分体组成的广义多刚体系统. 由于刚性截面的局部小变形沿弧坐标的积累不受限制,适合描述柔索的超大变形. 文中对此刚柔耦合多体系统导出其在地球引力场中的拘束函数,考虑各分体在空间中相对位置的几何约束条件,利用拉格朗日乘子构成以条件极值问题为特征的数学模型. 将高斯原理用于多体系统动力学的建模,其特点是以寻求函数极值的变分方法代替微分方程,通过数值计算直接得出运动规律. 其形式统一,不随系统拓扑结构的变化而改变,也无需区分树系统或非树系统.对于带控制的多体系统,动力学分析还可根据技术需要与系统的优化结合进行.

2014, 46(6): 940-945. doi: 10.6052/0459-1879-14-143

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旋转碰摩板热冲击振动的解析法研究

寇海江, 袁惠群, 赵天宇

提出了热冲击和碰摩故障共同作用下的旋转悬臂板系统动力特性解析解法. 基于变分原理,推导出考虑碰摩力沿宽度方向差异性的薄板系统运动微分方程,将该方程的解分解为热冲击悬臂板准静态解和碰摩薄板热冲击动力解. 通过计算旋转悬臂板的模态特性和温度分布函数,获得了碰摩叶片旋转悬臂板模型的热冲击振动解析解,讨论分析得出热冲击和碰摩故障对薄板振动的影响规律. 研究表明:碰摩振动表现为复杂的多频率耦合振动,高频振动较为显著;热冲击振动表现为简单的低频振动形式,强烈的热冲击导致碰摩薄板趋于低频振动. 碰摩引起的振动形式较热冲击故障更加复杂,更容易引起叶片的破坏. 增大的摩擦系数加剧了碰摩引起的振动,利用减小表面粗糙程度等方法降低摩擦系数,可以达到减小碰摩破坏程度的目的.

2014, 46(6): 946-956. doi: 10.6052/0459-1879-14-075

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考虑铰摩擦的柔性太阳阵展开动力学研究

段柳成, 李海泉, 刘晓峰, 蔡国平

研究了空间漂浮航天器太阳阵展开与锁定过程的刚柔耦合动力学问题. 基于Jourdain 速度变分原理和单项递推组集方法, 建立了太阳阵展开与锁定过程的刚柔耦合多体系统动力学模型,采用虚功率原理推导了铰摩擦对系统动力学方程的贡献. 在以上动力学模型中引入3-D 鬃毛摩擦模型来研究铰链的摩擦特性对太阳阵展开动力学的影响. 所建动力学模型的正确性通过与商业软件ADAMS 和NASTRAN 的联合仿真对比得到了验证,该模型能够有效地预测太阳阵的展开历程以及航天器姿态的动态行为.

2014, 46(6): 957-970. doi: 10.6052/0459-1879-14-152

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内参型四边形四节点拟协调平面单元

王长生, 齐朝晖, 张向奎, 胡平

在拟协调框架之下,利用新的内参形函数构造了一个四边形四节点拟协调平面单元. 新的内参位移函数也可以添加到等参单元Q4 中来构造新的内参型等参单元. 新构造的拟协调单元QC6N 具有显式刚度矩阵,因而效率更高. 数值例子表明相比于四节点等参单元,新构造的单元可以提高计算精度和抗网格畸变的能力.

2014, 46(6): 971-976. doi: 10.6052/0459-1879-14-167

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气相爆轰波胞格尺度与点火延迟时间关系研究

张薇, 刘云峰, 姜宗林

讨论点火延迟时间和爆轰波胞格尺度的内在关系,将点火延迟时间作为特征参量来模拟胞格尺度. 分别对两个总包单步化学反应模型和一个基元反应模型的点火延迟时间进行了数值模拟研究. 对于满足当量比的氢气/空气混合气体,分析了不同初始压力下点火延迟时间随初始温度的变化关系. 研究表明:总包单步反应模型的点火延迟时间不随压力变化,且与初始温度呈线性关系. 基元反应模型的点火延迟时间随压力变化,而且存在理论上的S 型曲线,但是在拐点区域和低温区域与CHEMKIN 计算的结果相差1~3 个量级. 现有模型模拟的胞格尺度普遍偏小,其相应的点火延迟时间也偏小,胞格尺度与点火延迟时间具有正相关性. 入射激波后的气体的点火延迟时间与三波点的运动周期一致,是定量化模拟胞格的关键因素.

2014, 46(6): 977-981. doi: 10.6052/0459-1879-14-046

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通孔金属泡沫渗透率解析模型

杨肖虎, 白佳希, 卢天健

针对通孔金属泡沫中的渗透率预测及现有理论模型的局限性,发展了一种新的全解析渗透率模型. 该模型以立方体结构作为代表单元,采用基于追踪流体微团轨迹的分支算法解析求解代表单元内的流动迂曲度. 渗透率的表达形式简单且不含任何拟合或经验参数,仅是孔隙率与平均孔径的函数. 采用实验测量和文献数据对模型预测进行了验证. 结果表明:提出的模型能够在较为宽广的孔隙率(0.55~0.98) 和孔密度(5~100 PPI) 范围内预测孔通孔金属泡沫的渗透率;采用分支算法得到的流动迂曲度能够较好地描述流体在通孔金属泡沫中的流动特征;采用开孔率修正的解析模型亦能对半开孔泡沫材料的渗透率提供良好预测.

2014, 46(6): 982-986. doi: 10.6052/0459-1879-14-115

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三阶广义梁理论及其计算方法

赵汝江

一阶广义梁理论描述通过运用加入弯曲、扭转和畸变函数的普通非耦合微分方程组解决棱柱状结构行为.二阶广义梁理论,是添加上偏离力效果的微分方程. 通过引入纵向膜弯矩和膜剪应变虚功到广义梁理论系统当中,完全展开的三阶广义梁方程组将以一串大型离散迭代函数且能转化为可用于数值分析的若干切线刚度矩阵形式出现. 通过膜应力派生出三阶分项^ijrkv_σ和^ijrkv_τ并结合先进数值技术寻求全解,三阶广义梁理论提供了一种严谨和高效的数值工具用于调查薄壁结构后屈曲大变形行为.

2014, 46(6): 987-993. doi: 10.6052/0459-1879-14-033

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第一届全国生物力学青年学者学术研讨会报告综述

章燕, 娄继忠, 许向红, 詹世革

简要介绍了第一届全国生物力学青年学者学术研讨会的会议情况,对学者所做的报告内容进行了总结.

2014, 46(6): 994-998.

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