力学学报

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2017, 49(2).

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陈世江, 朱万成, 王创业, 张飞

1978年，Barton提出的节理粗糙度系数（joint roughness coefficient，JRC）被国际岩石力学学会作为评估节理粗糙度的标准方法.然而该方法存在人为估值的主观性缺陷.就此，国内外学者围绕岩体结构面粗糙度定量化表征开展了大量的研究工作.首先，从二维节理轮廓线到三维岩体结构面，系统地阐述了其粗糙度定量化表征方法研究进展，并总结了各方法参数与JRC的关系；评价了各表征参数的本质特性及其适用性；指出了各方法参数获取过程中存在的问题，主要有：采样间隔的影响，三角形单元划分的影响，如何确定综合参数法中各参数的权重；针对这些问题，给出了笔者的一些想法、建议.与此同时，对结构面粗糙度表征的两个热点问题，即各向异性和尺寸效应的研究也进行了详细总结分析.最后，笔者认为：（1）分形维数因是描述自然界复杂几何体的一种简洁有力的工具，其仍是结构面粗糙度定量描述的有效方法；（2）3D打印技术的应用，有望在开展结构面各向异性、尺寸效应研究方面取得突破性进展.

2017, 49(2): 239-256. doi: 10.6052/0459-1879-16-255

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椭圆颗粒在剪切流中旋转特性的数值研究

陈荣前, 聂德明

研究颗粒在流体剪切作用下的运动特性是理解和预测颗粒悬浮流流动行为的关键.当流体的惯性不能忽略时，颗粒的运动往往变得非常复杂.本文采用格子Boltzmann方法对中等雷诺数下椭圆颗粒在剪切流中的旋转运动进行了模拟.首先，研究了雷诺数（0 < Re≤170）的影响，结果表明当雷诺数低于临界值时，颗粒以周期性的方式旋转，角速度最小时对应的长轴方向随着雷诺数的增大而逐渐远离水平方向，而且这一倾角与雷诺数呈分段线性关系；当雷诺数大于临界值时，椭圆形颗粒最终保持静止状态，且静止时的转角与雷诺数呈幂函数关系，雷诺数越大，转角越小，椭圆的长轴越远离水平位置.其次，研究了椭圆颗粒的长短轴之比α（1≤α≤10）的影响，结果表明颗粒旋转的周期与α呈幂函数关系，α越大，颗粒旋转周期越小.此外，当α超过临界值时，颗粒也在水平位置附近保持静止状态，此时的转角与α也呈幂函数关系，α越大，转角越小.研究还发现，当雷诺数较大时椭圆颗粒在旋转过程中会产生过冲现象.

2017, 49(2): 257-267. doi: 10.6052/0459-1879-16-002

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圆球诱发斜爆轰波的数值研究

方宜申, 胡宗民, 滕宏辉, 姜宗林

斜爆轰发动机是飞行器在高马赫数飞行条件下的一种新型发动机，具有结构简单、成本低和比冲高等优点.但是斜爆轰发动机的来流马赫数范围广，来流条件复杂，为实现斜爆轰波的迅速、可靠引发，采用钝头体来诱发.利用Euler方程和氢氧基元反应模型，对超声速氢气/空气混合气体中圆球诱导的斜爆轰流场进行了数值研究.不同于楔面诱发的斜爆轰波，球体首先会在驻点附近诱发正激波/爆轰波，然后在稀疏波作用下发展为斜激波/爆轰波.模拟结果显示，经过钝头体压缩的预混气体达到自燃温度后，会出现两种流场：当马赫数较低时，由于稀疏波的影响，燃烧熄灭，钝头体下游不会出现燃烧情况；而当马赫数较高时，燃烧阵面能传到下游.分析表明，当钝头体的尺度较小时，驻点附近的能量不足以诱发爆轰波，只会形成明显的燃烧带与激波非耦合结构；当钝头体的尺度较大时，流场中不会出现燃烧带与激波的非耦合现象，且这一特征与马赫数无关.通过调整球体直径，获得了激波和燃烧带部分耦合的燃烧流场结构，这一流场结构在楔面诱发的斜爆轰波中并不存在，说明稀疏波与爆轰波面的相互作用是决定圆球诱发斜爆轰波的关键.

2017, 49(2): 268-273. doi: 10.6052/0459-1879-16-143

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摆动河槽水动力稳定性特征分析

白玉川, 冀自青, 徐海珏

河流形态与水动力结构息息相关，形态约束水动力结构，水动力结构则通过泥沙运动进一步塑造形态，在自然界河流中形成一对辩证互馈关系.天然河流形态形式多样，大致可以分为顺直、微弯、分叉和散乱游荡几种类型，其中微弯及多个弯曲构成的河型为河流动力演化中最重要的一环.多个弯曲构成的河型可用正弦派生曲线来描述，它也是天然河流主槽与水动力结构复杂相互作用的结果.作为探讨这一过程的力学作用机理，构建摆动槽道并研究槽道摆动与其内部流动结构的互馈关系，既是流体力学研究的热点内容，也是目前河流动力过程研究的基础内容.在此重点讨论这一互馈关系前一部分，即水流对摆动边界的响应.文中建立了随体坐标系下摆动河槽与内部水流动力响应理论模型，通过给定摆动弯曲槽道的不同特征参数，研究讨论了正弦派生型摆动边界下的槽道水流动力稳定性特征，明确了弯曲槽道摆动对其内部主流及扰动水流结构的影响，确定弯曲槽道摆动波数、摆动频率对扰动流发展影响的相应参数定量关系，得到了槽道弯曲度和摆动特征对其内部水流不同尺度扰动影响的阈值选择性范围.

2017, 49(2): 274-288. doi: 10.6052/0459-1879-16-105

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亚微米颗粒在汇作用下运动机理的实验研究

彭宁宁, 刘志丰, 王连泽

当前，城市空气质量的不断恶化，引起了公众的普遍性关注.空气中的悬浮颗粒物，是城市大气环境重要污染源之一，其分布、运动及扩散规律已成为科学领域的研究热点.与连续流体不同，大气中的悬浮颗粒物是离散的，确定颗粒运动的模型是研究大气细微颗粒污染问题的关键.本文拟研究小空间静稳空气中亚微米级颗粒在汇作用下的运动规律，并构建其运动模型.在密闭实验空间中通过燃烧生成亚微米颗粒，利用静电吸附装置模拟颗粒汇，并通过粒子图像测速（particle image velocimetry，PIV）实验和激光多普勒测速仪（lasserDoppler velocimeter，LDV）实验技术测量分析不同空间内亚微米颗粒在大气中的热运动速度和在汇作用下的运动规律，并推导出颗粒物的速度分布经验公式.结果显示：粒子在汇作用下的运动与连续流体汇运动规律类似，但在小空间内颗粒的运动不满足流体连续方程；说明在无气流夹带输运情况下，利用汇作用及颗粒的扩散而发展的颗粒净化技术是可行的.

2017, 49(2): 289-298. doi: 10.6052/0459-1879-16-247

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浮式垂直轴风机的动力学建模、仿真与实验研究

刘利琴, 郭颖, 赵海祥, 唐友刚

考虑气动力和水动力的耦合研究浮式垂直轴风机系统的运动响应，将固定式垂直轴风机的气动载荷计算方法进一步推广到海上浮式垂直轴风机的气动载荷计算.考虑阻尼力、波浪力、风载荷、系泊力等，建立了浮式垂直轴风机系统的纵荡-垂荡-纵摇运动方程.考虑动态失速和浮式基础运动，基于双致动盘多流管理论，推导了风机叶片气动载荷计算公式，编制了数值计算程序.以Sandia 17 m风机为例，验证了气动载荷计算程序的正确性.最后进行了模型实验，其中模型的风机为Φ型达里厄垂直轴风机，支撑基础为桁架式Spar型浮式基础，将模型实验结果与数值计算结果进行了对比，验证了耦合计算程序.结果表明，数值计算得到的风机系统的垂荡、纵摇运动的RAO（幅值响应算子）曲线与模型实验结果吻合较好，验证了耦合程序的正确性.然而，由于数值计算与模型实验在运动自由度、阻尼、风载荷等方面存在差别，数值计算结果与模型实验结果仍有一定的差异.

2017, 49(2): 299-307. doi: 10.6052/0459-1879-16-264

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功能梯度材料微梁的热弹性阻尼研究

许新, 李世荣

基于Euler-Bernoulli梁理论和单向耦合的热传导理论，研究了功能梯度材料（functionally graded material，FGM）微梁的热弹性阻尼（thermoelastic damping，TED）.假设矩形截面微梁的材料性质沿厚度方向按幂函数连续变化，忽略了温度梯度在轴向的变化，建立了单向耦合的变系数一维热传导方程.热力耦合的横向自由振动微分方程由经典梁理论获得.采用分层均匀化方法将变系数的热传导方程简化为一系列在各分层内定义的常系数微分方程，利用上下表面的绝热边界条件和界面处的连续性条件获得了微梁温度场的分层解析解.将温度场代入微梁的运动方程，获得了包含热弹性阻尼的复频率，进而求得了代表热弹性阻尼的逆品质因子.在给定金属-陶瓷功能梯度材料后，通过数值计算结果定量分析了材料梯度指数、频率阶数、几何尺寸以及边界条件对TED的影响.结果表明：（1）若梁长固定不变，梁厚度小于某个数值时，改变陶瓷材料体积分数可以使得TED取得最小值；（2）固有频率阶数对TED的最大值没有影响，但是频率阶数越高对应的临界厚度越小；（3）不同的边界条件对应的TED的最大值相同，但是随着支座约束刚度增大对应的临界厚度减小；（4）TED的最大值和对应的临界厚度随着金属组分的增大而增大.

2017, 49(2): 308-316. doi: 10.6052/0459-1879-16-369

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短纤维增强EPDM包覆薄膜超弹性本构模型

谈炳东, 许进升, 贾云飞, 余家泉

短纤维增强三元乙丙橡胶（EPDM）包覆薄膜用于一种新型缠绕包覆工艺，主要解决复杂构型自由装填药柱外表面可靠性包覆问题.为了描述其在固体火箭发动机工作过程中产生的大变形、非线性和各向异性等力学行为，根据纤维增强复合材料连续介质力学理论，提出了各向异性超弹性本构模型.该模型中单位体积的应变能函数被解耦成两部分：表征各向同性的橡胶基体应变能和表征各向异性的纤维拉伸应变能，通过引入纤维方向对纤维应变能进行修正，给出了通过单轴拉伸、偏轴拉伸实验数据获取模型参数的具体方法.研究结果表明，该模型能够很好地预测材料在纤维方向0°~45°时的各向异性力学特性，并将预测结果与实验数据对比，误差在5%以下.所建立的各向异性超弹性本构模型准确性高、易于实现数值开发，在一定程度上能够为固体火箭发动机的装药结构完整性分析提供理论依据.

2017, 49(2): 317-323. doi: 10.6052/0459-1879-16-324

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衰变热源作用下饱和多孔介质热固结问题的扩展精细积分法

王路君, 艾智勇

热源作用下饱和多孔介质热固结效应是土木及能源工程领域的一个重要课题.由于问题的复杂性，已有的研究大多将介质假定为均匀各向同性，且将热源假定为恒定强度.实际工程中，天然饱和多孔介质常表现出明显的分层特性，热源强度也存在衰变性，为此本工作采用扩展精细积分法对衰变热源作用下层状饱和多孔介质的热固结问题进行研究.借助于积分变换，将饱和多孔介质热固结问题的偏微分方程转化为变换域内的常微分方程；然后对饱和多孔介质微层元进行合并消元，并结合边界条件，推导出衰变热源作用下层状饱和多孔介质热固结问题在积分变换域内的扩展精细积分解；对所得解答进行相应的数值积分逆变换，可获得所求温度、超静孔压及竖向位移在物理域内的解答.基于上述求解过程，编制相应的计算程序进行数值计算，通过与已有文献对比，验证本文扩展精细积分法在求解层状饱和多孔介质热固结问题中的适应性和正确性；最后通过几组算例，分析热源衰变周期、热源埋深及介质的成层性对热固结效应的影响.结果表明：热源衰变周期对温度和超静孔压的峰值、以及达到峰值的时间均有明显影响，衰变周期越长，二者峰值均越大，且达到峰值所需时间越长；热源埋深对超静孔压及竖向位移变化影响显著，深埋热源作用时热源两侧竖向位移呈对称分布，而浅埋热源两侧则无此现象；饱和多孔介质的分层特性对热固结效应影响明显.

2017, 49(2): 324-334. doi: 10.6052/0459-1879-16-272

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相间交界面对非饱和土应力状态的影响

刘艳, 赵成刚, 李舰, 蔡国庆

非饱和土是一种三相多孔介质，不同相之间的交界面尤其是气液交界面的存在直接影响了非饱和土的宏观行为.首先对土中交界面的形式和作用进行了探讨，指出气液交界面对非饱和土的行为有重要影响，并给出了界面功和气液比表面积的表达式.在已有的非饱和土变形功表达式基础上，引入界面能影响，得到了考虑交界面影响的非饱和土自由能方程.利用所得的自由能方程，给出了考虑交界面影响的非饱和土固相和液相相应的应力变量.对考虑交界面面积的液相流动方程进行了探讨，给出了非平衡条件下的土水特征曲线表达式，指出在平衡条件下土水特征曲线中应当考虑交界面面积的影响，传统土水特征曲线是三维关系在吸力-饱和度平面上的投影.将比表面积与土水特征曲线的关系，利用已有试验数据验证了该表达式的合理性.利用界面面积的表达式计算有效应力，将其与已有试验结果进行对比，表明给出的比表面积表达式可很好地反映实际情况.不同于已有现象学研究，本文推导具有严格的理论基础，研究表明完整的有效应力表达式中应考虑土体内部作用力的影响，其不仅包含基质吸力，同时还包含其他形式的作用力，其大小与界面比表面积有关.该表达式为下一步研究界面效应对土体变形、强度和流动特性的研究提供了基础.

2017, 49(2): 335-343. doi: 10.6052/0459-1879-16-190

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考虑横向惯性效应的非饱和土中单桩的竖向动力响应

郭鹏飞, 周顺华, 杨龙才, 肖军华

基于非饱和土的动力控制方程，考虑横向惯性效应，建立了三相非饱和介质中嵌岩桩的竖向动力响应连续介质模型，对桩侧非饱和土的动力控制方程进行Laplace变换，在频域内，通过引入势函数、算子分解等手段对控制方程进行解析，得到了桩侧土体剪应力及竖向振动位移的表达式.结合桩基的竖向振动方程及桩-土接触面的连续性条件，使桩土耦合振动系统得以解答，最终在频域内得到了桩顶复刚度、导纳、桩-土系统振动位移及应力的解析解，借助Laplace逆变换得到了半正弦激励载荷下桩顶的速度时程曲线.最后，通过算例分析验证了计算结果的准确性，分析了横向惯性、泊松比、饱和度、长径比、桩土模量比等因素对桩基动力响应的影响.结果表明：（1）单桩动刚度、阻尼、导纳等变量随频率变化发生周期性振荡，在桩基各阶固有频率处发生共振；（2）泊松比、饱和度、长径比、桩土模量比等因素对桩基的动力响应有较大影响，且频率越大，影响越明显；（3）泊松比越大，单桩动刚度、阻尼、导纳的波动幅值及对应的频率越小，桩顶时程曲线中的桩底反射信号越弱；（4）饱和度越大，对应各动力响应的波动幅值越大，且桩底反射信号的波峰越大.

2017, 49(2): 344-358. doi: 10.6052/0459-1879-16-286

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基于多相材料的稳态热传导结构轻量化设计

龙凯, 王选, 韩丹

在多相材料的结构拓扑优化问题中，通常给定各相材料体积约束或材料总重量约束作为材料的控制用量.在结构轻量化设计的实际工程背景下，以结构总重量最小化为目标的优化模型具有明确的工程意义.针对含多相材料的稳态传热结构拓扑优化问题，提出了以结构总重量最小化为目标和给定热柔顺度为约束的多工况连续体结构拓扑优化建模方法.遵循独立连续映射建模方式，采用两类独立拓扑变量分别表征单元热传导矩阵和单元重量状态.推导了热柔顺度和总重量对设计变量的敏度，基于一阶和二阶泰勒展开得到各自的近似表达式.通过求解偏微分方程，实现了约束函数一次项过滤，消除了棋盘格现象和网格依赖性问题，并保证了约束方程在过滤后严格成立.建立的近似优化模型具有二次函数形式的目标函数和一次函数形式的约束函数.基于对偶序列二次规划方法对优化模型进行求解直至收敛.通过四个三维结构数值算例分析对比了热柔顺度约束限值、不同材料混合及多工况、多约束条件对优化结果的影响.数值算例结果表明，本文提出的优化方法在基于多相材料的多工况稳态热传导结构轻量化设计中具有可行性和有效性.

2017, 49(2): 359-366. doi: 10.6052/0459-1879-16-262

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透射边界条件在波动谱元模拟中的实现:一维波动

邢浩洁, 李鸿晶

多次透射公式（multi-transmitting formula，MTF）是一种具有普适性的局部人工边界条件，但其在近场波动数值模拟中一般与有限元法结合.由于波动谱元模拟的数值格式与有限元格式有极大的不同，传统的MTF在谱元离散格式中无法直接实现.为了使物理概念清楚、精度可控的多次透射人工边界条件能够适应波动谱元模拟的需求，首先指出多次透射边界与谱元离散格式结合的基本问题，并分析了空间内插和时间内插两种方案的可行性.然后从空间内插角度出发，提出基于拉格朗日多项式插值模式的MTF谱元格式，并采用一种简单内插方法实现高阶MTF.最后通过一维波动数值试验检验这些MTF谱元格式的精度，并讨论其数值稳定性.结果表明：对于一、二阶MTF，几种格式的精度相当；对于三、四阶MTF，基于谱单元位移模式插值的格式精度最高.相反，随着插值多项式阶次的升高，不同MTF格式的稳定临界值逐步降低，但是所有格式均在人工波速大大超过物理波速时才可能发生失稳.

2017, 49(2): 367-379. doi: 10.6052/0459-1879-16-282

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面向压电智能结构精确变形的协同优化设计方法

吴曼乔, 朱继宏, 杨开科, 张卫红

智能结构集智能材料与传统材料于一体，能够实现结构的主动控制，在航空航天等领域具有巨大的应用潜力.由于其系统复杂且具有多场耦合效应，智能结构的整体式优化设计方法成为结构控制技术研究的关键之一.为了提高压电智能结构的整体性能和变形精度，提出了同时考虑压电驱动器布局（分布位置及角度）和基体结构拓扑构型的协同优化设计新方法.采用多点约束方法（multi-point constraints，MPC）建立压电驱动器和基体结构的连接，定义一种与测量点目标位移相关的权重函数，以实现结构的精确变形控制.通过协同优化设计，压电驱动器可以获得最优的分布位置及角度，同时基体结构获得最优的拓扑构型，从而提升了压电智能结构系统的整体驱动性能和变形精度.通过进一步分析，研究了精确变形、体分比约束与结构优化构型和整体刚度的关系，以及优化结果中可能存在的传力路径畸变现象.数值算例的设计结果表明，采用协同优化设计方法，能够扩大结构的寻优空间，有效减小变形误差，实现压电智能结构的精确变形控制.

2017, 49(2): 380-389. doi: 10.6052/0459-1879-16-273

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多储液腔航天器刚液耦合动力学与复合控制

岳宝增, 于嘉瑞, 吴文军

采用复合控制方法对充液航天器的姿态和轨道机动进行高精度控制.通过傅里叶-贝塞尔级数展开法，将低重力环境下液体的弯曲自由表面的动态边界条件转化为简单的微分方程，其中耦合液体晃动方程的状态向量由相对势函数的模态坐标和波高的模态坐标组成.通过广义准坐标下的拉格朗日方程得到航天器刚体部分运动和液体燃料晃动的耦合动力学方程，提出了自适应快速终端滑模策略和输入整形技术相结合的复合控制器，并分别用于控制携带有一个燃料腔和四个燃料腔航天器的轨道机动和姿态机动.通过数值模拟来验证控制器的效率和精度.结果表明，对于多储液腔航天器，如果在设计航天器的姿态和轨道控制器时没有充分考虑燃料晃动效应，那么在受控航天器系统中将会出现刚-液-控耦合问题并导致航天器姿态不稳定.而本研究中的复合自适应终端滑模控制器可以实现航天器机动的高精度控制并有效抑制液体燃料晃动.

2017, 49(2): 390-396. doi: 10.6052/0459-1879-16-342

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振动驱动移动系统平面避障运动分析

张敏, 徐鉴

近年来，工业机器人的应用领域日益广泛，可移动机器人的发展备受关注，为了在一些复杂环境中准确地完成作业，学者们提出并研究了振动驱动移动系统.本文研究了在各向异性黏性摩擦环境中一类有两个在平行轨道内做正弦运动的内部质量块的振动驱动移动系统的运动规律，提出了使系统完成包括避障等规定作业的驱动设计方法.首先利用第二类拉格朗日方程，建立了系统的动力学方程；然后，利用速度Verlet积分法分析了系统的运动规律，得到了内部驱动参数与系统运动轨迹、运动速度的关系；最后，结合振动驱动移动系统的运动规律，提出了使系统沿预设路径运动和实现避障运动的驱动设计方法.通过曲线离散得到了系统沿预设路径运动的移动轨迹，进而通过改变内部质量块的驱动参数，使系统沿预设路径运动.为了使移动系统在障碍物环境中达到目标位置，提出了结合栅格法，Floyd算法及最小顶点圆法的优化的路径规划计算方法，得到了振动驱动移动系统在障碍物环境中运动的最优路径，并通过改变内部质量块的驱动参数实现了移动系统的避障运动.

2017, 49(2): 397-409. doi: 10.6052/0459-1879-16-367

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神经系统信息处理和异常功能的复杂动力学

古华光

神经系统通过电活动实现信息处理及生物功能，电活动的节律和时空行为是功能的动力学表征.神经电生理实验结合理论模型，借助于分岔揭示了外界激励、参数和噪声调控下的周期、混沌和随机等多样性的节律模式及其节律的复杂转迁规律，揭示了感觉神经对信息（如血压压力信号和痛觉信息）的节律编码机制，揭示了突触噪声扩大脑神经元的信息传递能力并对能力强弱进行了分类，结果可用于提高信息检测能力和指导镇痛；借助于单神经元节律的动力学——如分岔和簇放电节律的快慢动力学——解释了网络功能异常的时空行为，如药物调控脑皮层的螺旋波/癫痫和慢抑制耦合调控的运动网络的同步转迁/运动模式异常，结果给出了调控系统功能的途径；通过大数据分析获得自闭症患者的脑功能网络的时空行为特征——症状相关脑区的同步活动降低，给出了用于诊断的潜在指标.通过新实验发现、新建理论模型、新分析方法和新观点阐释，揭示了神经系统的复杂动力学，认识和解释了神经系统的信息处理机制和异常生物功能/疾病，具有重要科学意义和潜在应用价值.

2017, 49(2): 410-420. doi: 10.6052/0459-1879-16-315

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高频脉冲管制冷机的蓄冷器源汇模型、流动模拟和参数优化

张珍, 李家春

蓄冷器是脉冲管制冷机的一个关键部件，其工作性能将直接影响整机性能.针对工质在蓄冷器内交变流动的特性，提出了一个新的源/汇项模型来模拟蓄冷器内的流动与换热，同时模型也考虑了气固间的非热平衡.对于蓄冷器和换热器内的固体填料，在一些假定条件的基础上推导得到了固体物质的温度分布的解析解.该模型不需要建立固体的能量方程，减小了计算的工作量，避免了达西定律在高频下不适用的限制条件，并针对交变流动情况下对流换热系数的取值提出了解决方法.新模型的计算结果与实验结果符合良好，验证了模型的可靠性.进一步应用此模型分析了蓄冷器内部的热交换和制冷机理，并进行了蓄冷器的优化设计，对于不同目数，不同丝径，不同材料的丝网，进行了各种情况下蓄冷器的换热性能优化分析.

2017, 49(2): 421-430. doi: 10.6052/0459-1879-16-287

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鹅掌楸树叶在风中的变形与振动

邵传平, 朱园园

树叶的空气动力与流固耦合特性研究在树木保护、新发电技术开发、太阳能帆板设计等方面具有重要意义.Vogel首次发现树叶在较高风速下具有形状重构以避免受损害的能力.Vogel实验时叶柄端部是简支的，与叶柄与树枝的自然连接方式不同.在本文的研究中，叶柄端部是固支的，叶片垂直悬挂，正面或反面迎风.在风速0~27 m/s范围内，存在两种叶片静止状态，即飞翼形稳定和锥形稳定；还有3种叶片振动状态，即低频摆动、第1和第2高频振动.这5种状态由5个临界风速决定.通过70余片树叶测试结果的统计，得到了树叶每个状态存在的概率，及每个临界风速的期望值.流动显示发现树叶变形后其尾流中存在旋涡脱落现象.天平测量发现叶片阻力系数随叶片雷诺数的增大而减小并逐渐接近于0.1.引入悬臂梁模型，采用测量的叶片气动力，对叶柄静态弯曲形状进行计算，结果表明当风速由0逐渐增至5 m/s时，叶柄向下游弯曲迅速；但风速由5 m/s进一步增大时，向下游的弯曲则变慢.

2017, 49(2): 431-440. doi: 10.6052/0459-1879-16-179

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基于差分进化和RBF响应面的混合优化算法

邓凯文, 陈海昕

针对气动优化等昂贵优化问题，提出了一种基于差分进化和RBF响应面的混合优化算法HSADE，该方法结合了差分进化算法的强全局寻优能力和RBF响应面方法的快速局部搜索能力，能够同时有效地提高算法的局部搜索效率和全局寻优能力.对各子算法中的策略和逻辑进行了多项改进，提出和应用了基于双败淘汰赛的竞赛赛制和参数自适应等改进策略.对HSADE使用多个典型算例进行了测试，并横向对比了NSGA-Ⅱ，MOPSO和多目标差分进化算法.测试结果表明，在大多数问题中HSADE在以世代距离表征的局部搜索效率和以超体积比表征的全局寻优能力两项指标上都优于其他算法，证实了以上混合策略及算法改进的有效性.将该算法应用于一个翼型优化问题和一个二维超声速喷管膨胀面优化问题，并横向对比未经改良的差分进化算法DE和另一种混合算法NARSGA，结果表明在接近1 000次的函数评估下，HSADE能相对其他算法进一步对翼型减阻0.5 count，在喷管优化中HSADE得到的结果也好于其他两种算法，表明该方法具有较强工程应用价值.

2017, 49(2): 441-455. doi: 10.6052/0459-1879-16-285

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含概率与区间混合不确定性的系统可靠性分析方法

刘海波, 姜潮, 郑静, 韦新鹏, 黄志亮

系统可靠性问题中通常存在大量的不确定参数，传统方法一般是基于概率模型对系统进行可靠性分析，但是实际工程中由于数据缺乏或试验条件的限制往往难以得到参数的精确概率分布.本文将结构体系一部分样本信息充足的不确定变量用随机变量进行描述，而另一部分样本缺乏的用区间表示，并提出了一种新的含概率与区间混合不确定性的系统可靠性分析方法.首先，基于一个高效求解方法获得单失效模式下结构的最小可靠度指标；再针对多失效模式下含概率与区间混合不确定性问题建立了系统可靠性分析模型；考虑各失效模式之间的相关性，通过线性相关度计算方法求得相关系数矩阵；最后提出了串联体系和并联体系可靠度求解方法.3个数值算例表明，该方法可以实现含概率与区间混合的多个非线性失效模式下系统可靠度的计算.通过对比传统的概率可靠性分析方法，本文方法只需要少量的不确定信息便可确保系统更加安全，更适合复杂结构系统可靠性的分析和设计.

2017, 49(2): 456-466. doi: 10.6052/0459-1879-16-294

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三向受力条件下淡水冰破坏准则研究

单仁亮, 白瑶, 黄鹏程, 宋永威, 郭祥

为了更清楚地认识含冰冻结壁力学特性、解决复杂冰岩耦合问题以及给冰工程设计和数值仿真分析提供参数，有必要对冰在三向受力条件下的力学特性进行深入研究.以内蒙古自治区东胜煤田石拉乌素矿立井井筒建设为背景，参考现场水文地质资料在室内制作相似冰样，利用TDW-200低温冻土试验机，进行了4组温度和7组围压的人工淡水柱状冰三轴压缩强度试验，加载速率为0.5 mm/min，加载方向垂直于冰的晶轴方向.结果表明：在恒定温度条件下，柱状冰随围压增大塑性增强，而恒定围压条件下，柱状冰随温度降低脆性增强；在试验温度范围内，淡水柱状冰和多晶冰强度均随围压、温度升高而增大，但同条件下柱状冰强度高于多晶冰；采用D-A模型、Teardrop模型解释了高压下偏应力与围压之间的非线性关系，从不同角度对拟合得到的破坏准则综合考虑，认为D-A准则更适合用于描述淡水冰的破坏特征.研究结果可为后期同条件冰-岩耦合、数值模拟研究提供参考.

2017, 49(2): 467-477. doi: 10.6052/0459-1879-16-364

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国家自然科学基金力学学科发展现状和“十三五”发展战略

詹世革, 张攀峰

结合国家自然科学基金力学学科“十三五”发展战略，介绍了力学学科的特点与战略地位，明确了国家自然科学基金力学学科的资助范围和指导思想.并通过对力学学科2006-2015年面上项目、青年科学基金、重点项目以及截至2015年国家杰出青年科学基金和优秀青年科学基金的申请和资助情况的分析，总结了自然科学基金的资助现状及其推动力学学科发展的作用.最后对“十三五”期间力学学科发展应该关注的问题给出了建议和政策措施.

2017, 49(2): 478-483. doi: 10.6052/0459-1879-17-061

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