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2021年  第53卷  第1期

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研究综述
基于人工神经网络的湍流大涡模拟方法
谢晨月, 袁泽龙, 王建春, 万敏平, 陈十一
大涡模拟方法(LES)是研究复杂湍流问题的重要工具,在航空航天、湍流燃烧、气动声学、大气边界层等众多工程领域中具有广泛的应用前景.大涡模拟方法采用粗网格计算大尺度上的湍流结构,并用亚格子(SGS)模型近似表达滤波尺度以下的流动结构对大尺度流场的作用.传统的亚格子模型由于只利用了单点流场信息和简单的函数关系,在先验验证中相对误差较大, 在后验验证中耗散过强. 近几年来,机器学习方法在湍流建模问题中得到了越来越多的应用.本文介绍了基于人工神经网络(ANN)的湍流亚格子模型的最新进展.详细地讨论了人工神经网络混合模型、空间人工神经网络模型和反卷积人工神经网络模型的构造方法.借助于人工神经网络强大的数据插值能力,新的亚格子模型的先验精度和后验精度均有显著提升. 在先验验证中,新模型所预测的亚格子应力的相关系数超过了0.99,在预测精度上远高于传统的大涡模拟模型. 在后验验证中,新模型对各类湍流统计量和瞬态流动结构的预测都优于隐式大涡模拟方法、动态Smagorinsky模型、动态混合模型等传统模型.因此, 人工神经网络方法在发展复杂湍流的先进大涡模拟模型中具有很大的潜力.
2021, 53(1): 1-16. doi: 10.6052/0459-1879-20-420
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高速列车设计和服役关键力学问题专题
高速列车设计和服役关键力学问题专题序
杨国伟
2021, 53(1): 17-18. doi: 10.6052/0459-1879-20-417
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高速列车轴承可靠性评估关键力学参量研究进展
王曦, 侯宇, 孙守光, 李强, 任尊松
轴承是高速列车牵引传动和轮轴系统的关键零部件. 受列车运行过程中电机转矩、齿轮啮合以及轮轨随机激励的影响,轴承可能发生疲劳破坏, 严重影响高速列车的行车安全.我国特有的复杂运用条件对轴承部件的疲劳性能提出了更高的要求,而轴承疲劳可靠性的基础理论和关键技术是我国轴承正向设计研发中的薄弱环节.可靠性评估方面的相关研究在解决轴承可靠性研究的瓶颈问题中起到了承上启下的关键作用.高速列车轴承可靠性评估手段与技术旨在获得使用环境中轴承可靠性评估的关键力学参量,并以此推动复杂激励下轴承疲劳可靠性理论研究. 因此,需要哪些关键力学参量并且在复杂的实际使用环境下如何去获取这些力学参量是进行高速列车轴承可靠性评估的关键所在.本文首先概述了高速列车轴承所处的复杂使用环境及运用中的主要失效模式,并据此分析了高速列车轴承可靠性评估所需的关键力学参量,强调了轴承内部滚滑行为和载荷分布在可靠性评估和轴承状态监测中的重要作用,之后从计算模型和测试技术等方面系统阐述了针对这两个关键力学参量的研究进展.最后提出了在高速列车轴承可靠性评估关键力学参量特征及测试技术研究中值得关注的若干问题.
2021, 53(1): 19-34. doi: 10.6052/0459-1879-20-200
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中国高速列车研发与展望
丁叁叁, 陈大伟, 刘加利
十几年来, 以高速列车为代表的高速铁路装备在长期技术积累和自主研发的基础上,经过引进消化吸收再创新、自主提升创新、全面创新和持续创新,成功研制了多代先进的高速列车产品. 通过不断的技术创新,突破了高速列车系列关键技术, 形成了自主研发能力,不断提升高速列车的安全性、可靠性、经济性、环保性及智能化.我国高速列车的运行速度、综合舒适度、安全性、可靠性、节能环保等各项综合性能指标优良,部分指标达到国际领先水平.论文系统回顾了我国和谐号动车组、复兴号动车组、城际动车组、前沿动车组产品的发展成就及主要技术突破,分析了高速列车研发过程中面临的复杂环境适应性、大系统复杂耦合作用、安全可靠设计、智能化应用等关键技术挑战,系统概述了高速列车故障预测与健康管理技术、车体轻量化技术、被动安全防护技术、碳纤维复合材料应用、气动外形设计技术、高速转向架技术、噪声控制技术、牵引制动技术等关键技术的研究进展及主要技术突破, 并展望了高速列车动力学技术、结构安全技术、被动安全防护技术、流固耦合技术、牵引制动技术、智能控制安全技术、故障预测与健康管理技术、综合节能技术等关键技术的未来发展方向.
2021, 53(1): 35-50. doi: 10.6052/0459-1879-20-225
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高速列车气动外形优化研究进展
孙振旭, 姚永芳, 郭迪龙, 杨国伟, 姚拴宝, 张业, 陈大伟, 李桂波, 尚克明, 贾玲
随着运行速度的提升, 高速列车对气动外形的要求也越来越高, 追求性能优异、美观大方的气动外形是新型高速列车研发的一个重要方向. 基于当前高速列车外形研发的思路, 可以将气动外形优化概括为基于流场机理的改型优化和基于优化算法的外形优化两类. 本文简要回顾了当前国内外在这两类优化途径上的系列工作, 着重介绍了作者所在团队近年来做过的一系列气动外形优化工作. 在基于流场机理的改型优化上, 着重从"和谐号"和"复兴号"这两款主力车型的外形研发上探讨其改型优化的思路, 主要探讨了空调导流罩、受电弓平台、风挡和转向架裙板几类对列车阻力影响较为明显的部件的优化设计,并介绍了其相对于上一代车型在气动性能上的提升. 基于优化算法的外形优化方法,则因循气动外形优化流程, 在列车外形已经具有较好性能的基础上,以高速列车头型流线型为主要优化对象,分别从高速列车参数化方法、替代模型开发以及优化算法改进三个方面进行介绍.其中,高速列车参数化方法主要介绍了局部型函数法、修正车辆造型函数法和类别/形状函数法三类;替代模型开发介绍了最优化替代模型和基于交叉验证的Kriging模型; 在优化算法的改进上介绍了改进的非劣分类多目标粒子群算法和连续域混沌蚁群算法两方面的内容.基于上述三个方面介绍了气动外形优化策略在典型工程上的应用案例.
2021, 53(1): 51-74. doi: 10.6052/0459-1879-20-205
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高速弓网系统动力学参数敏度分析及优化
吴孟臻, 刘洋, 许向红
随着高速列车运行速度的提升, 弓网关系这一基础力学问题备受关注. 良好的弓网关系是确保列车安全高效运行、稳定可靠受流、降低接触线与受电弓滑板磨耗等的基本前提. 其中, 受电弓和接触网的动力学参数对弓网耦合作用起至关重要的作用. 本文采用弓网接触力随机统计特征作为优化目标函数,进行受电弓动力学参数的敏度分析和优化设计. 首先, 建立了二维弹性链悬挂接触网-三质量块受电弓动力学模型,根据EN50318: 2018标准验证了动力学建模和分析结果的正确性. 然后, 基于高速弓网系统的动力学仿真, 进行了DSA380型高速受电弓三质量块参数的动力学敏度分析, 确定了9个动力学参数的敏感度级别, 弓头等效质量敏度评级最高,下框架等效阻尼次之, 下框架等效质量和上框架等效阻尼第三. 最后, 研究了弓头等效刚度和等效阻尼联合变化对弓网耦合动力学性能的影响,给出了提升弓网耦合性能的弓头双参数优化方案, 建议同时减小弓头等效阻尼和增大弓头等效刚度, 能够实现比单参数优化更好的弓网耦合性能.
2021, 53(1): 75-83. doi: 10.6052/0459-1879-20-207
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异物致损铁道车轴的疲劳强度及寿命评估
吴圣川, 罗艳, 王文静, 李永恒, 胡春明
车轴是高速列车关键承载部件, 承受着源自车体、轨道的各种载荷,其疲劳行为直接关乎列车运行安全. 疲劳裂纹往往具有较强的隐蔽性和突然性,由车轴断裂发生的列车脱轨事件具有灾难性,因此确保车轴在运行中不发生失效事故, 对高速列车可靠运行至关重要.高速列车实际运营中, 车轴外表面受到各种异物击打, 会形成深度达毫米级的缺陷,破坏车轴表面完整性, 严重威胁车辆安全.本研究采用空气炮装置预制合金钢车轴小试样异物致损(foreign object damage, FOD)缺陷,采用扫描电子显微镜和体视显微镜观测损伤特征.开展高周疲劳试验获得光滑试样和FOD损伤小试样的疲劳S-N曲线,考虑载荷模式、表面质量和尺寸系数推证出全尺寸车轴的疲劳性能.断口分析表明, 裂纹于FOD附近多处位置萌生, 并在不同平面内连续扩展,最终汇聚为一个半椭圆形裂纹. 基于Peterson公式和El Haddad模型估算异物冲击速度100 m/s和138 m/s试样的理论疲劳极限远低于试验结果, 过于保守; 同时也远低于标准推荐值, 偏于危险. 最后,采用修正的Miner理论公式估算含FOD实物车轴的服役寿命,满足最低25年的服役寿命.
2021, 53(1): 84-95. doi: 10.6052/0459-1879-20-228
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高速列车服役模拟建模与计算方法研究
张卫华
高速铁路的出现, 使得轮轨交通技术达到更高的层次.速度提升不仅对列车的牵引动力与动力学性能提出更高要求. 而且,列车与线路、气流等运行环境的耦合作用加剧,并直接影响到了列车的运行品质和安全性. 在高速列车发展初期,研究关注的是如何保证高速列车能高速、平稳和安全运行. 随着运行速度的提高,系统间耦合加强, 服役模拟也越来越受到重视. 而今天,高速列车的服役模拟、健康管理与故障预警成为研究热点,掌握系统全局动态行为、了解微观局部振动是车辆系统动力学研究的方向.本文以高速列车服役模拟为需求, 提出基于循环变量法的长编组列车建模与计算方法,实现任意列车编组的仿真, 得到不同编组位置车辆的服役状态;提出滑移窗口的轨道建模与车线耦合计算方法,得到列车在任意长线路上运行的服役状态; 提出基于时变参数的长期服役计算方法,实现列车在不同服役状态与服役时间的服役模拟. 因此, 基于本文提出的模拟方法,能够实现列车在不同寿命阶段的服役模拟, 而且还可以应用于高速磁浮列车,甚至未来超高速真空管道磁浮列车.
2021, 53(1): 96-104. doi: 10.6052/0459-1879-20-234
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长编组高速列车的列车风动模型实验研究
郭易, 郭迪龙, 杨国伟, 刘雯
列车风是高速列车运行时诱导产生的气流流动, 是列车空气动力学重要的研究内容和保证列车运行安全的重要方面. 本文利用缩尺比例为1\bh8的八编组高速列车模型进行了列车风的动模型实验,测试了明线运行状态下列车周围的流动参数,突破了短编组列车风动模型测试所带来的局限性.列车风系综平均曲线和标准差曲线说明: 列车头部会引起稳定的列车风,在车身和车尾处的列车风具有非常明显的非定常特征.列车风所反映的车身周围的气流扰动在第二节车厢开始显现, 列车风速振荡上升,在第七节车厢达到局部最大值.转向架舱和车厢间风挡间隙的气流干扰并没有在列车风曲线上表现出来.利用本征正交分解法分析列车风尾迹区的实验结果,发现列车风的扰动能量集中于近尾迹区, 次之是车身发展区.以各次实验结果中列车风的峰值位置距离车尾远近为条件,对列车风实验结果进行条件平均分析,表明列车尾涡生成时与列车风探针间的相对位置关系会影响列车风尾迹区的峰值形态.
2021, 53(1): 105-114. doi: 10.6052/0459-1879-20-226
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基于损伤一致性的动车组转向架载荷实验谱研究
邹骅, 吴奇峰, 孙守光
动车组转向架构架载荷状况复杂, 实际运用条件下包含多个基本载荷系, 因此转向架构架局部位置的总损伤是若干载荷系在该位置相应损伤的累积; 转向架构架实验谱是考核动车组构架寿命的关键手段, 在没有实测载荷的条件下如何编制实验谱是本文的研究目标.本文首先对转向架构架承载系统的线性假设、稳定假设及典型假设进行了确认研究; 然后根据长期实测线路仅有的动应力数据, 将转向架构架典型应力分区域编制应力谱; 其次根据构架受力特点对构架建立载荷系, 在试验台中标定各个载荷系下的载荷应力传递关系, 并将区域典型测点的最大标定系数作为该区域的载荷应力传递系数; 然后基于损伤一致性原则建立优化函数, 并将获得的载荷应力传递系数矩阵代入优化函数, 得到一种适用于由线路实测动应力大数据推导出实验载荷谱的方法. 试验结果证明该方法具有较高的精度, 对构架关键部位的考核实现了典型区域全覆盖; 在中国线路运用工况下, 相比国际通用规范, 该方法对所有典型区域做到损伤再现, 所编制实验谱对转向架构架的考核更具有适用性.
2021, 53(1): 115-125. doi: 10.6052/0459-1879-20-214
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动静态气密性分析方法及其在动车组上的应用
李明, 张雷, 刘斌, 孔繁冰
随着运行速度的提升, 高速动车组受到的外部激扰愈发剧烈. 尤其是动车组通过隧道和在隧道内交会时, 车体外表面产生的剧烈瞬变压力传入车厢内, 会引起司乘人员耳感不适等问题. 为研究动车组运行过程中的气密性能对车内气压波动和乘客乘坐舒适度的影响关系, 本文采用动静态测试结合的分析方法, 结合时间常数模型和当量泄漏面积模型, 通过在不同车辆内外部布置气压波动监测传感器, 对四级修前后的高速动车组进行了线路运行气动载荷测试; 针对不同部位具体结构特征开发了不同型式的气体泄漏量测试工装, 并对不同车辆的静态气密性进行了测试研究. 搭建了动静态气密性能分析模型并获得了动静态气密指数, 总结了隧道条件、运行速度等因素对车内压力波动和动态气密性能的影响规律, 同时针对典型气密部件的泄漏量和泄漏面积进行了分析, 对气密敏感部件进行了影响度排序并提出了优化方案. 本文提出的方法和相关研究数据对于关键部件的设计方案和修程修制优化具有一定的参考意义.
2021, 53(1): 126-135. doi: 10.6052/0459-1879-20-230
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流体力学
低雷诺数俯仰振荡翼型等离子体流动控制
黄广靖, 戴玉婷, 杨超
针对低雷诺数翼型气动性能差的特点, 通过介质阻挡放电(dielectric barrier discharge, DBD)等离子体激励控制的方法, 提高翼型低雷诺数下的气动特性,改善其流场结构. 采用二维准直接数值模拟方法求解非定常不可压Navier-Stokes方程,对具有俯仰运动的NACA0012翼型的低雷诺数流动展开数值模拟.同时将介质阻挡放电激励对流动的作用以彻体力源项的形式加入Navier-Stokes方程,通过数值模拟探究稳态DBD等离子体激励对俯仰振荡NACA0012翼型气动特性和流场特性的影响.为了进行流动控制, 分别在上下表面的前缘和后缘处安装DBD等离子体激励器,并提出四种激励器的开环控制策略,通过对比研究了这些控制策略在不同雷诺数、不同减缩频率以及激励位置下的控制效果.通过流场结构和动态压强分析了等离子体进行流场控制的机理. 结果表明,前缘DBD控制中控制策略B(负攻角时开启上表面激励器,正攻角时开启下表面激励器)效果最好,后缘DBD控制中控制策略C(逆时针旋转时开启上表面激励器,顺时针旋转时开启下表面激励器)效果最好,前缘DBD控制效果会随着减缩频率的增大而下降, 同时会导致阻力增大.而后缘DBD控制可以减小压差阻力, 优于前缘DBD控制,对于计算的所有减缩频率(5.01~11.82)都有较好的增升减阻效果.在不同雷诺数下, DBD控制的增升效果较为稳定, 而减阻效果随着雷诺数的降低而变差,这是由流体黏性效应增强导致的.
2021, 53(1): 136-155. doi: 10.6052/0459-1879-20-183
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自由面对潜艇尾流场流动特性影响研究
郭春雨, 徐鹏, 韩阳, 王超, 郭欣雨, 郐云飞
潜艇周围绕流场流动特性会影响潜艇的机动性能, 特别是近水面航行时, 自由面的存在会增大潜艇尾流场的复杂程度.为探究潜艇在近水面航行时自由液面对潜艇尾流场流动特性的影响机理,借助大型水下三维粒子图像测速技术开展潜艇尾流场流动特性研究.首先通过美国泰勒水池标准模型实验结果对试验方法准确性进行验证; 随后,用验证后的模型试验方法对潜艇尾流场进行测量,得到不同潜深工况、不同速度下的桨盘面轴向速度以及脉动速度,同时辅以数值模拟对试验无法测得的兴波波系及中纵剖面速度场加以补充,从兴波角度阐述了自由面对潜艇尾流场流动特性影响机理. 研究结果表明:潜艇在近水面航行时, 随着Fr增大,桨盘面处轴向速度云图中上方等值线整体趋于扁平化, 较4D潜深工况,1.5D潜深工况出现局部脉动速度极大值, 且脉动速度结构整体下移; 自由面存在时,艇体与自由面间流场速度明显增大, 特别在桨盘面区域, 流场速度明显提升.随着Fr增大, 桨盘面处的自由液面高度逐渐降低,这就导致了桨盘面位置出现更大的流体速度, 即造成了桨盘面伴流场挤压现象.
2021, 53(1): 156-167. doi: 10.6052/0459-1879-20-279
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常曲率弯道二维流动稳定性与非线性演化规律分析
李彬, 徐海珏, 白玉川, 冀自青
国内外对弯曲河流的研究从线性特性转移到不稳定性与非线性特性上来, 弯曲河流作为一个不稳定的系统, 主要是受到水流和边界的不稳定性的影响.针对弯曲河流中存在的水流动力的不稳定性与非线性特征,利用弱非线性理论与摄动法进行展开, 在微弯条件下建立了时间模式下的常曲率 弯道二维水流扰动幅值与扰动幅角的非线性演化方程.研究了在不同弯曲度下的扰动发展特征,探讨了扰动流场在弯曲度影响下的时空分布的规律,分析了扰动流场中出现的扰动漩涡的运动过程, 阐述了弯曲度对弯曲边界内水流不稳定性的影响, 具体表现为在微弯的情况下, 弯道的弯曲度增大会提高河湾内水流的稳定性, 扰动振幅与扰动幅角会随弯曲度的增大其衰减速度更快, 并且扰动流速的对称性在弯曲度较大时减弱, 逐渐向弯道的凸岸偏斜, 在中性状态附近 的弯道水流动力具有对流不稳定性和非线性衰减的特征.本文的研究成果为构建水流动力非线性与床面形态几何非线性相互作用的模型提供了思路.
2021, 53(1): 168-183. doi: 10.6052/0459-1879-20-191
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固体力学
聚硅氧烷硅胶的黏超弹性力学行为研究
黄锐宇, 于培师, 刘禹, 田常录, 常晋源, 王鹏飞, 赵军华
聚硅氧烷硅胶是一类以Si——O键为主链、硅原子上直接连接有机基团的无色透明高分子聚合物, 因其具有优异的超弹性性能而广泛应用于精密减震结构、柔性电子器件等领域. 在聚硅氧烷硅胶减震结构和柔性电子器件的设计中, 材料在大变形和动态加载下的黏超弹性力学行为的精确描述至关重要. 本文针对该问题进行了系统的研究:首先, 将该硅胶的超弹性和黏弹性行为进行解耦, 确定其黏超弹性本构方程的基本框架;其次, 基于单轴拉压、平面拉伸试验确定其准静态超弹性模型的各项参数;再次, 利用霍普金森压杆冲击试验确定其黏弹性模型的各项参数;在此基础上, 将超弹性和黏弹性模型合并为适用于大应变和大应变率的黏超弹性动态本构模型;最后, 利用落锤冲击试验对该硅胶薄片的冲击变形行为进行了研究, 并利用上述建立的动态本构模型对落锤冲击过程进行了有限元模拟. 结果表明:本文建立的黏超弹性本构模型可有效预测该硅胶在冲击载荷下的力学行为, 从而为聚硅氧烷硅胶减震结构和柔性电子器件的优化设计提供了理论和应用基础.
2021, 53(1): 184-193. doi: 10.6052/0459-1879-20-287
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含黏弹性夹芯FG-GRC后屈曲梁的低速冲击响应
金其多, 任毅如, 胡绚, 蒋宏勇
研究了含黏弹性夹芯的功能梯度石墨烯增强复合材料(functionally graded graphene reinforced composite, FG-GRC)后屈曲梁在低速跌落冲击下的跳跃振荡行为.采用修正Halpin-Tsai细观模型预测FG-GRC的材料宏观属性.使用赫兹点接触模型确定冲击器和梁之间的接触力.提出了考虑轴向预应力的复合材料层本构关系和阻尼层的Kelvin型黏弹性本构.通过一种广义高阶剪切变形锯齿梁模型建立夹芯梁的非线性位移场. 基于Hamilton 能量变分原理, 推导了动力学控制方程组. 通过两步分析,首先获得弹性后屈曲平衡路径作为冲击问题的初始状态. 随后, 结合四阶龙格库塔法,拓展了两步摄动-伽辽金法计算接触力的时程曲线以及后屈曲梁的位移时程曲线.研究了后屈曲梁在单次和两次撞击下双稳态大幅振荡过程的动力学特征.讨论了轴向载荷、冲击速度、黏弹性阻尼特性、冲击器材料等因素对于碰撞接触力以及后屈曲梁动力响应的影响规律.结果表明, 接触力仅对冲击速度较为敏感,一定的结构碰撞参数设计可以在接触力变化不大的情况下,使得后屈曲梁由单势能阱运动转变为双阱大幅振荡.
2021, 53(1): 194-204. doi: 10.6052/0459-1879-20-248
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任意形状热夹杂位移场的三角形单元离散算法
侯佳卉, 李璞, 黎江林, 金晓清
平面夹杂模型在纤维增强型复合材料中有广泛应用.复合材料内部通常含有不规则形状夹杂,而夹杂物的存在能严重影响材料的机械力学性能,往往导致应力集中及裂纹萌生等失效先兆.先前关于多边形夹杂的研究大多数关注受均匀本征应变下的应力/应变解,而对位移的分析较少. 基于格林函数方法和围道积分,本文给出了平面热夹杂边界线单元的封闭解析解,可方便应用于受任意分布本征应变的任意形状平面热夹杂位移场的数值计算.当夹杂受均匀本征应变时, 只需将该夹杂边界进行一维离散,因而本文方法可直接得出受均匀分布热本征应变的任意多边形夹杂位移场的封闭解析解.当夹杂区域存在非均匀分布本征应变时,可将该区域划分为足够小的三角形单元进行数值计算. 众所周知,应力应变场在多边形夹杂顶点处具有奇异性,容易导致数值计算上的处理困难及相应的数值稳定性问题; 然而本文工作表明,在多边形顶点处位移场是连续有界的, 因而数值稳定性较好.本文算法可以便捷高效地通过计算机编程实现. 文中给出的验证算例,均体现了本文离散方法的高精度、以及计算编程的鲁棒性.
2021, 53(1): 205-212. doi: 10.6052/0459-1879-20-240
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动力学与控制
基于李群局部标架的多柔体系统动力学建模与计算
刘铖, 胡海岩
多柔体系统动力学主要研究由多个具有运动学约束、存在大范围相对运动的柔性部件构成的动力学系统的建模、计算和控制.多柔体系统不仅具有柔体大变形导致的几何非线性,更具有大范围刚体运动引起的几何非线性,其非线性程度远高于计算结构力学所研究的几何非线性问题.本文基于李群局部标架(local frame of Lie group, LFLG),讨论如何发展一套新的多柔体系统动力学建模和计算方法体系, 具体内容包括:基于局部标架的梁、板壳单元,适用于长时间历程计算的多柔体系统碰撞动力学积分算法,结合区域分解技术的大规模多柔体系统动力学并行求解器, 以及若干验证性算例.上述基于李群局部标架的方法体系可在计算中消除刚体运动带来的几何非线性问题,使柔体系统的广义惯性力、广义弹性力及其雅可比矩阵满足刚体运动的不变性,使多柔体系统动力学与大变形结构力学相互统一,有望推动新一代多柔体系统动力学建模和计算软件的发展.
2021, 53(1): 213-233. doi: 10.6052/0459-1879-20-292
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Kirchhoff动力学比拟对弹性薄壳的推广
薛纭, 陈立群
将弹性细杆的"Kirchhoff动力学比拟"方法推广到弹性薄壳,使弹性薄壳的变形在物理概念上和刚体的运动对应, 在数学表述上等同,从而可以用刚体动力学的理论和方法研究弹性薄壳的变形,为连续的弹性薄壳提供新的离散化方法. 在直法线假设下,在弹性中面上构筑空间正交轴系, 此轴系沿坐标线"运动"的角速度构成两自变量的弯扭度. 沿两个坐标线的弯扭度表达了弹性薄壳的变形和位形,证明了弯扭度之间以及弯扭度与中面切矢间的相容关系. 用Euler角和Lam$\acute{e}$系数表达了非完整约束和中面位形的微分方程,用弯扭度和Lam$\acute{e}$系数表达了应变和应力以及内力及其本构方程.导出了用分布内力集度表达的弹性薄壳在变形后位形上的平衡偏微分方程组,方程的形式与刚体动力学的Euler方程和弹性细杆的Kirchhoff方程具有相似性,实现了Kirchhoff动力学比拟对弹性薄壳的推广.总结了弹性薄壳静力学和刚体动力学以及弹性细杆静力学在概念上的比拟关系.最后给出了一个算例. 为研究弹性薄壳的变形和运动提供新的建模方法和研究思路.也可进一步推广到弹性薄壳动力学.
2021, 53(1): 234-247. doi: 10.6052/0459-1879-20-266
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动载荷作用下中介轴承的非线性热行为研究
高朋, 侯磊, 陈予恕
中介轴承作为双转子系统高低压转子重要的支承部件,其内圈和外圈均随着低压转子和高压转子高速旋转, 其传热问题更加突出.本文研究中介轴承在非线性动载荷作用下的非线性热行为.基于双转子系统动力学响应定义中介轴承动载荷,考虑中介轴承的径向游隙、分数指数非线性和参数激励等非线性因素,中介轴承动载荷会出现跳跃和双稳态等非线性行为. 考虑润滑剂的黏温关系,根据Palmgren经验公式建立动载荷作用下中介轴承的热传递模型,通过数值求解得到中介轴承稳态温度,发现动载荷的非线性行为导致中介轴承温度出现跳跃和双稳态等非线性热行为.分析转速比、偏心距、中介轴承径向游隙、Hertz接触刚度和滚子数目对中介轴承温度及非线性热行为的影响,表明偏心距、径向游隙和刚度只影响非线性热行为,而转速比和滚子数目对两者都有重要影响. 本文研究表明,动载荷相较于静载荷更适合描述中介轴承的实际载荷,由于双转子系统具有非线性振动特性, 中介轴承的热行为也表现出复杂的非线性行为.
2021, 53(1): 248-259. doi: 10.6052/0459-1879-20-261
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生物、工程及交叉力学
微流控通道内细胞及其初级纤毛的力传导行为
李朝鑫, 武晓刚, 孙玉琴, 秦迎泽, 段王平, 张美珍, 王艳芹, 陈维毅, 卫小春
细胞处于复杂的生理环境之下,附着在细胞表面的初级纤毛被认为是重要的力学信号传感器,其与细胞的代谢、发育、分裂和增殖等生理活动密切相关.为了研究细胞及其初级纤毛在微流体环境下的力传导行为,本文建立了力-电协同驱动下的矩形微流控通道和含有多孔黏弹性属性的贴壁细胞有限元模型系统.考察了细胞的细胞质和细胞核在振荡层流下的应力、应变、孔隙压力和孔隙流速等力学信号响应,量化研究了初级纤毛作为细胞独特的力学感受器的生物力学行为. 结果表明:细胞在振荡层流下的力学响应表现出和外加力-电驱动载荷相同的震荡规律.渗透率是细胞多孔弹性力学行为的主要影响因素. 初级纤毛是细胞主要的力学感受器,细胞可以通过纤毛长度和直径调节其力学感受敏感性(应力影响区域),随着初级纤毛长度的增大, 其纤毛挠曲刚度减小, 但是敏感性增大.模型的建立为进一步研究微流体剪切作用下的细胞生长、分化等微观机理提供基础,同时也为检测细胞微结构器(纤毛等蛋白链)的力学性能提供了理论技术支持.
2021, 53(1): 260-277. doi: 10.6052/0459-1879-20-283
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小行星进入与撞击效应评估模型敏感性研究
党雷宁, 柳森, 白智勇, 石义雷
近地小行星对地球的撞击是人类生存和发展面临的潜在威胁之一.当前小行星进入与撞击效应评估模型输入参数不确定度大, 给模型的使用带来困扰,也较大地影响了危害评估结果. 本文分析了输入参数的取值范围,以范围中概率最大或文献的推荐值作为敏感性研究的基准值,利用所发展的小行星进入与撞击效应分析评估软件AICA, 通过改变一个或多个输入参数, 研究能量沉积、空爆高度、4 psi (1 psi = 6.89 kPa)超压损伤半径和3级烧伤半径等模型输出参数对输入参数的敏感性.对于直径60~300 m、进入速度12~40 km/s的石质小行星, 本文的计算分析指出:随着尺寸的增大、进入速度的减小、烧蚀系数的减小、初次解体强度的增大或者碎片云质量分数的增大,小行星的空爆高度总体上减小; 小行星及碎片阻力系数、强度指数对空爆高度和地面损伤范围影响较小;超压损伤半径和热辐射损伤半径总体上随着小行星尺寸和进入速度的增大而增大;碎片云质量分数小于50%时, 能量沉积及地面损伤半径评估结果会出现波动,较大的碎片云质量分数基准值(如80%)能够代表大多数进入情况;流明效率仅影响热辐射损伤范围; 3级烧伤半径小于4 psi超压损伤半径.
2021, 53(1): 278-292. doi: 10.6052/0459-1879-20-057
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力学人物追忆
非协调和杂交有限元的理论和应用——纪念恩师吴长春教授
黄颖青, 肖奇志, 冯淼林, 陈海波
本纪念文介绍了吴长春教授在计算力学领域的主要学术贡献, 重点介绍了他在非协调和杂交有限元的理论和应用方面的开创性工作, 他发展的构造非协调插值函数的一般公式以及杂交应力元优化方法至今仍是发展高性能有限元的重要工具, 经常被同行引用.
2021, 53(1): 293-297. doi: 10.6052/0459-1879-20-381
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向审稿者致谢
《力学学报》编辑委员会
2021, 53(1): 298-299.
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