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2021年  第53卷  第12期

研究综述
单一水平轴风电机组尾迹的模拟方法与流动机理研究综述
杨晓雷
为实现碳达峰、碳中和“3060”目标, 风能将在我国能源体系发挥重要作用. 风力机尾迹是影响风电性能和度电成本的关键因素, 需在风力机布置和控制设计中充分考虑. 本文首先介绍风力机尾迹的数值模拟方法, 包括解析模型、低阶模型、大涡模拟和来流湍流生成方法. 解析模型和低阶模型可快速计算风力机尾迹, 但依赖于模型参数, 且不能或不能准确预测尾迹湍流特性. 结合风力机参数化模型的大涡模拟可准确预测尾迹蜿蜒等湍流特征, 是流动机理研究的有力工具, 可为发展快速预测模型提供数据和理论支撑. 接着, 本文介绍了叶尖涡、中心涡和尾迹蜿蜒并讨论其产生机理. 对于湍流来流, 叶尖涡主要存在于近尾迹. 蜿蜒是远尾迹的主要特征, 影响下游风力机的来流特征. 尾迹蜿蜒的产生有两种机制: 来流大尺度涡和剪切层失稳. 数值和观测结果显示两种机制共同存在. 机舱和中心涡对尾迹蜿蜒有重要影响. 采用叶片和机舱的致动面模型可准确预测尾迹蜿蜒. 研究显示不同风力机尾迹间的湍流特征存在相似性, 为发展尾迹湍流的快速预测模型提供了理论依据. 当前研究多关注平坦地形上的风力机尾迹, 复杂地形和海洋环境下的大气湍流和风力机尾迹的机理复杂, 现有工程模型无法准确预测, 有待深入研究.
2021, 53(12): 3169-3178. doi: 10.6052/0459-1879-21-493
金属增材制造中的关键力学问题与前沿计算技术专题
增材制造316钢高周疲劳性能的微观力学研究
朱继宏, 曹吟锋, 翟星玥, 艾德·穆尼, 张卫红
由于增材制造逐层累积的工艺特点, 其成形材料力学性能往往不同于传统减材制造材料. 在航空航天、核工业以及医疗领域中, 对增材制造材料疲劳性能的研究不足导致其很难作为主承力件使用, 这制约着增材制造技术的进一步推广使用. 本文以增材制造316钢为对象, 通过仿真手段研究其高周疲劳性能, 研究表明循环载荷下滑移带与晶界处的裂纹萌生是增材制造316钢材料发生高周疲劳的主要原因. 根据提出的微观力学模型研究了增材制造316钢的高周疲劳性能, 其中分别使用唯象学晶体塑性理论和弹塑性内聚力模型模拟晶粒和晶界的力学行为. 为了准确评估增材制造316钢的高周疲劳性能, 本文针对于晶粒和晶界分别采用Papadopoulos疲劳准则和一种基于安定性理论的介观疲劳准则同时考虑位错滑移和晶界对疲劳性能的影响. 最后, 为了验证所提微观力学模型的有效性, 本文对比了增材制造316钢和轧制316钢高周疲劳性能的仿真结果. 与实验结果相同, 仿真结果显示增材制造316钢相较于轧制316钢具有更好的高周疲劳性能.
2021, 53(12): 3181-3189. doi: 10.6052/0459-1879-21-396
金属增材制造中的缺陷、组织形貌和成形材料力学性能
陈泽坤, 蒋佳希, 王宇嘉, 曾永攀, 高洁, 李晓雁
金属增材制造是近30年发展起来的一种新型制造技术, 不同于传统的减材制造过程, 它是基于离散-堆积原理, 根据设计的三维数据模型, 逐层加工获得立体实物的制造技术, 具有近净成形、快速制造、设计自由度高等优点, 特别适用于具有复杂几何结构的高熔点金属构件的直接成形, 在航天航空、核能工业、交通运输、生物医疗等领域具有巨大的技术优势和广阔的应用前景. 本文首先介绍了3种典型的金属增材制造技术原理, 包括选区激光熔化技术、激光金属沉积技术和选区电子束熔化技术. 随后对金属增材制造中的熔合不良、气孔、裂纹等缺陷的形成机理及其控制方法进行了综述, 以激光功率、扫描速度和扫描策略等工艺参数为例阐述了工艺参数对成形构件组织形貌的影响, 同时介绍了金属增材制造技术在传统合金、高熵合金以及非晶合金等材料中的应用及其力学性能. 最后对金属增材制造在扩充可打印的合金体系、量化缺陷与残余应力对材料性能的影响、发展可预测组织形貌的模拟方法、建立金属增材制造数据库和相关标准等方向进行了展望.
2021, 53(12): 3190-3205. doi: 10.6052/0459-1879-21-472
选区激光熔化成形区粗糙表面对铺粉质量的影响:离散元模拟
孙远远, 江五贵, 徐高贵, 陈韬, 毛隆辉
选区激光熔化中, 铺粉质量会极大地影响产品的最终质量. 然而, 成形区粗糙表面对铺粉质量影响的研究较少. 因此, 本文以成形区粗糙表面作为新的铺粉基板, 通过离散元法, 研究铺粉过程中成形区的表面形貌和工艺参数对铺粉质量的影响, 并分析铺粉过程中金属粉末在成形区粗糙表面的颗粒动力学和颗粒沉积机制. 结果表明, 将激光扫描方向与铺粉方向旋转一定角度可有效提高粉末层质量, 增加铺粉层厚可减小成形区粗糙表面对铺粉质量的影响. 减小搭接率可提高成形区对颗粒的滞留能力, 从而使更多的颗粒沉积在成形区, 提高粉床填充密度, 但是粉末颗粒会与成形区的粗糙表面碰撞, 产生颗粒迸溅现象. 此外, 铺粉过程中, 由于成形区粗糙度的增大, 成形区粗糙表面上的粉堆产生的强力链、力拱数量多于表面光滑的成形区. 在滚轮作用下, 力拱断裂导致颗粒重新排列, 形成致密的粉末层. 在成形区边界处, 力拱的产生会最终导致边界处的粉末层出现空斑缺陷. 本研究有助于通过优化工艺提高粉床质量.
2021, 53(12): 3217-3227. doi: 10.6052/0459-1879-21-399
基于半解析VOF-DEM的激光直接沉积多尺度过程模拟
王泽坤, 刘谋斌
与传统铸造技术相比, 基于金属粉末的增材制造技术因其生产周期短、可操作性强而在航空航天、生物医学等领域具有很好的优越性. 尤其是激光直接沉积技术, 因其自由度高, 在复杂构件制造、部件修复中有着广泛的运用. 但是该激光直接沉积过程涉及多物理场、跨尺度、极端高温高压环境和相变问题, 仅靠实验不能很好地研究其中的机理. 已有数值模拟技术一般通过预设或者射入拉格朗日点作为颗粒输入, 不能做到同时考虑环境气体、颗粒碰撞和相变过程. 本文在近期发展的基于核函数近似背景流场的半解析CFD-DEM耦合方法中引入了流体体积分数法(VOF), 发展了可以同时模拟含热、刚体颗粒、相变和自由液面及相变界面的半解析VOF-DEM (或半解析CFD-DEM-VOF)方法, 从而首次实现了真实物理环境下激光直接沉积技术的数值模拟. 其中, VOF中的气相为环境气体, 液相为熔融和凝固的金属相, 界面通过iso-Advector重构, DEM为未熔化的金属粉末, 且流体网格可解析离散元颗粒形状. 这一模拟框架可以有效复现颗粒之间的碰撞、粘结、熔化、融合, 以及熔池熔道的形成, 为激光直接沉积技术的数值模拟提供了开拓性的范式, 并可以被应用到其他带相变的颗粒系统中.
2021, 53(12): 3228-3239. doi: 10.6052/0459-1879-21-361
固体力学
微磁检测应力和塑性区的磁弹塑耦合理论
时朋朋
金属磁记忆微磁检测方法, 利用铁磁材料局部磁性状态的变化, 进行应力集中或塑性区域位置及程度的检测与评价. 面向微磁信号的定量理论分析可对其工程领域应用提供重要指导. 本文介绍铁磁材料微弱环境磁场下的磁弹塑性本构进展, 及其在微磁信号分析方面的应用. 力磁本构关系方面, 针对微磁检测弱磁化条件, 基于有效场理论构建了受弹塑性载荷铁磁材料的理想磁化本构的显式解析式, 并结合接近原理分析了恒定外加微弱磁场下应力-应变对材料磁化强度的影响. 检测信号分析方面, 基于弹性力学理论、静磁学理论和新建立的磁弹塑性本构关系, 建立并求解了微弱磁场下铁磁试件中弹性应力或塑性区诱导的表面磁信号的二维分析模型. 结合实验结果证实其在刻画弹塑性因素对微磁信号影响规律方面的能力, 并详细分析了微磁信号的特征量与局部弹性应力或塑性区的尺寸间的相关关系. 相比已有力磁本构关系, 本文建立的显式解析形式的理想磁化更加简洁, 有助于提升对力磁耦合效应的定量化理解和应用.
2021, 53(12): 3343-3355. doi: 10.6052/0459-1879-21-325
动力学与控制
一种压电驱动的三足爬行机器人
高煜斐, 周生喜
机器人领域涉及到力学、机械、材料、控制、电子和计算机等多个学科. 其中, 爬行机器人可在极端环境下工作, 进而可有效降低人工作业的危险性并提高工作效率. 因此, 爬行机器人一直是机器人领域的重点研究对象. 压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的新型功能陶瓷材料. 逆压电效应是指当在电介质的极化方向施加电场, 这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力, 当外加电场撤去时, 这些变形或应力也随之消失. 本文基于压电陶瓷的逆压电效应设计了一种由3条弯曲变截面梁支撑的一体化三足爬行机器人. 利用理论力学方法对该三足爬行机器人建立整体受力分析方程, 再用哈密顿原理对变截面、变角度梁建立动力学方程, 最终得到了可求解该三足爬行机器人的压电驱动腿固有频率的方程. 设计并制作了三足爬行机器人实物, 通过实验测试了不同弯折角度、不同驱动频率、不同负载、不同电压波形对运动方向及运动速度的影响. 最后利用不对称的驱动电压使三足爬行机器人实现了左转、右转以及不加导轨的近似直线运动, 实现了设计的3个方向的运动, 最后分析了该机器人的能耗问题. 该研究可为微型爬行机器人设计和实验提供参考依据.
2021, 53(12): 3356-3367. doi: 10.6052/0459-1879-21-430