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2021年  第53卷  第12期

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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
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金属增材制造中的关键力学问题与前沿计算技术专题
金属增材制造中的关键力学问题与前沿计算技术主题序
廉艳平, 刘谋斌
增材制造(亦称“3D打印”)是以数字模型为基础, 将材料逐层堆积制造出实体构件的新兴制造技术, 涉及力学、光学、材料、机械、控制、计算机、软件等学科的交叉融合, 已成为现代制造业最具代表性的颠覆性技术, 也是《中国制造2025》规划的重要发展方向. 金属增材制造是3D打印技术的一个主要分支, 一般常采用高能束(激光、电子束等)作为输入热源, 通过熔化离散金属材料(粉材、丝材)进行逐层叠加打印制件, 从而弥补传统减材和等材制造的不足, 已在航空航天、汽车电子及生物医学等众多领域取得了典型应用. 然而, 从结构设计、制造过程到性能评价, 金属增材制造涉及众多的关键力学问题亟待解决. 例如, 由于金属粉材或丝材的离散效应, 如果工艺参数选择不当, 金属3D打印产品易出现内部缺陷和表面缺陷, 从而影响打印构件的宏观力学性能及服役可靠性.
2021, 53(12): 3179-3180. doi: 10.6052/0459-1879-21-629
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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
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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
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激光选区熔化增材制造中的粉体热动力学行为
陈辉, 闫文韬
激光选区熔化(SLM)可以直接成形近全致密、性能接近锻件的复杂结构金属零件, 是金属增材制造(3D打印)领域的热点技术之一. SLM成形过程中粉末颗粒的热/动力学行为复杂, 与零件成形缺陷及力学性能紧密相关. 本文介绍了离散单元法(DEM)与计算流体力学(CFD)联合建模在SLM中的创新应用, 结合粉末床原位测试及成形在线监测, 探索SLM粉末铺设和粉末床熔融两个工艺环节的复杂粉体热/动力学行为机制. 研究发现, 粉末铺设过程中: 粉体的黏结效应、壁面效应和渗流效应3种机制相互竞争、共同支配粉末动力学行为并最终决定粉末床铺设质量. 粉末床熔融过程中: 熔池喷发的高温金属蒸汽带动环境保护气体形成内旋涡流, 由此驱动散体粉末形成复杂流固耦合运动, 导致粉末床飞溅与剥蚀现象; 热浮力效应对粉末运动不起主导作用. 文中提出了DEM-CFD双向动态耦合模型, 可以充分考虑离散粉末与熔池蒸发气体之间的热力耦合作用, 为SLM粉体熔融热/动力学行为的仿真模拟提供了一种新途径.
2021, 53(12): 3206-3216. doi: 10.6052/0459-1879-21-403
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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
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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
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激光定向能量沉积的粉末尺度多物理场数值模拟
黄辰阳, 陈嘉伟, 朱言言, 廉艳平
激光定向能量沉积技术作为一种同轴送粉式金属增材制造技术, 以其制造效率高、成形尺寸大等优势在航空、航天、交通等领域具有广阔的应用前景. 然而, 该技术在金属零件的尺寸精度和形状精度控制方面存在诸如尺寸偏差大、表面不平整等控形问题, 亟需发展高效高精度预测熔覆层成形尺寸形貌的数值模拟方法. 针对该问题, 本文建立了考虑激光-粉末-熔池交互过程的高保真多物理场数值模型. 其中, 采用高斯面热源等效激光光束, 利用拉格朗日质点法求解粉末输送及其与激光交互的过程, 进一步结合有限体积法和流体体积法求解粉末-熔池的交互及其流动凝固过程, 并通过TC17合金单道熔覆层实验结果进行了验证. 基于该模型, 首先预测了不同工艺参数下单道熔覆层形貌尺寸, 并对熔覆层形貌的变化趋势及其内在的物理机理进行了深入分析. 结果表明, 依赖于工艺参数的粉末温度分布和粉末基板能量分配比例对熔池流场和熔覆层尺寸有显著的影响. 本文所建立的数值模型可辅助激光定向能量沉积增材制造技术控形工艺参数优化, 所得结论可为成形件尺寸和形状精度控制提供理论指导.
2021, 53(12): 3240-3251. doi: 10.6052/0459-1879-21-420
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面向增材制造的熔池凝固组织演变的相场研究
肖文甲, 许宇翔, 宋立军
激光增材制造(laser additive manufacturing, LAM)技术极适合复杂整体构件的近净成形和高附值损伤件的快速修复. 然而, 激光增材制造熔池内部复杂的动态凝固过程显著影响成形件的终态组织, 进而制约其服役性能. 本文针对激光直接能量沉积(direct energy deposition by laser, DED-L) Inconel 718过程, 构建宏观传热传质与多相场耦合的多尺度数学模型, 解决了熔池宏−微观温度场的直接耦合, 并基于MPI并行程序设计实现了熔池二维的全域定量模拟, 研究了凝固过程中的晶粒演变过程. 结果表明, 模拟的熔池尺寸、凝固界面与实验结果吻合较好. 熔池凝固界面形态和晶体择优取向是影响晶粒演变的重要因素. 在熔池横截面上, 凝固过程主要受温度梯度方向的驱使, 取向与温度梯度方向夹角越小的晶粒占优生长. 在纵截面上, 晶粒的生长表现出弯曲生长以及“上三角”的晶粒特征, 温度梯度方向的渐变导致了晶粒弯曲, 相邻晶粒的竞争行为决定了晶粒形貌. 本文阐明了金属激光增材制造晶粒演变的机理, 有助于厘清增材制造热物理、化学、冶金过程, 为凝固组织的预测和调控提供理论指导. 此外, 该多尺度数学模型也适用于其他金属材料的激光增材制造过程.
2021, 53(12): 3252-3262. doi: 10.6052/0459-1879-21-364
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增材制造微结构演化及疲劳分散性计算
易敏, 常珂, 梁晨光, 周留成, 杨阳祎玮, 易新, 胥柏香
为了预测增材制造中工艺参数−微结构−力学性能之间的关联规律, 提出了集成离散元、相场模拟、晶体塑性有限元和极值概率理论的计算方法, 揭示了激光扫描速度对微结构演化、屈服应力和疲劳分散性的影响. 首先, 采用离散元实现了重力作用下粉床在已凝固层表面上的逐层铺设; 其次, 通过热−熔体−微结构耦合的非等温相场模拟, 获得了熔体、气孔、晶界、晶粒取向等的时空演化以及最终形成的多晶微结构; 然后, 应用晶体塑性有限元计算了增材制造多晶微结构的宏观力学响应, 并得到表征疲劳裂纹萌生驱动力的疲劳指示参数(FIP); 最后, 采用极值概率理论分析了增材制造多晶微结构的FIP极值分布规律及疲劳分散性. 以316L不锈钢选区激光熔化增材制造为例的计算结果表明: 增材制造微结构的宏观屈服强度随激光扫描速度的增加而降低, 且呈各向异性; FIP极值符合Gumbel极值分布规律, 激光扫描速度增加可降低增材制造微结构疲劳分散性, 但会导致FIP极值升高, 使得疲劳裂纹萌生驱动力增加, 疲劳寿命降低.
2021, 53(12): 3263-3273. doi: 10.6052/0459-1879-21-389
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流体力学
几何参数对V字形钝前缘气动热特性影响
王军, 李祝飞, 张志雨, 杨基明
针对三维内转式进气道V字形唇口部位气动热载荷严酷的问题, 将唇口简化为V字形钝前缘, 在来流马赫数6条件下, 采用数值模拟并辅以激波风洞实验, 研究了气动热随前缘几何参数的变化规律. 结果表明, 在半径比R/r (根部倒圆半径R和前缘钝化半径r之比)和半扩张角β的联合作用下, V字形根部主要出现三种激波反射类型, 其壁面热流峰值的位置和大小均差异明显. 在(R/r, β)几何参数空间中, 当R/r和β都相对较小时, V字形根部发生异侧激波规则反射, 超声速气流冲击驻点附近壁面, 并产生极其严酷的第一类中心热流峰值, 最高可达相同钝化半径圆柱驻点热流的12倍. 当R/r或β较大, V字形根部发生马赫反射时, 异侧超声速射流对撞以及激波/边界层干扰分别导致了第二类中心热流峰值和外侧热流峰值, 其严酷程度仅次于第一类中心热流峰值, 采用R/r和β建立了第二类中心热流峰值和外侧热流峰值强弱转变的边界. 当R/r充分大, V字形根部发生同侧激波规则反射时, 第二类中心热流峰值和外侧热流峰值都减小至相同钝化半径圆柱驻点热流的水平.
2021, 53(12): 3274-3283. doi: 10.6052/0459-1879-21-448
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基于多层分块算法的激波干扰流场预测
李帅, 彭俊, 罗长童, 胡宗民
激波-激波干扰流场预测是超声速乃至高超声速流动中最具挑战性的问题之一. 特别地, 第IV类激波干扰由于其在壁面驻点附近产生极高的热载荷而备受关注. 本文针对圆柱诱导的弓形激波和入射斜激波的干扰问题, 分别基于量热完全气体模型和考虑振动激发的热完全气体模型, 数值求解有黏二维可压缩NS方程, 分析了高温气体效应对激波干扰流场结构, 以及第IV类激波干扰流场状态参数的影响. 接着, 本文基于一种具有广义可分离特性的遗传算法 (多层分块算法), 给出能够预测不同气体模型下第IV类激波干扰流场三波点的坐标位置、超声速射流的几何形状等特征性几何结构的数学模型, 进一步获得高温气体效应对激波干扰类型转变准则影响的定量化评估. 激波干扰类型转变准则面上的多组临界工况的激波干扰流场结构以及壁面压力和壁面热流分布的对比结果表明, 不同气体模型下的激波干扰类型和流场结构差异较为显著, 获得的定量化预测模型对工程中气动热环境的预测具有一定的参考价值.
2021, 53(12): 3284-3297. doi: 10.6052/0459-1879-21-385
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超音速尾流作用下通气空泡稳定性及闭合位置数值研究
赵小宇, 向敏, 张为华, 刘波, 李尚中
以喷气推进为动力的水下超空泡航行体, 通气空泡的稳定性和空泡形态控制问题是关键所在. 本文利用VOF耦合水平集界面追踪方法, 考虑气体的可压缩性, 通过改变射流强度和模型长度, 开展了一系列通气空泡和超音速尾射流相互作用的数值仿真, 重点分析了通气空泡的稳定性和闭合位置. 数值结果表明: (1)在超音速尾射流作用下, 通气空泡的界面会经历膨胀、颈缩、断裂回缩过程, 然后开始周期性震荡泄气. 通气空泡的形态长度相较于无射流条件下大大减小; (2)气液界面两侧强剪切有可能诱导空泡失稳溃灭, 而这种空泡失稳机制主要取决于两个无量纲参数$ \overline J $(射流推力和空化器阻力之比)和$ \overline L $(模型长度和空化器直径之比), $ \overline J $越大, $ \overline L $越小, 空泡越容易失稳. 在此基础上, 进一步总结了算例中出现稳定和失稳两种状态的临界曲线; (3)空泡越稳定, 喷管出口的压力波动的幅度和频率就越低, 此时通气空泡能为火箭发动机提供稳定的工作; (4)对于空泡失稳的工况, 空泡闭合在喷管出口; 而空泡稳定的工况, 喷管出口到闭合位置的长度只与$ \overline J $有关, 与模型长度无关.
2021, 53(12): 3298-3309. doi: 10.6052/0459-1879-21-346
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上下反翼对双后掠乘波体低速特性的影响
孟旭飞, 白鹏, 刘传振, 李盾, 王荣
相比于传统乘波体外形, 双后掠乘波体在保持高超声速良好性能的条件下能够提升乘波体低速气动性能, 但其仍存在低速稳定性不好等缺陷. 本文从密切锥乘波体理论提出给定前缘型线的乘波体设计方法, 通过给定三维前缘型线分别生成具有相同平面投影形状的上反和下反机翼双后掠乘波体. 使用CFD技术评估不同上下反程度外翼乘波体的低速性能, 分析升阻特性以及流场涡结构特点. 选取稳定性判据, 研究上下反翼对纵向和横侧向稳定性的影响. 结果表明, 机翼上下反对乘波体低速升阻特性影响较小; 不同外形均为纵向静不稳定的, 且俯仰力矩变化趋势比较类似, 机翼下反可使气动焦点位置后移, 提升纵向稳定性; 机翼上反有助于提升乘波体的横向静稳定性, 而下反则会下降; 机翼上反可以提升侧向稳定性, 且上反程度越大提升效果越明显; 同时机翼上反使乘波体的偏航动态稳定性有明显提升, 下反则会降低, 影响程度与机翼上下反程度呈正相关. 通过结果分析, 说明通过机翼上下反改善乘波体低速稳定性是可行的, 为乘波体在宽速域高超声速飞行器中的应用拓展了途径.
2021, 53(12): 3310-3320. doi: 10.6052/0459-1879-21-234
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机翼尺度效应对等离子体分离流动控制特性的影响
阳鹏宇, 张鑫, 赖庆仁, 车兵辉, 陈磊
等离子体流动控制技术是一种以等离子体气动激励为控制手段的主动流动控制技术. 为了进一步提高等离子体激励器可控机翼尺度, 以超临界机翼SC(2)-0714大迎角分离流为研究对象, 以对称布局介质阻挡放电等离子体为控制方式, 以测力、粒子图像测速仪为研究手段, 从等离子体激励器特性研究出发, 深入开展了机翼尺度效应对等离子体控制的影响研究, 提出了适用于分离流控制的能效比系数, 探索了分离流等离子体控制机理, 掌握了机翼尺度对分离流控制的影响规律. 结果表明: (1)随着机翼尺度的增大, 布置到机翼上的激励器电极长度会相应增加; 在本文的参数研究范围内, 激励器的平均消耗功率不会随电极长度的增加而线性增大; 当电极长度达到一定阈值时, 激励器的平均消耗功率趋于定值; (2)在固定雷诺数的情况下, 随着机翼尺度的增大, 等离子体的控制效果并未降低, 激励器能效比系数提高; (3)等离子体在主流区诱导的大尺度展向涡与在壁面附近产生的一系列拟序结构成为分离流控制的关键. 研究结果为实现真实飞机的等离子体分离流控制, 推动等离子体流动控制技术工程化应用提供了技术支撑.
2021, 53(12): 3321-3330. doi: 10.6052/0459-1879-21-379
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固体力学
激光冲击下CoCrFeMnNi高熵合金微观塑性变形的分子动力学模拟
杜欣, 熊启林, 周留成, 阚前华, 蒋虽合, 张旭
激光冲击强化技术可以有效地提高材料的疲劳寿命, 被广泛应用于航空航天领域. CoCrFeMnNi高熵合金作为一种经典的高熵合金体系, 研究其激光冲击强化后的微观组织变化以及冲击动态响应对该材料未来在航空航天领域中的应用具有重要意义. 采用分子动力学方法, 对CoCrFeMnNi高熵合金进行了冲击模拟, 发现冲击时弹、塑性双波分离现象以及微结构演化具有明显的取向相关性. 沿[100]方向进行冲击时未出现双波分离结构, 并且塑性变形过程中会产生中间相; 而沿[110]与[111]方向冲击时产生了双波分离结构, 并且受冲击区域存在大量的层错以及无序结构, 高位错密度是产生无序结构的重要原因. 双波分离现象与可开动滑移系个数有关, 而沿不同取向冲击时的Hugoniot弹性极限和发生塑性变形的临界冲击速度与其可开动滑移系的Schmid因子大小有关. 此外, 冲击诱导了梯度位错结构的产生, 位错密度沿冲击深度先增加后减小, 在沿原子密排方向冲击时产生了更高的位错密度. 冲击之后在模型两侧存在残余压应力, 芯部为残余拉应力, 残余应力的大小具有明显的取向相关性. 最后, 与具有相同尺寸及取向的纯Ni进行对比, 发现CoCrFeMnNi高熵合金在冲击过程中由于晶格畸变效应产生了较纯Ni更多的无序结构.
2021, 53(12): 3331-3340. doi: 10.6052/0459-1879-21-468
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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): 3341-3353. doi: 10.6052/0459-1879-21-325
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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): 3354-3365. doi: 10.6052/0459-1879-21-430
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分数阶拟周期Mathieu方程的动力学分析
郭建斌, 申永军, 李航
分数阶微积分有着诸多优异的特点, 目前在动力学领域主要用来提高非线性系统振动特性研究的准确性. 本文在拟周期Mathieu方程的基础上, 引入分数阶微积分理论, 研究了分数阶微分项参数对方程稳定性的影响. 首先, 采用摄动法得到方程稳定区和非稳定区分界线(即过渡曲线)近似表达式, 利用数值方法验证了解析结果的准确性, 图像显示两者吻合较好. 随后, 通过归纳总结不同情况下的过渡曲线近似表达式, 发现在系统中分数阶微分项以等效线性刚度和等效线性阻尼的方式存在. 根据这一特点, 得到了系统等效线性阻尼和等效线性刚度的一般形式, 并且定义了非稳定区域厚度. 最后, 通过数值仿真直观地分析了分数阶微分项参数对方程稳定区域大小和过渡曲线位置的影响. 结果发现, 分数阶微分项不仅具有阻尼特性还具有刚度特性, 并且以等效线性刚度和等效线性阻尼的方式影响着方程稳定区域大小和过渡曲线位置. 合理选择分数阶微分项参数可以使其呈现不同程度的刚度特性或阻尼特性, 方程稳定区域的大小和过渡曲线的位置也因此产生了不同程度的变化.
2021, 53(12): 3366-3375. doi: 10.6052/0459-1879-21-455
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基于子结构解耦的连接特性识别新方法
范新亮, 王彤, 夏遵平
连接部件动态特性的准确辨识对预测装配式机械结构的动力学行为有重要意义. 针对传统基于子结构解耦的连接结构动力学特性识别方法难以直接利用可测量数据进行辨识及辨识结果受噪声影响显著等问题, 本文提出了一种新方法. 首先, 提取子结构解耦基本方程在测试自由度上的分量, 并经矩阵变换得到显含连接动刚度矩阵的形式, 而后由真实连接动刚度矩阵分解为已知的初始矩阵与待求的增量矩阵, 推导了具有收敛性质的增量型方程以增强界面自由度较多时辨识的数值稳定性, 并采用多项式拟合动刚度将其转化为了拟合系数的频域估计方程, 按给定准则选取合适的频率点联立方程后, 得到了只需装配体测试自由度上的频响函数来辨识连接特性的迭代公式. 最后, 以若干算例说明了算法的具体流程. 对10自由度弹簧−质量块系统进行了数值仿真, 验证了所提方法的正确性及抗噪性; 对包含一处胶接连接的T形梁结构和包含两处螺栓连接的L形梁结构进行了试验, 所辨识连接结构与残余结构重组的装配体有限元模型计算的频响函数与测量值在较宽频带内吻合较好, 表明了该方法能有效识别实际装配体结构中的连接特性.
2021, 53(12): 3376-3388. doi: 10.6052/0459-1879-21-280
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生物、工程及交叉力学
仿双髻鲨头部的仿生机器鱼外型设计及其流场特性
马楷东, 张瑞荣, 郭鑫, 许铭扬, 浦玉学
近年来对海洋资源的开发利用成为了社会的研究热点, 推动了国内外学者关于水下航行器各方面的研究工作. 其中航行器的外形设计是研究中较为重要的一部分, 直接影响其在水中行进时所表现流体性能的优劣. 自然界中存在的各种鱼类以其阻力性能好等优点吸引了科研工作者广泛关注. 为设计流体性能较好的航行器壳体外形, 本文将目光放在了双髻鲨身上, 它的头部就像一个水中翼, 帮助其在海洋中灵活的游动. 本文以其为仿生的对象, 首先建立模型分析了3种不同双髻鲨的头部减阻效果, 选定锤头双髻鲨的生物形体特征作为壳体外形特征曲线, 并结合工程实际设计了一种仿生机器鱼外形, 应用Ansys Mosaic 技术建立三维流场结构化网格模型, 对其进行Fluent仿真. 随后与目前主流的翼型壳体外形和回转体航行器外形进行对比, 重点研究其减阻性能. 通过仿真分析得出, 与上述两种常见的水下航行器相比, 仿双髻鲨模型在定常流场中表现出更优秀的流体性能. 本文还探究仿双髻鲨模型周围流场的特性, 对于减少航行器对周围流场干扰方面和改善航行器隐蔽性方面的研究有一定的指导意义, 同时也为水下航行器的设计提供新的方向.
2021, 53(12): 3389-3398. doi: 10.6052/0459-1879-21-160
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基于沿程坐标积分模式颗粒流与结构物阵列相互作用的数值模拟
杨肃, 张会琴, 余王昕, 程鹏达, 刘青泉, 王晓亮
近年来, 由颗粒物质流动主导的泥石流、滑坡等自然灾害评估及其防护工作越来越受到人们的关注. 本文基于沿程坐标积分模式建立了陡峭地形条件结构物作用下颗粒流运动的数值模型, 可以较为准确地表征陡峭地形情形结构物影响下颗粒流的流态特征和运动过程, 尤其是相互作用过程中激波结构的形成与演化, 颗粒流的反射、绕射和爬升等动力效应. 通过数值模拟研究了颗粒流与不同分布密度四面体结构物阵列相互作用时的流态演化与堆积形貌, 提出了新型偏转效率无量纲指标, 结合流通效率, 定量评估了四面体结构物阵列对颗粒流流通距离和侧向铺展特征的影响. 结果表明, 单个四面体结构物对颗粒流的作用包括耗散作用和偏转作用两种模式, 其中偏转作用尤为显著; 结构物阵列对颗粒流产生综合的耗散和偏转作用, 通过多级作用形成系列的弓形激波耗散颗粒流能量, 通过偏转作用分隔和改变颗粒流路径, 增强耗散作用, 调控堆积形态, 可望对下游地区产生显著的防护效果.
2021, 53(12): 3399-3412. doi: 10.6052/0459-1879-21-200
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基于XFEM-MBEM的嵌入式离散裂缝模型流固耦合数值模拟方法
杜旭林, 程林松, 牛烺昱, 方思冬, 曹仁义
离散缝网的表征与模拟是目前国内外研究的热点. 在非常规油气开发过程中, 由于地应力场的存在会对裂缝的流动属性产生显著影响, 若将裂缝视为静态对象, 与矿场数据会出现极大偏差, 因此要基于动态裂缝做更深入的研究. 本文针对致密油藏应力场−渗流场耦合力学问题, 提出了一种高效的混合数值离散化方法, 其中采用扩展有限元法 (XFEM) 求解岩石的弹性形变, 采用了混合边界元法 (MBEM) 精确计算基岩与裂缝间的非稳态窜流, 这两种数值格式是完全耦合的, 并对整体计算格式的时间项进行了全隐式求解, 可准确表征致密油藏开采过程中的裂缝变形及流体流动机理. 此外, 本文采用了嵌入式离散裂缝前处理算法显式表征大尺度水力压裂缝, 并考虑了支撑剂的作用; 采用了双孔有效应力原理和双重介质隐式裂缝表征方法, 可捕捉基质与小尺度天然裂缝的动态信息; 由此, 本文所提出的混合模型综合表征了基质−天然裂缝−水力压裂缝共同组成的致密油藏复杂渗流环境, 并通过几个实例论证了模型的准确性, 研究表明: 对致密油藏压裂水平井进行产能评价时, 应力场所引起渗流参数的改变及裂缝开度降低的影响不可忽略. 本文研究可为非常规油气资源的开发提供理论指导.
2021, 53(12): 3413-3424. doi: 10.6052/0459-1879-21-300
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力学人物追忆
坚守初心, 重温钱先生的办刊目标
陆夕云
2021年12月11日是钱学森先生诞辰110周年，力学学报编委会和编辑部共同主办《力学者说》第3期暨纪念力学学报首任主编钱学森先生诞辰110周年，让我们共同缅怀和追思钱先生的丰功伟绩，不断传承和弘扬钱先生的爱国精神和科学精神。1955年钱学森回到祖国，1956年1月创建了中国科学院力学研究所，1957年，钱学森先生亲自领导了《力学学报》的创刊，并任第一任主编。在创刊号首篇文章《我们的目标》中，钱先生明确指出了《力学学报》的办刊目标。今天在这个值得纪念的日子里，我们《力学学报》全体编委会成员再次重温钱先生为《力学学报》制定的《我们的目标》。
2021, 53(12): 3425-3426. doi: 10.6052/0459-1879-21-662
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