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2021年  第53卷  第8期

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研究综述
压电超构材料及其波动控制研究: 现状与展望
袁毅, 游镇宇, 陈伟球
弹性波超构材料是一种人为设计的周期结构材料, 因其独特的力学性能而受到广泛的关注, 在军用和民用领域都展现出重要而独特的应用前景. 根据需求主动或被动地调控弹性波超构材料的力学特性, 能够赋予其更强的适用性能. 其调控的方式多种多样, 其中运用压电材料进行调控是一种方便、速度快、精度高、体积小且价格低的调控方式. 文章中首先简要地介绍弹性波超构材料、可调超构材料、压电材料和几种常用的分流电路的基本特性. 然后依据压电材料在弹性波超构材料中应用形式的不同, 将其分为两大类: 第一类中, 压电材料作为主体结构材料或主体结构的一部分组成材料; 第二类中, 压电材料主要以压电弹簧或压电片的形式贴附于主体结构的表面或内嵌在结构中, 作为激励器或/和传感器. 文章主要介绍两种类型弹性波超构材料的研究内容和发展历史, 涉及带隙调控、波导、负折射、超传输、拓扑态、隐身以及外接分流电路等. 最后总结压电弹性波超构材料研究的不足之处并给出相应的未来研究展望.
2021, 53(8): 2101-2116. doi: 10.6052/0459-1879-21-198
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非常规油气资源渗流力学进展专题
非常规油气资源渗流力学进展专题序
蔡建超, 刘曰武
《力学学报》本次组织的《非常规油气资源渗流力学进展专题》包含12篇研究型或综述型论文, 涉及页岩油气、煤层气、致密油气及天然气水合物等非常规资源, 旨在反映国内高校、科研院所及企业的科研人员在非常规油气资源开发渗流力学领域取得的最新进展, 以促进学术交流, 供从事相关领域的读者参考, 期望能有所启迪.
2021, 53(8): 2117-2118. doi: 10.6052/0459-1879-21-408
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含天然气水合物土微观力学特性研究进展
赵亚鹏, 刘乐乐, 孔亮, 刘昌岭, 吴能友
天然气水合物作为一种资源储量大、分布范围广、能量密度高的清洁能源, 受到了国内外的广泛关注, 竞相研究安全高效、持续可控的开采方法. 充分掌握含天然气水合物土的力学特性并厘清其在开采过程中的动态演化规律, 是实现天然气水合物资源产业化开发的重要前提. 含天然气水合物土的力学响应行为本质上是其内部结构演化的宏观反映, 相关的微观力学特性研究对于深化含天然气水合物土力学特性认识具有重要的意义. 本文从天然气水合物晶体、天然气水合物与土颗粒界面、含天然气水合物土3个尺度对含天然气水合物土微观力学特性的研究现状进行了总结, 系统归纳了天然气水合物的晶体结构类型及天然气水合物的孔隙微观赋存模式; 重点介绍了计算机断层扫描、扫描电子显微镜、X射线衍射及原子力显微镜等微观测试技术原理与特点; 简述了与计算机断层扫描联用的三轴剪切实验、颗粒流程序模拟及分子动力学模拟在天然气水合物微观力学特性研究方面的最新进展; 综合现有研究结果对含天然气水合物土内颗粒界面剪切机理及微观力学理论模型进行了概述分析; 最后探讨了含天然气水合物土微观力学研究目前仍存在的不足与挑战, 并给出了针对性的建议以期促进含天然气水合物土的力学特性研究发展.
2021, 53(8): 2119-2140. doi: 10.6052/0459-1879-21-138
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致密油藏动态裂缝扩展机理及应用
邸士莹, 程时清, 白文鹏, 魏操, 汪洋, 秦佳正
致密油藏采用注水吞吐补充地层能量取得了一定效果. 但多轮次注水吞吐后, 地层压力和产量降低快. 本文考虑了致密油藏复杂的裂缝形态, 根据艾尔文理论及弹性力学剖析I型裂缝尖端附近的应力场分布, 基于渗流力学、裂缝性致密油藏特征及动态裂缝渗流规律, 建立了多裂缝交叉裂缝扩展渗流模型, 结合注水诱导裂缝扩展机理及断裂力学能量守恒原理, 得到裂缝扩展长度. 依据致密油藏逆向渗吸原理, 提出将注水吞吐转为不稳定脉冲注水. 对比分析注水吞吐、脉冲注水2种能量补充发方式, 预测10年累计采油、压力及剩余油分布. 结果表明, 裂缝净内压随着注水量的增加而升高, 当应力场强度因子达到断裂韧度, 在裂缝尖端会发生扩展. 扩展及延伸的天然裂缝相互沟通, 呈现不规则复杂缝网, 在复杂缝网中主要发生逆向渗吸作用. 脉冲注水累计产油高、注水波及面积广、逆向渗吸作用强. 裂缝性致密油藏水平井注水吞吐转变为脉冲注水方式, 能够充分发挥动态缝网的逆向渗吸及线性驱替作用, 实现有效驱油的目的.
2021, 53(8): 2141-2155. doi: 10.6052/0459-1879-21-154
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页岩凝析气藏相平衡的快速准确计算方法
章涛, 白桦, 孙树瑜
对页岩油气藏中复杂流体的相平衡计算需要建立考虑毛细作用效应的先进的数值模型, 并设计出快速可靠的算法以应对实际工况中储层流体包含多达数十种组分的复杂情况. 本文将基于适合页岩油气藏常见组分的真实流体状态方程, 即Peng−Robinson状态方程构建具有热力学一致性的VT型孔观相平衡计算体系. 通过引入描述毛细压力做功的数学模型实现对页岩流体热力学性质更准确的刻画. 结合扩散界面模型建立动力学演化格式, 采用成熟的凸分裂方法求解摩尔数和体积分数的演变, 从而描述相平衡的动态过程. 在此基础上, 本文开发了一套具有自适应性的深度学习算法, 设计了独特的双网络结构以实现对不同流体中不同组分的广泛适用性. 该神经网络的输入和输出参数均在热力学分析的基础上选取关键的热力学性质参数, 并进行了全面的超参调试以确定最合适的网络架构和最后形成的预测模型的基本结构, 且通过多种深度学习技术解决了过拟合问题, 在显著加速了传统的基于迭代方法的闪蒸计算的同时保证了相平衡状态预测的准确性, 得到了较好的预测效果. 相分离判定自动整合在预测结果中, 且从最终预测结果可以显著地捕捉到毛细作用的影响. 这一套快速、准确、可靠地基于深度学习算法的页岩油气孔观相平衡计算体系可以为后续的多相流动模拟提供具有物理意义的相分布初场, 确定系统内各个阶段的相数, 并可以作为构建具有物理守恒性的多相数值模型的热力学基础.
2021, 53(8): 2156-2167. doi: 10.6052/0459-1879-21-229
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基于变边界分段模型的页岩损失气量和解吸气量评价方法
曾克成, 解海鹏, 姜培学, 周尚文, 胥蕊娜
储层含气量的准确评估是目前制约非常规天然气高效开发的重要因素, 直接法采用损失气估算模型结合解吸曲线估算储层含气量, 但现有损失气估算模型均基于煤层气的常压边界条件和球形颗粒假设, 如美国矿业局提出的USBM方法, 为埋藏深、柱状岩心的页岩气藏含气量的估算带来较大误差. 本文基于扩散理论, 采用时变压力边界条件和柱坐标系求解一维扩散方程获得解析解, 从而提出了新的损失气估算模型, 即变边界分段模型, 该模型能够反演出提钻和解吸两个阶段气体逸散的不同特征. 结果表明: 在提钻阶段, 环境压力不断降低, 岩心内外压差增大, 气体逸散速率加快, 从而是下凸函数; 在解吸阶段, 环境压力恒定, 岩心内压力随气体逸散而下降, 内外压差减小, 气体逸散速率减慢, 因而是上凸函数. 进一步为证明模型的准确性, 基于相似原理在实验室搭建了损失气−解吸气复原实验系统, 采用圆柱状页岩岩心复现提钻过程和解吸过程的气体逸散情况, 得到的实验结果与变边界分段模型吻合, 而已有的USBM方法不能进行准确预测, 验证了本文提出的变边界分段模型正确性. 根据川南地区Y151井现场测试数据, 采用变边界分段模型进行拟合预测, 所得结果良好, 验证了变边界分段模型的适用性.
2021, 53(8): 2168-2178. doi: 10.6052/0459-1879-21-187
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页岩有机质纳米孔隙气体吸附与流动规律研究
宋文辉, 姚军, 张凯
页岩储层孔隙结构复杂, 气体赋存方式多样. 有机质孔隙形状对受限空间气体吸附和流动规律的影响尚不明确, 导致难以准确认识页岩气藏气体渗流机理. 为解决该问题, 本文首先采用巨正则蒙特卡洛方法模拟气体在不同形状有机质孔隙(圆形孔隙、狭长孔隙、三角形孔隙、方形孔隙)内吸附过程, 发现不同形状孔隙内吸附规律符合朗格缪尔单层吸附规律, 分析了绝对吸附量、过剩吸附浓量、气体吸附参数随孔隙尺寸、压力的变化, 研究了孔隙形状对气体吸附的影响. 在明确不同形状有机质孔隙内气体热力学吸附规律基础上, 建立不同形状有机质孔隙内吸附气表面扩散数学模型和考虑滑脱效应的自由气流动数学模型, 结合分子吸附模拟结果研究了不同孔隙形状、孔隙尺寸有机质孔隙内吸附气流动与自由气流动对气体渗透率的贡献. 结果表明, 狭长孔隙内最大吸附浓度和朗格缪尔压力最高, 吸附气表面扩散能力最弱. 孔隙半径5 nm以上时, 吸附气表面扩散对气体渗透率影响可忽略. 本文研究揭示了页岩气藏实际生产过程中有机质孔隙形状对页岩气吸附和流动能力的影响机制.
2021, 53(8): 2179-2192. doi: 10.6052/0459-1879-21-224
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煤系页岩瓦斯吸附−解吸迟滞效应核磁共振谱实验研究
唐巨鹏, 田虎楠, 潘一山
煤系页岩瓦斯主要以吸附态和游离态形式存在, 其解吸过程相对吸附过程具有普遍滞后现象, 因此从微细观角度定量研究其吸附−附解吸迟滞规律对页岩气井后期稳产增产具有重要意义. 在前人研究基础上结合核磁共振谱理论推导出能够准确表征煤系页岩瓦斯吸附−解吸迟滞效应微细观评价模型, 并采用核磁共振谱测试技术, 以双鸭山盆地东保卫煤矿三采区36# 煤层底板煤系页岩为研究对象, 进行煤系页岩瓦斯吸附−解吸迟滞效应核磁共振谱实验, 模拟不同储层原位应力状态煤系页岩瓦斯迟滞效应发生全过程, 进一步对吸附态瓦斯、游离态瓦斯以及微细观方法测定的宏观瓦斯迟滞规律进行定量化研究, 并对其发生机理以及其对深部煤系页岩瓦斯开采影响进行了初步探究. 结果表明: 应力状态下吸附态和游离瓦斯均有滞后效应; 瓦斯宏观迟滞系数与平均有效应力呈幂函数关系, 而瓦斯宏观迟滞效应中由吸附态或游离态瓦斯引起的迟滞系数与平均有效应力关系均可采用二次多项式拟合; 孔裂隙应力损伤和微孔隙瓦斯扩散受限耦合或许是煤系页岩瓦斯吸附−解吸迟滞效应产生根本原因之一.
2021, 53(8): 2193-2204. doi: 10.6052/0459-1879-21-264
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基于核磁共振技术的非均质岩心中泡沫动态稳定性评价方法及应用
李原, 狄勤丰, 王文昌, 华帅
基于有效孔隙体积守恒和核磁共振技术建立了泡沫在岩心中的动态稳定性的评价方法. 利用油、水标定方法测量了岩心中油相和泡沫液的体积, 计算了泡沫在岩心驱替过程中的动态稳定因子. 测试了双层非均质岩心的横向弛豫谱线及核磁共振图像, 比较了纳米颗粒强化泡沫和表面活性剂泡沫的驱油效果和动态稳定因子. 结果表明, 岩心中的含水体积在注入2.0 PV泡沫前快速上升随后基本稳定; 而含气体积逐渐上升, 注入5.0 PV泡沫后上升速率变小. 泡沫的动态稳定因子经历了骤减、递增和平稳3个阶段. 泡沫前期的驱油效果主要依赖于水相, 随着含水体积基本稳定, 岩心的产油速率和泡沫动态稳定因子的增长速率具有明显正相关关系, 即中后期取决于泡沫气体对剩余油的驱替能力. 与表面活性剂泡沫相比, 纳米颗粒强化泡沫提高了低渗层的波及能力和驱油效率, 抑制了泡沫发展的不稳定阶段并且提高了动态稳定因子最终的平衡值. 该稳定性评价方法可用于反映泡沫渗流特点并筛选适合储层特征的稳定泡沫体系.
2021, 53(8): 2205-2213. doi: 10.6052/0459-1879-21-278
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电磁场−渗流场耦合作用下离子液体多孔介质流动模型
贾虎, 张瑞, 黎棚武
离子液体是一类可调控、多功能的绿色环保材料, 具有良好的电磁场响应, 有望应用于调控水驱油路径. 在分析离子液体在毛细管中电磁场响应机理的基础上, 建立了电磁场−渗流场耦合作用下离子液体多孔介质流动模型. 通过理论推导与数值分析发现: 电磁场−渗流场耦合作用下毛细管流量大小主要由离子液体电导率与黏度的比值(内因)、电磁场强度与压力梯度(外因)两方面决定; 电磁场产生的洛伦兹力对离子液体施加一个电磁驱动压强, 形成一个类似压力梯度的电磁驱动等效压力梯度, 从而改变离子液体的流量, 当电磁场强度为2.0 × 104 V/m·T时, 电磁场在电导率为0.5 S/m的离子液体上可形成10 kPa/m电磁驱动等效压力梯度. 通过调整电磁场方向即可控制离子液体在多孔介质中的流动方向, 解决常规注水利用压力差难以控制流动路径的难题, 为离子液体智能驱油提供理论依据, 且电磁场产生的热效应会影响离子液体的流动能力及潜在驱油效率.
2021, 53(8): 2214-2224. doi: 10.6052/0459-1879-21-156
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考虑热流固耦合作用的多孔介质孔隙尺度两相流动模拟
蔡少斌, 杨永飞, 刘杰
为了研究深层油气资源在岩石多孔介质内的运移过程, 使用一种基于Darcy-Brinkman-Biot的流固耦合数值方法, 结合传热模型, 完成了Duhamel-Neumann热弹性应力的计算, 实现了在孔隙模拟多孔介质内的考虑热流固耦合作用的两相流动过程. 模型通过求解Navier-Stokes方程完成对孔隙空间内多相流体的计算, 通过求解Darcy方程完成流体在岩石固体颗粒内的计算, 二者通过以动能方式耦合的形式, 计算出岩石固体颗粒质点的位移, 从而实现了流固耦合计算. 在此基础上, 加入传热模型考虑温度场对两相渗流过程的影响. 温度场通过以产生热弹性应力的形式作用于岩石固体颗粒, 总体上实现热流固耦合过程. 基于数值模型, 模拟油水两相流体在二维多孔介质模型内受热流固耦合作用的流动过程. 研究结果表明: 热应力与流固耦合作用产生的应力方向相反, 使得总应力比单独考虑流固耦合作用下的应力小; 温度的增加使得模型孔隙度增加, 但当注入温差达到150 K后, 孔隙度不再有明显增加; 温度的增加使得水相的相对渗流能力增加, 等渗点左移.
2021, 53(8): 2225-2234. doi: 10.6052/0459-1879-21-294
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可压缩两相流固耦合模型的间断Galerkin有限元方法
马天然, 沈伟军, 刘卫群, XuHao
认识多孔介质内多相流动和固体变形耦合特征是地下资源开发利用的关键问题. 针对这一问题, 首先建立了考虑毛细压力和重力作用的可压缩两相渗流与孔隙介质变形耦合方程. 在此基础上, 推导了流体方程的非对称内罚Galerkin弱形式和固体变形方程的非完全内罚Galerkin弱形式. 其次, 通过对比一维Terzaghi固结问题的理论解和数值解, 验证了间断Galerkin方法在计算流固耦合问题方面的可行性和准确性. 然后, 针对性开展了二维平面算例和考虑重力效应作用的三维算例, 分析了加罚因子$ {\delta }_{\rm{s}} $和$ {\delta }_{\rm{f}} $对数值结果的影响. 结果表明, 随着气体的持续注入, 气体饱和度和孔压增加, 有效应力降低, 继而引发多孔介质膨胀变形; 气体在重力影响下上浮聚集于顶部边界; $ {\delta }_{\rm{s}} $和$ {\delta }_{\rm{f}} $的降低会导致流体和力学信息在局部出现不同程度的波动, 提高加罚因子可以有效抑制有限元函数在跨越单元时的不连续性.
2021, 53(8): 2235-2245. doi: 10.6052/0459-1879-21-177
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三维压裂缝网不稳定压力半解析求解方法
王志凯, 程林松, 曹仁义, 王进, 贾品, 王选茹
受地应力及压裂工艺影响, 大斜度井水力压裂缝网展布复杂, 缝网中存在不同倾斜方向、不同展布形态及不同贯穿程度的压裂缝. 本文通过将裂缝面离散为若干矩形微元实现裂缝形态有效表征, 将渗流过程划分为基质向裂缝流动及裂缝向井筒流动两阶段, 采用有限差分方法构建离散裂缝面内不稳定渗流数值解, 结合封闭边界面源函数及叠加原理构建基质内不稳定渗流解析解, 耦合裂缝内流动数值解与基质内流动解析解, 求解了三维压裂缝网不稳定压力. 基于积分中值定理提出了点源、特殊线源代替面源求解基质内渗流的求解方法, 分析了该方法的可行性及适用条件, 在保证模型精度的同时提升了计算效率. 研究表明, 在基质内采用点源函数面积分求解面源的方法可准确求解三维压裂缝网井底压力动态但计算效率极低, 基于积分中值定理的点源、特殊线源近似面源求解方法可大大提升计算效率, 且在裂缝微元划分较为精细(微元无因次边长小于0.15)时可取得较高精度, 基于该模型分析了裂缝导流能力、裂缝倾角、裂缝高度及裂缝段间距对压裂大斜度井典型试井曲线的影响.
2021, 53(8): 2246-2256. doi: 10.6052/0459-1879-21-183
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海陆过渡相页岩气藏不稳定渗流数学模型
陈志明, 王佳楠, 廖新维, 曾联波, 赵鹏飞, YuWei
海陆过渡相页岩常与煤层和砂岩呈互层状产出, 储层连续性较差、横向变化快、非均质性强, 水力压裂技术是其获得经济产量的关键手段. 然而, 目前缺乏有效的海陆过渡相页岩气藏不稳定渗流数学模型, 对其渗流特征分析及储层参数评价不利. 针对这一问题, 首先建立海陆过渡相页岩气藏压裂直井渗流数学模型, 其次采用径向复合模型来反映强非均质性, 采用Langmuir等温吸附方程来描述气体的解吸和吸附, 分别采用双重孔隙模型和边界元模型模拟天然裂缝和水力裂缝, 建立并求解径向非均质的页岩气藏压裂直井不稳定渗流数学模型, 分析海陆过渡相页岩气藏不稳定渗流特征, 并进行数值模拟验证和模型分析应用. 分析结果表明, 海陆过渡相页岩气藏不稳定渗流特征包括流动早期阶段、双线性流、线性流、内区径向流、页岩气解吸、内外过渡段、外区径向流及边界控制阶段. 将本模型应用在海陆过渡相页岩气试井过程中, 实际资料拟合效果较好, 其研究成果可为同类页岩气藏的压裂评价提供一些理论支撑, 具有较好应用前景.
2021, 53(8): 2257-2266. doi: 10.6052/0459-1879-21-271
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流体力学
螺旋桨梢涡不稳定性机理与演化模型研究
王恋舟, 吴铁成, 郭春雨
螺旋桨尾流场的涡流特性是一个基础但又十分复杂的流体力学问题, 它的复杂性源于其蕴含复杂的漩涡系统, 且该漩涡系统会在高速的剪切层流动中不断演化, 其流体动力学行为, 如由稳定态演变为不稳定态的机理以及复杂工况环境中的流动现象, 一直是流体力学领域的难点和备受关注的热点问题. 从工程应用的角度看, 桨后梢涡的演化特性与船舶结构物的宏观特性直接相关, 更好地理解多工况下螺旋桨尾流的动力学特性, 将有助于改善与振动、噪声以及结构问题等相关的推进器性能, 对综合性能优良的下一代螺旋桨的设计和优化有着重要的现实意义. 本文基于延迟分离涡模拟、大涡模拟和无湍流模型模拟方法以及粒子图像测速流场测试分别开展了螺旋桨尾流动力学特性的数值与试验研究, 对螺旋桨尾流不稳定性的触发机理进行了揭示. 基于均匀来流中螺旋桨梢涡的演化机理, 提出了螺旋桨梢涡演化模型. 该模型能够较为准确地模拟螺旋桨梢涡的演化过程, 预测螺旋桨梢涡融合的时间和位置, 对螺旋桨流噪声预报和控制以及性能优良的螺旋桨设计具有重要意义.
2021, 53(8): 2267-2278. doi: 10.6052/0459-1879-21-151
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固体颗粒对沟槽湍流边界层影响的实验研究
严冬, 孙姣, 高天达, 陈丕, 成雨霆, 陈文义
本文采用粒子图像测速技术(particles image velocimetry, PIV)研究固体颗粒对放置在平板湍流边界层中的平壁和沟槽壁面减阻效果的影响. 实验对清水和加入粒径为155 μm聚苯乙烯颗粒的流法向二维速度场信息进行采集, 对不同工况下的平均速度剖面、雷诺应力和湍流度等统计量进行对比, 分析流体在边界层中的行为. 运用空间局部平均结构函数提取了不同工况湍流边界层喷射−扫掠行为的空间拓扑结构并进行比较. 结果发现, 在不同的壁面条件下, 粒子加入后的对数律区中无量纲速度均略大于清水组, 雷诺切应力有所降低, 湍流度有所减弱. 对于不同流场速度下的沟槽而言, 颗粒的加入均降低了壁面附近的阻力, 而颗粒单独作用于光滑壁面的减阻效果并不明显. 加入粒子后的相干结构数目有所增加, 法向脉动速度下降. 沟槽壁面附近的相干结构数目有所增加, 法向脉动速度在自由来流速度较大时有所上升, 在速度较小时有所下降. 这表明不同减阻状况下的沟槽均能将大涡破碎成更多的涡, 并且粒子的加入强化了这种破碎作用.
2021, 53(8): 2279-2288. doi: 10.6052/0459-1879-21-149
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固体力学
闭孔泡沫铝泊松比及三轴压缩变形模式
贾然, 赵桂平
在闭孔泡沫铝的唯象本构模型中, 泊松比是一个非常关键的参数, 为了探究闭孔泡沫铝泊松比变化规律研究结果存在分歧的原因, 认识闭孔泡沫铝泊松比变化规律中特征点的物理意义, 采用数值模拟方法, 建立了闭孔泡沫铝的3D-Voronoi模型及2D-Voronoi模型, 对模型进行侧面位移耦合单轴压缩边界条件下的仿真分析; 基于闭孔泡沫铝本构模型的唯象特性, 对闭孔泡沫铝变形模式的研究同样十分重要, 为明确其三轴压缩下的变形模式, 对闭孔泡沫铝的3D-Voronoi模型进行侧面位移受限轴向压缩边界条件下的仿真分析. 研究结果表明, 常规壳单元接触中的厚度减薄特性是闭孔泡沫铝泊松比变化规律的研究结论存在分歧的原因, 但厚度减薄不影响泡沫铝模型致密前胞孔结构的变形模式; 闭孔泡沫铝泊松比的准确变化规律为“增高−降低−再增高”的“S”型曲线, 并且, 曲线极大值对应闭孔泡沫铝吸能效率的增速下降点; 等比压缩应力状态下, 闭孔泡沫铝存在四种侧面变形模式, 分别为“(短期)压缩变形→膨胀变形”、“压缩变形→膨胀变形→压缩变形→膨胀变形”、“压缩变形→(短期)膨胀变形”及“压缩变形”.
2021, 53(8): 2289-2297. doi: 10.6052/0459-1879-21-173
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隧道开挖影响下地层-基础体系的接触力学响应分析
洪学飞, 张顶立, 方黄城, 房倩, 周墨臻, 侯艳娟, 孙振宇
针对隧道正交下穿既有结构施工力学响应的预测问题, 建立了考虑多体接触作用的隧道施工扰动下地层−基础体系力学响应解析预测方法. 该方法将地层视为均匀各向同性的线弹性体, 通过引入接触理论考虑地层与基础间的接触作用, 并提出“隧道开挖与基础作用换序求解”的新解析思路，确定了最终状态接触压力, 解决了隧道开挖及多体接触耦合作用下接触压力难以确定的问题, 进而依据弹性力学解的叠加性获得目标问题的解析解答. 通过对比该解析解与ABAQUS数值解, 发现两者吻合良好. 基于本方法开展参数分析, 研究了地层参数、隧道埋深、隧道边界径向位移以及外荷载集度对地表竖向附加位移、接触压力和基础内力分布的影响规律. 结果表明: 本方法可准确预测地层−基础体系的接触力学响应, 实现了地层与基础间接触力学行为的量化描述; 地层杨氏模量和泊松比对地层−基础体系力学响应的影响分别侧重于变形和受力, 而隧道埋深和隧道边界径向位移变化对受力变形均有较大影响; 地层位移受隧道开挖扰动与多体接触效应的耦合作用, 且接触影响范围局限在接触区域附近; 隧道开挖使接触压力产生“中间释放、端部集中”的重分布现象, 并由此造成基础内力的大幅增长. 当开挖扰动剧烈时, 甚至产生竖向位移不连续的脱空接触现象. 研究成果对城市浅埋隧道施工影响下地层−基础体系力学响应预测具有重要的理论意义和应用价值.
2021, 53(8): 2298-2311. doi: 10.6052/0459-1879-21-213
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动力学与控制
挠性航天器太阳翼全局模态动力学建模与实验研究
何贵勤, 曹登庆, 陈帅, 黄文虎
现代柔性航天器通常安装有大型太阳翼为其在轨运行提供所需动力. 航天器入轨后太阳翼展开并锁定成为铰链连接多板结构, 此类结构质量轻、跨度大、刚度低的特点使其低频振动和非线性振动问题越来越凸显. 分析和处理此类结构出现的复杂振动问题的关键在于建立系统精确的非线性动力学模型. 为此, 本文提出铰链连接多板结构解析全局模态的提取方法, 获取太阳翼的固有频率和解析函数表征的全局模态. 提出可变刚度的扭转弹簧等效模型, 考虑铰链非线性刚度及摩擦力矩等因素, 通过全局模态离散得到系统的低维高精度非线性动力学模型, 研究了太阳翼在周期激励作用下的非线性特性. 开展太阳翼地面振动实验研究, 采用锤击法获取系统模态, 利用振动台施加正弦扫频激励, 将物理实验结果与理论结果进行对比, 从而验证全局模态动力学建模方法的合理性与准确性. 结果表明, 铰链刚度等结构参数对系统固有特性的影响较大, 铰链的存在会使太阳翼的动态响应出现跳跃等非线性现象. 全局模态动力学建模方法能很好地解决多板结构在非经典边界下解析全局模态求解的困难, 系统全局模态反映的是系统各个部件弹性振动的真实模态, 所建立的动力学模型具有低维高精度的特点, 对于复杂组合结构非线性动力学建模具有重要的参考价值.
2021, 53(8): 2312-2322. doi: 10.6052/0459-1879-21-170
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基于T样条的变网格等几何薄板动力学分析
王悦, 崔雅琦, 於祖庆, 兰朋, 陆念力
具有大位移、大变形的薄板在接触碰撞等工况下, 其局部应变会产生剧烈变化. 为了保证对其进行动力学分析的精度和计算效率, 本文整合计算机辅助设计(CAD)与计算机辅助工程(CAE)系统, 提出了一种基于T样条曲面的变网格柔性系统等几何分析方法. 首先, 建立基于T样条曲面单元的基尔霍夫薄板运动学模型, 并根据非线性格林−拉格朗日应变建立由T样条曲面单元离散的薄板弹性模型. 其次, 通过在T网格中的局部区域插入节点的方式, 达到T样条曲面网格局部更新的目的. 利用T样条混合函数细化算法得到计算新广义变量的转换矩阵, 并结合广义α法创建了变自由度系统动力学方程的求解算法, 形成了系统的T样条单元局部细化算法. 最后, 静力学算例与柔性单摆模型分别验证了T样条薄板弹性模型的正确性, 以及T样条薄板单元在动力学分析上的精度和收敛性. 通过对受冲击柔性薄板的动力学分析表明, 本文所提出T样条单元及局部细化算法可以只在接触碰撞等应变剧烈变化的区域实现局部网格细化, 从而控制系统自由度数, 提高计算效率.
2021, 53(8): 2323-2335. doi: 10.6052/0459-1879-21-199
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生物、工程及交叉力学
循环神经网络在智能天平研究中的应用
聂少军, 王粤, 汪运鹏, 赵敏, 隋婧
激波风洞地面试验对高超声速飞行器高焓气动特性研究至关重要, 而高精度气动力测量是其中的关键技术. 在脉冲型激波风洞中进行测力试验时, 风洞起动时流场瞬间建立, 对测力系统会产生较大的冲击. 测力系统在瞬时冲击作用下受到激励, 系统的惯性振动信号在短时间内无法快速衰减, 天平的输出信号中会包含惯性振动干扰量, 导致脉冲型风洞测力试验精准度的进一步提高遇到瓶颈. 为了解决短试验时间内激波风洞快速准确测力问题, 发展高精度的动态校准技术是提升受惯性干扰天平性能的关键方法. 因此, 本文采用循环神经网络对天平动态校准数据进行训练和智能处理, 旨在消除输出动态信号中的振动干扰信号. 本文对该方法进行了误差分析, 验证了该方法的可靠性, 并将该方法应用于激波风洞测力试验中, 切实有效降低了惯性振动对天平输出信号的干扰影响. 根据智能模型的样本验证分析, 各分量载荷相对误差比较小, 其中高频轴向力分量处理结果的相对误差约1%. 在风洞试验数据验证中, 也得到了比较理想的结果, 同时与卷积神经网络模型处理的结果进行了对比分析.
2021, 53(8): 2336-2344. doi: 10.6052/0459-1879-21-168
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基于多变量小样本的渗流代理模型及产量预测方法
曹冲, 程林松, 张向阳, 贾品, 时俊杰
多孔介质渗流过程中存在的多尺度、多变量、多物理场耦合的非线性渗流问题给复杂渗流机理的表征及数学模型求解提出了巨大的挑战, 综合考虑地下多孔介质耦合渗流过程中关键力学问题的渗流模型往往需要在计算效率和计算精度之间权衡. 近年来, 基于油田多数据的渗流代理模型为高效求解多变量非线性渗流问题提供了思路, 而渗流代理模型在实际油田中的应用往往由于记录不全, 操作不当等因素受到小样本数据的限制. 针对这一问题, 本文提出了一种基于地质−油藏−工艺的多数据小样本渗流代理模型的产量预测方法. 通过填补缺失值, 独热编码分类数据, 数据对数化及标准化等一系列数据预处理方法, 形成了油田产量预测数据库; 经过随机劈分数据集、十折交叉验证, 测试了三种渗流代理模型的预测效果. 结果表明, 三种代理模型的决定系数均超过0.8, 模型预测结果与实际数据较为吻合; 对于小样本多变量的油田数据, 合适的数据预处理方法对模型预测效果影响显著; 经过数据标准化后, 随机森林算法表现最好, 能快速准确预测石油产量(均方误差0.12, 决定系数0.87).
2021, 53(8): 2345-2354. doi: 10.6052/0459-1879-21-155
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