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2023年  第55卷  第1期

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2023 年 1 期目录

力学学报 (月刊) Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics
2023, 55(1): 1-2.
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研究综述
聚脲弹性体力学性能与本构关系研究进展
龚臣成, 陈艳, 戴兰宏
聚脲是一种由异氰酸酯组分和氨基组分反应生成的新型弹性体高聚物. 由于聚脲具有断裂伸长率高、应变率强化、高耗能等一系列优异的力学性能, 其在国防、能源、交通等领域显示出广阔的应用前景. 目前, 国内外学者针对聚脲在不同温度、不同应变率下的静动态力学性能开展了大量研究, 在此基础上提出了多种本构模型, 对温度、应变率等因素相关的力学行为进行了描述和预测. 这些工作为深刻理解聚脲抗冲击机理及材料的进一步应用奠定了基础. 文章首先简要介绍了聚脲弹性体的微相分离结构及特点; 然后从小变形线性黏弹性和大变形非线性黏弹性两个方面概述了关于聚脲力学性能的研究, 包括相应测试技术的发展和聚脲黏弹性影响因素的研究; 进一步从变形梯度乘法分解法、遗传积分法、应变-时间解耦法等不同建模方法出发对已建立的聚脲本构模型进行综述, 并从应变率范围、温度范围、压力相关性、软化行为表征及模型参数数量的角度对比了不同类型模型的区别; 最后针对聚脲力学性能与本构关系下一步研究值得重点关注的问题提出了几点建议.
2023, 55(1): 1-23. doi: 10.6052/0459-1879-22-455
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浅谈流体力学发展——从Batchelor百年诞辰纪念大会谈起
朱伟, 王国华
G.K. Batchelor是20世纪国际流体力学大师, 在均匀湍流理论和低雷诺数微流体力学领域做出了开创性的贡献, 他对流动追求物理和定量性理解的思想影响了近百年流体力学的发展, 是流体力学顶级期刊Journal of Fluid Mechanics的创刊人, 也是剑桥大学应用数学与理论物理系(DAMTP)的创建者, 培养并影响了一大批在流体动力学理论、实验流体力学、湍流及稳定性、环境流体力学、多相流体力学、磁流体力学、微纳米尺度流体动力学等诸多领域建树卓越的学者. 本文以G.K. Batchelor诞辰100周年纪念活动为契机, 简要回顾了流体力学近300年的发展历程. 概述了流体力学发展历经的以数学和物理为基础建立理论框架的经典流体力学、以应用需求为导向促使自身跨越发展的近代流体力学和以学科融合为特点外延丰富的现代流体力学三个重要阶段; 以师承关系、代表性学者及其主要学术贡献为线索, 总结了现代流体力学四大学派的形成及其近百年的传承沿革; 以历史和发展的视角浅谈当代流体力学发展的动力和趋势, 并以风沙环境力学为例, 简述流体力学为分支学科发展提供的支撑和引领作用, 分支学科的需求为流体力学内生发展提供驱动力的螺旋生长关系; 最后是对未来流体力学发展进步和创新的展望.
2023, 55(1): 24-37. doi: 10.6052/0459-1879-22-531
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流体力学
基于深度神经网络的横流转捩预测
胡震宇, 王子路, 陈坚强, 袁先旭, 向星皓
基于深度神经网络DNN构建了从层流流场无量纲速度梯度、流向涡强度等物理量到横流转捩模态下间歇因子间的映射关系, 获得一种新的数据驱动转捩模型. 通过将数据驱动转捩模型与SST k-ω湍流模型耦合, 有效简化了转捩模型输运方程求解, 实现高效、准确的亚音速三维边界层横流转捩流场计算. DNN训练数据来自变雷诺数的NLF(2)-0415无限展长后掠翼计算结果, 并以两种工况进行测试, 数据驱动转捩模型预测精度与γ-Reθ转捩模型近似. 将数据驱动转捩模型用于其他典型横流转捩算例的计算, 以验证其泛化能力. 对于变后掠角的NLF(2)-0415后掠翼, 数据驱动转捩模型与γ-Reθt-CF模型预测的转捩位置几乎一致, 并且能够预测出后掠角从45°增长到65°的过程中, 转捩位置先向前再向后移动的现象; 对于标准椭球体, 使用低分辨率网格进行计算, 数据驱动转捩模型依然能够实现转捩位置预测, 对椭球体表面Cf的计算结果与多个平台的横流转捩模型、实验结果基本一致. 研究表明, 以横流转捩相关物理量作为输入对DNN进行训练, 并将获得的数据驱动转捩模型与SST k-ω湍流模型耦合, 可以实现对横流转捩的有效预测, 且具有较强的泛化能力. 数据驱动转捩模型对网格分辨率要求更低, 在保证计算精度的前提下, 具有较高的计算效率.
2023, 55(1): 38-51. doi: 10.6052/0459-1879-22-448
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双振子同异步振动主动控制湍流边界层减阻实验研究
白建侠, 赵凯芳, 程肖岐, 姜楠
本文以镶嵌在平板上沿展向对放的两个压电陶瓷振子为主动控制激励器, 自主设计了零质量射流主动控制湍流边界层减阻实验方案. 在风洞中开展了双压电振子同步和异步振动主动控制湍流边界层减阻的实验研究, 实现了压电振子的周期扰动对湍流边界层多尺度相干结构的干扰和调制, 施加控制后减小了壁面摩擦阻力, 获得减阻效果. 当异步控制100 V, 160 Hz工况时得到最大减阻率为18.54%. 小波多尺度分析结果表明, 施加控制工况中PZT振子的周期性扰动使得小尺度结构的湍流脉动强度增强, 改变了近壁区大尺度和小尺度结构的含能分布, 且异步控制工况比同步控制工况的减阻效果好. 当双振子振动频率为160 Hz时, 流向脉动速度的小波系数PDF曲线呈现出波动特征, 尾部变宽显著, 近壁湍流脉动更加有序和规则, 湍流间歇性减弱. 对小尺度脉动进行条件相位平均的结果表明, 施加PZT周期扰动后使得大尺度结构破碎成为小尺度结构, 小尺度脉动强度增强, 实现减阻.随着流向位置离PZT振子越来越远, 周期性扰动对相干结构的调制作用逐渐减弱.
2023, 55(1): 52-61. doi: 10.6052/0459-1879-22-248
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垂向双蝠鲼变攻角滑翔水动力性能研究
高鹏骋, 刘冠杉, 黄桥高, 潘光, 马云龙
为了探究垂向间距和攻角对双蝠鲼在沿垂向分布集群滑翔时的水动力性能影响, 根据蝠鲼的实际外形建立了蝠鲼计算模型, 设置了4种间距排布即0.25, 0.5, 0.75, 1倍体厚排布以及9种攻角状态即−8°~8°, 随后借助Fluent软件进行了双蝠鲼变攻角、变垂向间距的集群滑翔数值模拟, 结合流场压力云图以及速度云图对集群系统平均升/阻力以及集群中各单体的升/阻力进行了分析. 数值计算结果表明: 双蝠鲼沿垂向分布在攻角范围为−8°~8°进行集群滑翔时系统平均阻力均高于单体滑翔时所受阻力. 单体在集群滑翔过程中获得减阻收益, 当双蝠鲼以负攻角集群滑翔时, 下方蝠鲼阻力减小, 且垂向间距越小, 减阻效果越明显; 当以正攻角集群滑翔时, 上方蝠鲼获得减阻收益. 当双蝠鲼以负攻角滑翔时, 系统平均升力大于单体滑翔时所受升力; 当双蝠鲼以负攻角滑翔时, 系统平均升力小于单体滑翔时所受升力, 系统平均升力几乎不受垂向间距影响. 下方蝠鲼升力始终大于上方蝠鲼升力, 但随着垂向间距的增大, 升力差距逐渐减小.
2023, 55(1): 62-69. doi: 10.6052/0459-1879-22-353
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涡波一体乘波飞行器宽速域气动优化设计研究
刘超宇, 屈峰, 李杰奇, 白俊强, 刘传振, 白鹏, 钱战森
涡波一体宽速域乘波飞行器通过在低速引入涡效应, 显著改善了传统乘波体在低速状态下的升阻特性, 具有在未来宽速域空天飞行器总体气动设计当中得到广泛应用的巨大潜力. 但是, 该设计方法的研究尚不完善, 特别是在基准流场建立过程中忽略了三维效应、低速效应、黏性效应以及头部/前缘的钝化效应, 因此其高低速气动特性均有优化设计的空间. 针对此问题, 本文结合高保真RANS求解器、自由变形参数化方法、鲁棒的结构网格变形方法、离散伴随方法以及序列二次规划算法, 发展了基于离散伴随的宽速域飞行器气动优化设计方法. 基于上述方法, 针对涡波一体乘波飞行器开展了兼顾低速与高超声速气动性能的三维整机气动优化设计研究, 获得了宽速域优化构型并对其进行了流动机理分析. 结果表明, 相较于初始构型, 宽速域优化构型可以将飞行器高超声速状态下升阻特性略微提升的同时, 显著增强低速状态飞行器背风面的旋涡效应, 进而使飞行器低速状态的升力和升阻比均提升10%以上, 改善了涡波一体宽速域乘波飞行器的高低速气动性能.
2023, 55(1): 70-83. doi: 10.6052/0459-1879-22-412
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基于虚拟区域法的黏弹性流体中微生物游动的数值模拟和应用
彭方远, 潘定一, 陈杏藩, 林昭武
微生物是自然生态系统的重要组成部分, 掌握微生物在复杂流体中的运动特性可以为微型器件的设计制造提供理论指导. 壁面效应是微生物游动研究中的重要问题之一, 已有研究表明微生物在壁面附近存在复杂的行为特征. 然而已有研究大多集中于微生物在牛顿流体中的游动模拟, 仅有少数涉及黏弹性流体等非牛顿流体. 本文采用直接力虚拟区域法与乔列斯基分解相结合的数值方法, 引入Squirmer微生物游动模型, 研究了微生物在黏弹性流体中的游动问题. 首先给出求解黏弹性流体本构方程的数值格式; 并将该方法应用于研究微生物游动中的壁面效应. 研究结果表明, 游动方向是影响微生物颗粒壁面效应的重要因素. 流体弹性应力会对微生物产生一个反向转矩, 影响微生物的游动方向, 从而阻碍微生物逃离壁面. 微生物颗粒在黏弹性流体中与壁面作用时间较长, 几乎达到牛顿流体的两倍以上.
2023, 55(1): 84-94. doi: 10.6052/0459-1879-22-372
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固体力学
平面幂律塑性I型裂纹尖端应力场全解
王志强, 蔡力勋, 黄茂波
在航空航天、船舶、石油管道和核电等领域, 服役结构或部件在长期极端条件下运行, 不可避免地会产生裂纹, 因此, 为研究含裂纹结构的准静态断裂行为, 必须了解裂纹尖端附近区域的应力应变场特点. 对于幂律材料裂纹构元, 研究平面应变和平面应力条件下I型裂纹尖端应力场的解析分布. 基于能量密度等效和量纲分析, 推导了能量密度中值点代表性体积单元 (representative volume element, RVE)的等效应力解析方程, 并定义其为应力因子, 进而针对有限平面应变和平面应力紧凑拉伸(compact tension, CT)试样和单边裂纹弯曲(single edge bend, SEB)试样, 以应力因子作为应力特征量, 并构造用于表征裂尖等效应力等值线的蝶翅轮廓式和扇贝轮廓式三角特殊函数, 提出描述幂律塑性条件下平面I型裂纹尖端应力场的半解析模型. 该半解析模型形式简单, 对CT和SEB试样的裂尖应力场的预测结果与有限元分析的结果比较表明, 两者之间均密切吻合, 模型公式可直接用于预测I型裂纹尖端应力分布, 方便于断裂安全评价和理论发展.
2023, 55(1): 95-112. doi: 10.6052/0459-1879-22-360
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斜波压缩下锡的相变和层裂行为
种涛, 莫建军, 傅华, 李涛, 罗斌强
获取不同热力学路径下锡的动态响应实验数据, 是深入研究其相变和损伤物理过程的基础. 利用小型磁驱装置CQ-4完成了金属锡的斜波加载实验, 获取了锡含有相变和层裂损伤物理信息的实验数据. 实验结果显示, 在加载段锡依次经历了弹塑性转变和β-γ相变两种物理过程, 屈服强度约0.194 GPa, 相变压力随着锡厚度的增加从7.54 GPa减小到7.14 GPa. 在卸载段出现了明显的层裂损伤, 层裂强度约1.1 GPa, 与相同加载压力下冲击实验结果有巨大差异, 层裂片厚度约0.38 mm. 结合由锡的多相Helmholtz自由能计算的多相状态方程、Hayes相变动力学方程和损伤度理论, 对斜波压缩实验过程进行一维流体动力学数值模拟, 计算结果可以很好描述锡的弹塑性转变、相变和层裂三个物理过程.
2023, 55(1): 113-119. doi: 10.6052/0459-1879-22-516
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含冷却孔镍基合金次级取向效应的应变梯度晶体塑性有限元研究
熊宇凯, 赵建锋, 饶威, 黄志勇, 康国政, 张旭
单晶镍基合金具有优异的耐高温、高强、高韧等性能, 这些力学性能受制造过程引入的次级取向和冷却孔的影响. 已有研究大多关注单孔薄板的变形机理和力学性能, 而工程中应用的往往是多孔薄板, 当前亟需阐明多孔的塑性滑移带变形机理、次级取向效应以及冷却孔引起的应变梯度效应. 文章采用基于位错机制的非局部晶体塑性本构模型对含冷却孔镍基单晶薄板的单拉变形进行了数值模拟. 此模型基于塑性滑移梯度与几何必需位错的关系引入了位错流动项, 因此可有效刻画非均匀变形过程中的应变梯度效应. 为了全面揭示含孔镍基薄板的次级取向效应, 系统研究了[100]和[110]取向(两种次级取向)下镍基薄板的单拉变形行为, 并重点探究了在两种次级取向下冷却孔数量对薄板塑性行为的影响. 此外, 还分析了镍基合金板变形过程中各个滑移系上分切应力变化、主导滑移系开动以及几何必需位错密度的演化过程, 并讨论了塑性滑移量及其分布特征对不同次级取向镍基合金板强度的影响. 研究表明, 单孔和多孔的[110]薄板抗拉强度均低于[100]薄板, 多孔薄板的塑性变形过程比单孔薄板更为复杂且受次级取向影响更大, 并且发生滑移梯度位置主要位于冷却孔附近以及塑性滑移带区域. 研究结果可为工程中镍基合金的设计和服役提供理论指导.
2023, 55(1): 120-133. doi: 10.6052/0459-1879-22-497
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近场动力学系统中波传播特性的探究
朱竞高, 任晓丹
近场动力学是一类基于非局部思想的新固体力学方法, 其采用积分形式的控制方程, 自然地适用于极端载荷下材料破碎和裂纹发展的模拟, 被广泛用于国防安全等领域的研究. 但是, 非局部性会引入色散效应, 对波的传播产生不利影响, 制约其对断裂等固体行为的捕捉能力. 为此, 采用谱分析方法, 对近场动力学系统的色散行为进行了全面的研究. 发现相比于低频成分, 高频成分的色散关系呈现出振荡趋势和零能模式, 色散问题更为严重. 高频域的色散行为还随波的传播方向发生改变, 呈现出沿45°的对称性. 而近场动力学系统本身缺乏数值耗散, 无法抑制色散问题带来的不利影响. 因此, 从引入数值耗散的角度出发, 在合理保留传统近场动力学理论框架的基础上, 建立了黏性引入的控制方程. 并考虑固体中常见的体积变形和对高频成分的选择性抑制, 构造了相应的黏性力态. 最后, 在数值研究中模拟了极端载荷下激波的产生, 以探究波的间断性对色散行为的影响. 发现间断性强的波表现出更为显著的色散行为, 呈现出Gibbs不稳定性. 这些均能有效地被黏性力态所抑制, 验证了所提方法的正确性. 这为在近场动力学系统中实现对波传播过程的正确捕捉, 获得正确的固体行为提供了重要参考, 从而为国防安全领域研究提供了技术支撑和借鉴.
2023, 55(1): 134-147. doi: 10.6052/0459-1879-22-342
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弯曲波宽频分波超栅拓扑优化设计和表征
李林, 张雪彬, 刘涛, 章俊
超表面/超栅的出现, 使得波前调控变得越来越方便和灵活. 然而大多数现有超表面/超栅均基于经验设计, 其波前调控性能往往没有达到最佳, 并且工作频率带宽窄, 严重制约着它们在实际工程中的应用. 同时, 研究人员发现当入射角大于某一临界角时, 用来设计各种超表面的广义斯涅耳定理将失效. 为了解决上述问题, 本文基于高阶衍射定理, 提出了一种利用遗传算法的宽频分波超栅拓扑优化设计方法. 基于上述优化设计方法, 针对薄板中弯曲波, 具体设计了的三种宽频分波超栅, 其胞元由两个相位差为${\text{π} }$的子功能单元组成. 首先, 利用有限元方法对这三种超栅性能进行了数值表征; 然后, 利用3D打印技术加工试件开展了实验验证; 最后, 与其他两种方法设计的同类超栅进行了比较. 结果表明本文所设计的弯曲波宽频分波超栅在设定的宽频范围内功能稳定, 达到宽频分波效果. 虽然本文仅考虑了弯曲波, 但设计思路同样适用于其他形式的弹性波. 研究结果将为其他宽频超栅设计提供一种可能有效途径.
2023, 55(1): 148-158. doi: 10.6052/0459-1879-22-373
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考虑水化学损伤的岩石真三轴蠕变本构模型
陈有亮, 陈奇键, 肖鹏, 杜曦, 王苏然
为了准确描述岩石在酸性环境下真三轴蠕变行为的各阶段特征, 基于水岩作用的化学动力学理论, 定义了考虑PH值与时间的化学损伤因子, 将弹性体, 非线性Kelvin体, 线性Kelvin体和黏弹塑性体进行串联, 并考虑岩石在真三轴应力作用下的实际情况, 建立岩石酸腐与真三轴应力耦合作用下的损伤蠕变本构模型, 通过已有的蠕变试验数据对该模型进行参数辨识与验证, 并通过数据拟合得到岩石在真三轴应力下的屈服面方程, 探讨中间主应力对蠕变模型的影响. 结果表明, 推导的本构模型能很好地描述岩石在酸腐作用下真三轴蠕变行为的各阶段特性, 验证了其合理性与准确性.
2023, 55(1): 159-168. doi: 10.6052/0459-1879-22-329
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动力学与控制
面向微振信号的驻极体减振俘能装置设计与建模
刘国平, 杨朝舒, 何忠波, 周景涛, 孙民政
随着航天工程的飞速发展以及先进制造业对加工精度要求的持续提高, 对低频微振信号的控制与利用越发受到关注. 本文采用驻极体材料, 参考动力减振器理论, 开发了一种面向低频微振环境的减振俘能一体化装置, 建立了驻极体减振俘能装置的机电耦合模型. 为兼顾减振和俘能的双重要求, 本文分析和等效了静电力对系统动力学特性的影响, 并进行了参数的评估, 提出了适用于驻极体减振俘能的优化方法. 建立了AMEsim和Simulink的联合仿真环境, 对模型和结果进行了仿真验真. 建模和仿真的结果表明, 本文建立的驻极体减振俘能装置的机电耦合模型可以准确描述装置的运动过程, 建模与仿真的误差在5%以内. 驻极体减振俘能装置对参数变化十分敏感, 且副结构刚度、初始间距等对减振俘能性能的影响都明显强于副结构阻尼. 经过优化, 本文设计的驻极体减振俘能装置, 能够兼顾减振和俘能需求, 可以实现接近于理想动力减振器的减振效果, 也可以在牺牲15%减振效果前提下, 获得1700 V输出电压和3.1 mW俘能功率. 本文建立的机电耦合模型和动态静电力解析模型, 有助于理解驻极体减振俘能机构的工作原理, 揭示了非线性静电力的变化过程和作用机理.
2023, 55(1): 169-181. doi: 10.6052/0459-1879-22-444
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双通道旋转输流管临界流速和振动模态分析
张博, 郑昊楷, 孙东生, 丁虎, 陈立群
旋转叶片是航空发动机重要零件之一, 服役条件十分恶劣, 常常因振动过量导致其失效. 为了合理设计含冷却通道的叶片, 保证其可靠性与安全性, 需对含冷却通道的叶片的振动特性进行研究. 基于Euler-Bernoulli梁理论, 将叶片简化为含两通道的悬臂旋转输流管, 考虑了通道轴线偏移量对流体动能的影响, 采用Lagrange原理结合假设模态法建立包含双陀螺效应的运动控制方程, 采用降阶扩维的方法求解系统特征值. 研究两通道模型的流速比、转速和长细比等对前3阶特征根曲线影响. 将文章模型退化为简支单通道输流管, 与文献报道结果进行对比, 部分验证建模方法的正确性. 研究发现: 在相同的管道截面积下, 两通道模型的临界流速值大于单通道模型的; 旋转运动引入的陀螺效应会使得第2, 3阶特征根轨迹发生绕圈现象, 并多次穿越虚轴; 随着长细比的增大, 系统会表现出类似非旋转的悬臂输流管的动力学行为; 系统的横向位移模态响应呈现出行波特性, 且在不同参数组合下, 阻尼因子对前3阶模态产生不同的增强或减弱作用.
2023, 55(1): 182-191. doi: 10.6052/0459-1879-22-456
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不同类型水平弹簧组合刚度非线性吸振器的性能分析及稳定性研究
陈依林, 杜敬涛, 崔海健, 赵雨皓, 刘杨
动力吸振器作为一种振动控制单元被广泛运用于各种工程场合, 但传统的线性吸振器只能实现窄带振动控制. 文章在线性吸振器的基础上引入对称水平弹簧构建线性刚度与非线性刚度相结合的组合刚度非线性吸振器, 以提升吸振器的吸振性能. 考虑实际工程中可能的安装方式, 分别建立水平弹簧接地安装和不接地安装的组合刚度非线性吸振器模型, 利用谐波平衡法结合弧长延拓法解析求解动力学响应, 并与数值结果相互验证, 证明了求解结果的准确性. 随后分析比较两种组合刚度非线性吸振器与线性吸振器以及非线性能量阱之间的吸振性能, 发现水平弹簧接地安装类型的组合刚度非线性吸振器在保留线性吸振器优势的同时又改善其吸振频带窄的缺点, 且与非线性能量阱相比在主共振频率附近的较宽频内吸振性能更优. 在此基础上, 讨论了水平弹簧参数以及吸振器阻尼对主结构振动幅频响应和稳定性的影响, 最后观察分析主结构幅频响应曲线不稳定区内的复杂动力学行为. 研究结果表明合适的设计参数能够使得主结构振动峰值较低的同时, 频响曲线不稳定运动区域的范围也较小.
2023, 55(1): 192-202. doi: 10.6052/0459-1879-22-413
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齿轮传动系统共存吸引子的不连续分岔
金花, 吕小红, 张子豪, 王昕
大量的多吸引子共存是引起齿轮传动系统具有丰富动力学行为的一个重要因素. 多吸引子共存时, 运动工况的变化以及不可避免的扰动都可能导致齿轮传动系统在不同运动行为之间跳跃变换, 对整个机器产生不良的影响. 目前, 一些隐藏的吸引子没有被发现, 共存吸引子的分岔演化规律没有被完全揭示. 考虑单自由度直齿圆柱齿轮传动系统, 构建由局部映射复合的Poincaré映射, 给出Jacobi矩阵特征值计算的半解析法. 应用数值仿真、延拓打靶法和Floquet特征乘子求解共存吸引子的稳定性与分岔, 应用胞映射法计算共存吸引子的吸引域, 讨论啮合频率、阻尼比和时变激励幅值对系统动力学的影响, 揭示齿轮传动系统倍周期型擦边分岔、亚临界倍周期分岔诱导的鞍结分岔和边界激变等不连续分岔行为. 倍周期分岔诱导的鞍结分岔引起相邻周期吸引子相互转迁的跳跃与迟滞, 使倍周期分岔呈现亚临界特性. 鞍结分岔是共存周期吸引子出现或消失的主要原因. 边界激变引起混沌吸引子及其吸引域突然消失, 对应周期吸引子的分岔终止.
2023, 55(1): 203-212. doi: 10.6052/0459-1879-22-424
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基于可拓决策法的车辆自适应避撞控制方法研究
陈翔, 程硕, 赵万忠, 王春燕, 蒋睿
车辆的避撞控制可以有效避免或缓解车辆的碰撞事故, 是自动驾驶汽车的关键控制技术之一. 各种交通条件、不确定的道路附着系数以及复杂的液压制动执行系统都会降低避撞控制的有效性. 因此, 本文提出了一种基于可拓决策法的自适应避撞控制, 该控制方法对路面附着系数具有自适应性, 并能够精确控制制动系统的制动液压力. 首先, 设计了滑模观测器来估计轮胎纵向力, 并基于观测得到的轮胎纵向力, 进一步提出带遗忘因子的递推最小二乘法估计道路附着系数. 其次, 基于递推最小二乘法的估计值, 提出了基于路面附着系数自适应调节的自适应避撞控制方法, 该方法基于可拓决策法的先决判定决定当前时刻应采用何种避撞控制策略, 即采用可拓决策方法判断进行点刹预警制动、全制动或者不制动. 再次, 通过对执行系统-电控液压制动系统进行精确的液压控制, 实现主动减速控制效果. 最后, 采用软件联合仿真手段对上述方法进行了验证, 结果表明所提出的算法在避撞行驶工况中具有良好的避撞效果.
2023, 55(1): 213-222. doi: 10.6052/0459-1879-22-347
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生物、工程及交叉力学
基于自适应多可信度多项式混沌-Kriging模型的高效气动优化方法
赵欢
多可信度代理模型已经成为提高基于代理模型的优化算法效率和可信度水平最有效的手段之一. 然而目前流行的co-Kriging和分层Kriging (HK)等多可信度代理模型泛化能力不足, 缺乏对高阶/高非线性建模问题的适应性, 难以广泛应用. 文章基于发展的自适应多可信度多项式混沌-Kriging (MF-PCK)代理模型, 在提高建模效率和对高阶/高非线性问题近似准确率的同时, 建立了基于该自适应MF-PCK模型的高效全局气动优化方法. 在发展的方法中, 提出了基于MF-PCK模型的新型变可信度期望改进加点方法, 使代理优化算法效率进一步提高. 为了验证发展方法的全面表现, 将其应用在经典的数值函数算例以及多个跨音速气动外形的确定性优化和稳健优化设计中, 并与基于Kriging和HK模型的代理优化算法进行了全面比较. 结果表明, 发展的新型多可信度全局气动优化方法其优化效率相对于基于Kriging和HK模型的优化效率显著提高, 结果更好也更加可靠, 并且稳健优化设计效率和结果也更符合工程应用需求, 证明了其相对于基于Kriging和HK模型的代理优化算法的显著优势.
2023, 55(1): 223-238. doi: 10.6052/0459-1879-22-391
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7阶WENO-S格式的计算效率研究
武从海, 李虎, 刘旭亮, 罗勇, 张树海
WENO-S格式是一类适合于含间断问题数值模拟的加权本质无振荡格式. 这类格式的光滑因子满足对单频波为常数, 这使得其近似色散关系与线性基底格式一致, 并且具有良好的小尺度波动模拟能力．计算效率是数值方法性能指标的一个重要方面. 由于WENO-S格式的光滑因子在各子模板上的计算公式除下标不同外形式一致, 在计算线性对流方程相邻数值通量时, 部分光滑因子完全相同．为此提出一种消除WENO-S格式冗余光滑因子计算的方法. 该方法要求一条网格线上用于重构或插值的量可以表示为一个序列. 基于此要求分析其对于几种不同物理问题的可行性和使用方法. 以7阶WENO-S格式为例介绍了格式性质和去除冗余光滑因子计算的方法. 该方法中预先计算和存储一条网格线上的所有光滑因子, 在网格点较多的情况下, 光滑因子计算次数约为原7阶WENO-S格式的1/4. 对一维对流问题、球面波传播问题、二维旋转问题、二维小扰动传播问题及一维和二维无黏流动问题进行了数值模拟. 结果表明该格式对多种流动结构具有良好的捕捉能力, 并且同时具有良好的计算效率, 去除冗余计算后又降低了约20%的计算时间.
2023, 55(1): 239-253. doi: 10.6052/0459-1879-22-371
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尺度无关高阶WCNS格式
张子轩, 董义道, 黄梓全, 孔令发, 刘伟
高速流场的数值模拟中, 既要保证对小尺度结构的高保真分辨, 又要实现对激波稳定、无振荡地捕捉.当前工程中广泛应用的高精度数值格式虽然都能一定程度地满足上述两种要求, 但仍与理想目标存在较大差距.例如, 模拟雷诺应力模型等小尺度问题时, 高精度格式在间断解附近易产生数值振荡.基于高精度格式所存在的上述问题, 本文引入去尺度函数, 探索了一种更加简单稳定的非线性权重构造方法, 并将其应用于7阶精度加权紧致非线性格式WCNS, 提出了一种尺度无关的7阶WCNS格式.该格式的性能与灵敏度参数和尺度因子的选择无关, 并且在小尺度下仍可以有效捕捉流场激波.同时, 该格式在间断处具有基本无振荡性质, 且在任意尺度函数下保持尺度无关, 并且在极值点处也能保持最优精度.本文还推导了7阶D权函数的形式.最后, 在一维线性对流方程中验证了新格式在流场光滑区能够达到设计精度, 并通过一系列数值实验证明了尺度无关的7阶WCNS格式在激波捕捉能力上具有良好表现, 为WCNS格式改进和解决可压缩湍流等非线性问题提供了一种新途径.
2023, 55(1): 254-271. doi: 10.6052/0459-1879-22-399
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物理驱动深度学习波动数值模拟方法及应用
陈苏, 丁毅, 孙浩, 赵密, 王进廷, 李小军
近年来, 物理先验融合数据的深度学习方法求解以偏微分方程为理论基础的正反演问题已成为交叉学科热点. 针对地震工程波动数值模拟, 本文阐明了物理驱动深度学习方法PINN的数学概念及实现方式, 以无源项一维波动为例, 开展了相关理论模型构建, 并与解析解及有限差分方法进行对比, 分析了PINN方法与其他数值算法模拟波场的相对范数误差, 验证了物理驱动深度学习方法求解波动问题的可行性. 采用物理驱动深度学习方法并结合谱元法形成的稀疏初始波场数据, 开展了二维波动数值模拟, 实现了自由边界条件及起伏地表等典型工况的模拟, 并给出了时序波场分布特性. 更换不同的初始条件, 测试了神经网络的泛化精度, 提出可显著提高网络训练效率的迁移学习方法. 通过与谱元法的结果对比, 验证了本文方法模拟均质场地、空间不均匀及复杂地形场地波动问题的可靠性. 结果表明, 物理驱动深度学习方法具备无网格、精细化模拟等优势, 并可实现自由地表及侧边界波场透射等数值模拟条件.
2023, 55(1): 272-282. doi: 10.6052/0459-1879-22-401
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向 审 稿 者 致 谢
2023, 55(1): 283-284.
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