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2022年 第54卷  第1期

研究综述
折纸结构和折纸超材料动力学研究进展
方虹斌, 吴海平, 刘作林, 张琦炜, 徐鉴
折纸结构和折纸超材料由于其无穷的设计空间, 突出的变形状、变大小、变拓扑特性, 以及由折叠诱发的超常规力学特性, 在最近几年迅速成为数学、物理和工程学科的研究前沿和热点. 折纸结构和折纸超材料在航天、医疗、材料、机器人等众多工程领域具有广泛的应用前景, 其典型的代表包括大型空间可展开结构、自折叠可重构机器人、微型可折叠器械等. 随着应用范围的不断扩大, 折纸结构和折纸超材料的动力学问题日益突出, 不仅涉及其动力学建模和参数辨识, 还包括动力学机制分析与实验测试. 折纸结构复杂的空间几何关系、丰富的变形模式、折叠诱发的全局强非线性本构关系等给动力学研究带来了很多新挑战和新机遇. 本文首先阐述了折纸结构和折纸超材料的研究背景和意义, 并简要概述了折纸的基本定义、假设和分类, 以及折纸结构和折纸超材料的几何设计、静力学和运动学特性. 随后, 本文系统回顾了折纸结构和折纸超材料动力学研究中相关问题的最新进展, 包括: (1) 动力学建模及参数辨识方法; (2) 动力学理论、有限元和实验分析手段; (3) 折叠诱发的动力学行为, 包括双稳态和多稳态动力学行为、瞬态动力学行为和波传播动力学行为等; (4) 典型动力学应用. 本文最后提出了折纸结构和折纸超材料动力学研究中若干值得关注的问题.
2022, 54(1): 1-38. doi: 10.6052/0459-1879-21-478
流体力学
高焓湍流边界层壁面摩阻产生机制分析
刘朋欣, 孙东, 李辰, 郭启龙, 袁先旭
高超飞行器在中低空以极高马赫数飞行时, 飞行器表面会遇到湍流与高温非平衡效应耦合作用的新问题. 这种高焓湍流边界层壁面摩阻产生机制是新型高超声速飞行器所关注的基础科学问题, 厘清此产生机制可以为减阻方法的设计提供指导, 具有重要的工程实用价值. 本文选取高超声速飞行时楔形体头部斜激波后的高焓流动状态, 开展了考虑高温非平衡效应的湍流边界层直接数值模拟研究, 并设置同等边界层参数下的低焓完全气体湍流边界层流动作为对比, 采用RD (Renard & Deck)分解技术研究了高焓湍流边界层摩阻的主要产生机制, 对摩阻产生的主要贡献项积分函数分布进行了详细分析, 研究了高温非平衡效应对摩阻产生的影响规律; 采用象限分析技术, 研究了摩阻分解湍动能生成项的主导流动事件. 计算结果表明, 高温非平衡效应会使得壁面摩阻脉动条带的流向和展向尺寸均减小. 分子黏性耗散项和湍动能生成项是高焓湍流边界层摩阻生成的主要流动过程. 分子黏性耗散项主要作用在近壁区, 高焓流动的分布与低焓流动存在差异. 象限分析表明, 上抛和下扫运动是影响摩阻分解中湍动能生成项的主导事件.
2022, 54(1): 39-47. doi: 10.6052/0459-1879-21-490
高超声速高焓条件下的内嵌式温敏漆测量方法
苑朝凯, 姜宗林
热流密度点测量结果并不能完全反映详细的热流分布特征, 尤其是针对热流梯度较大、热流分布复杂的区域, 需要热流密度场测量技术以获取全场精细的热流分布特征. 应用温敏漆测量热流密度场的方法得到了广泛应用, 但实验条件来流总温较低, 与真实飞行环境存在明显差异, 真实飞行条件下的辐射效应严重限制了温敏漆技术的应用. 针对高超声速高焓条件下缺乏热流密度场测量方法的难题, 提出了内嵌式温敏漆测量方法, 基本思想是利用温敏漆测量内壁面温度的变化历程结合热传导反问题的求解确定热流密度. 本文详细介绍了内嵌式温敏漆测量方法的测量原理、测量系统构成、数据处理方法、设计原则及该测量方法的优势. 针对高超声速风洞实验中常见的阶跃、线性和局部突变等热流密度分布进行了数值验证, 验证了内嵌式温敏漆测量方法的可行性, 并分析了风洞实验温度测量精度及噪声对测量结果的影响. 内嵌式温敏漆测量方法可用于测量高超声速真实飞行环境下细致的气动热特征, 扩展了温敏漆测量方法的应用范围, 解决了高超声速高焓条件下缺乏热流密度场测量方法的难题.
2022, 54(1): 48-58. doi: 10.6052/0459-1879-21-279
基于卷积神经网络的钝体尾迹识别研究
杜祥波, 陈少强, 侯靖尧, 张帆, 胡海豹, 任峰
针对相同特征长度不同钝体的尾迹结构相近, 肉眼难于分辨的问题, 提出了一种基于卷积神经网络的钝体尾迹识别方法, 并在竖直肥皂膜水洞的典型钝体模型尾迹实验中获得高准确率验证. 实验平台由自建竖直肥皂膜实验装置、钝体模型(方柱、圆柱和三角柱)及图像采集系统组成, 可基于光学干涉法实现对不同速度下钝体肥皂膜尾迹的高清持续拍摄. 所建立卷积神经网络识别模型由输入层、卷积层、池化层、全连接层和分类层组成, 其中, 卷积层和池化层用于提取尾迹的深层次特征信息, 而全连接层和分类层构成识别分类模式来分类输出图像对应的钝体类型或雷诺数. 通过将9000张尾迹图像数据集导入卷积神经网络模型, 以数据驱动方式建立了具有钝体形状或雷诺数识别能力的尾迹特征识别模型. 结果表明, 该模型对相同雷诺数下识别钝体形状的准确率达97.6%(识别300张不同形状钝体尾迹图像), 对不同雷诺数下识别钝体形状的准确率达96%(识别1200张不同雷诺数尾迹图像), 即使将不同钝体形状和雷诺数下尾迹图像混放一起, 其钝体形状和雷诺数识别准确率也可以达到91%(识别1500张混放尾迹图像). 该方法为进一步利用人工智能提取流体尾迹中的物理信息提供借鉴.
2022, 54(1): 59-67. doi: 10.6052/0459-1879-21-404
低雷诺数下串列布置双圆柱涡激振动特性研究
涂佳黄, 黄林茜, 何永康, 吕海宇, 梁经群
基于四步半隐式特征线分裂算子有限元方法, 对串列布置双圆柱双自由度涡激振动问题进行了数值模拟计算, 并分析了间距比、剪切率、频率比以及折减速度4个参数对圆柱结构动力响应的影响. 研究发现: 不同固有频率比与剪切率对下游圆柱振动幅值影响较大, 然而对上游圆柱振动幅值影响较小. 上游圆柱在两个自由度方向达到最大值的折减速度不同, 然而下游圆柱基本同步. 上游圆柱共振区的范围明显宽于下游圆柱, 同时上游圆柱较下游圆柱会更早进入与退出共振区间. 另一方面, 双圆柱主要在锁定区间完成相位的转变, 随频率比增大能量从流体传递到柱体的速度会减慢, 导致圆柱体结构完成从同相到反相的转变速度会减慢. 剪切来流工况下, 当间距比大于3.5时, 升力与位移相位差会出现“平台期”. 当间距比超过临界值时, 随着折减速度的增大, 流体力功率谱密度曲线出现的杂频会增多, 导致出现能量“反哺”现象. 最后, 在均匀来流工况下, 升阻力功率谱密度曲线中主频率值呈两倍关系, 然而随着剪切率的增加, 流体力功率谱密度曲线会基本重合.
2022, 54(1): 68-82. doi: 10.6052/0459-1879-21-381
基于局部偏转吻切方法的多级压缩乘波体设计
郑晓刚, 朱呈祥, 尤延铖
乘波体因优异的气动特性, 被认为是突破现有“升阻比屏障”的有效途径之一, 已成为高超声速飞行器气动设计的研究热点. 针对常规单级压缩乘波前体压缩量不足的问题, 基于局部偏转吻切方法提出一种多级压缩乘波体设计方法, 实现了多道非轴对称激波的逆向乘波设计. 通过引入多道非轴对称激波, 可充分发挥乘波前体的预压缩效果, 并为复杂外形条件下的高超声速飞行器设计提供新的思路. 以基于非轴对称椭圆锥激波的两级压缩乘波体为例阐述了该多级设计方法, 并在相同条件下设计了3种不同长短轴比的两级椭圆锥压缩乘波体. 设计状态下的数值模拟结果表明, 无黏条件下, 该设计方法得到的壁面压力分布与CFD结果基本一致, 且对应气动力参数的最大误差仅为0.3%左右, 证明了该方法的可靠性. 相较于两级圆锥压缩乘波体, 长短轴比大于1的两级压缩乘波体拥有更好的压缩性能和升阻特性, 但总压恢复系数和容积特性有所下降, 而长短轴比小于1的两级压缩乘波体性能恰好与之相反. 黏性条件下, 此类乘波体的激波系结构变化不大, 两道椭圆锥激波在底部截面基本相交, 仍具备较佳的乘波特性.
2022, 54(1): 83-93. doi: 10.6052/0459-1879-21-357
考虑振动非平衡的可压缩库埃特流动及其传热
罗健, 王智慧
新型近空间高超声速飞行器大多具有尖头薄翼的外形, 驻点下游机身附近的强剪切流动及气动加热具有显著的非平衡特征. 由于加热总量预估和实验测热数据辨识的需要, 工程上越来越关注强剪切非平衡流动及气动加热预测问题. 本文结合理论建模和直接模拟蒙特卡洛数值模拟, 研究了振动非平衡条件下的可压缩库埃特流动的气动力/热问题. 首先基于参考温度方法, 在量热完全气体模型下, 得到了可压缩库埃特流动参考温度的理论公式. 然后分析了振动非平衡过程对于参考温度和雷诺比拟关系的影响, 得到了表征振动非平衡强弱程度的无量纲判据, 并利用该判据构建了考虑振动非平衡效应的摩阻与热流预测理论. 最后用DSMC计算数据对理论分析结果进行了验证与标定. 理论和数值结果表明, 振动非平衡效应会导致可压缩库埃特流动的摩阻减小, 但热流和摩阻仍然满足雷诺比拟关系, 只是比拟系数需要引入振动能传热影响的修正. 该研究可以加深对强剪切流动中振动非平衡效应的认识, 其中的非平衡流动判据也可进一步推广用于研究更为实际的气动加热问题.
2022, 54(1): 83-93. doi: 10.6052/0459-1879-21-414
基于隐式扩散的直接力格式浸没边界格子Boltzmann方法
佟莹, 夏健, 陈龙, 薛浩天
采用浸没边界格子Boltzmann (immersed boundary-lattice Boltzmann, IB-LB)模型执行动边界绕流数值模拟时, 信息交互界面和边界力计算格式直接影响流动求解器的数值精度和计算效率. 基于隐式扩散界面, 一种改进的直接力格式IB-LB模型被提出. 边界力表达式基于欧拉/拉格朗日变量同一性准则推导, 转换矩阵描述的信息交互界面耦合了拉格朗日节点间的非同步运动. 采用Richardson迭代数值求解关联边界力与无滑移速度约束的线性方程组, 不仅克服了传统速度修正格式中矩阵求逆引起的计算效率问题, 而且摆脱了算法稳定性对拉格朗日点分布的依赖. 根据解析解已知的Taylor-Green涡流评估本文模型的数值模拟精度, 结果表明改进的IB模型能够完整保留背景LB模型的二阶数值精度. 静止圆柱和振荡圆柱绕流数值实验结果表明, 当前模型在涉及复杂外形和运动界面的流动模拟中能够提供可靠的数值预测, 满足力同一性的IB-LB模型能够有效抑制非定常流体力的伪物理震荡. 波动翼型绕流模拟验证了当前模型的实用性, 可在大变形柔性体流固耦合动力学问题中进一步推广.
2022, 54(1): 94-105. doi: 10.6052/0459-1879-21-315
基于侵入混沌多项式法的随机多孔介质内顺磁性流体热磁对流不确定度量化
姜昌伟, 谢云峰, 石尔, 刘代飞, 李杰, 胡章茂
目前流体流动与传热问题的研究大都基于确定性工况条件, 而现实流体流动与传热问题中存在着大量不确定性因素, 计算流体力学的不确定性量化提供了一种理解流体物性、边界条件与初始条件等不确定性因素对模拟结果影响的能力. 为揭示随机多孔介质内顺磁性流体热磁对流的传播规律与演化特征, 本文发展了一种基于侵入式多项式混沌展开法的热磁对流不确定性量化数理模型与算法程序. 该方法分别利用Karhunen-Loeve展开与多项式混沌展开表达输入随机参数与输出响应量, 同时利用伽辽金投影方法将随机热磁对流控制方程解耦为一组可以应用有限元修正方法求解的确定性控制方程, 并对输出响应量多项式混沌进行求解, 最后采用随机投影法求解相应的确定性控制方程中的混沌系数, 得到输出响应量的统计特征与混沌效应. 热磁对流不确定性量化表明多孔介质孔隙率不确定性通过控制方程演化, 进而影响着多孔介质方腔内顺磁性流体热磁对流, 顺磁性流体热磁对流呈现出显著的混沌效应. 与蒙特卡罗法预测结果相比, 两者计算结果吻合良好, 但侵入式混沌多项式展开法计算量显著减少.
2022, 54(1): 106-119. doi: 10.6052/0459-1879-21-427
固体力学
基于径向基点插值法的旋转Mindlin板高次刚柔耦合动力学模型
杜超凡, 郑燕龙, 章定国, 周晓婷
将无网格径向基点插值法(radial point interpolation method, RPIM)用于中心刚体−旋转柔性板的动力学分析. 基于浮动坐标系方法和一阶剪切变形理论即Mindlin板理论, 考虑剪切变形的影响, 并计入板面内变形的非线性耦合变形项, 采用径向基点插值法描述板的变形场, 保留动能中有关非线性耦合变形项的所有高阶量, 通过构造高阶形函数避免了径向基点插值法出现剪切闭锁的现象, 建立了既能处理薄板问题又能处理中厚板问题的作大范围运动矩形板的高次刚柔耦合动力学模型. 高阶形函数可通过添加高阶多项式的方式获得, 静力学算例表明径向基点插值法中添加15项多项式可基本消除剪切闭锁. 将零次近似模型、一次近似模型和高次模型的仿真结果对比, 说明零次近似模型的缺陷, 同时说明高次模型有更广的适用范围, 可分析大变形问题. 将径向基点插值法的仿真结果与有限元法和假设模态法进行比较分析, 说明本文方法的正确性, 也表明无网格径向基点插值法作为一种柔性体离散方法在刚柔耦合多体系统动力学的研究中具有可推广性.
2022, 54(1): 120-134. doi: 10.6052/0459-1879-21-362
考虑时变刚度特性的复合材料微结构拓扑优化设计方法
徐世鹏, 丁晓红, 段朋云, 张横
理想的骨折内固定植入物在组织愈合或修复的过程中, 其结构性能需要满足不同愈合阶段对生物力学的需求. 提出一种对生物可降解复合材料微结构的时变刚度特性进行调控设计的拓扑优化方法, 以达到理想的骨折内固定植入物特殊的时变刚度特性需求. 使用具有不同降解速率和刚度的两种可降解材料, 以相对密度作为设计变量来描述不同材料的分布, 以特定降解时间步中间结构的刚度之和最大为优化目标, 对复合材料微结构的构型进行拓扑优化设计, 使其具有符合骨愈合规律的时变刚度特性. 使用均匀腐蚀方法, 利用与时间相关的材料残留率描述结构的降解过程, 建立考虑时间维度材料降解的有限元模型, 基于Heaviside函数和Kreisselmeier-Steinhauser函数建立降解更新的连续方程, 利用均匀化方法得到不同降解时间步中间结构的力学性能, 并计算优化目标对于设计变量的灵敏度. 通过与仅使用单材料的结构和无时变刚度特性调控的拓扑优化结构进行对比, 验证了所提出设计方法的有效性, 并研究了不同参数对单胞优化构型和时变刚度特性的影响.
2022, 54(1): 135-147. doi: 10.6052/0459-1879-21-395
X射线衍射法测量碳化硅单晶的残余应力
邓亚, 张宇民, 周玉锋
为了准确评估晶体的质量、提高器件的使用性能, 本文围绕单晶碳化硅材料残余应力方面开展了相关研究工作. 首先通过对原有的多重线性回归分析方法加以改进, 推导出适用于求解六方晶系单晶碳化硅试样所处应力状态的相关理论. 其次, 采用该方法对沿着$[10\overline 1 0]$取向生长的6H-SiC单晶片进行了残余应力检测, 同时选用{214}晶面族作为测量衍射面. 最后, 探究了来源于不同晶面组数的数据进行计算时对残余应力测量结果的影响. 结果显示: 采用多重线性回归分析方法可以实现单晶6H-SiC的面内残余应力的测定; 当给定无应力晶面间距d0的精确值时, 该应力结果的误差高于选用5组以上(hkl)晶面数计算得到的残余应力结果的误差; 如果d0未知, 则随着参与应力计算的晶面组数的增加, 平面残余应力的误差结果会逐渐降低并趋于平稳. 这表明实验测定的残余应力结果具有较高的精度. 另外, 为了保证实验测得的应力结果的可靠性, 应该选用六组及以上衍射面数通过多元回归分析方法来求解单晶碳化硅试样所处的残余应力状态.
2022, 54(1): 148-154. doi: 10.6052/0459-1879-21-426
丙烯酸弹性体的率相关分数阶黏弹性模型研究
尹耀得, 赵德敏, 刘建林, 许增耀, 侯伟
丙烯酸弹性体VHB 4910作为一种重要的介电弹性体, 在软体机器人、致动器、俘能器和智能隔振器等领域有很好的应用前景. 但材料的非线性黏弹性对其力学行为有显著影响. 近来分数阶模型在复杂材料的建模中取得了成功. 本文基于分数阶有限变形Kelvin-Voigt流变学模型建立弹性体的三维张量本构, 并进一步推导单向拉伸情况下的本构关系. 随后对VHB 4910完成一系列不同拉伸速率下的单向拉伸实验. 基于本构方程的可加性, 首先分别利用Neo-Hookean, Mooney-Rivlin和Gent模型完成超弹性弹簧单元的参数识别, 随后完成可变阶数和固定阶数的分数阶模型的参数识别, 以探究弹性体材料分数阶本构关系的率相关性. 结果发现: Mooney-Rivlin模型弹簧模型的拟合精度最高; 两种拟合方式的分数阶模型均可以很好地模拟黏弹性弹性体的率相关黏弹性行为; 固定分数阶的阶数对模型拟合结果影响不大; 分数阶元件的黏性系数与伸长速率呈明显的非线性关系, 表明其具有非牛顿流体特性, 在此基础上, 发展一种修正的幂律定律来定量描述这种非线性关系, 该模型较Cross流体模型有更高的拟合精度.
2022, 54(1): 155-163. doi: 10.6052/0459-1879-21-445
非饱和土-结构动力响应的多耦合周期性有限元法
狄宏规, 郭慧吉, 周顺华, 王炳龙, 何超
真实的地基土体-隧道系统中土体及结构性质往往沿线路纵向变化. 为考虑土体与结构沿纵向的变化特性, 提出了一种非饱和土-结构系统动力响应分析的多耦合周期性有限元法. 首先基于非饱和土的实用波动方程, 采用 Galerkin 法推导了单节点5个自由度的非饱和土ub-pl-pg格式有限元表达式, 相比于单节点9个自由度的ub-v-w格式有限元表达式, 节省了计算资源. 其次引入复拉伸函数, 构建完美匹配层边界单元截断无限域. 最后采用多周期性模拟结构沿纵向的变化特性, 引入自由波传播理论, 结合各周期性结构间的连续性条件, 实现纵向各周期性结构间的耦合. 通过与既有的2.5维有限元-完美匹配层法和波函数法的计算结果进行对比, 验证了本文方法的可靠性. 该方法与既有的解析、数值方法相比, 具有可高效考虑结构纵向变化特性的优点. 基于该方法, 以非饱和土-隧道-隔离桩系统为例, 讨论了隔离桩的减(隔)振效果, 结果表明: 与咬合桩相比, 考虑隔离桩桩间距后地表动力响应规律有所改变, 因此在进行地铁隧道系统振动响应预测时, 应考虑系统结构沿纵向的变化特性.
2022, 54(1): 164-173. doi: 10.6052/0459-1879-21-367
动力学与控制
含分数阶Bingham模型的阻尼减振系统时滞半主动控制
张婉洁, 牛江川, 申永军, 杨绍普, 刘佳琪
针对基于磁流变液阻尼器的半主动控制系统中存在的时滞问题, 采用了一种将可控的时滞变量引入半主动控制切换条件的控制策略, 研究了考虑时滞的天棚阻尼控制切换条件对半主动阻尼减振系统的影响, 分析了含有分数阶Bingham模型的线性刚度系统在基础激励下的振动特性. 利用平均法得到了系统在含时滞半主动控制策略下主共振响应的近似解析解, 根据Lyapunov理论分析了系统的稳定性. 通过数值解验证了近似解析解的准确性, 二者具有较好的一致性. 利用近似解析解分析了固定激励频率下时滞对系统幅频响应特性的影响, 以及主共振峰值响应和共振频率随时滞变化的特性规律. 结果表明, 含时滞的半主动控制系统存在一个小时滞区间, 使得系统的振幅在主共振峰对应的频率附近低于不考虑时滞时系统的振幅, 且存在最优时滞使得系统的振幅大幅度降低; 而大时滞的引入会加剧系统的振动, 导致系统的颤振. 确定了基于分数阶Bingham模型的线性刚度系统在天棚阻尼半主动控制下的时滞选取原则, 为振动系统半主动阻尼控制中的时滞选取提供了参考.
2022, 54(1): 174-184. doi: 10.6052/0459-1879-21-467
软体连续机械臂动力学建模与仿真
白争锋, 孔清峰, 赵起
由于软体机械臂的质量是沿臂的长度连续分布, 因此采用拉格朗日方法建立软体机械臂的动力学模型时, 涉及计算复杂的积分运算, 采用离散化的集中质量模型降低了计算的复杂性, 但准确性不足. 为了提高软体机械臂动力学建模与仿真的准确度和计算效率, 本文采用模态方法对软体机械臂进行运动学描述, 并从能量的角度分析软体机械臂动力学特性, 研究发现, 角速度产生的转动动能计算复杂, 影响动力学方程的求解效率. 在给定条件下, 占总动能的百分比不超过3%, 对动力学结果影响很小, 可以忽略. 在此基础上, 提出一种基于质心集中质量描述的软体机械臂动力学模型, 该模型将软体机械臂的连续分布质量模型等效为位于质心的集中质量模型, 利用统计的方法计算出动能等效系数, 通过动能等效系数实现两种模型的动能匹配. 仿真结果表明, 与通常将集中质量放置在任意位置(例如, 软体机械臂的中点或末端)的集中质量模型相比, 该模型兼顾了连续分布质量模型的准确性, 以及集中质量模型的计算高效性, 能够准确、高效的获得软体机械臂的动力学特性, 并且数值计算稳定.
2022, 54(1): 185-196. doi: 10.6052/0459-1879-21-481
平稳高斯激励下线性结构随机振动分析的辅助简谐激励广义法
范文亮, 盛向前
相比于时域法, 频域法是更为高效、易行的随机振动分析方法, 但对于平稳激励下的随机振动分析, 现有频域方法常需振型截断或功率谱矩阵分解, 将会影响计算精度和效率. 为此, 本文在频域法的框架下, 针对平稳高斯激励下线性结构的随机振动分析提出了一种精确且高效的辅助简谐激励广义法. 首先, 引入广义脉冲响应函数和广义频响函数的概念, 推导了与响应功率谱计算的完全二次项组合法等价的广义分析方法. 其次, 通过辅助简谐激励的响应乘积代替广义频响函数的乘积, 在广义分析方法的基础上进一步提出了更易于实现的辅助简谐激励广义法. 再次, 根据辅助简谐激励下结构响应求解方式的不同, 提出了具有不同适用性的两种辅助简谐激励广义法实现方案, 即基于振型叠加的辅助简谐激励广义法和基于时程分析的辅助简谐激励广义法; 同时, 给出了上述两种实现方案的计算性能及其与已有方法的对比分析. 最后, 通过两个算例验证本文所提方法的计算精度和效率. 由算例结果可知, 本文提出的辅助简谐激励广义法在计算响应功率谱时与完全二次项组合法和虚拟激励法的计算精度保持一致, 而计算效率相对完全二次项组合法和虚拟激励法具有显著的优势.
2022, 54(1): 197-209. doi: 10.6052/0459-1879-21-450
中性线修正型变截面梁类构件压电控制
于香杰, 游斌弟, 魏承, 赵阳, 夏斌, 刘朝旭
传统绝对节点坐标法(absolute nodal coordinate formulation, ANCF)在变截面梁类构件建模过程中常以几何中位线等效构造单元中性线, 难以对变截面单元位移场状态进行精确描述. 为解决此类问题, 本文以中细型变截面梁类构件为研究对象, 深入考虑变截面结构几何因素及复合材料属性对变截面梁类构件中性线位置所产生的偏差影响, 建立修正型变截面梁单元位移场描述方法. 并进一步结合负应变率压电控制策略, 通过传感型及作动型压电片提出变截面梁类构件在空间热载荷作用下的ANCF主动抑振抑变控制方法. 同时, 以变截面太阳帆桅杆在轨实际运行状态为算例, 通过所述方法分析验证了模型在动力学参数预测过程中的准确性及精确性, 并深入探究变截面梁类构件在不同压电安装策略下的动态行为参数演化规律. 据其分析结果可知, ANCF主动抑振抑变控制方法随作动型压电片与传感型压电片之间安装距离的增加, 其控制同步性将会降低; 且在一定程度内提高增益调节系数可加强控制系统的稳定性及灵敏性, 但该参数一旦发生超调亦会激励变截面梁类构件产生非稳定性振动.
2022, 54(1): 210-220. doi: 10.6052/0459-1879-21-473
生物、工程及交叉力学
氧化锆口腔种植体的动态植入过程分析与设计
王天瑜, 牛一龙, 周健邦, 王晓飞, 邵丽华, 韩建民
在牙科种植领域常使用的种植体材料多为纯钛或钛合金, 然而钛金属种植体存在美学缺陷及潜在的致敏可能等问题. 氧化锆陶瓷由于其高强度、美观性与生物相容性被认为是钛金属种植体的理想替代品, 但目前国内对于氧化锆种植体的研究仍处于起步阶段. 本文通过对氧化锆种植体及骨组织进行有限元建模, 并对种植体的动态植入过程进行仿真, 分析了骨组织内部的应力-应变状况. 结果发现, 随着植入深度的增加, 种植体与骨组织的接触面积增大, 松质骨内应力增加. 考虑到骨组织的具体结构, 将松质骨内的最大应力-应变作为分析的主要对象, 结合损伤分析, 对种植体模型进行了优化. 此外, 还设计了3种具有自攻刃设计的种植体模型, 分别进行应力应变分析后确定了最优设计. 之后建立了具有自攻刃设计的种植体模型, 并模拟了临床的3种植入方案: 螺纹成形、螺纹切割、螺纹成形与切割进行分析, 通过分析得到螺纹成形与切割种植方案更为安全的结论. 本文结果可以指导氧化锆种植体的结构设计以及植入时的条件设定等, 为我国自主研发的氧化锆种植体进行了理论指导, 为其早日进行临床应用指明了方向.
2022, 54(1): 221-232. doi: 10.6052/0459-1879-21-503
基于时频变换的激波风洞天平信号分析与处理
聂少军, 汪运鹏
在激波风洞中开展测力试验时, 测力系统在风洞流场起动瞬间会受到冲击激励, 从而对天平的输出信号产生惯性干扰. 天平输出信号中叠加有动态气动力信号和惯性振动信号, 有可能无法直接分辨出气动力信号的规律性, 信号处理结果与真实气动力之间会产生较大的误差, 导致处理结果不可靠. 由于模型测力天平系统结构的复杂性, 在极短的有效试验时间(毫秒级)内, 天平信号中部分高频率分量(由结构高阶模态振动、非定常气动载荷或其他流场干扰等因素引起的高频干扰)有可能无法完全衰减, 此时对信号直接进行传统的滤波处理和傅里叶变换分析反而有可能增大处理结果的误差. 本文采用小波变换和希尔伯特-黄变换, 针对尖锥标准模型的激波风洞天平信号, 开展降噪和时频变换分析处理, 旨在有效辨识出天平信号中的不同干扰成分, 输出可靠的气动力结果. 本文将时频变换方法应用于风洞天平冲击阶跃载荷的信号处理, 对结果进行对比分析, 验证了该方法在脉冲风洞测力试验数据处理中的有效性和可靠性, 得到了比较理想的结果.
2022, 54(1): 233-244. doi: 10.6052/0459-1879-21-387
基于移动可变形组件法(MMC)的运载火箭传力机架结构的轻量化设计
李佳霖, 赵剑, 孙直, 郭杏林, 郭旭
传力机架是运载火箭箭体与发动机连接的关键部件, 负责将发动机推力载荷有效的传递至箭体, 其结构的轻量化设计不仅可以保障火箭发动机的推重比、提高火箭的稳定性, 还可以为我国未来可重复使用式火箭的研究提供一定的参考. 本文在移动可变形组件(moving morphable component, MMC)的框架下, 提出了一种解决传力机架结构轻量化设计的方法. 在该方法中, 机架结构的拓扑通过一组具有显式几何信息的组件来表示, 这使最终优化布局可以被少量的设计变量所描述. 通过分析传力机架结构设计的特点和要求, 以刚度最大化为目标, 体积分数(保证结构重量)为约束, 建立了基于MMC显式拓扑优化方法下的问题列式. 同时搭建了可对工程中传力机架结构轻量化设计的平台, 并进行相应结构的拓扑优化. 在两种载荷工况(即零位状态和摇摆状态)作用下, 最终优化结果在中间推力载荷区域与锥段相连位置之间, 所形成的较大翼板结构增强了传力机架的抗弯能力. 通过与传统机架结构的对比, 证明了本文所提出方法在传力机架结构轻量化设计方面的有效性.
2022, 54(1): 245-252. doi: 10.6052/0459-1879-21-309
冻融循环和不均匀冻胀下寒区隧道的塑性解答
张常光, 高本贤, 周渭, 李海祥
季冻区长期冻融循环造成围岩强度和变形性能劣化, 使得寒区隧道易进入塑性状态, 且寒区隧道围岩呈现以径向冻胀为主的不均匀冻胀. 合理考虑寒区隧道冻融循环对围岩性能的劣化以及围岩的不均匀冻胀属性, 基于Mohr-Coulomb准则推导了寒区隧道冻胀力、应力与位移的塑性解答, 同时给出相应的弹性解答和冻结围岩弹-塑性状态的判定方法, 对所得解答进行讨论和对比验证, 最后探讨了冻融循环、不均匀冻胀与体积冻胀率对寒区隧道应力分布、塑性区半径、洞壁位移和冻胀力的影响规律. 研究表明: 本文解答具有广泛的适用性和良好的可比性, 并得到文献塑性解答的退化验证; 冻胀力、洞壁位移与塑性区半径随冻融次数增加分别增大20.3%、8.44倍、2.16倍, 以量化长期冻融循环造成围岩性能的劣化效应; 冻结围岩由均匀冻胀转变为不均匀冻胀时冻胀力增大42.8%, 但塑性区半径几乎无变化; 4种体积冻胀率参数均显著影响冻胀力, 尤其是水热迁移系数可使冻胀力增大123.6%. 本文结果可为季冻区隧道设计与冻害问题解决提供一定的理论依据.
2022, 54(1): 254-264. doi: 10.6052/0459-1879-21-401