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当期文章

2022年 第54卷  第9期

研究综述
卷积神经网络在流场重构研究中的进展
陈皓, 郭明明, 田野, 陈尔达, 邓雪, 乐嘉陵, 李林静
近年来, 随着深度学习在图像处理、语音识别、自动驾驶、自然语言处理等领域迅速发展, 该技术也被越来越广泛地应用于处理具有复杂非线性、高维度、大数据量等特点的流体力学方向. 传统的方法无法有效地处理这些庞大的数据, 深度学习因其具有强大的函数拟合能力, 可以从大量的数据中挖掘有用的信息. 当前, 流体力学深度学习技术有了初步的一些研究成果, 在流动信息特征提取、多源数据信息融合及流场的智能重构等方面具有重要的工程价值, 其应用潜力逐渐得到证实. 如何利用地面风洞试验、数值模拟及飞行试验获取的数据进行深入挖掘, 快速智能感知及重构流场, 可为主动流动控制提供重要指导. 本文主要从深度学习不同类型的网络结构出发探讨了卷积神经网络在流场重构中的研究进展, 文章首先介绍卷积神经网络的一些基本概念以及基本网络结构, 之后简要介绍流场超分辨率重构网络、端到端的映射网络、长短期记忆网络的基本结构与理论, 并详细归纳出他们的改进形式在流场重构领域的一系列研究进展与成果, 最后对文章做出总结并探讨了流场重构深度学习技术所面临的挑战与展望.
2022, 54(9): 2343-2360. doi: 10.6052/0459-1879-22-130
大型空间结构热−动力学耦合分析方法综述
薛明德, 向志海
近年来, 各种大型空间结构逐渐在我国航天工程中得到应用, 相应的热诱发振动问题也日益受到重视. 在此背景下, 有必要进一步梳理热诱发振动的机理和分析设计中的关键问题. 本文将结合作者的研究工作对此问题进行全面介绍, 并主要强调在分析复杂工程结构的热诱发振动问题时需要注意的特殊问题. 本文首先介绍了可以高效地分析空间薄壁杆件结构(包含开口和闭口薄壁杆件)在辐射换热条件下的瞬态温度场的Fourier有限元方法; 随后介绍了热诱发振动的线性和非线性分析方法, 强调了热−动力学耦合效应. 为了对复杂空间结构产生热诱发振动的必要条件给出解析表达式, 本文将瞬态温度场与振动位移场统一在模态空间中进行分析, 从而得到评价热诱发振动剧烈程度的一般性条件. 在此基础上, 本文进一步讨论了热诱发振动的运动稳定性问题, 以悬臂杆件的热颤振准则为例揭示了热诱发振动发散的物理机理, 并给出了评定复杂工程结构热颤振的分析方法. 论文最后概要地指出了在热诱发振动的地面试验和抑制方法中需要注意的问题, 并对将来的研究工作进行了展望.
2022, 54(9): 2361-2376. doi: 10.6052/0459-1879-22-171
流体力学
横向磁场下侧壁加热方腔熔化的数值模拟研究
孙思睿, 张杰, 倪明玖
磁场下的固−液相变过程在电磁冶金和增材制造等工程应用中广泛存在, 其中的熔化过程和流动机理尚未完全探究清楚. 方腔熔化是研究固−液相变过程的基础模型, 具有良好的普适性, 研究磁场对其流动的影响可以为其他复杂相变过程提供参考. 本文基于焓方法开展了固−液相变的数值模拟研究, 得到了垂直主环流方向的横向磁场对侧壁加热方腔中流动、传热和熔化过程的影响. 首先, 对于无磁场时的方腔熔化问题, 通过与已有的实验结果和数值结果进行对比, 证实了文献中方腔宽度对固−液界面的形状及位置影响不能忽视的结论. 随后, 对小磁场情况下的三维工况进行了直接数值模拟, 发现此时磁场效应主要表现为对混乱三维流动产生整流作用, 使流动趋于二维化. 但由于固−液界面的存在, 主流区的速度在趋于一致的同时也会反作用于界面, 其形状随磁场增强而逐渐转变为二维结构. 最后, 本文采用准二维模型分析了更强磁场时的情形, 讨论了不同参数对传热效率及界面形状的影响, 并发现了横向磁场作用下的垂直最大速度仍满足磁对流中的无量纲参数标度律关系.
2022, 54(9): 2377-2386. doi: 10.6052/0459-1879-22-155
自由场中液氮单空泡动力学特性的实验研究
陈家成, 陈泰然, 韩磊, 耿昊, 谭树林
本文专门设计搭建了低温介质空泡演化实验测试平台, 对液氮单空泡非定常演化过程和动力学特性开展了实验研究. 实验中利用电火花瞬态放电激发液氮汽化形成单空泡, 通过高速摄影系统对单空泡的瞬态特征进行了精细化捕捉. 为了进一步揭示低温介质独特的物理性质以及强热力学效应对单空泡演化过程的影响机制, 对比分析了在相同环境压力下, 77.41 K液氮和298.36 K水单空泡的演化过程和动力学特性. 基于实验得到空泡半径与界面速度等定量数据, 阐明了液氮单空泡球形与非球形演化阶段的非定常特性. 研究结果表明: (1) 在相同输入电压下, 液氮单空泡的整体尺寸比常温水更小, 当输入电压为400 V时, 液氮空泡的最大半径约为常温水空泡的0.69倍; 同时, 液氮单空泡经历了膨胀阶段−收缩阶段−振荡阶段以及上升阶段的演化过程. (2)液氮空泡的收缩过程主要由相界面的热传导主导, 没有明显的塌陷现象, 收缩阶段液氮空泡的最小收缩半径约为常温水的5.5倍. (3)在液氮空泡振荡初期, 空泡相界面传热增强, Rayleigh-Taylor不稳定与热力学效应共同引起了空泡界面的表面粗化效应; 在整个振荡阶段, 空泡界面附近存在破碎的小泡. 当输入电压较高时, 空泡底部的小泡数量显著增多. (4)由于液氮空泡浮力系数较大, 液氮空泡在演化后期空泡整体向上迁移显著, 液氮空泡底部收缩更快产生凹陷, 促使空泡变为环状.
2022, 54(9): 2387-2400. doi: 10.6052/0459-1879-22-144
气泡碰撞亲疏水曲壁的行为特性研究
唐子建, 杜伟, 杜鹏, 胡海豹, 陈效鹏, 文俊, 谢络
气泡碰撞固壁行为和影响因素的研究一直以来都是科学界关注的重点之一, 其在矿物浮选、气膜减阻等工业领域中的应用也极具科研价值. 论文聚焦曲壁对于气泡撞击行为特性的影响研究. 采用高速摄像技术记录气泡碰撞不同曲率半径下亲疏水曲壁的撞击过程, 分析了曲壁润湿性、曲率半径对气泡碰撞固体曲壁的影响规律. 结果表明, 气泡碰撞亲水曲壁时会发生多次弹跳直至离开曲壁; 曲率半径越大, 弹跳次数越少, 且第一次反弹的最远距离越近, 再次发生碰壁时的速度越小. 而碰撞疏水曲壁时会出现碰撞−滑移−附着的现象, 此外针对液膜挤压破裂的现象, 建立理论模型推导出液膜诱导时间的预测公式, 其主要与液膜厚度、液膜临界破裂厚度和液膜被压缩速度有关, 预测误差小于5.0%.
2022, 54(9): 2401-2408. doi: 10.6052/0459-1879-22-116
镜像对称顶盖驱动方腔内流过渡流临界特性研究
安博, 孟欣雨, 桑为民
流场过渡流临界特性是指流场因流动状态改变而引起的流场物理特性变化. 如流动从定常演化为非定常周期性时, 流动处于过渡状态的物理性质. 它从根本上决定了流动演化模式和流场特性等物理规律, 对认清流动现象的形成机理有重要意义. 本文在之前腔体内流流场过渡流临界特性研究的基础上, 针对镜像对称顶盖驱动方腔内流开展数值模拟和流场稳定性分析研究, 捕捉各流动分岔点, 如Hopf流动分岔点和Neimark-Sacker流动分岔点等, 并揭示其对流场特性的影响; 分析流场演化模式, 随着雷诺数增大从定常状态依次演化为非定常周期性流动、准周期性流动和湍流; 揭示各种流动现象的形成机理, 如流动滞后、对称性破坏、能量级串等; 分析流场拓扑结构, 阐明流场镜像对称性和流场稳定性的关系. 本文研究成果有助于揭示该流场的物理特性, 进一步完善了内流流场特性的研究. 研究发现, 针对本文镜像对称方腔顶盖驱动内流, 流场稳定性的破坏总是以Hopf流动分岔点的出现而发生并且伴随着流场对称性的破坏; 流场演化模式符合经典的Ruelle-Takens模式; 流动从定常状态演化至非定常周期性流动时存在流动滞后现象.
2022, 54(9): 2409-2418. doi: 10.6052/0459-1879-22-218
高马赫数下激波液滴相互作用的数值模拟研究
宋家喜, 潘书诚
本文采用守恒清晰界面多相流数值方法模拟了超声速和高超声速环境下三维液滴的推进、变形和破碎演化过程.数值模拟结果与实验数据的一致性表明了本文所用数值方法和计算程序的准确性, 而网格无关性研究验证了采用的网格分辨率可以捕捉流场和界面的主要特征. 模拟结果验证了高韦伯数下液滴变形破碎过程所遵循的剪切诱导剥离(SIE)破碎机制, 其包含液滴的扁平化和剪切剥离两个主要特征. 而最近发现的SIE破碎机制下的循环破碎机制也在本文得到了验证, 即主液滴从球形液滴破碎为小液滴会经历多个循环重复的破碎阶段, 高韦伯数下液滴的破碎并非一次性剪切剥离的结果, 而是会发生逐层的剪切剥离和破碎. 本文还研究了马赫数对激波冲击液滴加速变形过程的影响. 结果表明, 高韦伯数下不同马赫数的液滴破碎过程具有高度一致性, 并遵循统一的SIE破碎机制.通过对液滴质心位移、速度、加速度和拽力系数的量化统计揭示其运动过程中的统一加速规律. 在激波的驱动下, 液滴并非以一个恒定的加速度做加速运动.在扁平化不明显的前期, 液滴以一个恒定的加速度做加速运动.随着液滴扁平化的发生, 迎风面积的增加导致拽力系数的增大, 进而导致液滴加速度的不断增大.
2022, 54(9): 2419-2434. doi: 10.6052/0459-1879-22-191
水下发射航行体尾涡不稳定性分析
高山, 施瑶, 潘光, 权晓波, 鲁杰文
在水下连续发射过程中前一发航行体尾流会对后一发航行体运动姿态稳定性产生流动干扰现象. 因此, 研究尾流中涡旋结构演变机理对解决多弹体水下连续发射流动干扰难题具有重要的意义. 本文采用改进型分离涡模型与能量方程, VOF多相流模型与重叠网格技术相结合方法, 对航行体水下发射尾流演变过程开展精细化模拟研究, 其中模拟结果和实验吻合度较好, 验证了本文数值方法的有效性. 以航行体尾流区域为重点研究对象, 分析了尾流区瞬态流场分布, 讨论了横流强度和雷诺数对尾涡结构演变以及脉动压力分布特性的影响. 结果表明: 由于尾流区高速流体核心区与低速自由流相互作用导致Kelvin-Helmholtz不稳定现象出现, 可以清晰地发现涡旋结构在剪切力的作用下发生脱落. 在横流条件下, 航行体尾端脱落的涡环与涡腿形成发卡涡, 而多个发卡涡沿轴向间隔排列组成发卡涡包存在于尾流中. 随着横流强度增大, 形成多级发卡涡包结构, 而导致脉动压力二次峰值均出现的主要原因是尾流涡旋流场演变引起的. 随着雷诺数的增大, 尾流中由圆柱形涡和U型涡组成的二次涡结构逐渐明显, 不稳定性加强.
2022, 54(9): 2435-2445. doi: 10.6052/0459-1879-22-245
斑马鱼直线加速游动试验研究
郭春雨, 梁泽军, 韩阳, 郐云飞, 徐鹏, 孙路程
海洋生物低噪音、高速、髙效游动能力是任何人造水下航行器所无法比拟的. 借助时间解析粒子图像测速技术对斑马鱼直线加速游动过程进行精细流场测量, 对其运动学行为特性和动力学机理进行分析. 同时应用双正交分解对涡量场进行模态分解, 获取流场的时间演化和空间分布特征. 从流动机理的角度探究斑马鱼游动过程的流动结构特征及旋涡动态演化特性. 试验结果表明: 流动可视化展现了整体涡流尾迹的结构分布,方便探究运动特性与旋涡尾迹之间的耦合关系. 斑马鱼从运动开始时体干保持着鲹科式的运动规律, 游动时的动能主要由前几次大幅的摆尾过程提供, 后续的摆尾主要调整方向及姿态. 两次不同方向的摆尾动作会形成一对方向相反的旋涡, 并在时序下旋涡逐渐脱落. 同时尾流的涡量变化在一定程度上反映鱼体的游向的变化. 基于双正交分解分解后的时间演化结果验证本次试验在时间上涡量场具有合理的恒定幅度, 空间分布表明低阶空间模态表征斑马鱼游动的主要涡流动结构, 高阶空间模态表征涡流动的细节结构. 研究鱼类游动时的摆尾推进机制与动力学特性能够为高效率的仿鱼类推进装置设计提供一定科学参考.
2022, 54(9): 2446-2459. doi: 10.6052/0459-1879-22-157
固体力学
冲击波诱发含孔Mg-3Al-1Zn合金位错形核及演化行为研究
杨晓悦, 徐爽, 刘立胜
由于汽车和航空航天领域对轻量化材料的需求, 镁及其合金因其具有低密度、高强度等一系列优点而拥有难以替代的地位. 目前, Mg-3Al-1Zn合金是目前应用最广泛的一种商用镁合金, 研究其在冲击载荷作用下的变形机理和冲击响应, 对促进镁合金在汽车和航空航天领域的应用具有重要意义. 本文针对$ {\text{[0001]}} $${\text{[10}}\bar {\text{1}} {\text{0]}}$两种不同冲击晶向, 采用分子动力学方法讨论了含有圆柱形孔洞的Mg-3Al-1Zn合金模型在冲击波作用下孔洞表面位错形核与演化的过程. 研究表明, 孔洞附近滑移系的激活强烈依赖于冲击晶向, 当沿着$ {\text{[0001]}} $晶向冲击时, 基面位错在孔洞表面优先形核, 随后沿着与之前21°的夹角方向滑移形成一个大角度晶界; 对于${\text{[10}}\bar {\text{1}} {\text{0]}}$晶向的冲击, 孔洞附近的变形最初由柱面位错主导, 随后大量的基面位错分布在孔洞周围. 基于应力波理论进一步讨论了冲击波前沿导致的孔洞附近晶格转向行为, 发现孔洞表面的反射等容波(SV2)决定了孔洞表面位错的形核位置和滑移方向, 而反射无旋波(P2)决定了孔洞附近与坍缩有关的塑性变形行为. 最后, 结合孔洞周围应力场分布分析了两种冲击晶向下孔洞表面位错的分布规律. 总的来说, 本文的分子动力学模拟结果与基于应力波理论的分析、孔洞周围应力场的分析均吻合较好, 获得了孔洞附近的位错形核及演化规律.
2022, 54(9): 2460-2471. doi: 10.6052/0459-1879-22-125
基于统一相场理论的锂电池电极颗粒断裂模拟研究
吴建营, 洪屹峰
锂电池充放电过程中, 锂离子的脱出和嵌入会引发电极颗粒的不均匀体积变化和机械应力. 上述锂离子扩散过程诱发的应力与电极颗粒的尺寸大小、截面形状和冲放电速率有关, 可能会导致电极颗粒出现裂缝起裂、扩展甚至断裂等力学失效, 对锂离子电池的容量和循环寿命等性能产生不利影响. 为准确模拟并预测电极颗粒的力学失效过程, 在笔者前期提出的统一相场理论框架内进一步考虑化学扩散、力学变形和裂缝演化等耦合过程, 建立化学–力学耦合相场内聚裂缝模型, 发展相应的多场有限元数值实现算法, 并应用于二维柱状和三维球体锂电池电极颗粒的力学失效分析. 由于同时涵括了基于强度的起裂准则、基于能量的扩展准则以及基于变分原理的裂缝路径判据, 这一模型不仅适用于带初始缺陷电极颗粒的开裂行为模拟, 而且适用于无初始缺陷电极颗粒的损伤破坏全过程分析. 数值计算结果表明, 相场内聚裂缝模型能够模拟锂离子扩散引发的电极颗粒裂缝起裂、扩展、汇聚等复杂演化过程, 可为锂离子电池电极颗粒的力学失效预测和优化设计提供有益的参考.
2022, 54(9): 2472-2488. doi: 10.6052/0459-1879-22-057
离散元法铁粉末压制中粒径分布对力链演化机制的影响
张炜, 萧伟健, 袁传牛, 张宁, 刘焜
为阐明粒径分布对铁粉压制中体系内部细观力学行为的影响, 基于离散元理论, 通过改变铁粉颗粒粒径分布建立压制模型, 结合力链提取方法, 通过对力链空间分布、力链数目、力链长度和力链方向性的分析, 探究粒径分布对力链演化的影响机理. 研究结果表明: 不同粒径分布的粉体压制时形成的力链空间分布具有差异, 粒径分布范围越小, 形成的力链分布越集中, 反之, 粒径分布范围越大, 形成的力链分布越松散且均匀; 在粉末压制时, 粒径分布对力链数目也有影响, 具体表现为随着粉体的粒径分布范围变大, 力链总数逐渐减少; 粉体的粒径分布对颗粒形成短力链的数目起着显著影响, 而对力链长度的影响较为有限; 随着粒径分布范围的增大, 力链的方向由均匀分布逐渐集中在特定角度方向, 表现出一定各向异性, 形成的交叉力链网络结构有利于提高粉体致密化程度. 本文为从粉体粒径分布影响层面拓展粉末压制细观力学理论提供基础, 亦为进一步结合粉体粒径分布及体系内力链演变过程改善粉末致密化行为提供指导.
2022, 54(9): 2489-2500. doi: 10.6052/0459-1879-22-204
含节理岩体爆破过程中应力波传播与裂纹扩展的数值研究
周文海, 胡才智, 包娟, 郑俊杰, 梁瑞
岩体中存在着大量自然形成的节理, 这些节理导致岩体的力学性质、振动、渗透、能量传递等多种性能发生改变. 爆炸应力波在含节理岩体中的传播与衰减也随着发生改变, 进而影响工程爆破的效果及安全性. 对含节理岩体的爆生裂纹扩展与爆炸应力波传播规律进行研究, 通过建立含节理岩体的爆炸数值模型得到节理两侧岩体的有效应力和振动速度, 并利用应力波的波动理论与能量密度理论计算出节理的透反射系数和透反射能量比. 在此基础上研究节理几何参数(节理填充物厚度D、爆源到节理的法向距离R、爆源到节理的竖向距离H、节理倾角$ \theta $)对含节理岩体爆生裂纹扩展的影响以及上述参数与节理的透反射系数和透反射能量比关系. 结果表明当节理位于裂纹区且爆源到节理的竖向距离H与法向距离R之比H/R = 1时, 节理的反射系数及反射能量比处于最大值, 切应力成为此范围内影响节理面损伤的主要因素; 节理近爆侧岩体的破碎区域面积与节理填充物厚度D成正相关; 节理近爆侧岩体的破碎区域面积与爆源到节理的法向距离R和爆源到节理的竖向距离H成负相关; 当节理位于裂纹区时, 节理对岩体的爆破碎岩效果影响最大.
2022, 54(9): 2501-2512. doi: 10.6052/0459-1879-22-237
流固耦合地震波动问题的显式谱元模拟方法
孔曦骏, 邢浩洁, 李鸿晶
流固耦合地震波动问题主要研究由流体和固体构成的复杂系统中地震波传播特性及其规律. 传统模拟方法中一般以声波方程、弹性波方程的数值解分别描述理想流体和弹性固体中的波动, 并实时地处理两种不同性质介质之间的相互耦合作用, 数值格式复杂且限制数值模拟精度与计算效率. 本文采用谱元法结合多次透射公式人工边界条件实现了一种流固耦合地震波动问题的高阶显式数值计算方法. 该方法利用了流固耦合问题统一计算框架,可将饱和多孔介质的Biot波动方程分别退化为理想流体的声波方程和弹性固体的弹性波方程. 通过P波垂直入射的水平成层理想流体-饱和多孔介质-弹性固体场地模型、P波斜入射的不规则层状界面以及任意形状界面的理想流体-饱和多孔介质-弹性固体场地模型等三个算例, 与传递函数法解析解以及集中质量有限元法计算结果进行对比分析, 证明了本文方法的正确性与有效性. 数值模拟结果表明, 本文方法相较传统有限元法可以少得多的节点数量获得更高的数值精度, 并且在较宽的频率范围内都能可靠地模拟出流固耦合系统的动力响应, 充分体现出本文方法兼顾高精度、计算效率和复杂场地建模灵活的特点.
2022, 54(9): 2513-2528. doi: 10.6052/0459-1879-22-068
动力学与控制
具有非线性支撑和弹性边界约束的轴向载荷梁结构动力学行为研究
赵雨皓, 杜敬涛, 陈依林, 刘杨
弹性梁结构作为一种基本单元被广泛于建筑、航空、航天、船舶等工程领域. 为有效降低弹性梁结构的振动水平, 深刻理解其振动特性、动力学行为显得尤为重要. 本文建立了具有非线性支撑和弹性边界约束的轴向载荷梁结构动力学分析模型, 并采用伽辽金截断法预报梁结构的动力学响应. 在伽辽金截断法的求解过程中, 选取具有弹性边界约束的轴向载荷梁结构的模态振型函数作为伽辽金截断法的试函数与权函数. 首先, 研究截断数对伽辽金截断法稳定性的影响, 并采用谐波平衡法研究伽辽金截断法的可靠性. 在此基础上, 研究谐波激励扫频方向、非线性支撑参数对具有非线性支撑和弹性边界约束的轴向载荷梁结构动力学响应的影响规律. 研究结果表明, 具有非线性支撑和弹性边界约束的轴向载荷梁结构的动力学响应具有初值敏感性且非线性支撑参数对梁结构动力学响应的影响显著. 相关非线性支撑参数使得梁结构出现复杂动力学行为. 合适的非线性支撑参数能够抑制具有非线性支撑和弹性边界约束的轴向载荷梁结构的复杂动力学行为并对梁结构边界处的减振具有有益效果.
2022, 54(9): 2529-2542. doi: 10.6052/0459-1879-22-088
重力环境下液体大幅晃动运动脉动球模型及实验研究
卢煜, 岳宝增, 马伯乐, 郝柏隆, 常园园, 张薇
现代航天器通常携带大量的液体推进剂, 在航天器的姿态发生变化的过程中, 由于惯性力和重力的作用, 可能会导致液体燃料发生剧烈晃动, 由此产生附加的晃动力会对航天器造成重要影响. 为了得到液体晃动的规律并满足星载计算机实时计算的要求, 本文研究并验证了一种用于等效液体大幅晃动的动力学模型. 首先将液体大幅晃动运动脉动球模型MPBM推广到重力环境中, 通过脉动球的牛顿−欧拉动力学方程和“呼吸运动”过程中能量关系式, 推导出晃动力法向分量的表达式. 同时, 引入不参与晃动的液体的等效模型, 使得液体质心位置的计算更加准确. 通过和文献中实验数据以及CFD软件的计算结果进行比较, 分别验证了推广的MPBM模型在大幅晃动、零动量机动工况下的有效性, 并基于该等效模型, 研究了脉冲激励的不同时序对航天器中液体晃动响应的影响. 最后, 设计并搭建了用于精确测量液体晃动力的实验平台, 验证了MPBM模型在等效非球形储箱的液体晃动时也同样可以很好地反应出晃动力的变化趋势. 本文的研究工作对进一步研究重力环境中充液航天器刚–液耦合动力学行为具有重要的参考价值.
2022, 54(9): 2543-2551. doi: 10.6052/0459-1879-22-187
考虑非线性本构的非刚性折纸结构动力学建模与分析
袁婷婷, 任昆明, 方雨桥, 刘锦阳
折纸结构因其大收纳比、高可控性、可重构、制造装配简单以及设计多样等优势, 在航天、生物医学、建筑、机器人、材料科学等工程领域有着广阔的应用前景. 随着折纸结构的工程应用越来越广泛, 针对低刚度折纸结构的动力学研究愈加重要. 本文将非刚性折纸结构等效为带卷簧的空间桁架结构, 建立了一种通用的杆–链动力学模型. 考虑材料的几何非线性, 采用基于Ogden超弹性本构的杆单元来模拟折痕和虚拟折痕, 可适用于作大范围运动并具有大变形的折纸结构. 引入非线性卷簧来体现折痕的抗弯作用, 相较于传统的卷簧本构模型, 本文提出的改进的非线性卷簧本构模型具有更强的通用性和鲁棒性, 能够有效避免接触碰撞动力学中折叠面的穿透. 基于虚功原理, 建立了考虑阻尼效应的非刚性折纸多体系统的动力学方程, 并采用变步长的广义-α 法求解. 最后, 对三种经典折叠形式的非刚性折纸结构进行动力学仿真, 验证了本文提出的杆–链动力学模型的准确性和高效性. 通过施加虚拟折痕和修正初始构型, 有效解决了刚性折纸模型中展开和收拢过程的锁定问题. 与刚性折纸模型相比, 杆–链动力学模型具有更好的数值模拟通用性, 并能够给出具有大变形张紧构型. 在此基础上, 揭示了非刚性折纸结构复杂的动力学行为, 并对多稳态、瞬态动力学和波动力学特性进行分析.
2022, 54(9): 2552-2566. doi: 10.6052/0459-1879-22-176
简谐激励下黏弹性非线性能量阱的研究
范舒铜, 申永军
黏弹性材料作为一种良好的减振材料, 广泛应用于机械、航空和土木等领域. 本文用黏弹性Maxwell器件代替传统非线性能量阱中的阻尼元件, 提出一种新型的黏弹性非线性能量阱, 并对该模型在简谐激励下的减振性能进行分析. 首先, 根据牛顿第二定律建立系统的动力学方程, 采用谐波平衡法求解系统的幅频响应曲线, 并利用MATLAB中的Runge-Kutta数值方法验证解析解的正确性, 结果吻合良好. 然后, 分析黏弹性非线性能量阱的减振性能和参数的影响. 最后, 分析了不同质量比下非线性刚度比和阻尼比同时变化时减振效果的变化趋势, 并讨论了黏弹性非线性能量阱的最佳取值范围. 研究结果表明: 主系统的最大振幅随着非线性刚度的增加先减小后增大; 当参数选取恰当时, 黏弹性非线性能量阱比传统非线性能量阱的减振效果更优; 另外, 随着质量比的增加, 主系统最大振幅的最小值出现先减小后趋于不变的现象, 且非线性刚度比和阻尼比的最佳取值范围有所增大. 以上结论对黏弹性非线性能量阱的实际应用提供了一定的理论依据.
2022, 54(9): 2567-2576. doi: 10.6052/0459-1879-22-193
一种基于Hamel形式的无条件稳定动力学积分算法
顾崴, 刘铖, 安志朋, 史东华
时间积分算法是求解动力学系统的一个核心问题. 动力学方程的时间积分经常会出现数值不稳定现象, 有限元空间离散也通常会造成伪高频振荡, 因而, 发展解决上述问题的数值积分算法具有重要的理论价值. 本文基于Hamel场变分积分子, 通过新的数值积分算法的构造方法, 提出了一种无条件稳定的Hamel广义$ \alpha $方法, 具体内容包括: 构造特殊的变分形式, 利用变分积分子等工具, 建立无条件稳定的数值积分算法; 在相同框架下, 提出更高精度的数值格式; 结合活动标架法的特性, 将算法的一般形式推广到李群空间, 得到Hamel广义$ \alpha $方法李群形式; 对算法的收敛性和稳定性等性质进行了讨论, 并通过算例验证了结论. 理论分析的结果表明本文所提出的Hamel广义$ \alpha $方法是无条件稳定的, 具有二阶精度并且能够快速过滤掉虚假的高频振荡. 数值算例的结果显示, 本文所提方法具备了传统方法的精度、耗散和稳定性优势, 既适合一般的线性空间, 也适用于李群空间, 同时还可以发展高阶精度算法. 本文发展了构造变分积分子的新模式.
2022, 54(9): 2577-2587. doi: 10.6052/0459-1879-22-131
热-动力学耦合多体系统建模与降阶
田青龙, 於祖庆, 兰朋, 陆念力
在轨运行的卫星天线受到太阳辐射热冲击后容易出现热致振动或指向不准确等问题, 严重时会导致航天器失效. 本文提出了一种基于改进模态综合法的刚柔热耦合多体系统建模与降阶方法. 采用绝对节点坐标法单元形函数对柔性天线的位移场与温度场进行统一离散插值, 避免了两种物理场网格不匹配带来的映射误差与效率问题, 并使用绝对节点坐标参考节点描述中心刚体. 在系统方程中考虑了热流输入和表面自热辐射. 针对绝对节点坐标法切线刚度阵高度非线性的特点, 利用一阶泰勒展开对系统动力学和传热学方程进行了分段线性化, 在线性化区间内切线刚度矩阵为常数矩阵, 避免了每个时间步上的弹性力及其雅克比矩阵的迭代计算, 并使得基于模态的降阶手段得以应用. 利用改进的模态综合方法划分子结构并缩减系统自由度. 相邻子结构之间通过约束方程保证连接精度和连续性. 通过纯导热半圆形薄板、薄板的热膨胀、柔性太阳能电池板和刚柔热耦合抛物线天线四个数值算例验证本文所提出方法的有效性. 结果表明, 本文提出的方法在保证仿真精度的前提下缩减了系统规模, 提高了仿真计算效率.
2022, 54(9): 2588-2600. doi: 10.6052/0459-1879-22-207
基于胡聿贤谱的带支撑广义Maxwell阻尼隔震结构随机响应分析
邹万杰, 刘美华, 李创第, 葛新广
工程中通过设置支撑将阻尼器和建筑结构连接, 但常为了简化分析, 将支撑的水平刚度看成无穷大, 即不考虑支撑对耗能结构随机地震响应的影响. 实际上, 考虑有限水平刚度的支撑对耗能结构响应的影响更加符合工程实际, 为考虑支撑影响的广义Maxwell耗能隔震结构在胡聿贤谱地震激励下的响应分析, 提出一种求解随机地震响应的简明解析解法. 将带支撑广义Maxwell阻尼器等效本构关系、隔震结构运动方程以及胡聿贤谱滤波方程联合组成非经典阻尼系统, 运用复模态法对该非经典阻尼系统解耦, 通过不同响应模态获得耗能隔震系统系列响应基于白噪声激励的Duhamel积分表达式; 利用Dirac函数的性质, 将系统系列响应协方差简化为无积分运算的表达式, 根据功率谱密度函数与其协方差函数的Wiener-Khinchin关系, 得到耗能隔震系统系列响应功率谱和地面加速度功率谱, 基于随机振动理论中谱矩的定义, 得到耗能隔震系统系列响应0 ~ 2阶谱矩. 算例通过与虚拟激励法对比分析, 验证所提方法在该耗能隔震系统分析的正确性和高效性, 并讨论了不同支撑刚度对阻尼器减震效果的影响.
2022, 54(9): 2601-2615. doi: 10.6052/0459-1879-22-147
生物、工程及交叉力学
融入压力分布信息的气动力建模方法
赵旋, 张伟伟, 邓子辰
气动外形优化设计与飞行器性能分析中, 直接运用数值模拟或风洞实验获取气动力的成本高, 构建代理模型是提高外形优化和性能分析效率的重要途径. 然而, 构建模型的过程中, 研究者只关注积分后的气动力和力矩信息. 本文通过充分利用采样过程中所产生的压力分布信息, 来提高建模的精度和泛化性, 进而降低样本获取的成本. 提出了一种小样本框架下融入压力分布信息的气动力建模方法, 首先通过数值模拟或风洞试验获得不同流动参数状态下翼型表面的压力分布信息和气动系数, 其次通过本征正交分解技术对压力分布信息进行特征提取, 获取不同输入参数状态下压力分布信息对应的POD系数, 之后结合输入参数通过Kriging算法对压力分布信息进行建模, 将压力分布信息积分得到低精度气动系数的预测模型, 最后低精度气动系数结合输入参数通过Kriging算法构造高精度的气动系数预测模型. 通过同状态变翼型算例以及CAS350翼型变状态算例进行验证, 该方法相比于传统的克里金模型直接预测气动力, 有效提高了气动力的预测精度和模型的鲁棒性, 同时缩小了学习样本的数据量.
2022, 54(9): 2616-2626. doi: 10.6052/0459-1879-22-170
基于智能驾驶电动汽车的多车−桥梁耦合系统动力学特性研究
张宇, 王嘉伟, 李韶华, 任剑莹
迫于能源和环保问题的压力, 电动汽车及智能驾驶受到了各国高度重视. 轮毂电机驱动电动汽车车轮振动剧烈, 与桥梁路面动力学相互作用更加突出, 现有研究主要针对传统汽车, 关于电动车轮与公路桥梁接触动力学相互作用及智能驾驶车队的多车−桥梁耦合作用研究尚不多见. 本文以轮毂电机驱动电动汽车为研究对象, 考虑车轮和桥面多点接触关系, 研究了两个智能驾驶汽车过桥时的车桥耦合动力学特性. 分析了电机质量、电机激励、轮胎悬架刚度非线性、车距、车速对系统振动特性的影响, 以及桥面不平顺激励、三重耦合激励对电动汽车平顺性的影响. 研究表明: 车距和车速是影响车−桥系统振动特性的重要因素, 在车−桥耦合动态设计中, 车距和车速的影响应重点关注; 桥面越平坦, 电机激励及桥面二次激励对车辆平顺性和道路友好性影响越加显著, 当汽车行驶在平坦桥面时两种激励对轮毂电机驱动电动汽车的影响不容忽视. 所建模型有望为智能驾驶电动汽车与桥梁的耦合作用研究提供理论参考.
2022, 54(9): 2627-2639. doi: 10.6052/0459-1879-21-600