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超高微重力水平的卫星平台在空间引力波探测、地球重力场测量中发挥着重要的作用，脉冲微推力器可以帮助微重力卫星实现姿态控制。微冲量是评价脉冲微推力器性能的重要指标之一，常用的基于扭摆的微冲量测量方法有两种，方法一是根据单个冲量元瞬间作用于无阻尼扭摆后，扭摆转动最大角位移计算冲量，方法二是根据高固定频率的连续脉冲作用于有阻尼扭摆后，扭摆转动的平均角位移计算冲量。为了在地面实现对脉冲微推力器的微冲量测量，利用已有的基于扭摆的亚微牛级推力测量系统，进行了实验研究。利用静电梳齿产生的标准静电力标定已有的扭摆推力测量系统，通过电容式位移传感器测量扭摆角位移，进而得到推力与角位移的关系，以及其他扭摆系统参数；然后，根据两种冲量测量方法，再以电磁螺线圈与永磁体分别产生瞬时磁力与固定频率的磁力作用于扭摆，研究推力测量系统微冲量测量性能。实验结果表明：使用方法一时，推力测量系统冲量测量范围为0.05μN?s-220μN?s，分辨力可达到0.02μN?s；而利用方法二测量微冲量相比于方法一而言，能够扩大冲量测量范围，提高冲量分辨能力。
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气相爆轰波在周期性非均匀介质中的起爆，稳态传播和失效机制都极为复杂，很多物理机制尚不明确，是当前爆轰物理领域研究的热点和难点。本文使用反应欧拉方程和两步化学反应模型对爆轰波在非均匀介质中的传播机理进行了数值模拟研究，非均匀性由横向周期性分布的温度扰动体现，重点分析不同波长、不同幅度的温度扰动对波阵面波系结构的影响。计算结果表明，ZND爆轰波的在温度扰动下向胞格爆轰波的转变主要受制于两个竞争性的因素：一是爆轰波内在的不稳定性，二是温度扰动的波长和幅度，前者是内因，后者是外因。温度扰动的存在抑制横波的发展，延迟了ZND爆轰波向胞格爆轰波的演化，并且内在不稳定性的增加可以减慢这种延迟现象。这说明，温度扰动可以在一定的范围内抑制胞格不稳定性的发展，但是不能够终止这一过程。温度的不连续性使得爆轰波阵面更为扭曲，使得在横波附近存在较弱的三波点结构，即温度扰动增加了爆轰波固有的不稳定性，改变了爆轰波阵面的传播机理。幅值较大的人工温度扰动抑制了爆轰波的传播和爆轰波自身的不稳定性。爆轰波阵面胞格结构的形成取决于温度扰动与其自身的不稳定性。
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流体运动理论上可用Navier-Stokes方程描述，但由于对流项带来的非线性，仅在少数情况可求得方程解析解。对于复杂工程流动问题，数值模拟难以高效精准计算高雷诺数流场，实验或现场测量难以获得流场丰富细节。近年来，人工智能技术快速发展，深度学习等数据驱动技术可利用灵活网络结构，借助高效优化算法，获得对高维、非线性问题的强大逼近能力，为研究流体力学计算方法带来新机遇。有别于传统图像识别、自然语言处理等典型人工智能任务，深度学习模型预测的流场需满足流体物理规律，如Navier-Stokes方程、典型能谱等。近期，物理增强的流场深度学习建模与模拟方法快速发展，正逐渐成为流体力学全新研究范式：根据流体物理规律选取网络输入特征或设计网络架构的方法称为物理启发的深度学习方法，直接将流体物理规律显式融入网络损失函数或网络架构的方法称为物理融合的深度学习方法。研究内容涵盖流体力学降阶模型、流动控制方程求解领域。
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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。
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通过在交通环境布置无线传感器等小型机电系统，实现交通状况监测、交通系统管控、交通设施健康状态监测等，可以使交通系统更加安全、有序、高效地运行。但是，如何为这些广泛分布的小型机电系统供能？本文提出了一种磁力耦合道路能量收集设计，用以收集车辆滚压能量并转换成电能。通过磁力耦合进行无接触能量传递，减小了装置受到的冲击并使得装置具有良好密封性，从而提升装置的鲁棒性。通过升频齿轮机构、棘轮机构将车辆滚压激励转换为高速单向旋转，并且通过换向齿轮机构能够继续收集复位弹性势能，提高了收集装置的输出功率。基于磁力耦合道路能量收集系统的工作原理建立了机电耦合动力学模型。数值仿真探究了减速带限位距离和复位弹簧刚度等关键设计参数对能量采集系统动力学和电学性能的影响。能量采集系统在车速为50 km/h时最大输出电压为76.28 V，最大功率为59.94 W。磁力耦合道路能量收集装置可以成为未来智慧交通系统的重要组成部分，俘获交通环境能量为交通环境中小型机电系统提供可持续的绿色无碳电力。
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本文发展了一种求解面内变刚度功能梯度薄板弯曲问题的神经网络方法。面内变刚度薄板弯曲问题的偏微分控制方程为一复杂的四阶偏微分方程，传统的基于强形式的神经网络解法在求解该偏微分方程时可能会遇到难以收敛、边界条件难以处理的情况。本文基于Kirchhoff薄板弯曲理论，提出了一种直角坐标系下任意面内变刚度薄板弯曲问题的神经网络解法。本文神经网络模型包含挠度网络与弯矩网络，分别用于预测薄板的挠度与弯矩，从而将求解四阶偏微分方程转换为求解一系列二阶偏微分方程组，通过对挠度、弯矩试函数的构造可使得神经网络计算结果严格满足边界条件。在误差的反向传播中，根据本文
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1957年创刊，
月刊
主办单位：
中国科学院力学研究所
中国力学学会
创刊主编：钱学森，
现任主编：陆夕云
ISSN: 0459-1879
CN: 11-2062/O3
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高超声速飞行器强激波后高温气体形成具有导电性的等离子体流场,电离气体为磁场应用提供了直接工作环境.磁流体控制技术利用外加磁场影响激波后的离子或电子运动规律,可有效地改善高超声速飞行器气动特性,在飞行器气动力操控和热环境管理等方面均具有广阔的应用前景; 同时,超导材料及电磁技术的发展又重新推动了这一领域的研究热潮.虽然国内外在高超声速磁流体流动控制领域已开展了一些研究工作,但其实验研究依然极具挑战, 且由于实验条件及测量技术等限制,其压力、热流等参数的测量并没有得出较为系统的结论,因此需要对影响脱体激波距离、热流、压力变化的规律及机理进行深入研究; 同时,数值模拟方法和理论分析也亟待可靠的实验数据来对其进行验证.本综述调研和讨论了基于高温真实气体效应的磁流体流动控制技术研究,主要针对磁流体流动控制的试验技术、数值模拟、理论方法以及流动控制的主要研究方向等进行了总结,并对其发展趋势进行了讨论和展望.
2021, 53(6): 1515-1531.
doi: 10.6052/0459-1879-21-067
以石墨稀为代表, 二维材料有着诸多优异的性质, 在下一代电子器件等领域拥有广阔的应用前景. 目前绝大多数关于二维材料的研究都集中在其电子学和光学的性质和应用, 对于其力学性质的研究则相对欠缺, 而力学性质在二维材料的研究和应用中都有着至关重要的意义. 原子力显微镜是低维材料力学性质表征的主要手段, 例如基于原子力显微镜的纳米压痕技术. 本文首先简要介绍了二维材料的基本背景以及原子力显微镜的工作原理. 进一步展示了纳米压痕技术的工作原理和理论背景, 并回顾了利用纳米压痕技术研究二维材料面内力学性质的相关实验和理论工作, 同时探讨了原子力显微镜在表征二维材料力学性能中存在的测量误差及来源. 由于二维材料展现出强烈的各向异性, 纳米压痕技术在能够很好地测量二维材料面内力学性质的同时, 对于二维材料层间力学性质表征等方面存在明显的局限性. 第三部分介绍了一种全新的基于原子力显微镜的埃(Å)压痕技术, 该技术能够将形变尺度控制在0.1 nm以内, 从而精确地表征和调控二维材料的层间范德华作用力, 即层间力学性质. 作者在第三部分介绍了通过埃压痕技术表征和调控的石墨烯、氧化石墨烯等二维材料的层间力学性质. 最后简要介绍了范德华异质结材料的基本性质, 探讨了埃压痕技术在该材料力学性质研究中的潜在应用.
2021, 53(4): 929-943.
doi: 10.6052/0459-1879-20-354
本文针对水中放电气泡与水面浮体流固耦合作用开展实验和数值研究, 采用边界积分法对气泡运动进行数值模拟, 利用辅助函数法提高非线性流固耦合问题的计算精度, 同时运用双节点法保证气-液-固三相交界线的计算稳定性. 实验中, 采用水下放电技术生成气泡, 使用高速摄影捕捉气泡动力学行为与浮体运动响应. 首先对比数值与实验结果, 二者吻合良好, 验证了数值计算模型的有效性和正确性. 然后通过对气泡与浮体的无量纲距离$\gamma_{s} $ (气泡最大半径为特征长度)进行系统研究发现: (1) $\gamma_{s} $从0.2增大至2时, 气泡在坍塌阶段分别形成了颈缩型环状射流($0.2\leqslant \gamma_{s} \leqslant 0.3)$、接触射流($0.4\leqslant \gamma_{s} \leqslant 0.6)$、非接触射流($0.7\leqslant \gamma _{s} \leqslant 1)$、对射流($1.1\leqslant \gamma_{s} \leqslant 1.3)$和反射流($1.4\leqslant \gamma_{s} \leqslant 2)$等5种典型射流模式; (2)正射流速度随$\gamma_{s} $先增大后减小再增大, 并且当$0.7\leqslant \gamma_{s} \leqslant 0.9$时, 速度可达约1000 m/s; 反射流速度随$\gamma_{s} $增大而增大; (3)在本文实验条件下, $\gamma_{s} <1.5$时浮体对气泡的Bjerknes吸引力强于自由液面的Bjerknes排斥力导致气泡在坍塌阶段向浮体迁移; 当$\gamma_{s} \geqslant 1.5$时自由液面对气泡的排斥作用更强, 气泡在坍塌阶段远离自由液面.
2021, 53(4): 944-961.
doi: 10.6052/0459-1879-20-357
利用特定几何分布的超疏水表面实现气泡定向输运在矿物浮选和生物孵化等领域具有广阔的应用前景, 对平面直线超疏水轨道而言, 其壁面取向是相关工程结构的关键参数, 但超疏水壁面取向对倾斜壁面气泡滑移的影响尚不明确. 本文采用高速阴影成像系统研究了不同壁面取向($-90^\circ\leqslant \beta \leqslant 90^\circ$)及轨道倾角($45^\circ\leqslant \alpha \leqslant 75^\circ$)下, 气泡($D_{eq}=2.4$ mm, $Re=500$ $\sim$ 700, $We=7$ $\sim$ 13)在轨道宽度为2 mm的超疏水直线轨道上的运动特性. 气泡在轨道上的滑移近似为匀速, 形状为具有多脊的半子弹型. 根据气液界面波动程度的不同, 滑移气泡可分为波动型和稳定型, 稳定型气泡只在较小倾角且较大方位角时出现($45^\circ\leqslant \alpha < 70^\circ$, $| \beta | \geqslant 45^\circ$). 根据倾角不同, 滑移速度关于$\beta $有2种变化规律: 当$\alpha \leqslant 65^\circ$, 气泡滑移速度近似为关于$\beta =0^\circ$ 的单峰分布($\beta =0^\circ$时, 气泡滑移速度最大); 当$\alpha \geqslant 70^\circ$, 气泡滑移速度在不同的方位角下基本保持稳定. 气泡的最大滑移速度可达0.66 m/s ($\beta =0^\circ$, $\alpha =70^\circ$), 远大于相同尺度的自由上升气泡($\approx0.25$ m/s), 这主要是壁面浸润性分布和惯性力的耦合效应所致. 轨道取向(方位角$\beta )$及轨道倾角($\alpha )$通过改变气泡沿轨道方向的驱动力和气泡迎风面积影响气泡的滑移速度和气液界面稳定性.
2021, 53(4): 962-972.
doi: 10.6052/0459-1879-20-405
水气二相流与诸多领域的实际工程问题密切相关. 对二相流运动进行高精度的数值模拟是计算流体力学研究的难点和热点. 针对开敞水域的自由表面流运动问题, 将水和空气均视为不可压缩流体, 采用五阶加权基本无震荡(weighted essentially non-oscillatory, WENO)格式求解描述流体运动的纳维斯托克斯(Navier-Stokes, NS)方程, 利用以加权线性界面算法改进的多维双曲正切函数界面捕捉法(tangent of hyperbola for interface capturing with weighed line interface calculation, THINC/WLIC)追踪水气界面, 建立WENO-THINC/WLIC水气二相流运动数值模型. 模型采用分步计算法离散求解控制方程, 通过压力投影法求解压强场, 并利用三阶总变差递减(total variation diminishing, TVD)龙格库塔(Runge-Kutta, RK)法对时间项进行离散求解. 通过对环境速度场下Zalesak's disk和shearing vortex界面运动问题, 线性液舱晃荡问题以及溃坝问题的模拟结果与理论分析或试验结果的比较, 对所建立的水气二相流数值模型的适用性及模拟精度进行了验证. 结果表明, 本模型的模拟结果与物理模型或理论分析结果吻合良好, 能较为准确地再现不可压缩水气二相流运动现象. 鉴于WENO格式和THINC法本身在算法及应用等方面仍在不断改进, 本研究提出的WENO-THINC耦合模型为后续更高精度的二相流计算模型开发提供了一种研究思路.
2021, 53(4): 973-985.
doi: 10.6052/0459-1879-20-430
