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弯曲波彩虹捕获效应及其在能量俘获中的应用
王芳隆, 沈一舟, 徐艳龙, 周生喜, 杨智春
弹性波在色散关系经过设计的梯度结构中传播时会产生空间分频现象和波场能量增强现象, 即不同频率的弹性波会在结构的不同位置停止向前传播并发生能量聚集, 这就是弹性波彩虹捕获效应. 其相关研究成果可以促进结构健康监测、振动控制以及能量俘获等领域的发展. 本文通过所设计的梯度结构梁, 系统地研究了弯曲波彩虹捕获效应及其在压电能量俘获中的应用. 首先, 利用传递矩阵法获得了梯度结构梁元胞能带结构的解析解, 进而分析了弯曲波彩虹捕获效应的产生机理: 不同频率的弯曲波会在不同元胞附近群速度减小到零, 从而停止向前传播并发生反射; 入射波和反射波的叠加, 以及群速度减小带来的能量聚集, 会显著增强反射处的波场能量. 其次, 通过有限元仿真和实验验证了弯曲波彩虹捕获效应的空间分频现象和波场能量增强现象. 最后, 通过有限元多物理场耦合仿真和实验, 研究了粘贴PVDF压电薄膜的梯度结构梁相对于均匀梁的弯曲波能量俘获效果及其随入射波频率的变化规律. 结果表明, 在弯曲波彩虹捕获效应发生频带内, 粘贴在梯度结构梁上的PVDF压电薄膜的输出电压约为粘贴在均匀梁相应位置处的PVDF压电薄膜的输出电压的2倍.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-107
低频弹性波超材料的若干进展
王凯, 周加喜, 蔡昌琦, 徐道临, 文桂林
超材料是一类新兴的具有超常物理性质的人造周期/拟周期材料, 能够改变电磁波、声波以及弹性波等在介质中的传播特性. 因在航天、国防以及民用科学等方面的巨大应用潜力, 超材料自被提出后便受到极大的关注并引发研究热潮. 弹性波超材料是超材料的一种, 能够基于弹性波与超材料结构的相互耦合作用实现对弹性波的操控. 带隙是评估弹性波超材料实现弹性波操控的重要工具, 其性质与超材料的材料参数、晶格常数以及局域振子的固有频率相关. 受制于超材料的承载能力、外观尺寸以及局域振子结构等因素, 利用传统超材料开启低频( ~ 100 Hz)弹性波带隙依然存在较大困难. 文章首先简要介绍超材料开启弹性波带隙的基本原理, 然后从低频弹性波超材料基本结构与低频带隙实现方法、低频带隙优化与调控策略、低频带隙潜在应用等三个方面详细总结低频弹性波超材料的研究工作. 其中, 低频带隙超材料的基本结构主要包括布拉格散射型超材料、传统局域共振型超材料以及准零刚度局域共振超材料. 文章通过总结低频弹性波超材料的研究进展, 分析了目前研究中的不足并对未来低频弹性波的研究方向进行了展望.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-108
基于优化多核极限学习机的车轮多边形磨耗识别
谢博, 陈是扦, 徐明坤, 杨云帆, 王开云
多边形车轮是铁路机车车辆中普遍存在的一种磨损现象, 随着列车运营里程的增加, 车轮磨耗程度显著提升, 严重影响着列车乘坐舒适性和运营安全性, 借助于列车运营监测大数据开展多边形车轮动态检测方法研究具有重要意义. 本研究基于列车轴箱垂向加速度建立了多边形车轮定量识别模型, 首先通过阶次分析识别出轴箱加速度中包含的多边形车轮主要阶次, 同时获取各阶次对应的加速度幅值信息, 在此基础上引入加速度信号熵特征共同构建多边形车轮磨耗幅值识别特征矩阵, 然后建立遗传变异粒子群优化多核极限学习机 (GMPSO-MELM) 识别模型, 通过特征矩阵与磨耗幅值的映射关系, 进一步实现了车轮多边形磨耗幅值识别. 通过仿真与现场实测数据研究结果表明, 所提出的识别模型能有效地从轴箱加速度中提取多边形车轮主要阶次, 磨耗幅值的识别精度均优于对比模型且具有较高的检测效率, 可实现均方根误差为0.0010 (仿真结果) 与0.0134 (试验结果) 的精确识别, 本文提出的多边形车轮磨耗识别模型可为列车车轮检测与智能维护提供理论基础.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-083
基于神经网络的核电厂设备易损性分析
刘鸿泉, 陈少林, 孙晓颖, 吴绍恒
核电结构的易损性分析是核电厂地震安全评估中至关重要的一环, 但是由于核电结构的复杂性以及考虑土−结相互作用(SSI)时较大的计算规模, 使得计算核电厂设备易损性曲线十分耗时. 为发展高效的核电厂设备易损性分析方法, 本文采用核电结构土−结相互作用分析的分区计算方法, 并利用有限的SSI分析结果建立神经元模型(ANN)代替有限元模型(FEM), 分别基于对数正态假定的回归法和蒙特卡洛法进行了设备易损性分析. ANN数值模拟包括了以下内容: (1)基于半偏相关系数选择最相关的地震动参数作为ANN输入, 并通过交叉检验建立神经元模型; (2)量化研究ANN数值模拟的预测不确定性, 其中包含了由于简化地震动输入引起的随机不确定性和训练样本缺失引起的认知不确定性; (3)基于ANN模型预测结果分别采用蒙特卡洛法和基于对数正态假定的回归法进行设备的易损性分析. 本文探讨了不同的地震强度指标以及土层材料的不确定性对易损性曲线的影响, 同时验证了回归法中对数正态模型假定的基本合理性, 为核电厂设备易损性分析提供了一种可能方向.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-466
高斯色噪声和谐波激励共同作用下耦合SD振子的混沌研究
周碧柳, 靳艳飞
耦合SD振子作为一种典型的负刚度振子, 在工程设计中有广泛应用. 同时高斯色噪声广泛存在于外界环境中, 并可能诱发系统产生复杂的非线性动力学行为, 因此其随机动力学是非线性动力学研究的热点和难点问题. 本文研究了高斯色噪声和谐波激励共同作用下双稳态耦合SD振子的混沌动力学, 由于耦合SD振子的刚度项为超越函数形式, 无法直接给出系统同宿轨道的解析表达式, 给混沌阈值的分析造成了很大的困难. 为此, 本文首先采用分段线性近似拟合该振子的刚度项, 发展了高斯色噪声和谐波激励共同作用下的非光滑系统的随机Melnikov方法. 其次, 基于随机Melnikov过程, 利用均方准则和相流函数理论分别得到了弱噪声和强噪声情况下该振子混沌阈值的解析表达式, 讨论了噪声强度对混沌动力学的影响. 研究结果表明, 随着噪声强度的增大混沌区域增大, 即增大噪声强度更容易诱发耦合SD振子产生混沌. 当阻尼一定时, 弱噪声情况下混沌阈值随噪声强度的增加而减小; 但是强噪声情况下噪声强度对混沌阈值的影响正好相反. 最后, 数值结果表明, 利用文中的方法研究高斯色噪声和谐波激励共同作用下耦合SD振子的混沌是有效的.本文的结果为随机非光滑系统的混沌动力学研究提供了一定的理论指导.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-123
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(LSTM)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.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-130
基于2 D网格的轴对称浸没边界法
蔡政刚, 潘君华, 倪明玖
浸没边界法是处理颗粒两相流中运动边界问题的一种常用数值模拟方法. 当研究的物理问题的无量纲参数满足一定要求时, 该流场结构呈现轴对称状态. 为此本文提出了一种基于2D笛卡尔网格和柱坐标系的轴对称浸没边界法. 该算法采用有限体积法(FVM)对动量方程进行空间离散, 并通过阶梯状锐利界面替代真实的固体浸没边界来封闭控制方程. 为了提高计算效率, 本文采用自适应网格加密技术提高浸没边界附近网格分辨率. 由于柱坐标系的使用, 使得动量方程中的粘性项产生多余的源项, 我们对其作隐式处理. 此外, 在对小球匀速近壁运动进行直接数值模拟时, 由于球壁间隙很小, 间隙内的压力变化比较剧烈. 因此想要精确地解析流场需要很高的网格分辨率. 此时, 需要在一个时间步内多次实施投影步来保证计算的稳定性. 而在小球自由碰壁运动中, 我们通过引入一个润滑力模型使得低网格分辨率下也能模拟小球近壁处的运动. 最后通过小球和圆盘绕流、Stokes流小球近壁运动以及小球自由下落碰壁弹跳算例验证本算法对于轴对称流的静边界和动边界问题均是适用和准确的.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-110
求解固体力学问题的强-弱耦合形式单元微分法
胡凯, 高效伟, 徐兵兵
单元微分法是一种新型强形式有限单元法. 与弱形式算法相比, 该算法直接对控制方程进行离散, 不需要用到数值积分. 因此该算法有较简单的形式, 并且其在计算系数矩阵时具有极高的效率. 但作为一种强形式算法, 单元微分法往往需要较多网格或者更高阶单元才能达到满意的计算精度. 与此同时, 对于一些包含奇异点的模型, 如在多材料界面、间断边界条件、裂纹尖端等处, 传统单元微分法往往得不到较精确的计算结果. 为了克服这些缺点, 本文提出了将伽辽金有限元法与单元微分法相结合的强-弱耦合算法, 即整体模型采用单元微分法的同时, 在奇异点附近或某些关键部件采用有限元法. 该策略在保留单元微分法高效率与简洁形式等优点的同时, 确保了求解奇异问题的精度. 在处理大规模问题时, 针对关键部件采用有限元法, 其他部件采用单元微分法, 可以在得到较精确结果的同时, 极大提高整体计算效率. 在本文中, 给出了两个典型算例, 一个是具有切口的二维问题, 一个是复杂的三维发动机问题. 针对这两个问题, 分析了该耦合算法在求二维奇异问题和三维大规模问题时的精度与效率.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-087
剪切变稀流体液滴撞击疏水表面回弹现象及最大铺展的研究
郑诺, 刘海龙
非牛顿流体液滴撞击固体表面的行为广泛存在于多种工农业生产中, 然而目前相关研究主要关注牛顿流体, 非牛顿流变特性对液滴撞击动力学的影响机制还有待探索. 本文研究了纯剪切变稀流体(质量分数≤ 0.03%的黄原胶水溶液)液滴撞击疏水表面后的最大铺展及回弹行为. 通过高速摄像技术捕获液滴撞击疏水表面的运动过程及形态变化, 研究了液滴的铺展回缩过程. 实验结果表明, 在相同We下, 剪切变稀特性对液滴撞击疏水表面后的铺展阶段影响很小, 但对回缩阶段影响很大. 黄原胶浓度增加使得液滴依次表现出部分回弹、完全回弹和表面沉积三种不同的回弹行为. 利用能量守恒定律推导出了液滴能在疏水表面上回弹的临界无量纲高度ξc理论值. 发现牛顿流体与非牛顿流体液滴最大无量纲高度ξmax均符合标度律ξmax ~ αWe斜率随黄原胶浓度增大而减小. 基于有效雷诺数Reeff, 提出了一种有效黏度μeff表达式, 并据此建立了剪切变稀流体的最大无量纲直径βmax预测模型. 该模型在较广We区间与实验测量值取得了良好一致.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-135
多个柔性梁V型集群行为节能机理研究
张磊, 敖雷, 裴志勇
V型排列是自然界中常见的动物(如大雁等迁徙性鸟类)集群模式,普遍推测该模式可以有效地降低能耗,然而目前没有研究给出相关的直接数据证据.本文拟采用基于Fluent二次开发的数值方法求解多个柔性体-流体介质相互作用的流固耦合问题,其中流体动力学方程采用有限体积法进行求解,柔性体动力学控制方程通过用户自定义模块(UDF)嵌入,并采用模态叠加法和4阶龙格库塔法求解,流固交界面形变使用动网格技术处理.数值模拟了多个自推进二维柔性梁自主形成V型集群的运动过程,将得到的推进性能参数(平均速度,输入功率和效率)与单独自推进柔性体的数据进行对比,研究发现该V型集群运动中不仅后排柔性梁的速度和推进效率得到提升,领头柔性梁性能也得到大幅提升,增幅均超过14%.此外,对V型集群运动的流场细节(涡量和压力云图)开展分析,用于揭示集群行为产生的原因和节能的内在机理,特别是对领头柔性梁的节能机理进行阐述.
条形荷载下梯度非均匀非饱和土的动力响应分析
施力维, 马强, 舒进辉
基于多孔介质混合物理论,建立了梯度非均匀非饱和土地基模型,研究了条形荷载作用下梯度非均匀非饱和土地基的动力响应问题。结合回传射线矩阵法和边界条件,求解获得了非均匀非饱和土层中位移、应力以及孔隙压力的计算列式。假设沿深度方向梯度非均匀非饱和土的物理力学性质按幂函数连续变化,通过数值Fourier逆变换得到了时域中非均匀非饱和土地基的应力、位移以及孔隙压力等物理量的数值解,分析讨论了土体非均匀性对非饱和土介质动力响应的影响规律。结果表明:土骨架竖向位移随梯度因子的增大不断减小,土骨架正应力随着梯度因子的增大先增大后减小,而孔隙水压和孔隙气压随梯度因子的增大先减小后增大。
碳氢燃料超声速燃烧分区实验研究
孟凡钊, 周芮旭, 李忠朋, 连欢
高保真度空天发动机数值模拟通常基于快速化学反应火焰面假设, 即超声速燃烧反应的特征尺度小于湍流Kolmgorov尺度, 该模型方法对于氢气燃料仿真计算结果较好, 但对于乙烯等碳氢燃料仍需进一步研究. 受限于极端环境特种非接触测量技术, 目前尚未见超声速燃烧火焰分区判别的实验研究, 导致目前超声速燃烧火焰面模型适用性以及分区燃烧物理模型认识不清, 进而也制约了数值发动机技术发展. 本工作基于自主研发的MHz发动机内窥光纤传感器, 针对单边扩张双模态冲压发动机超声速燃烧火焰分区开展实验研究, 通过化学自发光信号的最小香农熵定义超声速燃烧的特征时间${\tau _{sc}}$, 根据理论方法和来流工况估算了超声速燃烧的流动特征时间, 结合分区燃烧理论分析了双模态超燃冲压发动机内碳氢燃料燃烧的分区情况. 通过燃烧分区情况以及与泰勒尺度的比较结果, 验证了碳氢燃料超燃冲压发动机典型飞行条件下燃烧室内超声速燃烧处于旋涡小火焰区域(Re$ \cong $50000; Da∈1.80−2.60, B区 ), 多尺度湍流渦结构发挥重要作用, 并随着相对于泰勒尺度的不同大小, 分别对应了不同尺度的涡结构主导该过程. 同时给出了当量比、通量比以及来流马赫数对燃烧特征时间的影响规律. 实验发现, 在一定范围内随着当量比增加燃烧逐渐增强, 并且增强效果明显强于通量比的影响; 而通量比的变化会使得燃烧出现分岔等情况; 来流马赫数的变化对于燃烧的影响效果更为明显, 也表明了宽域来流影响作用机制是未来宽域湍流燃烧理论研究的重要方向.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-686
土的各向同性化变换应力方法
姚仰平, 唐科松
在不同方向的力学参数、结构特性及应力应变关系的不同为材料的各向异性, 建立能够反映这种复杂特性的强度准则、本构模型, 对于材料本构关系的研究具有重要的理论意义. 但材料的各向异性一直是其力学特性描述的难点, 对此, 郑泉水院士提出了各向同性化定理, 为后续研究解决材料的各向异性问题提供了方向及思路. 作者等针对土的应力诱导各向异性提出了变换应力方法, 这种方法同样遵循对材料进行各向异性问题各向同性化处理的思路, 与郑泉水院士的各向同性化定理是一脉相承的, 也是对各向同性化定理的发展. 本文旨在通过分析各向同性化定理与变换应力方法明确两者间的内在联系, 并以土材料的应力诱导各向异性处理为例, 说明在具体材料的各向异性处理过程中面临的现实问题以及变换应力方法是如何解决这些问题的. 分析并给出了变换应力方法应用时的三个合理假设, 推导出了具体的变换应力数学公式, 阐明了在考虑土的应力诱导各向异性的具体函数已经给出的情况下, 在构造土的弹塑性本构模型中采用变换应力方法的必要性.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-651
气动载荷下防热材料剥离颗粒输运特性的直接数值模拟研究
李婷婷, 李青, 涂国华, 袁先旭, 周强
高超声速飞行器防热材料在气动载荷下发生机械剥蚀, 进而影响绕流流态、气动性能、热载荷等, 相关颗粒剥离动力学是高超声速热防护系统设计及防热材料体系评价中的共性基础性科学问题. 研究通过近壁流动量纲分析, 将烧蚀颗粒剥离过程模化为单个圆球惯性烧蚀颗粒在Couette流动中的动力学问题, 并采用颗粒解析的直接数值模拟方法开展数值研究, 获得了烧蚀颗粒关键特征参量对颗粒输运动力学的影响规律. 研究发现, 随着颗粒/流体密度比$ {\rho _r} $越大, 颗粒惯性St越大, 则颗粒水平和法向输运速度均减小; 随着颗粒粒径${d_{\text{p}}}$越大, 颗粒惯性St越大, 则颗粒水平输运速度减小, 但是, 法向输运速度和位移均因大颗粒受到更大的Saffman升力而增大. 此外, 烧蚀颗粒法向位移远小于水平位移, 颗粒以水平输运为主. 本研究最终建立了颗粒启动速度归一化表达式, 发现归一化颗粒启动速度是颗粒和流体惯性的函数, 即颗粒水平输运速度等于流体微团或中性浮力颗粒的速度减去惯性修正项. 研究结果为烧蚀颗粒调制边界层作用机理研究提供支撑.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-604
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。
加载速率和几何尺寸对国产A508-III钢断裂行为影响的实验研究
崔光顺, 包陈, 李一磊, 孙建华, 杜开开
由加载速率和几何约束改变而引起的压力容器钢韧脆转变问题是核能安全领域亟待解决的关键问题. 为了准确分析国产A508-III钢的动态断裂行为, 借助INSTRON VHS高速材料试验机, 开展了不同加载速率和几何尺寸条件下的国产A508-III钢的断裂韧性试验, 研究了加载速率和几何尺寸等因素对国产A508-III钢动态断裂韧性的影响. 研究表明, A508-III钢具有良好的抗冲击韧性, 随着加载速率的提高, 试样的总冲击吸收能基本保持恒定, 裂纹萌生吸收能量不断上升, 而裂纹扩展吸收能量呈下降趋势. Ja阻力曲线和条件起裂韧性JQ随着几何约束的增加而降低, 随加载速率的增加而升高. 当达到某一临界速率时, 条件起裂韧性JQ基本恒定, 试样断裂方式也由韧性断裂转变为韧-脆-韧混合断裂. 由于出现混合断裂模式, 发生脆性断裂时的最大J积分值Jmax更适于描述国产A508-III钢的断裂韧性演化规律. 随着试样面外几何约束的降低, Jmax随Δam的增加而线性增大. 试样面内几何约束越高, Jmax与Δam之间的线性关系斜率越大. 随着试样几何约束的增加, 材料的韧脆转变速率增加, Jmax值下降. 改变几何约束只能在有限的加载速率范围内改变材料的断裂方式, 当加载速率超过某个临界值时, 加载速率成为影响材料断裂方式的主要因素.
, doi: 10.6052/0459-1879-21-613
发动机中的关键流体力学问题专题序
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