力学学报

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邢好运, 刘卓, 汪球, 赵伟, 高亮杰, 刘中臣, 钱战森

火星大气中会发生不同规模的沙尘暴, 大气中蕴含的尘埃颗粒会对高速进入的火星探测器表面造成侵蚀并导致壁面热流增加, 给探测器的热防护系统设计带来巨大挑战. 本文针对高超声速火星进入环境两相流动问题, 基于Euler-Lagrange框架建立了非平衡流场与颗粒的单向耦合计算方法, 采用模态半径为0.35 μm的火星大气颗粒分布模型, 研究了不同尺寸颗粒在流场中的运动轨迹, 获得了高温相变模型对颗粒运动的影响以及不同粒径颗粒的撞击能量分布. 结果表明, 颗粒在高温流场中运动会吸热融化甚至蒸发, 高温相变模型导致的颗粒直径减小对小尺寸颗粒运动轨迹有较大影响; 当前计算状态下, 直径3 μm以上的颗粒具有较大的Stokes数且颗粒半径在运动过程中基本保持不变, 其运动轨迹受流场影响较小, 该尺寸颗粒的撞击分数均达95%以上, 是造成壁面撞击的主要颗粒尺寸; 撞击能量分数结果表明, 直径3-10 μm之间的颗粒是撞击能量的主要来源, 约占总撞击能量的80%.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-192

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机器人在轨组装结构的耦合动力学与步态优化

杨胜丽, 吴志刚, 孟得山, 李庆军, 邵可

机器人在轨移动组装空间结构是建造大型航天器最有潜力的方式之一，但机器人在结构表面作业时两者存在严重的动力学耦合效应，给空间结构建造带来新挑战。针对一种三分支机器人行走在空间柔性结构上形成的耦合动力学问题，提出了一种机器人-结构耦合动力学建模与步态优化方法。首先，基于拉格朗日方程和欧拉-伯努利梁模型建立了耦合动力学模型，该模型可以用于预测机器人在结构表面行走时的耦合动力学响应。然后，基于耦合动力学方程推导出机器人运动与结构振动的关系，研究了机器人不同行走方式对空间结构动力学响应的影响；并开展了机器人行走步态优化研究。最后，以三分支机器人行走在悬臂空间结构上为例，给出了机器人蠕动步态运动下空间结构的动力学响应数值仿真。结果表明，空间结构动力学响应与机器人运动步态密切相关，步频越快、步长越长、抬起高度越高，结构振动会越显著。通过对机器人步态优化可以有效抑制结构振动。

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基于分子动力学-格林函数法的分形粗糙表面摩擦行为研究

黄仕平, 陈枭, 萧明强

任何物体间的表面摩擦均可看成是粗糙面间的摩擦，且大部分粗糙表面具有分形特征。为探究分形粗糙表面的摩擦行为，利用分子动力学-格林函数法(GFMD)建立微观分形粗糙表面模型，采用位移加载控制分形粗糙表面的接触和摩擦过程，并根据广度优先搜索算法识别接触团簇分布。之后分别计算原子尺度、接触团簇尺度和界面尺度下的最大摩擦系数和摩擦力，同时利用影响矩阵法研究摩擦过程中接触团簇之间的相互作用，分析接触团簇之间的距离和面积对相互作用的影响。结果表明：在摩擦过程中，摩擦系数从小尺度到大尺度逐渐减小；摩擦力随位移呈现周期性波动，接触团簇并非同时达到最大摩擦力，而是发生局部滑移，整体滑移模型预测的摩擦力是分子模拟结果的上限值；所提出的影响矩阵法可以较好地模拟接触团簇之间的相互作用，利用影响矩阵计算得到的摩擦力与GFMD模型结果基本一致，而不考虑局部滑移影响计算得到的摩擦力比GFMD模型结果大20%，并且接触团簇之间的相互作用与距离成反比，与面积成正比。结果可为粗糙表面的界面分析、优化提供理论依据。

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考虑瞬态温度和应力约束的承载隔热多功能结构拓扑优化

李帅, 张永存, 刘书田

一体化热防护结构通常处于严酷的非稳态热环境, 热载荷作用的时间效应(即瞬态热效应)明显. 为了避免瞬态热分析的巨大计算消耗, 以往的一体化热防护结构优化设计研究通常将瞬态传热等效为相同热边界条件下的稳态传热, 将稳态传热分析的温度场作为设计热载荷. 然而, 已有的研究表明稳态传热无法准确等效瞬态传热的作用效果, 瞬态热效应对结构设计结果具有重要影响. 本文研究了考虑瞬态热效应的一体化热防护结构优化设计问题, 建立了一种考虑瞬态温度和应力约束的一体化热防护结构拓扑优化方法. 该方法以SIMP (Solid Isotropic Material with Penalization) 法为基础, 构建了两种针对一体化热防护结构的热弹性结构拓扑优化模型: 1.考虑材料体积分数、最大应力和底面最大温度约束, 以最小化结构应变能为目标的刚度设计模型; 2.考虑最大应力和底面最大温度约束, 以最小化材料体积分数为目标的轻量化设计模型. 通过求解瞬态热力耦合方程获得结构的热力耦合静力分析结果; 通过响应量在空间和时间域的凝聚积分函数表征结构响应在时域内的最大值, 并以此构建相应的约束和目标函数; 采用伴随法推导了约束和目标函数的灵敏度表达式. 通过3个数值验证了本文方法的有效性. 数值算例结果表明, 在瞬态传热条件下, 本文方法能够准确反映瞬态热效应对一体化热防护结构设计结果的影响; 相比于基于稳态热分析的设计结果, 考虑瞬态热效应的设计结果具有更优的性能.

, doi: 10.6052/0459-1879-22-598

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