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颗粒材料计算力学专题
颗粒材料计算力学专题序
季顺迎
颗粒材料广泛地存在于自然环境、工业生产和日常生活等诸多领域, 其受加载速率、约束条件等因素的影响具有复杂的力学行为. 颗粒材料常与流体介质、工程结构物耦合作用并共同组成复杂的颗粒系统, 并呈现出非连续性、非均质性的复杂力学特性. 目前, 离散元方法已成为解决不同工程领域颗粒材料问题的有力工具, 然而其在真实颗粒形态的构造、接触算法、颗粒与流体及工程结构的耦合模型、多介质和多尺度问题, 以及高性能大规模计算等方面仍面临着诸多亟待解决的问题.《力学学报》组织了“颗粒材料计算力学”专题的7篇综述或研究论文, 分别从研究进展、理论模型及工程应用方面反映了颗粒材料计算力学研究领域上的最新研究进展, 为颗粒材料计算力学交叉领域的研究提供参考.
2021, 53(9): 2355-2356.   doi: 10.6052/0459-1879-21-428
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颗粒材料计算力学专题
多相流动的光滑粒子流体动力学方法研究综述
陈飞国, 葛蔚
光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)具有粒子方法的无网格和全拉格朗日特征, 适用于具有界面大变形、不连续性和多物理场的多相流的高精度模拟. SPH方法模拟多相流已有大量报道, 具体的实现方式也大不相同. 本文首先阐述了采用SPH方法模拟流体的基本控制方程, 以及求解过程中需要考虑的流体压力求解、表面张力、固体边界等问题. 整理和总结了基于SPH方法进行多相流模拟的主要实现方式: (1)双流体模型的拉格朗日求解器: 两相离散为两组独立SPH粒子, 并用显式相间作用耦合两相; (2)多相SPH方法: SPH方法对多相流模拟的自然延伸, 相间作用由SPH参数隐式描述; (3) SPH与其他离散方法的耦合: 差异较大的两相各自采用不同离散方法, 发挥不同拉格朗日方法的优点; (4) SPH和基于网格方法的耦合: 网格方法处理简单的单相流动主体, 获得精度和效率间的平衡. 另外, 还在模拟参数物理化等方面论述了与SPH方法模拟多相流相关的一些改进和修正方法, 并在最后讨论和建议了提高多相流SPH模拟效率和精度的措施.
2021, 53(9): 2357-2373.   doi: 10.6052/0459-1879-21-270
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颗粒材料计算力学专题
椭球颗粒体系剪切过程中自由体积的分布与演化
邹宇雄, 马刚, 李易奥, 王頔, 邱焕峰, 周伟
颗粒材料是一种复杂的多体相互作用体系, 由大量离散的颗粒和其周围的自由体积组成. 虽然颗粒的自由体积与颗粒材料的力学性能和变形特征的相关性已得到证实, 但是由于表征上的困难, 目前对非球形颗粒体系的局部自由体积的认识还不够充分. 本文采用连续离散耦合分析方法进行了不同主轴长度的椭球颗粒试样的三轴剪切数值模拟, 基于Set Voronoi算法对剪切过程中的颗粒试样进行了Voronoi元胞分割, 分析了颗粒试验在剪切过程中自由体积的统计分布特性和演化规律, 研究了颗粒形态对自由体积的影响. 剪切过程中Voronoi元胞的各向异性逐渐增强, 且各项异性增强程度随颗粒非球度的增加而增大, 表明非球颗粒在剪切过程中经历更加强烈的重排列. 具有不同非球度的椭球颗粒体系的局部孔隙比均服从k−T分布, 且这个分布仅与颗粒体系的全局孔隙比相关, 不受颗粒形态和剪切状态的影响. 局部孔隙比的波动呈现非对称拉普拉斯分布, 非对称参数刻画了局部自由体积收缩和膨胀的博弈, 其与全局孔隙比呈线性关系.
2021, 53(9): 2374-2383.   doi: 10.6052/0459-1879-21-255
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颗粒材料计算力学专题
一种滞弹簧耗能的新型离散元滚动阻力模型研究
高政国, 董朋昆, 张雅俊, 孙卉竹, 迪亚
颗粒间滚动阻力对颗粒体系的稳定性起着重要作用. 在传统的离散元法中, 滚动阻力模型通常由转动弹簧、转动黏壶和摩擦元件表达, 颗粒滚动动能由黏滞力(矩)和摩擦力做功耗散. 由于黏滞力(矩)与滚动速度相关, 临近静止状态的颗粒滚动速度变小, 动能耗散减弱, 传统的离散元模拟得到颗粒由滚动到静止耗费的时间比试验观测的结果要长. 为解决这一问题, 基于摩擦学理论分析了滚动阻力产生的材料滞弹性机理, 将其引入离散元滚动阻力模型, 提出了一种速度无关型动能耗散的滞弹簧, 给出了滞弹簧的弹性恢复力计算公式, 建立了一种新型的离散元滞弹性滚动阻力模型(HDEM). 为验证新型滚动阻力模型的正确性, 通过一个光学物理试验对单个圆形颗粒试件的自由滚动过程进行了测量, 将测量数据与新型的滞弹型离散元模型和传统离散元模型计算结果进行了对比. 结果显示, 基于滞弹性滚动阻力模型HDEM计算结果与试验数据吻合程度更高, 而且模拟得到的颗粒摆动频率更符合试验现象.
2021, 53(9): 2384-2394.   doi: 10.6052/0459-1879-21-236
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颗粒材料计算力学专题
冲击载荷下颗粒材料临边界区域的波动行为及变形特征分析
王蕉, 楚锡华
研究颗粒材料中的波传播问题在超材料制造方面有重要意义, 如波传导超材料边界的设计需考虑应力波的反射和吸收等问题. 本文从一维颗粒链中的波传播行为出发, 根据距边界不同位置处颗粒能够得到的最大动能的不同, 给出了临边界区域的定义. 然后分析了多组二维颗粒样本在冲击载荷作用下应力波的传播行为, 主要考虑了不同边界形状及不同颗粒排列方式对应力波在临边界区域内传播行为的影响. 研究表明, 临边界区颗粒排列方式主要影响边界附近颗粒的相对位置和局部孔隙率; 经边界反射后的应力波直接以边界形状在临边界区内传播, 该结论在边界情况越复杂(高局部孔隙率, 颗粒无序随机排列)时越准确; 在临边界区域外(即材料中心区域), 波前形状主要由波速决定. 弧形边界对波反射的汇聚作用和临边界区域内颗粒的排列方式所引起的弥散作用是两个竞争因素, 共同决定临边界区域内波的反射过程. 最后分析了临边界区域内颗粒力链网络在反射前后的变化. 该研究将为超材料设计提供借鉴.
2021, 53(9): 2395-2403.   doi: 10.6052/0459-1879-21-242
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颗粒材料计算力学专题
基于深度学习和细观力学的颗粒材料本构关系研究
瞿同明, 冯云田, 王孟琦, 赵婷婷, 狄少丞
颗粒材料的本构关系对岩土工程等众多领域至关重要. 不同于传统的唯象本构理论, 本文基于机器学习模型探索了一种细观力学理论指导下的数据驱动型颗粒材料本构关系预测方法. 根据Vogit均质化假设, 建立了小应变条件下颗粒材料应力−应变解析关系, 此关系唯一地确定了一组与颗粒材料本构行为相关的细观组构变量. 这些变量与反应颗粒材料宏观性质的主应力和主应变信息通过一系列离散元三轴压缩数值试验获得. 考虑到细观组构变量为内变量, 不能直接作为本构模型的输入. 本文基于有向图方法将颗粒材料微观结构信息隐式地包含在应力−应变的预测当中, 并采用门控循环单元(GRU)循环神经网络作为基础深度学习模型描述有向图中结点之间的映射关系. 通过将有向图从目标节点沿源节点展开, 整个应力−应变预测模型可由两个神经网络分别训练并组装而成. 将训练后的深度学习模型在全新的数据集上进行测试, 结果表明该训练策略能有效捕捉到颗粒材料在常规三轴任意加卸载, 等中主应力系数b的真三轴加载, 和等平均有效应力p的真三轴加卸载等复杂多轴加载工况下的应力−应变响应关系, 模型具有良好的内插和外推预测能力. 考虑到深度学习模型捕捉颗粒材料力学响应的能力及其开放式学习的特点, 充分结合数据驱动方法和理论本构模型可能是颗粒材料本构研究的一个重要方向.
2021, 53(9): 2404-2415.   doi: 10.6052/0459-1879-21-221
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颗粒材料计算力学专题
增材制造中滚筒铺粉工艺参数对尼龙粉体铺展性的影响研究
张江涛, 谭援强, 纪财源, 肖湘武, 姜胜强
铺粉工艺是基于粉床的增材制造(additive manufacturing, AM)技术中的关键工序之一. 滚筒铺粉工艺参数包括铺粉层厚H, 滚筒直径D, 滚筒的旋转速度ω和平移速度V, 对增材制造工艺中的粉体铺展性具有重要影响. 本文以尼龙粉体为研究对象, 采用离散元法(discrete element method, DEM)模拟其滚筒铺展过程, 建立沉积分数、覆盖率和沉积速率3个铺展性指标. 采用中心复合设计(central composite design, CCD)生成30组仿真案例, 通过响应曲面法(response surface methodology, RSM)拟合了3个铺展性指标的回归模型. 采用方差分析证明了回归模型的准确性和预测的有效性, 并详细分析了工艺参数对粉体铺展性指标的影响规律. 结果表明, 铺粉层厚H是最大的影响因素, 平移速度V是次要的影响因素, 滚筒直径D和滚筒的旋转速度ω对粉体铺展性指标影响较小, HVDV为影响粉体铺展性指标的主要交互因素. 以3个铺展性指标为优化目标, 采用期望值法对滚筒铺粉工艺参数进行多目标优化, 获得了预测的最优铺粉工艺参数和粉体铺展性指标组合, 并通过实验验证了粉体铺展性指标的预测结果与实验结果吻合良好. 本文的研究结果可指导增材制造中滚筒铺粉工艺参数的优化.
2021, 53(9): 2416-2426.   doi: 10.6052/0459-1879-21-240
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颗粒材料计算力学专题
基于多介质、多尺度离散元方法的冰载荷数值冰水池
季顺迎, 田于逵
极地船舶与海洋工程结构冰载荷的确定是其结构抗冰设计、冰区安全运行和结构完整性管理的重要研究内容. 当前快速发展的高性能计算技术和多介质、多尺度数值方法为准确、高效地计算船舶结构冰载荷提供了有效的途径, 其中以离散元方法为代表的数值方法取得了出色的研究成果. 为此, 本文针对目前极地船舶与海洋工程结构对冰载荷及力学响应的工程需求, 同时考虑国内外对海冰、工程结构与流体相互耦合的多介质、多尺度数值方法研究现状, 对极地船舶与海洋工程数值冰水池的概念、框架、开发技术以及基于离散元方法的软件实现与工程应用进行了论述. 数值冰水池在船舶与海洋工程结构冰载荷确定方面具有可靠性、经济性、快速性、扩展性和情景化等显著优势. 本文工作借鉴数值水池的研究思路, 以典型船舶和海洋平台结构冰载荷及结构力学响应的离散元计算为例, 探讨了数值冰水池研究的可行性和工程应用前景, 阐述其与理论分析、现场测量和模型试验研究相结合的必要性. 以上研究有益于中国在极地船舶与海洋工程领域形成具有独立知识产权的数值计算分析平台, 对中国极地海洋强国的战略实施具有很好的启发和指导意义.
2021, 53(9): 2427-2453.   doi: 10.6052/0459-1879-21-243
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流体力学
斜爆轰发动机的推力性能理论分析
杨鹏飞, 张子健, 杨瑞鑫, 滕宏辉, 姜宗林
爆轰燃烧具有释热快、循环热效率高的特点. 斜爆轰发动机利用斜爆轰波进行燃烧组织, 在高超声速吸气式推进系统中具有重要地位. 以往研究主要关注斜爆轰波的起爆、驻定以及波系结构等, 缺少从整体层面出发对斜爆轰发动机开展推力性能分析. 本文将斜爆轰发动机内的流动和燃烧过程分解成进气压缩、燃料掺混、燃烧释热和排气膨胀4个基本模块并分别进行理论求解, 建立了斜爆轰发动机推力性能的理论分析模型. 在斜爆轰波系研究成果的基础上, 选取了过驱动斜爆轰、Chapman−Jouguet斜爆轰、过驱动正爆轰和斜激波诱导等容燃烧等4种燃烧模式来描述燃烧室内的燃烧释热过程, 并对比分析了不同燃烧模式对发动机比冲性能的影响. 此外, 还获得了不同来流参数、燃烧室参数和进排气参数等对发动机推力的影响规律, 发现来流马赫数和尾喷管的膨胀面积比是发动机理论燃料比冲的主要影响因素. 最后, 结合以往关于受限空间内斜爆轰波驻定特性等方面的研究成果, 提出了斜爆轰发动机燃烧室的设计方向.
2021, 53(10): 1-12.   doi: 10.6052/0459-1879-21-206
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流体力学
基于人工神经网络的非结构网格尺度控制方法
王年华, 鲁鹏, 常兴华, 张来平, 邓小刚
网格自动化生成和自适应是制约计算流体力学发展的瓶颈问题之一, 网格生成质量、效率、灵活性、自动化程度和鲁棒性是非结构网格生成的关键问题. 在非结构网格生成中, 网格空间尺度分布控制至关重要, 直接影响网格生成质量、效率和求解精度. 采用传统的背景网格法进行空间尺度分布控制需要在背景网格上求解微分方程得到背景网格上的尺度分布, 再将网格尺度从背景网格插值到真实空间点, 过程十分繁琐且耗时. 本文从效率和自动化角度提出两种网格尺度控制方法, 首先发展了基于径向基函数(RBF)插值的网格尺度控制方法, 通过贪婪算法实现边界参考点序列的精简, 提高了RBF插值的效率. 同时, 还采用人工神经网络进行网格尺度控制, 初步引入相对壁面距离和相对网格尺度作为神经网络输入输出参数, 建立人工神经网络训练模型, 采用商业软件生成二维圆柱和二维翼型非结构三角形网格作为训练样本, 通过训练和学习建立起相对壁面距离和相对网格尺度的神经网络关系. 进一步实现了二维圆柱、不同的二维翼型的尺度预测, RBF方法和神经网络方法的效率与传统背景网格法相比提高了5~10倍, 有助于提高网格生成的效率. 最后, 将方法推广应用于各向异性混合网格尺度预测, 得到的网格质量满足要求.
2021, 53(10): 1-10.   doi: 10.6052/0459-1879-21-334
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微重力专题
微重力下成一定夹角平板间的表面张力驱动流动的研究
陈上通, 吴笛, 王佳, 段俐, 康琦
空间微重力环境中, 由于重力基本消失, 表面张力等次级力发挥主要作用, 流体行为与地面迥异, 因此有必要深入探究微重力环境中的流体行为规律和特征. 板式贮箱利用板式组件在微重力环境中对流体进行管理, 从而为推力器提供不夹气的推进剂, 这对航天器精确进行姿态控制、轨道调整具有重要意义. 板式组件中常包含成一定夹角的平板结构, 比如蓄液叶片之间. 本文研究了微重力环境中成一定角度平板间的表面张力驱动流动问题, 考虑了液体与壁面的动态接触角、对流引起的压力损失、黏滞阻力、液池内弯曲的液面等因素的影响, 推导出了表面张力驱动流动中液体爬升高度的二阶微分方程. 该方程可用四阶Runge-Kutta方法求解. 通过同时考虑两个主导力, 可将流动过程分为三个阶段, 并得到了不同阶段内的爬升高度的近似方程. 本研究建立了六个不同尺寸的计算模型、选用三种不同型号的硅油, 利用有限体积法开展仿真工作, 仿真结果与理论结果吻合良好, 验证了理论解的正确性. 本文的研究结果可为板式贮箱的研制和空间流体管理提供理论依据和数据支撑.
2021, 53(11): 1-10.   doi: 10.6052/0459-1879-21-261
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振动能量俘获专题
翼型颤振压电俘能器的输出特性研究
田海港, 单小彪, 张居彬, 隋广东, 谢涛
压电俘能器能够为自然界中低功率的微机电系统持续供能. 为了模拟机翼的沉浮−俯仰二自由度运动和有效俘获气动弹性振动能量, 本文提出一种新颖的翼型颤振压电俘能器. 基于非定常气动力模型, 推导翼型颤振压电俘能器流-固−电耦合场的数学模型. 建立有限元模型, 模拟机翼的沉浮−俯仰二自由度运动, 获得机翼附近的涡旋脱落和流场特性. 搭建风洞实验系统, 制作压电俘能器样机. 利用实验验证理论和仿真模型的正确性, 仿真分析压电俘能器结构参数对其气动弹性振动响应和俘获性能的影响. 结果表明: 理论分析、仿真模拟和实验研究获得的输出电压具有较好的一致性, 验证建立数学和仿真模型的正确性. 仿真分析获得机翼附近的压力场变化云图, 表明交替的压力差驱动机翼发生二自由度沉浮−俯仰运动. 当风速超过颤振起始速度时, 压电俘能器发生颤振, 并表现为极限环振荡. 当偏心距为0.3和风速为16 m/s时, 可获得最大输出电压为17.88 V和输出功率为1.278 mW. 功率密度为7.99 mW/cm3, 相比较于其它压电俘能器, 能实现优越的俘获性能. 研究结果对设计更高效的翼型颤振压电俘能器提供重要的指导意义.
2021, 53(11): 1-8.   doi: 10.6052/0459-1879-377
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振动能量俘获专题
压电与摩擦电复合型旋转能量采集动力学协同调控机制研究
赵林川, 邹鸿翔, 刘丰瑞, 魏克湘, 张文明
低转速激励下能量采集性能差是目前制约旋转能量采集技术应用的瓶颈问题. 本文提出了动力学协同调控机制, 并用于调控系统的动力学行为, 可以使器件在低转速激励下有效工作, 提高了旋转能量采集系统的电学性能. 旋转刚度软化、非线性磁力、几何边界的协同调控既可以增加系统在低速下的振动位移以及压电材料的形变, 也可调控系统的最大位移, 使其振动可控并限制位移过大提高可靠性. 此外, 几何边界可以方便地集成摩擦纳米发电机, 实现压电与摩擦两种机电转换机制在振动和碰撞过程中协同发电, 有效利用空间和提高输出电能. 基于哈密顿原理建立了系统的机电耦合动力学模型并进行了实验验证. 实验结果表明系统能够在0~250 r/min的低转速范围内有效工作, 在转速为250 r/min时, 压电单元和摩擦纳米发电机的最大峰峰值电压分别为132 V和1128 V, 总平均功率为1426 μW. 本文提出的动力学协同调控机制为能量采集系统动力学和电学性能改进提供新的途径, 有益于促进自供能物联网技术的发展与应用.
2021, 53(11): 1-11.   doi: doi:10.6052/0459-1879-21-410
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金属增材制造中的关键力学问题与前沿计算技术专题
面向增材制造的熔池凝固组织演变的相场研究
肖文甲, 许宇翔, 宋立军
激光增材制造(Laser Additive Manufacturing, LAM)技术极适合复杂整体构件的近净成形和高附值损伤件的快速修复. 然而, 激光增材制造熔池内部复杂的动态凝固过程显著影响成形件的终态组织, 进而制约其服役性能. 本文针对激光直接能量沉积(Direct energy deposition by laser, DED-L) Inconel 718过程, 构建宏观传热传质与多相场耦合的多尺度数学模型, 解决了熔池宏−微观温度场的直接耦合, 并基于MPI并行程序设计实现了熔池二维的全域定量模拟, 研究了凝固过程中的晶粒演变过程. 结果表明: 模拟的熔池尺寸、凝固界面与实验结果吻合较好. 熔池凝固界面形态和晶体择优取向是影响晶粒演变的重要因素. 在熔池横截面上, 凝固过程主要受温度梯度方向的驱使, 取向与温度梯度方向夹角越小的晶粒占优生长. 在纵截面上, 晶粒的生长表现出弯曲生长以及“上三角”的晶粒特征, 温度梯度方向的渐变导致了晶粒弯曲, 相邻晶粒的竞争行为决定了晶粒形貌. 本文阐明了金属激光增材制造晶粒演变的机理, 有助于厘清增材制造热物理、化学、冶金过程, 为凝固组织的预测和调控提供理论指导. 此外, 该多尺度数学模型也适用于其他金属材料的激光增材制造过程.
2021, 53(11): 1-11.   doi: 10.6052/0459-1879-21-364
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金属增材制造中的关键力学问题与前沿计算技术
基于半解析VOF-DEM的激光直接沉积多尺度过程模拟
王泽坤, 刘谋斌
与传统铸造技术相比, 基于金属粉末的增材制造技术因其生产周期短、可操作性强而在航空航天、生物医学等领域具有很好的优越性. 尤其是激光直接沉积技术, 因其自由度高, 在复杂构件制造、部件修复中有着广泛的运用. 但是该激光直接沉积过程涉及多物理场、跨尺度、极端高温高压环境和相变问题, 仅靠实验不能很好地研究其中的机理. 已有数值模拟技术一般通过预设或者射入拉格朗日点作为颗粒输入, 不能做到同时考虑环境气体、颗粒碰撞和相变过程. 本文在近期发展的基于核函数近似背景流场的半解析CFD-DEM耦合方法中引入了流体体积分数法(VOF), 发展了可以同时模拟含热、刚体颗粒、相变和自由液面及相变界面的半解析VOF-DEM (或半解析CFD-DEM-VOF)方法, 从而首次实现了真实物理环境下激光直接沉积技术的数值模拟. 其中, VOF中的气相为环境气体, 液相为熔融和凝固的金属相, 界面通过iso-Advector重构, DEM为未熔化的金属粉末, 且流体网格可解析离散元颗粒形状. 这一模拟框架可以有效复现颗粒之间的碰撞、粘结、熔化、融合, 以及熔池熔道的形成, 为激光直接沉积技术的数值模拟提供了开拓性的范式, 并可以运用到其他带相变的颗粒系统中.
2021, 53(11): 1-13.   doi: 10.6052/0459-1879-21-361
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固体力学
压剪作用下含闭合斜裂纹平板的应力场模型
祝凤金, 刘红岩, 姚磊华
材料和结构中已有的裂纹对其宏观破坏过程有着重要影响, 裂纹的存在会显著改变压剪作用下平板的全场应力分布. 已有研究大多基于经典断裂力学, 在经典断裂力学中, 裂纹面为自由面, 而在压剪作用下, 闭合裂纹面为非自由面, 裂纹面的应力边界条件随远场应力由拉伸到压缩的改变而改变, 因此基于经典断裂力学修正的模型不能满足压剪作用下裂纹面的应力边界条件, 所以有必要重新推导压剪作用下含闭合裂纹平板的全场应力函数. 为此, 本文利用Muskhelishvilli复势理论, 从远场应力边界条件和裂纹面应力边界条件出发, 重新推导了压剪作用下含闭合斜裂纹平板的Kolossoff-Muskhelishvili应力函数; 然后根据全场应力函数推导了裂纹尖端应力分量、应力强度因子和T-应力的表达式; 最后将本文理论计算结果与光弹性试验和有限元模拟结果进行对比分析, 并讨论了裂纹面摩擦系数和初始裂纹倾角对裂纹尖端应力场的影响. 结果表明: 本模型满足压剪作用下含闭合斜裂纹平板的远场应力边界条件和裂纹面应力边界条件, 由其得到的等色线条纹图更符合试验结果, 因而能更准确地描述压剪作用下含闭合裂纹平板的应力场分布特征. 此外, 裂纹尖端附近应力场受裂纹面摩擦系数和裂纹倾角显著影响.
2021, 53(10): 1-11.   doi: 10.6052/0459-1879-21-222
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基于高温气体效应的磁流体流动控制研究进展
罗凯, 汪球, 李逸翔, 李进平, 赵伟

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
原子力显微镜在二维材料力学性能测试中的应用综述
高扬
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
水中高压脉动气泡与浮体流固耦合特性研究
胡振宇, 曹卓尔, 李帅, 张阿漫
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
不同壁面取向下超疏水平面直轨道上的气泡滑移
叶煜航, 凃程旭, 包福兵, 汪钰锟, 杨森森
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
基于WENO-THINC/WLIC模型的水气二相流数值模拟
韦志龙, 蒋勤
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
基于扭摆的微冲量测量方法及实验研究
杨超, 贺建武, 章楚, 康琦, 段俐
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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周期性非均匀介质中气相爆轰波演变模式研究
陈达, 宁建国, 李健
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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物理增强的流场深度学习建模与模拟方法
金晓威, 赖马树金, 李惠
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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增材制造微结构演化及疲劳分散性计算
易敏, 常珂, 梁晨光, 周留成, 杨阳祎玮, 易新, Baixiang Xu
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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倍频激励双转子振动同步机理与实验研究
邹敏, 方潘, 侯勇俊, 彭欢, 王德金
振动筛作为第一级钻井液净化设备,其筛分性能直接决定后续固控系统的生产效率。针对在筛分工程中由相同驱动频率激励的振动系统,所表现出的单一振动特性难以与筛面上的物料粒度相匹配,从而引发
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磁力耦合道路能量收集设计与动力学分析
邹鸿翔, 郭丁华, 甘崇早, 唐曙光, 袁俊, 魏克湘, 张文明
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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面内变刚度薄板弯曲问题的挠度-弯矩耦合神经网络方法
黄钟民, 谢臻, 彭林欣, 张易申
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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历届主编