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  • 2015年, 36卷, 第2期
    刊出日期：2015-06-25
      
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    微动磨损与微动疲劳寿命的计算与分析方法
    霍永忠, 尹东, 赵杰江, 唐力晨
    2015, 36(2): 165. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.02.001
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    微动损伤常见于工程中，可使紧固件松动，疲劳寿命减少和腐蚀增加，造成较大的安全隐患和经济损失．微动损伤的试验耗时耗力，还不宜损伤的直接观察，辅以计算模拟和分析十分必要．本文重点介绍微动磨损和微动疲劳寿命计算的一些方法和分析准则．其中，微动磨损计算主要介绍基于Archard公式，结合有限元计算的分析方法，以及相应的多层节点更新方法．对于微动疲劳寿命的计算和分析，主要介绍基于多轴疲劳临界面准则的判别准则，尤其是基于能量准则的Smith-Watson-Topper参数．重点介绍如何在微动条件下实现磨损与疲劳寿命的耦合求解，以及损伤的累积和破坏的判定．通过一个简单算例说明了微动磨损对其疲劳寿命可有很大的影响．
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    页岩气藏的双重介质-离散裂缝模型
    卫鹏云, 施安峰, 王晓宏, 周方奇
    2015, 36(2): 179. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.02.002
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    考虑页岩气藏开发中渗流的多尺度效应，提出了一个基于裂缝-孔隙双重介质的离散裂缝模型．在该模型中，基质、天然裂缝和人工压裂裂缝采用各自控制方程独立计算，不同介质之间通过流量交换相互关联．为分析模型可靠性，分别和基于渗透率粗化及压裂裂缝导流能力无穷大的模型对比．数值算例显示，伴随着网格细分，该模型与精确渗透率粗化模型具有相同计算精度，两者收敛速度均较快，但该模型易推广到多相流动问题，而等压模型对产量将有所高估．研究了地质参数和工艺参数对气井产量的影响规律．计算结果表明天然裂缝渗透率及基质孔隙扩散系数对产气速率有着重要影响，产气速率伴随着人工压裂裂缝导流能力、长度以及数目的增加而增加，但是增加幅度会逐步趋缓．
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    两自由度参数激励摆旋转运动分析和实验
    康慨, 徐鉴
    2015, 36(2): 189. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.02.003
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    研究具有支撑参数激励摆系统的支撑结构振动对摆旋转的影响，其中支撑结构是受到扭簧约束的刚性悬臂梁，参数激励摆与刚性悬臂梁的悬臂段铰接．首先，通过拉格朗日方程建立了系统两自由度的动力学方程．其次，利用多尺度法对建立的模型进行理论分析，得到悬臂梁的振动与上摆不同运动形式的关系，从而得到上摆不同运动形式下的参数平面分类和悬臂梁在上摆转动时的振动频响．最后，通过建立实验装置，观察理论预测，实验结果验证了理论分析的正确性．实验与理论对照得到，当参数激励频率接近悬臂梁的一阶固有频率时，悬臂梁的振幅变大，会破坏摆的转动稳定性．
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    混凝土微观界面纳米划痕试验表征研究
    舒畅, 乔丕忠
    2015, 36(2): 205. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.02.004
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    鉴于混凝土微观结构对宏观性能的重要影响，利用纳米划痕试验方法，对常规水灰比配比的混凝土样品骨料-水泥浆体微观界面及界面过渡区进行了表征研究．基于纳米划痕试验方法和扫描电镜显微技术，对于样品微观情况下的骨料-水泥浆体界面进行了表征分析，并对表征结果经过多个高斯分布拟合的统计学分析方法得到基于界面位置的结构划痕硬度分布情况．通过划痕硬度与骨料-浆体界面的距离变化，定义了骨料和水泥浆体之间的界面过渡区，并得到界面过渡区厚度约为40μm，界面过渡区划痕硬度约为水泥浆料硬度的75％左右．通过比较划痕断裂韧性与宏观试验结果，证明利用纳米划痕试验可以初步分析材料断裂韧性．本研究为更好地研究混凝土微观性能对宏观力学性能的影响提供了可靠的数据支持，也为评价混凝土微观界面力学性能提供了一种新的可行方法．
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    一维六方压电准晶中唇形匀速移动裂纹问题的解析解
    张峰, 李星
    2015, 36(2): 213. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.02.005
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    运用复变函数方法，通过构造保角映射，研究了在电非渗透型边界条件下一维六方压电准晶中唇形快速传播裂纹问题的反平面剪切问题，获得了III型裂纹动态的应力强度因子和电位移强度因子的解析解．研究结果表示，当裂纹传播速度趋于零时，动力学问题就还原为了静力学问题的解．当唇形裂纹的高度趋于零时，所得结果可以退化为Griffth裂纹问题．
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    pH敏感凝胶平衡溶胀的有限元研究
    戴笠, 颜慧贤, 金波
    2015, 36(2): 221. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.02.006
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    1943年Flory提出第一个凝胶溶胀理论以来，凝胶溶胀理论的发展极大地促进了凝胶科学的发展．在诸多凝胶溶胀理论中，Flory-Rehner凝胶溶胀理论是最为经典的理论之一，成功地预测了聚合物胶体的诸多溶胀变形特性．但该模型是基于一种最为简单的自由连接链模型，存在精度较差的局限．因此，本文采用能够表征网络缠结拓扑等微观结构影响的弹性自由能模型，即由Edwards-Vilgis提出的Slip-Link模型，构造自由能模型并形成pH敏感凝胶的平衡溶胀理论，并基于Abaqus有限元分析了微观结构及几何限制作用对pH敏感凝胶力学行为的影响．分析结果可为微流体控制阀的设计提供参考．
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    通过裂纹开口位移(CMOD)对J积分预测的方法研究
    韩世昌, 黄亚宇, 胡斌
    2015, 36(2): 232. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.02.007
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    讨论推导J积分和裂纹开口位移(CMOD)的关系，提出了一种通过测量裂纹开口位移(CMOD)估算J积分的方法．以三点弯曲试件冲击断裂试验为例，借助试验高速摄影机对断裂过程的记录影像提取的压头下压位移和裂纹开口位移，运用ABAQUS软件做有限元仿真分析对比，较好的说明了J积分与CMOD的存在正比关系．通过公式可以看出在材料和几何形状不变的情况下其正比关系中因子β是固定值，与远场载荷无关．应用因子β有助于用一个简单加载情况估测受力情况复杂的部件裂纹处的J积分．算例表明，因子β对于J积分的估算偏于保守，这一结论在工程实际应用中有着参考价值．
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    真实气体效应试飞器气动布局研究
    陈冰雁, 徐国武, 刘周, 龚安龙
    2015, 36(2): 239. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.02.008
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    针对真实气体效应飞行试验的要求对试飞器气动布局开展了设计研究，采用平衡气体模型对真实气体效应进行数值模拟，通过与理想气体状态方程数值模拟结果的比较，分析了真实气体效应对不同试飞器外形气动特性的影响规律，总结出真实气体效应试飞器外形的基本设计要素，给出了适用于真实气体效应飞行试验的试飞器气动布局．
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    基于分布式应变测量的柔性体构件二维加速度连续测量方法研究
    王璟渝, 张伦伟, 杨国标
    2015, 36(2): 249. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.02.009
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    从工程中柔性体构件加速度测量出发，探索一种新型的基于分布式应变测量的加速度测量方法．该方法基于测量的分布式应变，转化得到离散点的曲率信息，使用数值方法连续化曲率，重构出曲线形状，利用二次曲线拟合出所测量点的运动轨迹，求导得出二次项系数，该系数的2倍即是加速度大小．通过设定理想模型进行了相关误差分析，分析了该方法各步骤的精度，从理论上验证了该方法的可行性，为下一步实验提供了依据和实验设计基础．
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    基于虚拟激励法的车-轨-桥耦合系统的随机振动响应分析
    程曦, 姚林泉, 沙峰
    2015, 36(2): 261. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.02.010
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    轨道随机不平顺作为引起车辆-轨道-桥梁耦合系统振动的最重要的激励源，对列车过桥平稳性有着至关重要的影响．建立车辆-轨道-桥梁耦合垂向振动模型，采用虚拟激励法，计算随机不平顺激励下车辆运行的平稳性以及轨道和桥梁结构的振动特性，避免了繁复的时频转换和复杂的数值积分．数值分析了不同速度下列车过桥的平稳性和列车对不平顺波长的敏感范围．经过分析得到，列车运行速度越大，过桥平稳性指标越大，即舒适性越差；而且影响列车平稳性的不平顺波长越长，其影响范围越大．
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    基于整体局部1,3位移模式的层合板层间应力研究
    田立智, 刘锦阳
    2015, 36(2): 270. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.02.011
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    为提高层合板层间应力计算的准确性，对Reddy型高阶剪切理论的基本位移模式进行改进，提出整体-局部1,3高阶位移模式．在满足层间位移连续，层间剪切应力连续，以及上下表面自由的条件下，与前人提出的整体-局部1,2-3位移模式相比，层合板板结构每个节点的独立变量由13缩减到11，并且不随层数的增加而变化．将整体-局部1,3高阶位移模式位移和应力的数值解与解析解进行对比，验证了整体-局部1,3位移模式的准确性，可应用于复合材料层合板的位移和应力分析．
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    不确定荷载下类桁架结构拓扑优化分析
    乔升访, 周克民
    2015, 36(2): 281. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.02.012
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    研究不确定荷载下应力约束拓扑优化结构．不确定荷载用区间变量表示，将不确定性区间荷载用有限个可能工况组合表示，从而将不确定性荷载问题转化为多工况问题．采用基于类桁架材料模型的多工况应力约束拓扑优化方法，求解不确定荷载作用下的拓扑优化结构．推导两杆结构的解析解，通过解析解验证了数值算例方法的有效性．分析比较了几个不确定荷载与确定性荷载作用下拓扑优化结构．
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    基于TCD理论的缺口试样疲劳强度尺寸系数计算
    孙迪, 胡振东
    2015, 36(2): 288. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.02.013
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    为了建立疲劳强度尺寸系数计算公式，基于TCD理论对缺口试件的疲劳强度进行了研究．引入与材料疲劳强度以及疲劳裂纹扩展应力强度因子门槛值相关的临界距离，建立了试样缺口根部的应力幅函数．利用有限元计算结果对应力幅函数的参数进行拟合，并由此建立了缺口件的疲劳强度尺寸系数计算公式．最后，基于该方法针对两种材料(Q235和45#)以及不同缺口形状（U型和半圆型）分别进行了实例计算，所得结果与实验数据较为吻合．
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    汽轮机轮盘热处理残余应力分析
    朱君妍, 陈蓉, 戴瑛
    2015, 36(2): 296. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.02.014
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    百万核电汽轮机红套低压转子工作环境的蒸汽参数较低，各级轮盘均处于湿度较大的工作区域，易产生应力腐蚀，引起裂纹萌生和扩展．为提高轮盘的抗腐蚀能力，降低工作应力是一个有效的方法．通过热处理方法，在轮盘表面形成预压应力以抵消部分旋转拉应力是可行的方法，而产生适当深度和大小的预压应力则需对热处理过程进行谨慎的设计．本文以汽轮机轮盘为研究对象，建立轴对称有限元模型，通过对ABAQUS软件的二次开发，实现对轮盘热处理过程的温度场及应力场进行数值模拟．计算综合考虑了非线性的材料热物性参数、力学性能参数、表面换热系数及不同材料组织转变的相变潜热、热物性参数和力学参数，通过对不同热处理方法得到的残余应力场的比较，获得了较合理的水冷方式，为热处理工艺确定提供参考．
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    送纸机构纸张控制方程及卡纸现象数值分析
    鲍照, 郑百林, 张锴, 朱传敏
    2015, 36(2): 307. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.02.015
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    卡纸现象是打印机和复印机送纸机构常见故障之一，广泛存在于各种介质的传送系统中．为解决该问题，需要研究纸张在送纸机构中的运行规律和受力特点．根据送纸机构的原理，建立纸张在辊轮间运动的计算模型，并推导这一过程中的纸张运动方程．理论推导表明机构的材料与尺寸对卡纸有影响；同时，利用多体动力学分析软件RecurDyn，建立送纸机构仿真分析模型，研究送纸机构运行状态并分析在纸张脱离辊轮后各个因素对卡纸现象的影响，获得纸张与导板间不同的摩擦系数、主动辊轮转速、纸张模量及厚度变化对机构运动影响的规律；最后对比了实验与仿真的扭矩结果，来验证仿真方法的可靠性．结果表明，在纸张被辊轮夹持阶段，纸张运动主要受机构材料和尺寸影响；在纸张脱离辊轮后，纸张运动主要受摩擦力和接触力的影响，并发现随着纸张与导板间摩擦系数的增加、辊轮转速的减小、纸张模量及厚度的变大，机构中容易发生卡纸现象．研究结果可为解决卡纸故障提供指导．
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    求解二维弹性问题的径向基差分法
    李伟, 李春光, 郑宏, 郭宏伟, 王志芬
    2015, 36(2): 316. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.02.016
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    常规的配点型无网格法在求解弹性力学问题中，存在求解精度差和纽曼边界条件处理等局限．为解决这一问题，通过利用流体力学中基于径向基构造的差分格式(RBF-FD)，来求解弹性力学平面问题．同时，为了进一步提高求解精度，对纽曼边界条件采用Hermite插值进行处理．数值算例表明，该方法具备良好的收敛性，并有着较高的精度，可有效解决传统配点型无网格法精度差的问题．同时，也表明该方法可以应用于弹性力学问题的求解．
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    一类平衡大气边界层边界条件研究
    孙玉航, 王国砚, 王梦虹
    2015, 36(2): 328. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.02.017
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    基于标准k-ε湍流模型，首先利用湍流粘度方程和剪切应力在整个边界层内恒定的假设，推导出一类耗散率表达式，并根据常用的湍动能入口剖面方程以及平均风速剖面方程，计算获得相应的耗散率方程；然后在输运方程中添加自定义源项，通过已经确定的平均速度方程、湍动能方程、耗散率方程计算得到相应输运方程的自定义源项表达式，并进行空风洞数值模拟，从而得到了一类满足平衡大气边界层的来流边界条件．通过将这种边界条件与由湍流平衡条件得到的边界条件进行比较，表明本方法获得的边界条件更适用．并且，本方法无需考虑修正壁面函数和修正湍流模型常数，因而计算更为简单，可为平衡大气边界层的研究提供一种新的思路．
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    扬声器激励对笔记本电脑硬盘工作影响的实验研究
    张语彬, 李超, 王宁, 宋汉文
    2015, 36(2): 336. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.02.018
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    对硬盘在实际安装环境下受声音激励的影响进行测试，包括外部扬声器激励、硬盘无阻尼条件下电脑内置扬声器激励，以及硬盘在不同阻尼条件下电脑内置扬声器激励三部分影响测试．实验结果表明，硬盘自由悬挂与硬盘处于实际结构时，外部扬声器对其读写速率的影响基本一致；对于某台特定型号的笔记本电脑来说，左右扬声器分别会在某个特定频率对硬盘读写产生较大影响；除此之外，通过对特定型号笔记本电脑硬盘在三种不同阻尼条件下读写速率的测试，为笔记本硬盘安装的进一步优化提供了依据．
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    基于最优参数控制方法的齿轮系统混沌控制
    王娟, 易克传, 李同杰, 鲍和云, 靳广虎
    2015, 36(2): 344. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.02.019
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    基于最优参数控制方法，实现了齿轮传动系统中的混沌控制．以经典的间隙单齿轮副非线性动力学模型为研究对象，以啮合静载荷为控制参数，通过混沌吸引子中轨线的观测近似得到目标周期不动点、系统在目标不动点处的雅克比矩阵以及在控制原始参量处的梯度矩阵．最后运用最优参数控制策略计算得到啮合静载荷的小扰动量，实现了把齿轮系统的混沌运动镇定周期一轨道上的目的．研究结果表明，基于最优参数控制方法的控制过程，只是在控制的前几个周期内需要控制参数产生相对较大的扰动量，随着控制的继续进行，扰动量几乎稳定到了某一固定值，不再需要较大的变动．而且控制参数计算所需要的中间参量可以直接由混沌吸引子中轨线的观测近似得到，因而控制容易实现．