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Chinese Quarterly of Mechanics
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2015年, 36卷, 第3期
刊出日期:2015-09-25
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论文
海啸数值模拟与南海海啸预警方法
刘桦, 赵曦, 王本龙, 任智源
2015, 36(3): 351-369.
https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.03.001
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海啸生成、传播、爬高与淹没过程,以及海啸预警方法是海啸动力学研究的重要内容.近十年来国内外学者在该领域开展了大量的研究工作.本文总结了海啸数学模型研究进展,重点介绍了高阶Boussinesq水波模型及其在海啸研究中的应用,包括海啸在沿海大陆架上传播、演化与爬高特征和实际海啸过程的数值模拟.针对南中国海马尼拉海沟断裂带潜在的海啸风险,建立了该海域的基于多浮标观测反演和数值模拟的海啸预警方法,并提出了一种新的快速预警策略.探讨了海啸波导致地磁场异常的理论预报模型,并针对实际海啸过程给出了地磁场异常的时空分布.
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磁耦合悬臂梁双稳动力学分析与实验
李銮, 徐鉴
2015, 36(3): 370-380.
https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.03.002
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研究了一个自由端附加小磁铁的悬臂梁在磁力作用下的双稳态动力学行为.首先,利用Hamilton原理和Euler-Bernoulli梁的基本方程建立了系统在非零平衡点处做微幅振动的动力学方程.其次,利用多尺度法对建立的模型进行理论分析,得到悬臂梁在非零平衡点处振动的幅频方程和位移解,并对解进行了稳定性分析.最后,通过建立实验装置,得到悬臂梁不同运动形式下的参数平面分类和悬臂梁在非零平衡点处振动的幅频关系,通过观察系统在非零平衡点处振动的理论预测,实验结果验证了非零平衡点处振动的理论分析的正确性.对照理论、实验和数值结果得到:在不同的外激励幅值和频率作用下,悬臂梁有三种不同的运动形式:在非零平衡点处的微幅振动;大范围往返运动;在两个非零平衡点之间的无规律运动.
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旋转功能梯度智能结构的刚-柔耦合动力学分析
陈思佳, 黎亮, 章定国
2015, 36(3): 381-390.
https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.03.003
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基于一次耦合模型理论建立了中心刚体-压电层-功能梯度材料智能梁系统的刚柔耦合动力学模型.研究了开环状态下将压电材料作为传感器的压电效应和质量刚度效应对系统动力学特性的影响.通过仿真算例与另两种不同建模理论(传统零次近似耦合模型、一次近似耦合模型)作了对比.随着中心刚体外驱动力矩的增大,零次近似耦合模型和一次近似耦合模型计算结果逐渐发散,而本文的一次耦合模型的计算结果始终保持收敛,较其他近似耦合模型具有一定优势.对三种不同的结构的计算结果表明,压电材料的压电效应对系统的动力学特性影响显著,压电材料的质量刚度效应也会影响智能梁的动力学行为,前者比后者的影响大得多.此外,功能梯度材料功能梯度指数对系统动力学特性的影响也较大.
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液固两相槽道流中湍流调制的数值研究
侯金亮, 王力, 李昌烽
2015, 36(3): 391-398.
https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.03.004
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结合雷诺应力模型 (Reynolds Stress Model, RSM) 和混合模型 (Mixture Model) 对槽道湍流向下流动中的颗粒调制湍流问题进行了研究.该模型考虑了颗粒流的动能理论和颗粒对湍流的反馈作用.着重分析了颗粒对湍流的调制作用,以及颗粒参数变量(如颗粒密度和质量载荷)对湍流调制的影响.结果表明:(1)在颗粒抑制湍流的范围内,当颗粒密度小于载流体密度时,湍流强度的改变量与颗粒密度成反比;当颗粒密度大于载流体密度时,湍流强度的改变量与颗粒密度成正比;(2)在一定范围内,颗粒抑制湍流的能力随颗粒质量载荷增加而变强.
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论文
缠结拓扑限制作用对凝胶杆屈曲的影响
党存, 颜慧贤, 金波
2015, 36(3): 399-407.
https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.03.005
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当前对聚合物凝胶失稳现象的研究大多是基于Flory-Rehner弹性凝胶理论,并未考虑凝胶网络链段相互缠绕引起的物理交联对凝胶弹性网络自由能的影响.因此,本文采用了一个新的,包含网络缠结拓扑限制作用的凝胶自由能函数,在此基础上计算交联网链数密度与滑动环数密度的比值、不可伸展参数、滑移参数对聚合物凝胶的折合增量模量的影响,并给出了不同长细比凝胶杆的临界屈曲应力.研究结果表明:交联网链数密度与滑动环数密度的比值、不可伸展参数越大,增量模量越大,而滑移参数越大,增量模量越小;凝胶杆的长细比越大,临界屈曲应力越小.
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论文
CFRP加筋板剪切稳定性试验和数值分析模型研究
唐振南, 戴瑛, 聂坤, 高双双
2015, 36(3): 408-415.
https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.03.006
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为研究数值模型对碳纤维增强复合材料(CFRP)加筋板面内剪切稳定性试验计算结果的影响,采用画框式夹具对CFRP加筋板进行了屈曲试验,获得了初始屈曲载荷和载荷-应变曲线;同时基于ABAQUS有限元软件建立了四种数值模型,分别进行线性屈曲和非线性屈曲分析,通过将计算结果与试验结果的比较,确定了有效的数值模型.在此基础上,通过对屈曲前、后有效区边界上的内力分布的比较分析,明确了夹具的传力效果、试件真实的受力状态,以及偏差产生原因.
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论文
双压电材料内含椭圆孔孔边界面裂纹的反平面问题
王永健, 宋豪鹏, 高存法, 邢时超
2015, 36(3): 416-426.
https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.03.007
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利用复变函数方法,研究了横观各向同性压电双材料中椭圆孔孔边界面裂纹的反平面问题.首先,利用保角变换函数将椭圆孔保角变换到一直线裂纹;其次,基于孔边及裂纹表面均电不可穿透并且自由的假设,利用Stroh公式分别得到了本问题的复势函数、裂尖场集中系数的解析表达式;最后,在面内电载荷及面外机械载荷的作用下,分析了椭圆孔尺寸、裂纹长度和外载对裂尖场集中系数的影响,并得到了一个有意义的结论:椭圆孔一边裂纹长度的改变对另一边裂纹裂尖场的影响有限,然而一旦椭圆孔退化为竖直裂纹,该影响将变得非常显著.
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洗衣机液体平衡环偏心旋转研究
刘蕙源, 杨一帆, 陈硕, 肖兰兰, 张强
2015, 36(3): 427-433.
https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.03.008
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洗衣机在旋转过程中会产生较大离心力,由于偏心旋转,引起内筒与壁面的强烈撞击.为了减小撞击引起的振动,洗衣机上安装液体平衡环.平衡环结构的设计,包括平衡环环道的数量、平衡环内部腔体的数量、隔断上面开孔的位置和大小、注入液体体积等.对五种结构的平衡环进行了数值模拟分析,包括单环无腔平衡环、双环无腔平衡环、单环3腔平衡环、双环3腔平衡环和双环24腔平衡环;研究了3 mm、5 mm的不同偏心距以及25rpm、30rpm、40rpm、50rpm等不同转速和平衡环启动阶段0~15s的动态转速等旋转条件的影响.本文首先对平衡环偏心旋转离心力的现有理论计算模型进行改进,然后,通过四种平衡环、四种转速、两种偏心距下的离心力数值模拟,验证了所做改进的合理性和有效性,最后,对三种平衡环、两种偏心距进行启动阶段的动态数值模拟,并对模拟结果进行分析,从而给出平衡环结构上的设计建议.
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三维DIC在铸铁拉伸试验中的应变测量精度研究
李婧宇, 朱飞鹏, 雷冬
2015, 36(3): 434-441.
https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.03.009
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基于三维数字图像相关方法(3D-DIC)的拉伸实验研究了铸铁的拉伸力学性能,分别得到了应力—应变曲线、弹性模量、抗拉强度、延伸率等拉伸力学性能参数.将3D-DIC应力—应变的测试结果与目前实验中使用广泛的接触式引伸计方法的实验结果作了对比,得到两者的应力—应变曲线基本重合,弹性模量相差不超过4%.此外,还对3D-DIC和机械引伸计的应变绝对误差和相对误差作了详细比较,实验表明3D-DIC在铸铁拉伸力学性能测试中具有足够的应变测量精度,完全可以取代传统引伸计成为一种有效的非接触式变形测量手段.
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基于Gauss伪谱法的3D刚体摆姿态最优控制
田鑫, 戈新生
2015, 36(3): 442-450.
https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.03.010
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研究Gauss伪谱法求解3D刚体摆姿态最优控制问题.针对其最优姿态控制问题,既要满足由任意位置运动到平衡位置姿态运动规划问题,又要满足系统含有动力学约束的力学模型问题,提出基于四元数来描述3D刚体摆的数学模型,建立3D刚体摆姿态的动力学和运动学方程,为了解决3D刚体摆在平衡位置处的姿态最优控制问题,设计基于Gauss伪谱算法的最优姿态开环控制器,得到了3D刚体摆的姿态最优控制轨迹,得到满足的可行解,通过仿真实验验证了其开环解在平衡位置的控制姿态最优性.
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论文
固定床化学链燃烧氧化反应的数值模拟
朱张平, 郭雪岩
2015, 36(3): 451-457.
https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.03.011
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基于Chimera网格采用有限体积法模拟了450个颗粒随机填充固定床中的化学链燃烧的氧化反应过程,并采用三维瞬态N-S方程,结合压力Poisson方程方法,详细分析了床层入口Re=5时的颗粒内部和外部的传质传热过程.模拟结果揭示了在大颗粒的固定床中,颗粒内部有效扩散系数对颗粒内部的传质起着决定性作用,而且颗粒表面的浓度梯度决定了总反应速率;另外,有惰性芯的结构化颗粒能有效地改善颗粒内部总的反应速率,颗粒的转化速率,并且能使床层很快地达到热平衡.模拟结果能更好地帮助我们认识固定床化学链反应器中的反应和组分传递机理.
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非饱和介电凝胶的力学性能及力电失稳行为研究
颜慧贤, 郑秋辉
2015, 36(3): 458-463.
https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.03.012
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力-电耦合场作用下,介电凝胶的体积、形状会发生相应的变化,在智能传感器与促动器等领域具有广阔的应用前景.浸入溶液中,介电凝胶将吸收溶液而溶胀.当外界溶液的量足够多时,介电凝胶将吸收足量的溶液而达到饱和状态;但如果外界溶液的量较小,没有足够的溶液可被吸收时,介电凝胶将处于非饱和状态.基于介电凝胶大变形与极化理论,对非饱和介电凝胶在等双轴应力与电场耦合作用下的力学行为及力电失稳现象进行研究.结果表明,饱和度越低介电凝胶的刚性越大,材料越硬;预应力技术可以提高介电凝胶的力电稳定性,预应力越大,力电失稳出现时的临界电压值越高.
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基于LES方法两种接缝足球升阻力计算及飘球的力学分析
从曙光, 冯敏, 郑百林
2015, 36(3): 464-473.
https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.03.013
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建立两种接缝形式足球的几何模型,通过LES方法计算足球模型的升阻力及相应流场情况.计算结果与相关文献对比,分析了计算误差的来源,并提出可行的处理方案.计算得到模型表面的接缝使得边界层分离点前移,分离区增大,从而阻力增大.计算结果同时表明,两种接缝对阻力的影响是相当的,对升力影响却不可忽视.计算得到升力的变化情况,并从涡脱落角度分析其特征.在此基础上,对“超自然现象”的飘球的力学机理进行了探讨.
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压电半平面梯形夹杂的梯度特征应变问题
范元杰, 徐凯宇
2015, 36(3): 474-484.
https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.03.014
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针对边界处自由和绝缘以及固定和绝缘两种不同的条件,分别计算分析了均匀和梯度特征应变下梯形夹杂内部和外部诱发产生的弹性场和电场,并且讨论了梯形夹杂角点处的奇异性.最后,计算了平均梯度特征应变为零时梯形夹杂内部产生的平均弹性场和电场.所得结果揭示了基体不同边界条件对诱导场的影响.
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周期加热的Rayleigh-Benard对流时空结构
宁利中, 李开继, 周洋, 王永起, 胡彪
2015, 36(3): 485-492.
https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.03.015
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通过二维流体力学基本方程组的数值模拟,研究了普朗特数Pr=6.99时矩形渠槽周期加热对Rayleigh-Benard对流时空结构的影响.当水平流动强度Re=0时,发现稳定的由周期加热引起的局部定常对流.当Re比较小时,对流滚动抑制水平流动,获得了由周期加热引起的局部行波对流.当水平流动强度比较大时,由于周期加热与水平流动相互作用,水平流动抑制部分对流滚动,导致对流区域上游附近出现传导区域,对流区域减小,从而形成一种新的局部行波对流结构.并进一步讨论了Rayleigh-Benard对流时空结构的动力学特性.
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带混合暗支撑的钢筋混凝土核心筒剪力滞后效应分析
汪梦甫, 陈兵
2015, 36(3): 493-501.
https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.03.016
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运用ABAQUS非线性有限元分析软件,分别以普通钢筋混凝土核心筒结构和带混合暗支撑的钢筋混凝土核心筒为研究对象,着重分析核心筒中剪力滞后的分布、发展规律及影响因素;探讨了核心筒的角柱、连梁、分布筋以及暗支撑对其剪力滞后效应的影响;对比了带混合暗支撑核心筒与普通核心筒的剪力滞后程度.结果表明:与普通筒体相比,带混合暗支撑核心筒的承载力和变形能力都得到大幅提高,表出较好的整体性,剪力滞后效应得到有效的控制.
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论文
光伏支架柱平面内有侧移失稳计算长度系数研究
郭小农, 王昆, 赵宪忠, 李亮
2015, 36(3): 502-508.
https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.03.017
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光伏支架是一种典型的不等高单层框架,有侧移失稳的光伏支架柱计算长度系数需考虑多方面因素的影响,无法直接套用现有规范公式.综合考虑了光伏支架短柱和长柱的刚度比γ、短柱和长柱的高度比β以及梁柱线刚度比K1的影响,进行了理论推导,得出了不等高单层框架柱有侧移失稳计算长度系数的计算公式,并制作表格以便工程人员查阅使用.然后以某典型光伏支架实际工程为算例,建立了有限元数值分析模型,并分别进行了线性屈曲分析和考虑几何非线性以及材料非线性的极限承载力分析.分析结果表明,提出的理论公式和计算表格能够精确地计算光伏支架有侧移失稳的极限承载力.
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论文
空间网格结构动力分析的非线性模态方法
王磊
2015, 36(3): 509-516.
https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.03.018
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空间网格结构因自由度数多且无简化的力学模型,非线性动力分析通常要耗费大量时间.传统的非线性模态方法用于求解多高层结构的局部非线性问题已获得良好的效果,但对系统非线性问题的应用尚缺少研究.对比分析多高层结构和空间网格结构动力性能差异,指出网格结构动力非线性分析存在的问题.以主振型理论和切线刚度分离法为基础,将非线性模态方法用于几何非线性效应显著的空间网格结构动力分析.通过对运动方程的非线性恢复力进行拆分,形成线性表达形式,然后解耦到主振型所在的广义坐标系,以达到缩减自由度数量的目的.并通过实例验证非线性模态方法的高效性与适用性.
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论文
混凝土K&C模型材料参数分析与模拟
匡志平, 陈少群
2015, 36(3): 517-526.
https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.03.019
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混凝土K&C模型材料参数一般取国外文献中的原始数值,没有根据混凝土强度等级和单元尺寸的不同而作相应的调整.根据相关的试验研究成果,提出了一种确定K&C模型强度参数值的方法,并阐述了K&C模型损伤参数值的调整方法,使得数值计算结果更加合理.运用有限元显式动力分析软件ANSYS/LSDYNA,采用流固耦合方法模拟爆炸荷载作用下钢筋混凝土板的动态响应,混凝土K&C模型取本文确定的参数值,计算结果与试验结果吻合较好,从而验证了K&C模型材料参数取值的正确性.
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高速列车致声屏障风压变化和分布特性研究
艾辉林, 周志勇
2015, 36(3): 527-533.
https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.03.020
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高速列车致声屏障在极短的时间内受到交变气动力作用,一旦声屏障因强度或疲劳破坏而失效,有可能危及行车安全,因此准确评估高速列车致声屏障的脉动风压分布是结构设计需考虑的关键要素.利用数值风洞技术,模拟了道路及桥梁两侧分别布置5m、3.5m高声屏障,350km/h的列车通过时致声屏障的极值风压分布特性.研究结果表明列车驶过声屏障会产生气流挤压的正压波及气流填充的负压波,正压数值较负压数值大;极值风压随声屏障高度的增加而减小,且列车中心与声屏障的距离、声屏障的高度都会明显减弱极值风压的数值;两列车的交会相比单列车的通过,会更明显地挤压声屏障区域内的气流,从而在声屏障上产生更大的极值风压,且随着列车与声屏障距离的靠近,挤压增大极值风压的特性表现更为明显.最终通过选取京沪高铁试验段,进行相关的现场高速列车致声屏障极值风压试验测试,试验结果验证了数值模拟结果的准确性.
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论文
集中荷载作用下的压电压磁双材料III型界面裂纹问题
胡晓娜, 岳岩鹏
2015, 36(3): 534-540.
https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.03.021
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研究了压电压磁双材料的III型界面裂纹问题,裂纹表面和界面电磁绝缘,且作用有集中荷载.通过解析延拓和复变函数技术,得到该问题的全场解,并给出了裂纹尖端的场强因子.还讨论了Wan等所定义的用以表征界面上下压电压磁材料失配比的无量纲参数G,发现G实际表征的是界面两侧应变的比值,也即界面两侧应变的不相容性.
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用拉格朗日函数分析不同模量静不定桁架内力
吴晓
2015, 36(3): 541-546.
https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2015.03.022
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在外载荷作用下的不同模量静不定桁架平衡问题,是任意有限多个自变量的多元函数在任意有限多个约束条件下的极值问题,对采用拉格朗日乘数法求解此类极值问题进行了数学证明.通过求解不同模量静不定桁架极限载荷的几个算例,阐述拉格朗日乘数法在计算不同模量静不定桁架极限载荷中的应用.研究结果表明:采用拉格朗日乘数法求解不同模量静不定桁架极限载荷的通用性较强,用拉格朗日乘数法求解不同模量静不定桁架极限载荷的方法不但克服了常规方法需利用几何关系建立协调方程的缺陷,且具有力学概念清晰直观、计算过程简便、便于工程设计人员在实际中掌握和应用.
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双曲率壳的力学研究进展
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