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• 2016年, 37卷, 第2期
  刊出日期：2016-06-25

    

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  金属材料多轴非比例低周疲劳寿命预测概述

  吴昊，仲政

  2016, 37(2): 201-213. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.02.001

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  工程中的大多数构件承受着比例或非比例多轴疲劳荷载作用，而非比例强化效应会大大影响其多轴疲劳寿命。精确预测金属材料在多轴非比例荷载下的低周疲劳寿命需要同时考虑等向强化、随动强化及非比例强化效应下的材料本构关系，并在临界面上计算出相应应力应变值，根据不同疲劳失效形式选取不同类型的失效模型来确定疲劳寿命．本文针对这一过程中重要知识点进行阐述，并介绍了相关模型与理论．
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  时间尺度上Hamilton系统的Noether理论

  张毅

  2016, 37(2): 214-224. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.02.002

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  提出并研究时间尺度上Hamilton系统的Noether对称性与守恒量问题．建立了时间尺度上Hamilton原理，导出了相应的Hamilton正则方程．基于时间尺度上Hamilton作用量在群的无限小变换下的不变性，建立了时间尺度上Hamilton系统的Noether定理．定理的证明分成两步：第一步，在时间不变的无限小变换群下给出证明；第二步，利用时间重新参数化技术得到了一般无限小变换群下的定理．给出了经典和离散两种情况下Hamilton系统的Noether守恒量．文末举例说明结果的应用．
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  动态规划求解空间双臂机器人非完整运动最优控制问题

  赵金刚，戈新生

  2016, 37(2): 225-233. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.02.003

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  通过自适应动态规划研究自由漂浮空间双臂机器人运动的最优控制问题．针对空间双臂机器人的非完整性运动，采用自适应动态规划(Adaptive Dynamic Programming, ADP)方法求解其最优控制问题．根据多体动力学理论，推导了载体位置、姿态均无控制条件下，双臂空间机器人满足的系统动量守恒关系的非完整约束方程，并将其转化为控制系统的状态方程，从而将双臂空间机器人的非完整运动规划问题转化为对非线性系统的控制问题．文中根据自适应动态规划网络结构，利用神经网络来近似性能指标函数，进而用龙格库塔法求解状态变量．并给出了适合该类问题的一种效用函数具体表达式，保证了空间双臂机器人到达期望位置后不再继续运动．实现了对空间双臂机器人非完整运动规划的最优控制．数值仿真实验验证了ADP对求解空间双臂机器人非完整运动规划最优控制问题的有效性．
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  纳米狭缝孔道中毛细浸润现象的分子动力学模拟

  龚利策，陈硕

  2016, 37(2): 234-244. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.02.004

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  纳米固体表面的润湿性对于控制和设计纳米流体器件十分关键．本文使用分子动力学模拟研究了不同固液界面相互作用强度、温度、矩形孔道深宽比（H/L）、梯形孔道上下底之比（U/D）以及表面粗糙度等参数对液体浸入纳米狭缝通道动态过程的影响．结果表明，液体浸入狭缝的完全润湿时间受固液相互作用强度和狭缝形状以及尺寸的影响；纳米狭缝孔道粗糙结构对液体的浸入有抑制作用，表面粗糙度越大，抑制作用越明显．本研究可为纳米流体器件的设计提供一定的模拟信息．
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  基于新弹塑性模型全程模拟金属疲劳失效

  王兆玲，肖衡，王晓明

  2016, 37(2): 245-251. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.02.005

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  金属材料疲劳失效问题是工程中一类主要问题，选择合理的材料本构关系对于准确确定疲劳失效强度至关重要．本文提出一个简单形式的自由光滑新弹塑性模型，该模型在不涉及通常的屈服条件以及加卸载条件的意义上完全自由，避免了模量间断问题，且比经典模型更简单、更符合实际．结果表明，该模型可直接模拟金属材料在循环加载下直至疲劳破坏的全过程，不涉及任何损伤变量以及人为假设的失效判据，特别地，可直接模拟金属材料的高周、低周疲劳直至最终失效破坏行为．应用P92钢的相关实验数据，给出了循环加载下的数值模拟结果，结果表明，在各种加载-卸载循环情形下，随着应力幅值的增大，疲劳失效循环数减少，这与实际材料行为相一致．
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  分数因子与分数阶完整力学系统的运动方程和循环积分

  傅景礼，郭玛丽

  2016, 37(2): 252-265. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.02.006

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  引入分数因子和分数增量，给出了分数阶微积分的定义和性质；基于分数阶导数的定义，证明了含有分数因子的等时变分与分数阶算子的交换关系；提出了分数阶完整保守和非保守系统的Hamilton原理；建立了分数阶完整保守系统和非保守系统的运动微分方程；得到了分数阶完整保守系统的循环积分；并利用分数阶循环积分导出分数阶罗兹方程．最后给出了两个例子．研究表明利用分数因子给出的分数阶微分方程是一个含有分数因子的通常的微分方程，那么分数阶系统运动微分方程的求解都可以采用通常微分方程的求解方法．
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  轴向运动层合圆柱壳体的振动特性

  李骁，李映辉，赵华

  2016, 37(2): 266-273. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.02.007

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  研究了轴向运动层合圆柱壳体的振动特性．基于Donnell壳体理论，建立了轴向运动层合圆柱壳体的横向振动方程，使用Galerkin方法求解该振动方程，得到其固有频率，通过与有限元结果对比说明方法的有效性．分析了轴向速度、纤维方向角、长径比和厚径比对壳体振动特性的影响．研究表明：当纤维方向角为 (15?/-15?)s时，轴向运动柱壳前3阶固有频率达到最大值．
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  纤维曲线铺放的复合材料层合板的自由振动分析

  聂国隽，朱佳瑜

  2016, 37(2): 274-283. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.02.008

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  假设曲线纤维的方向角沿板的长度方向按照线性规律变化，导出了纤维曲线铺设时的参考路径，将参考路径沿板的宽度方向平移可得一种曲线纤维增强复合材料单层板，当这种纤维曲线铺设的单层板对称铺放时即可得相应的曲线纤维增强复合材料层合板．基于弹性薄板的小挠度理论，建立了曲线纤维增强复合材料层合板自由振动问题的基本方程，采用微分求积法进行数值求解，得到了层合板的自振频率及相应的振型．与已有文献计算结果的比较，验证了本文计算结果的正确性．通过数值算例分析了微分求积法求解本问题时的收敛性，研究了纤维铺放路径和边界条件的不同对曲线纤维增强复合材料层合板频率及振型的影响，研究结果可为该种结构的设计提供一定的参考．
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  基于格子Boltzmann方法的挤出胀大的数值模拟

  李勇，尤文玉，何录武

  2016, 37(2): 284-292. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.02.009

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  将单相格子Boltzmann方法(lattice Boltzmann method, LBM)引入到粘弹流体的瞬态挤出胀大的数值模拟中，建立了基于双分布函数的自由面粘弹性流动格子Boltzmann模型．分析得到的流道中流动速度分布和构型张量结果与理论解十分吻合．对粘弹流体瞬态挤出胀大过程进行了模拟，并分析了运动粘度比和剪切速率对挤出胀大率的影响，得到的胀大率结果与理论分析和其它模拟结果基本一致．表明给出的LBM可以捕捉挤出胀大的瞬态效应．
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  多孔介质渗透率的一种新分形模型

  王世芳，吴涛，邓永菊，郑秋莎

  2016, 37(2): 293-301. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.02.010

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  多孔介质的渗流特性是油气藏工程、地下水资源利用、高放废物深地质处置等实际工程领域的热门研究问题．基于分形理论及多孔介质由一束面积大小不等的椭圆形毛细管组成的假设，本文建立了流体在分形多孔介质中渗流时的绝对渗透率及相对渗透率的分形渗透率模型．结果表明，绝对渗透率是最大和最小孔隙面积、分形维数、形状因子ε的函数，且当ε =1时，本文模型可以简化成Yu与Cheng模型；而非饱和多孔介质的相对渗透率与饱和度和多孔介质微结构参数有关．将本文提出的渗透率分形模型预测与实验测量数据及其他模型结果进行对比，显示它们整体吻合很好．
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  含椭圆夹杂正交各向异性体的界面应力研究

  肖俊华，白利强，徐耀玲，张福成

  2016, 37(2): 302-310. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.02.011

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  本文研究了远场作用反平面载荷时含椭圆夹杂正交各向异性体的界面应力分布规律．利用解析函数边值问题理论和共形映射技术，推导了反平面载荷下含椭圆夹杂正交异性体的精确解，获得了夹杂和基体内应力场的闭合解，并通过有限元结果验证了本文解析解的有效性．研究表明：基体材料主方向弹性模量比C55/C44和夹杂形状比 对界面应力影响显著；基体材料主方向模量比C55/C44对界面应力的影响受夹杂/基体模量比Cf/C44的限制．
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  地基梁动-静态响应的比较分析

  陈景亮，谈至明

  2016, 37(2): 311-317. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.02.012

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  采用分离变量法求得了冲击荷载作用下的开尔文地基上两端自由有限长梁动态挠曲线方程的级数解；分析了地基梁结构参数和冲击荷载作用时间对梁挠曲线特征值（最大挠度和挠曲线面积）的影响规律；比较地基梁动态挠曲线与静荷载引起的地基梁静态挠曲线之间差异，发现：(1)等效地基梁动态最大挠度或挠曲线面积的当量静荷载值与冲量之间不存在良好对应关系；(2)依据地基梁动态挠曲线用静态方法反演得到的地基梁结构参数有可能含有较大的偏差．
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  不同网格拓扑对细长体绕流计算的影响研究

  刘跃，管小荣，徐诚，常玲玲

  2016, 37(2): 318-326. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.02.013

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  分别运用扇形(Fan)、阶梯形(Ladder)、交界面形(Interface)网格对细长体小攻角对称、大攻角对称、大攻角非对称绕流流场进行了数值研究．通过涡核位置、涡簇显示、物面压力分布、轴向力分布等的计算结果比较了三种网格的计算精度．数值实验表明：细长体分离涡流场对边界层网格非常敏感，应严格控制边界层网格的正交性；随着攻角增大，流场对网格特性的敏感性有增高的趋势；阶梯形网格可能会对流场带入非物理性扰动，交界面网格对流场捕捉有不连续现象；将三种网格得到的物面压力、侧向力、流动分离位置与实验值进行对比，发现扇形网格误差最小、交界面网格误差最大；大攻角非对称流动时，扇形网格计算的侧向力有整体向细长体头部压缩的趋势，涡脱落位置靠前，第二个及第三个极值更大，说明非对称现象有向尾部发展的趋势．
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  慢变外激励下的Van der Pol-Duffing系统中的混合模式振动

  江寒正，韩修静，陈小可，毕勤胜

  2016, 37(2): 327-336. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.02.014

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  探讨了慢变外激励下的Van der Pol-Duffing系统的复杂动力学行为，揭示了由于慢变外激励的存在而使系统产生的两时间尺度混合模式振动及其动力学机理．当快子系统的平衡点失稳时，快子系统可以呈现出两种不同的动力学特性，即所谓的“单稳态”和“双稳态”．探讨了与“单稳态”和“双稳态”相关的混合模式振动，得到了三类不同的振动模式，即对称式“delayed supHopf/delayed supHopf”型，对称式“subHopf/fold-cycle”型，以及对称式“subHopf/subHopf”型．
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  重型车辆撞击桥墩的碰撞力峰值参数分析

  王娟，钱江，周德源

  2016, 37(2): 337-344. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.02.015

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  车辆撞击桥墩的碰撞力受很多因素影响，现行桥梁规范中仅以恒定的静力进行设计，不能正确反映碰撞过程的动力效应以及桥墩与车辆的耦合作用影响，难以满足现代交通和基础设施高速发展的需求．为了考察桥梁结构参数对碰撞力峰值的影响及不同参数间相对重要性，在有限元软件LS-DYNA平台上，建立了车桥碰撞精细化数值模型，对桥梁下部结构遭受重型车辆碰撞过程进行数值仿真，分析了桥墩高度、混凝土抗压强度等级、箍筋间距、纵筋和箍筋的屈服强度、纵筋和箍筋配率等结构参数对碰撞力峰值的影响规律．
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  基于自然单元法的功能梯度中厚板自由振动分析

  陈莘莘，童谷生，魏星

  2016, 37(2): 345-353. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.02.016

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  自然单元法是一种基于自然邻近插值的无网格数值方法．相对于移动最小二乘近似而言，自然邻近插值不涉及到复杂的矩阵求逆运算，也不需要任何人为的参数．基于一阶剪切变形板理论，利用自然单元法对功能梯度中厚板的自由振动进行了数值分析．功能梯度板材料属性沿厚度方向呈梯度连续变化．由于自然邻近插值函数具有Kronecker delta函数性质，可以直接施加本质边界条件．通过本文给出的方法，对不同梯度指数和不同边界条件的功能梯度中厚板的振动频率进行了计算．通过与文献结果的对比验证了自然单元法求解的有效性．
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  基于有效参数法的固定床化学链燃烧数值模拟

  张岩，郭雪岩，朱张平

  2016, 37(2): 354-362. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.02.017

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  本文基于有效参数法和变核颗粒模型，对固定床化学链燃烧进行数值模拟．计算并分析不同颗粒参数对二维固定床化学链燃烧结果的影响．在有效参数模型中，颗粒填充床被看作均匀的流体域．本文主要模拟了组分场和温度场，通过改变颗粒直径、孔隙率、内部粒子直径三组参数，取得了不同条件下二维固定床化学链燃烧床层所能达到的最高温度以及反应所用的时间．通过对不同参数模拟结果的分析，得出颗粒内部结构对反应特性的影响规律．
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  旋转运动导电圆板的磁弹性参数振动分析

  李哲，胡宇达

  2016, 37(2): 363-371. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.02.018

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  针对磁场中旋转运动圆板，在动能、应变能表达式基础上，根据哈密顿原理导出圆板的磁弹性振动方程．应用伽辽金积分法，得到横向磁场中旋转变速运动圆板的轴对称参数振动微分方程．通过坐标变换得到包含两个变系数项的马蒂厄振动方程．应用弗洛凯理论和平均法对系统的参数振动问题进行求解．通过数值计算得到周期稳定图、对应的振动响应特性图和相轨迹图．结果表明：在稳定区域内，系统的幅频曲线呈现为周期或概周期变化形式；在不稳定区内，系统的幅频响应曲线呈现为发散变化形式．
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  微结构片外弯曲测试装置及试样设计

  冯永平，罗华云

  2016, 37(2): 372-380. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.02.019

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  硅是微电子机械系统（简称微机电系统）中最常见的功能结构材料，可靠性是制约硅微构件小尺度加工和大规模制造的瓶颈问题．为研究硅微构件的力学特性，本文开发了一套以压电驱动、微力测量、位移检测为核心组件的片外测试系统．设计了一种将四个弯曲测试梁集于一体的微结构，借助有限元方法确定其尺寸，并用理论方法验证有限元分析的合理性．本文着重确保了四个关键设计目标：一、每根测试梁最大应力应位于其与外框架结合处；二、未断裂测试梁的最大应力受其他梁的断裂的影响应足够小；三、各个测试梁的最大应力的差别应足够小；四、支撑梁的最大应力应明显小于测试梁．最后测试了试样的弯曲强度，实验加载曲线和有限元分析基本吻合，表明测试装置和试样设计是合理的，为后续的硅微构件可靠性测试奠定了基础．
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  摩擦作用下直杆在对称斜面间的稳定平衡分析

  尤明庆

  2016, 37(2): 381-388. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.02.020

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  摩擦提供的约束反力在由正应力所确定的范围之内．对称平板支承下的直杆在水平状态时平衡，但重心最高，因而没有摩擦时不能稳定平衡；摩擦作用下直杆平衡的倾角范围与平板坡度相关，可依据摩擦力达到极限值确定；若直杆与平板夹角小于90o，则平衡是稳定的，否则将跳跃到一侧平板，且摩擦角小于板面倾角时下滑到底部．支承板倾角变化时，处于稳定平衡状态的直杆将在一端发生滑移：倾角增大则高端向上、减小则低端向下，以使直杆重心位置较低．若支承板倾角作周期性变化，则直杆将逐渐倾斜而失稳：下滑到底部或跳跃到一侧平板．摩擦使力学系统具有非线性特征，其平衡位置可以在状态参数连续变化时发生跳跃．
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  铝面板PMI泡沫芯夹层梁弹性弯曲的二维模型

  吴晓

  2016, 37(2): 389-394. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.02.021

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  将面板PMI泡沫芯夹层梁的弯曲问题按平面应力问题研究，采用弹性理论建立了铝面板PMI泡沫芯夹层梁弯曲变形的微分方程，利用奇异函数把作用在梁上的外载荷表示为分布载荷，推导出了铝面板PMI泡沫芯夹层梁弯曲变形时的挠曲线表达式．采用该方法对面板PMI泡沫芯夹层梁弯曲挠度进行计算，将求得的计算结果与有限元法结果及实验数据进行对比，发现该方法求得的梁中点挠度更接近实验值，这说明该方法可靠的．该方法给出了铝面板PMI泡沫芯夹层梁弯曲时的挠度计算通式，而且梁中点挠度计算公式的表达形式也较为简便，可方便工程设计人员在工程实际中推广应用．
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  初应力对压电压磁板中水平剪切振动的影响

  张超，李强，刘源

  2016, 37(2): 395-402. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.02.022

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  针对含有初始应力的压电压磁板中的水平剪切振动问题，从基本的线弹性理论出发，经过适当的变量代换，推导出了精确的解析解，得到了电磁学开路、电学开路磁学短路、电学短路磁学开路、电磁学短路四种情况下的频率控制方程；进一步应用二分法对方程进行求解，并数值模拟了初始应力以及不同的电磁学边界条件对振动频率、位移模态的影响．研究结果表明：初始应力和电磁学边界条件对压电压磁板的水平剪切振动频率都具有显著的影响，且当初始应力变化范围较小时（初始应力与有效刚度系数之比在5%以内），振动频率与初始应力之间呈线性关系；电磁学边界条件能显著改变压电压磁板内振动位移的分布，但初始应力对其影响不大．
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  考虑损伤拉压不同模量梁的纯弯曲

  杨帆，盛冬发，徐国林

  2016, 37(2): 403-411. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.02.023

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  根据考虑损伤的变模量弹性理论，建立了考虑损伤的拉压不同模量梁的弯曲基本方程，推导了梁的拉（压)应力、受拉区高度和挠度的计算公式．应用数值计算方法，分别得到了有损与无损时梁极限拉（压）应力、受拉区高度与模量比的关系曲线以及有损梁的最大挠度和模量比的关系曲线，同时得到了梁拉（压）应力比值、损伤引起的中性轴偏移量和梁跨中挠度比值与载荷的关系曲线．这些结论可为工程上具拉压不同模量梁的截面设计提供一定的参考价值．
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  含有多个涂层压电纤维复合材料的平面问题研究

  杨宾华

  2016, 37(2): 412-420. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.02.024

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  压电纤维在未来的复合材料结构健康监测中具有重要作用．本文基于横观各向同性压电材料位移和应力连续条件以及经典的复势函数理论，讨论了同时受到平面内机械载荷和出平面电载荷作用时含有多个带涂层压电纤维的无限大线弹性基体的平面力学问题．首先将线弹性基体、涂层和压电纤维的应力场、位移场表示成复势函数，然后通过横观各向同性压电材料和线弹性材料的位移和应力连续条件确定复势函数表达式．将得到的复势函数表达式代入线弹性基体、涂层和压电纤维的的应力场、位移场公式可确定其应力场和位移场．最后，通过定量的案例讨论了涂层的材料属性对线弹性基体应力场的影响．案例分析表明涂层的材料属性对压电复合材料的应力场有重要的影响．