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  • 2016年, 37卷, 第3期
    刊出日期：2016-09-25
      
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    大规模结构动力学并行计算与软件研发进展
    范宣华，肖世富，陈璞，刘青凯，王柯颖，牛红攀
    2016, 37(3): 421-432. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.03.001
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    以大型复杂装备研制过程中对大规模精细动力学数值模拟的迫切需求为背景，对大规模模态分析及后续相关动力学并行计算的国内外研究进展进行了概述，并对团队在JAUMIN框架和PANDA软件平台上开展的结构动力学并行计算相关研发工作进行了介绍．基于神光III大型光机装备的展示算例表明，PANDA软件的动力学并行可扩展能力达到“上亿自由度、上万核”的水平，万核并行效率高达50%以上，远超国内现有商业软件的分析能力；“基于框架研发应用软件”的设计理念已经成为大规模有限元程序研发的主流理念，对于提升软件研发效率，促进软件实用化和并行可扩展性将起到关键作用．
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    正交各向异性功能梯度材料开口圆柱壳的自由振动分析
    李伟柏，曹志远，唐寿高
    2016, 37(3): 433-440. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.03.002
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    区别于一般圆柱壳，开口圆柱壳沿周向是不封闭的，因此具有四个边界，本文根据轴向梁式振动和轴向曲拱振动特性对各种端部与侧边边界条件下的壳体提出统一的位移振型函数，并根据哈密顿原理建立了材料参数与空间坐标相关的正交各向异性开口圆柱壳的动力变分方程，求出了不同材料属性下开敞圆柱壳固有频率与振型解的一般解析表达式，适用于任意边界条件下不同材料的开敞圆柱壳自由振动分析．
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    可变结构空间桁架机械臂的动力学建模
    王齐帅，刘晓峰，蔡国平
    2016, 37(3): 441-446. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.03.003
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    可变结构空间桁架机械臂由于具有高承载比和工作空间大等优点，有可能成为下一代空间机械臂的替代形式．本文对可变结构空间桁架机械臂的动力学问题进行建模研究，首先简要介绍了桁架机械臂系统的结构形式，然后采用笛卡尔坐标和变分原理建立系统的动力学模型，其中杆件的转动采用卡尔丹角进行描述，最后通过与ADAMS软件的计算结果对比验证本文所建模型的正确性．
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    倾斜壁面浸润性梯度驱动液滴运动过程的格子Boltzmann模型研究
    付宇航，陈琬钰，杨帆，郭雪岩
    2016, 37(3): 447-456. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.03.004
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    基于介观模型的多组分伪势格子Boltzmann方法，模拟了倾斜壁面浸润性梯度驱动液滴的运动过程，研究了壁面浸润性梯度、壁面倾斜角度对液滴运动过程的影响．结果表明，对于一定倾斜角度的壁面，当壁面上浸润性梯度足够大时，液滴能够克服重力的作用实现“爬坡”；液滴在运动过程中，其前进及后退接触角与当地静态接触角间存在差值；增大壁面浸润性梯度时，液滴能够获得更快的加速，并且前进及后退接触角与当地静态接触角之间的差值也随之增大；增大壁面倾斜角度时，液滴的运动受到阻碍，前进及后退接触角与当地静态接触角的差值小幅减小．
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    铁电电容系统非线性电滞参数模型研究
    薛晓敏，孙清，伍晓红，张陵
    2016, 37(3): 457-465. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.03.005
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    为解决铁电电滞模型中特性参数确定困难的问题，改善模型在工程应用中受限现状，本文利用遗传算法提出一种实用的铁电模型特性参数识别方法，可根据随机试验数据完成特性参数的提取，继而重构铁电模型以模拟各种铁电电容系统的非线性电滞行为．以上方法不但可以预测各种电场条件下的电极化响应，还可预测反映系统特性的理想饱和极化响应．最后，为验证所提方法的有效性，本文进行了仿真计算验证，其结果表明，基于优化参数的电滞模型能够很好地与试验数据吻合，具有较好的精确性和鲁棒性，为铁电系统在实际工程的应用提供有效参考．
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    局部损伤复合材料层合板的振动分析
    张杭彬，乔丕忠
    2016, 37(3): 466-472. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.03.006
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    本文采用了一种改进方法对局部损伤复合材料层合板进行了振动分析，将复合材料板中的损伤模拟为局部刚度的削减，并取三个损伤因子来刻画损伤的特性．利用高阶摄动法对其自由振动方程进行求解，主要计算了损伤板的自然振动频率和振动模态．相较于一阶摄动展开法，该方法在计算局部较大损伤问题中具有更高的准确度和敏感度．最后对损伤问题进行了参数研究，分析了不同的损伤因子（包括局部损伤程度、方向、面积大小）对板自由振动频率的影响．该方法为二维板局部损伤检测提供了有效精确的理论依据，并为损伤的定量评价提供了一种思路．
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    丝束轴向变角度复合材料梁的弹性分析
    聂国隽，沈丹，王凯
    2016, 37(3): 473-484. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.03.007
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    丝束变角度复合材料具有变刚度的特点，因此其结构分析具有相当难度．本文采用状态空间法和微分求积法联合的半解析数值方法对丝束轴向变角度复合材料梁的弯曲问题进行研究．假设纤维方向角沿梁的轴向按照任意连续函数变化，选取位移和位移的一阶导数作为状态变量，建立了丝束轴向变角度复合材料梁弹性分析的状态空间方程，将状态变量对轴向坐标的导数采用微分求积法进行求解，进而可得问题的半解析数值解．通过与现有文献及ABAQUS计算结果的比较，验证了本文方法的正确性，并对微分求积法求解本问题的收敛性进行了分析．通过数值算例研究了纤维方向角沿梁轴向的变化对丝束轴向变角度复合材料梁的位移及应力分布的影响，研究结果可为该种结构的设计提供一定的参考．
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    基于非局部弹性理论的纳米板横向振动
    陈玲，刘金建，李成，姚林泉，范学良
    2016, 37(3): 485-492. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.03.008
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    本文利用非局部弹性理论研究了单层石墨烯的纳米板的横向自由振动响应．通过迭代法推导了非局部应力表达，进一步通过哈密顿原理推导了纳米板的控制方程，应用纳维解法得到四边简支纳米板振动固有频率的数值解，并将本文研究结果与已有文献结果进行对比，进一步讨论了小尺寸效应，以及纳米板的三维尺寸和半波数对振动频率的影响．结果表明：非局部效应的存在使得纳米板的等效刚度和固有频率降低；半波数的增加则使得纳米板的固有频率提高．相关分析结果对基于二维纳米材料的新设备的设计和优化具有重要意义．
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    载流圆板在磁场中的随机稳定性分析
    王平，张雄，王知人
    2016, 37(3): 493-501. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.03.009
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    本文根据大挠度板壳力学基础理论和电磁弹性力学理论，建立了载流圆板的非线性磁弹性随机振动力学模型，采用伽辽金变分法将其变换成非线性常微分动力学方程．通过拟不可积哈密顿系统的平均理论将该方程等价为一个一维伊藤随机微分方程．通过计算该方程的最大Lyapunov 指数判断该系统的局部随机稳定性，并进一步采用基于随机扩散过程的奇异边界理论判断该系统的全局稳定性．最后通过讨论该系统的稳态概率密度函数图的形状变化讨论了该动力系统的随机Hopf分岔的变化规律，并采用数值模拟对理论分析进行了验证．
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    用于正交各向异性织物仿真的弹簧质点模型
    刘凯，吴寒，张纯，李凡
    2016, 37(3): 502-512. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.03.010
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    针对正交各向异性织物，本文提出了一种含附加节点的三角形弹簧质点模型．通过冗余自由度的引入和缩聚，能够实现有限元模型和弹簧质点模型三角形单元刚度矩阵的精确相等；据此，针对一般正交各向异性材料常数和单元形状，推导出弹簧质点模型中弹簧刚度系数及附加节点位置的解析表达式，有效解决了传统弹簧质点模型在正交各向异性织物仿真中存在的计算精度不高、弹簧参数选取随意等缺陷；并进一步完善了基于弹簧质点模型的柔性织物空间变形算法．数值模拟表明本文提出的弹簧质点模型和变形算法在进行织物仿真计算时，具有精度好、通用性强等优点．
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    航空发动机叶片抗冲击动力学拓扑优化研究
    何旅洋，郑百林，杨彪，张锴
    2016, 37(3): 513-521. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.03.011
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    本文运用了结合混合元胞自动机(Hybrid Cellular Automaton, HCA)方法和基于LS-DYNA显式有限元算法的动力学拓扑优化方法来解决非线性动力学拓扑优化问题，并形成了该方法迭代过程的数学模型．运用该方法，对某航空发动机叶片进行了动力学拓扑优化设计，给出了优化后结构的材料分布，并与优化前结构进行了对比分析．结果表明，优化后结构相比于优化前在材料分布上更加合理，在减少质量的同时降低了结构在冲击过程中的最大应力，实现了航空发动机的抗冲击优化，为航空发动机动态优化设计提供了有效分析方法．
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    含覆盖层峡谷地形对平面P、SV波的宽频散射模拟
    朱丽双，刘中宪，王冬
    2016, 37(3): 522-535. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.03.012
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    含覆盖层峡谷对地震波的高频散射规律尚不明确．本文采用间接边界元方法(IBEM)分析半空间中含覆盖层峡谷地形对地震波的二维宽频散射，对入射波型、入射角度和频率、覆盖层深宽比等因素对覆盖层地震响应规律的影响进行探讨分析．结果表明：IBEM可高效精确地对地震波的散射进行宽频模拟．对中低频段（无量纲频率η10.0），覆盖层放大效应减弱甚至出现缩幅效应．随覆盖层深度增加，位移放大频段的带宽逐渐减小，第一峰值频率降低，且在低频段频谱曲线振荡剧烈．另外，覆盖层形状和入射角度对地震波聚焦特征也具有重要影响，不同波型入射下聚焦区域有很大差别．实际含覆盖层峡谷地形地震反应分析需精细考虑波型、入射波频率和角度、覆盖层深宽比等因素，以更科学地进行震害解释和地震安全性评价．
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    分裂导线自阻尼振动特性研究
    张廼龙，陈大兵，胡鹏，张研
    2016, 37(3): 536-542. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.03.013
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    为了掌握线路的振动状态，确定线路抗振能力，保证线路安全，需要明确架空输电导线的风致振动响应．本文针对江苏境内某特高压工程LGJ-630/45型导线，建立其振动控制能量平衡方程，编制了Fortran程序以高效准确地求解该超越方程，计算分析了单导线及四种分裂导线微风振动状态下的振动及耗能特性．结果表明，单导线在风振平衡点处的双振幅最大值在最低频率上，约为导线直径的两倍；四种分裂导线风振平衡点处的幅值在15Hz附近达到最大值；导线单位长度功耗在60Hz附近达到最高，功耗能力在较低频域(10Hz~20Hz)上较弱，在较高频域(30Hz~80Hz)较强；导线分裂数越大，分裂导线的振幅越小，八分裂导线的防振消振效果相对最好；四种分裂导线在在10Hz~20Hz频域振动幅值大而单位功耗水平低，因此10Hz~20Hz频段是分裂导线的危险频段，防振措施应该针对这一频段设置．研究方法与成果为LGJ-630/45导线的抗振设计提供了科学依据．
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    地震载荷对反应堆压力容器疲劳分析的影响
    温爽，李铁萍，高新力，魏超
    2016, 37(3): 543-550. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.03.014
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    本文以某核电厂为例，分别依据ASME规范和RCC-M规范，采用有限元软件ANSYS对反应堆压力容器的疲劳行为进行分析计算．在两类规范中，疲劳分析的一个重要差异体现在地震载荷与其他瞬态载荷的组合方式上，因此，本文着重关注地震载荷在压力容器疲劳分析中的影响．疲劳评定主要包括以下步骤：压力容器模型的建立、瞬态计算和疲劳分析．RCC-M规范对地震载荷的处理方式相对保守．但由于地震载荷对压力容器疲劳分析的影响有限，所以两种规范的疲劳评定结果十分相似．最终的疲劳评定结果显示，压力容器的一次加二次应力辐值和累计疲劳使用系数都满足ASME和RCC-M规范中的要求．
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    具有水平流动的Rayleigh-Benard对流斑图
    宁利中，王永起，周洋，李开继，胡彪
    2016, 37(3): 551-558. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.03.015
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    本文利用数值模拟，探讨了普朗特数 时有水平流动的Rayleigh-Benard对流结构．当水平流动强度 时，发现定常对流的多重稳定性．当 时，Rayleigh-Benard(RB)对流中存在三种对流斑图．它们的出现依赖于水平流动强度 和相对瑞利数 ．与 相比，在 时的行波具有不同的动力学特性．
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    SAPH440汽车薄板高低周疲劳特性试验研究
    兰天，杨凤鹏，李博林
    2016, 37(3): 559-564. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.03.016
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    本文通过设计防屈曲装置，对2.3mm厚度汽车薄板SAPH440在室温下进行了单轴拉伸、低周疲劳和高周疲劳等一系列试验．给出该材料静态力学参数，低周疲劳曲线（E-N曲线）、高周疲劳曲线（S-N曲线）以及相关疲劳性能参数．分别得到了在应力比R=0.1和R= -1状态下的疲劳寿命公式．通过考察低周循环应力-应变曲线，发现材料在试验控制的循环应变幅范围内发生了循环软化，具有明显Masing特性．此外，通过对疲劳断口形貌分析，初步给出了疲劳裂纹的扩展机理．
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    风机塔筒结构横向振动特性的快速计算方法
    秦营，李映辉
    2016, 37(3): 565-571. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.03.017
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    本文提出了一种风机塔筒结构横向振动特性的快速计算方法．将机舱和叶片整体、连接法兰盘分别简化为集中质量，塔筒简化为非均匀悬臂梁，建立风机塔筒结构横向振动方程．给出了用假设模态法计算塔筒结构固有频率和模态函数的过程．通过与文献及有限元数值结果比较验证了方法的有效性．本文方法仅需给出结构的基本参数，如截面半径变化规律、法兰盘位置和质量、机舱及叶片质量，便可快速求解其频率和模态，无需建立其复杂的力学模型．
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    考虑弯曲刚度斜拉索面内面外内共振分析
    吕建根，康厚军
    2016, 37(3): 572-580. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.03.018
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    本文研究桥梁工程中含弯曲刚度斜拉索的面内面外内共振问题．描述了工程中斜拉索变形的三种状态，考虑弯曲刚度、大变形及垂度等因素，忽略斜拉索纵向惯性力的影响，运用Hamilton变分原理建立了含弯曲刚度的斜拉索面内面外耦合偏微分控制方程，采用Galerkin方法对偏微分方程离散，并运用多尺度摄动方法进行了求解，获得了斜拉索可能存在的内共振模式，以工程中一根斜拉索为例，运用有限元法对其进行动力特性分析，列出了斜拉索前10阶面内面外振动频率，找出面内面外可能产生内共振的模态，分别研究了主共振条件下斜拉索面内和面外1:1、2:1内共振情形，获得了有意义的结论．
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    拉压不同弹性模量薄板上圆孔的应力分析
    吴晓
    2016, 37(3): 581-589. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.03.019
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    采用弹性理论研究了拉压不同弹性模量薄板上圆孔的孔边应力集中问题．采用广义虎克定律推导出了拉压不同弹性模量薄板上圆孔边的应力平衡方程，并联合利用应力函数及边界条件得到了拉压不同弹性模量薄板上圆孔边的应力表达式．算例分析表明，当薄板材料的拉压弹性模量相差较大时，采用经典弹性理论研究薄板上圆孔的孔边应力是不合适的，当经典弹性理论与拉压不同弹性模量弹性理论的计算结果间的差别超过工程允许误差5%时，应该采用拉压不同弹性模量弹性理论进行计算．
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    深海保温输油管后屈曲及屈曲传播的有限元分析
    林积新，薛江红，陈叔华，张建文
    2016, 37(3): 590-598. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.03.020
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    本文运用ABAQUS有限元软件模拟深海输油管道的后屈曲及屈曲传播现象．将深海输油管道视为内、外层为合金钢材，夹心为聚氨酯泡沫的输油管道．采用线弹性-线性硬化的本构关系，运用Riks分析法获得后屈曲平衡路径，以此模拟管道中的屈曲传播过程，并获得屈曲传播压力．通过数值算例，综合讨论了不同初始缺陷、不同径厚比、不同夹层与夹心厚度比对、不同的材料弹性模量对屈曲传播过程和压力的影响．最后将输油管退化为单层管，将传播压力的有限元结果与实验结果、 Palmer理论解比较．结果表明有限元值、实验结果、理论值三者比较吻合．验证了有限元分析的正确性．
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    渐缩平板间的缓变流(II): CEB的应用
    黄树新
    2016, 37(3): 599-605. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.03.021
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    本文用伯努利方程能量系数CEB判别了斜平面间渐缩流动的缓变流．对于用平均速度的动能和中点位置的压能构成的CEB，采用1%的相对偏差判据得到8.16?的缓变流临界角．考虑到截面平均压强和中点压强的差异以及计算中的少量误差，文中以平均速度引起的能量偏差为基础，用另外两种方式得到的缓变流临界角也在8?左右．这和前文用静力学方程能量系数得到的5.455?缓变流临界角略有不同．对于用平均速度的动能和截面平均压能构成的CEB，进行了动能校正以及动能校正、压能校正、和位能校正组合的校正．得到仅动能校正和三种校正同时考虑的结果接近理论值．如果以常用的忽略动能校正的做法作为缓变流的判别依据，20?的倾角也可以看作渐缩平板间缓变流的一个临界角．这个倾角实际上更直观地表现了常用的忽略动能校正所引起的偏差．
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    微型开缝钝体燃烧器燃烧特性数值分析
    孙全意，郭雪岩
    2016, 37(3): 606-613. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.03.022
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    本文将开缝钝体稳燃技术应用于微型燃烧器中，采用详细化学反应机理模拟了不同速度下微型开缝钝体燃烧器与微型常规钝体燃烧器的燃烧情况．结果表明：开缝钝体燃烧器火焰宽度一致性较好，火焰中心温度沿轴向分布更加均匀，尤其在速度较大时，开缝钝体燃烧器优势更加明显；开缝钝体燃烧器燃烧效率高于常规钝体燃烧器，速度大于25m/s时，开缝钝体燃烧器效率高出常规钝体燃烧器5%左右；由于开缝钝体中钝体缝隙过大，濒临吹熄极限时，钝体后值班火焰被吹熄，开缝钝体燃烧器吹熄极限略有降低．