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  • 2016年, 37卷, 第4期
    刊出日期：2017-01-02
      
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    格子Boltzmann方法处理复杂边界新进展
    薛海虹, 王政道, 钱跃竑
    2016, 37(4): 615-624. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.04.001
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    格子玻尔兹曼方法是相对较新的计算流体力学方法，具有其独特的优点，如自然并行计算以及复杂边界的处理．在日益重要的高性能计算上，将发挥越来越大的作用．在已经较为成熟的计算模型基础上，为计算复杂几何边界对流场的作用，大量学者提出了各类针对格子玻尔兹曼方法的边界处理格式．边界处理方式对计算的影响主要有三个方面：计算精度，算法稳定性以及并行性．本文简单介绍格子玻尔兹曼方法在边界处理上的一些最新进展．并通过对实际算例的计算比较各类边界处理方式的优劣．
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    基于Hilbert-Huang 变换的极端气温时间序列的尺度分析
    闫允鲁, 马皓, 罗剑平, 黄文华, 邱翔, 刘宇陆
    2016, 37(4): 625-637. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.04.002
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    极端气温时间序列作为非常复杂的非线性非平稳信号由多个不同频率的信号组成，本身频谱中包含多个不同尺度特征波．本文应用Hilbert-Huang 变换方法分析了2005 年-2014 年上海市奉贤区10 年间最高气温时间序列和最低气温时间序列．通过该分析展示了Hilbert-Huang 变换对非线性非稳定信号具有良好的自适应性；通过分析极端气温的时间序列原始数据来判断极端事件频率和强度变化特征；结果表明，最高气温和最低气温都有不同程度的升高．通过周期性分析，模态数和平均周期之间存在着一定的关系，各模态的平均周期变化呈现渐近的质数增长；结果还显示，最高最低气温时间序列所表现出来的平均周期性和模态能量分布大体相同．通过多尺度观察极端气温的时间序列探寻了其内在的发展规律及时空变化关系，得到了原始信号中时-频-能之间的联系．
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    网链缠结对凝胶薄膜起皱的影响
    张校维, 易成智, 颜慧贤, 金波
    2016, 37(4): 638-647. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.04.003
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    凝胶薄膜在变形时易发生屈曲、起皱等失稳现象，这在凝胶薄膜的应用中是非常重要的．近年来，针对凝胶薄膜的屈曲、起皱失稳行为，越来越多的科研人员尝试从力学角度进行分析．但是大多数的研究是基于Flory-Rehner弹性凝胶理论，未考虑凝胶网链缠结引起的物理交联对凝胶自由能的影响，模型精度不高．本文采用Edwards-Vilgis所提出的Slip-link模型对平面内起皱的凝胶薄膜进行分析，研究了不伸展参数、滑移参数对聚合物凝胶增量模量的影响以及不伸展参数、滑移参数、基底材料泊松比对凝胶薄膜起皱时的临界波长和临界应力的影响．结果表明：化学势在一定范围内变化时，随着化学势的增加，增量模量、临界波长、临界应力减小；不可伸长参数越大，增量模量、临界波长及临界应力越大；滑移参数越大，增量模量、临界波长及临界应力越小．
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    正交各向异性地基平面问题动力响应研究
    张春丽, 祝彦知, 王博
    2016, 37(4): 648-657. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.04.004
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    以位移分量为基本未知量，在直角坐标系下建立正交各向异性地基的平面应变问题动力偏微分方程．采用Laplace-Fourier变换和逆变换方法，引入初始条件和边界条件，推导了任意形式表面动荷载作用下正交各向异性地基平面问题在时域内动力反应的积分形式解．基于理论解，编制了相应的计算程序，并对正交各向异性土
    体表面作用线性移动谐振荷载进行了算例分析，研究了土体参数、荷载移动速度、荷载频率不同而导致的土体表面各点竖向位移幅值的变化规律，以及荷载速度对竖向应力分量的影响规律．数值分析结果表明：土体的各向异性、荷载频率和移动速度对表面位移幅值有较大影响，土体阻尼比对于荷载中心点附近的位移幅值影响较小；荷载移动速度对于竖向应力分量有较大影响，这对工程实践具有重要指导意义．
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    S0兰姆波在渐变折射率声透镜中的聚焦
    张丽媛, 赵金峰, 仲政
    2016, 37(4): 658-664. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.04.005
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    本文研究了S0兰姆波在渐变折射率声子晶体中的聚焦现象．通过调整正方晶格声子晶体的主轴方向与波传播的相对方向，设计了ΓX和ΓM方向两组不同的渐变折射率声透镜．采用有限单元法模拟S0波在不同声透镜内的传播，并与S0波在声透镜内的传播迹线做了对比，数值结果和理论结果基本一致．数值计算结果显示：ΓX方向的声透镜的焦距fl略大于其理论值，而ΓM方向的声透镜的fl则略小于其理论值．ΓX方向的声透镜的横向分辨率FWHM小于ΓM方向的声透镜，而聚焦强度MFI则大于ΓM方向的声透镜．结果表明，通过调整声子晶体的主轴方向与波传播的相对方向，可以显著地改变声透镜的聚焦特征．这为S0兰姆波声透镜的设计提供了重要依据．
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    双集中荷载下一次超静定梁的加载过程分析
    李会知, 马亚沛, 程站起, 李传宗
    2016, 37(4): 665-674. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.04.006
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    对双集中荷载作用下一次超静定梁的弹塑性加载全过程进行了分析．根据变形特点可把加载过程分成四个阶段．第一阶段是常规的弹性阶段，第二阶段是固支端附近单个塑性变形区扩展的阶段，第三阶段是固支端和一个集中荷载附近两个塑性变形区同时扩展的阶段，第四阶段是固支端保持为塑性铰从而引起固支端附近区域卸载而梁中间的塑性变形区继续扩展直至形成第二个塑性铰的阶段．在第一阶段，弯矩内力和挠度与外荷载均是线性比例递增关系；在第二、第三两个阶段，弯矩和挠度与外荷载是不同的非线性关系；在第四阶段，弯矩与外荷载是非比例的线性关系，但挠度与外荷载却是复杂的非线性关系．给出了加载各阶段的弯矩及挠度计算公式，具有理论意义，也可供对应的结构设计应用．
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    爆震室壁面条件对脉冲爆震发动机爆震性能的影响
    王忠杰, 陈永杰, 饶飞雄, 丁珏, 翁培奋, 李孝伟
    2016, 37(4): 675-683. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.04.007
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    在爆震室内快速形成稳定传播的爆轰波是脉冲爆震发动机的关键．本文利用有限速率化学反应模型，考虑粘性、热对流，基于N-S方程对氢气与空气/氧气为反应混合物的爆震发动机爆震室内流场进行计算．从流场压力、速度、涡量、湍流动能等方面研究爆震室壁面条件对燃烧爆轰性能的影响，分析流场爆轰波压力与流场湍动能的关系，讨论可燃气体燃烧转爆轰的机理．结果表明：爆震室内燃烧爆轰机理受到化学反应能量释放、壁面摩擦效应、壁面与外界热交换的影响．在文中讨论的范围内，相比于半圆形和三角形的爆震室装置，矩形的爆震室增强装置能在更短的时间内得到较高的爆轰波压力和湍动能峰值．壁面粗糙层高度（粗糙度）影响爆震室的燃烧爆轰性质．当壁面粗糙度为0.15mm时，粗糙度对爆轰的激励作用大于抑制作用，能较快形成稳定的爆轰波，且推力为35.5N；随着壁面对流换热系数的增大，爆震室壁面的散热加剧．当壁面对流换热系数大于临界值2.6W/(m2·K)时，爆震室内不能形成稳定的爆震波．
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    基于转角模态和小波神经网络的连续梁损伤识别研究
    王名月, 缪炳荣, 李旭娟, 杨忠坤
    2016, 37(4): 684-691. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.04.008
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    基于小波奇异性检测原理和神经网络非线性映射能力，结合结构基本模态参数，提出了一种结合小波神经网络与结构转角模态的损伤识别方法．首先，建立三跨连续梁的有限元模型获取结构模态参数，并对其进行Mexihat小波变换，通过系数图突变点判断结构损伤位置．然后，将小波系数模特征向量作为BP神经网络的输入，分别研究了该方法在单损伤和多损伤工况下的识别能力．最后将不同工况下神经网络预测值与结构实际损伤程度进行对比，得到单处损伤预测误差平均值为0.22%，多处损伤预测误差平均值分别为0.22%和0.18%，结果表明该方法在结构损伤识别方面的有较高有效性及精确度．
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    横向磁场中导电条形板的1:3 内共振
    李晶, 胡宇达
    2016, 37(4): 692-702. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.04.009
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    本文针对横向磁场中的导电条形板，给出横向恒定磁场环境下条形板的非线性磁弹性振动微分方程和所受电磁力的表达式．对于一边固定一边简支的条形板，通过位移模态展开，分离时间变量和空间变量，利用Galerkin 积分法得到系统两自由度非线性内共振振动微分方程．采用多尺度法，得到系统1:3 内共振情况下关于模态振幅和相位的调制方程．通过算例，得到了系统内共振时一阶模态和二阶模态幅值的时间历程响应图和相平面图，分别讨论了系统初值、板厚以及磁场强度对系统内共振特性的影响，结果表明系统呈现明显的非线性内共振特征，磁场强度对内共振有明显的抑制作用．
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    幂律流体在多孔介质中径向渗流的分形模型
    王世芳, 吴涛, 郑秋莎
    2016, 37(4): 703-709. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.04.010
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    基于分形理论及毛细管模型，本文研究了非牛顿幂律流体在各向同性多孔介质中径向流动问题，推导了幂律流体径向有效渗透率的分形解析表达式．研究结果表明，幂律流体径向有效无量纲渗透率模型和Chang and Yortsos’s模型吻合很好；同时还得出幂律流体径向有效渗透率随孔隙率、幂指数的增加而增加，随迂曲度分形维数的增加而减少．
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    Pasternak 地基中Levinson 梁的静力响应与动力特性
    李晓伟, 何光辉
    2016, 37(4): 710-720. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.04.011
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    由于Levinson 梁模型较Timoshenko 梁模型能更合理地描述地基梁的剪切变形及地基梁-基础界面的切应力连续条件，本文采用Levinson 高阶理论描述地基梁，以Pasternak 地基模型刻画地基梁-基础的相互作用，建立了Pasternak 地基上Levinson 梁的动力控制微分方程和对应的有限元方程．对比基于Levinson 高阶梁理论、Timoshenko 梁理论、平面应力假定及厚板理论的地基梁模型的分析结果，本文数值验证了新提出理论的合理性，分析了Pasternak 地基参数对形心轴向变形的影响．数值结果表明：提出的地基梁模型较Timoshenko 模型在结构变形、静力学行为和动力学特性方面均有较大的改进，此外，研究发现忽略地基梁形心轴向位移是不合理的．
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    典型密封元件的失效分析与失效过程研究
    赵彬, 陈鑫, 黄欣婷, 赵英健
    2016, 37(4): 721-728. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.04.012
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    飞机整体油箱结构的密封性对飞机安全性和续航能力有很大影响，所以密封胶失效分析和失效过程研究就显得相当重要．为了研究密封胶的失效，根据密封胶的受力特点，本文设计了典型元件的密封试验（平板型和T型），通过试验得到了这两种结构的失效载荷和最大载荷．同时，利用有限元模拟软件ABAQUS对试验进行了模拟计算，使用cohesive模块实现对密封胶层的模拟．通过观察胶层失效过程，得到了胶层失效后的破坏路径，找到了容易发生泄漏的位置，并给出了失效载荷与最大载荷的关系．通过对比试验结果和模拟计算结果，验证了有限元模拟分析的可靠性，并对结果进行了讨论．
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    NiTi形状记忆合金丝力学性能试验研究
    张明明, 王社良, 张世民, 杨涛, 袁磊
    2016, 37(4): 729-735. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.04.013
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    形状记忆合金(SMA)是一种具有多种特性的新兴功能材料，其力学性能与材料本身的元素组成比例、应力状态以及周围的环境温度等有着复杂的关系．本文选用某金属开发有限公司生产的镍钛SMA为研究对象，对12组48根奥氏体状态下形状记忆合金丝试件进行力学性能试验，通过改变电流、加载幅值、加载速率、循环次数和直径等主要试验参数，研究了形状记忆合金材料的力学特性．结果表明：加载幅值和加载速率是影响奥氏体SMA材料力学性能的主要参数．
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    后加混凝土-砌体组合结构简化计算模型研究
    周彬
    2016, 37(4): 736-746. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.04.014
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    后加混凝土构件的加固方法是在原有砌体结构外部新增钢筋混凝土构件，形成一种新型的组合结构．本文提出了考虑连接节点的后加混凝土构件-砌体组合结构的简化理论计算模型，并推导了不同构件的等效计算公式．考虑均布分布荷载和倒三角分布荷载作用，对组合结构的变形、剪力分配进行计算分析．计算结果从定性方面验证了本文提出的简化计算模型的可行性和有效性．同时针对某实际工程进行理论计算，与三维空间模型在弹性阶段的计算结果进行对比，从定量方面验证了本文提出的简化计算模型的准确性．
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    试样尺寸对核电厂主蒸汽管道断裂韧性的影响研究
    李铁萍, 田欣鹭, 刘锐, 温爽
    2016, 37(4): 747-754. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.04.015
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    以某核电厂SA335 材料主蒸汽管道为研究对象，首先结合SA335 的断裂阻力曲线（J-R 曲线）试验测量结果，提出了一种方法确定韧性金属材料裂纹扩展模型（G-T 模型）中的主要微观参数：初始孔隙率0 f 和初始孔隙间距D；随后，在有限元计算中引入G-T 模型模拟了SA335 紧凑拉伸试样的断裂过程，讨论了试样尺寸对于J-R 曲线的影响．结果表明：试样厚度一致时，初始裂纹长度大的试样对应偏低的断裂韧性；当试样尺寸整体缩放时，较大尺寸的试样对应偏低的断裂韧性．最后，结合实例说明了试样整体尺寸对于主蒸汽管道临界裂纹长度的影响．
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    CTOD试验焊缝表面开缺口试样裂纹前沿平直度研究
    曾政, 苗张木, 吴南
    2016, 37(4): 755-762. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.04.016
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    对于裂纹尖端张开位移(CTOD)试验，焊缝试样中预制疲劳裂纹前沿平直度直接影响了试样制备的合格率，是试验的关键难题之一．试验中常对试样进行预处理以提高裂纹前沿平直度，但由此也使试验结果与实际情况产生一定差异．本文深入研究规范BS7448: Part2中对焊缝试样取样方向的规定，对表面开缺口试样裂纹尖端焊接残余应力进行分析，运用大型有限元软件ANSYS模拟90mm厚钢板焊接过程，求解了横向残余应力沿板厚方向及焊缝方向的分布规律，研究出横向残余应力分布是影响焊缝试样预制裂纹前沿平直度的主要原因，并通过试验进行验证．试验结果表明，表面开缺口试样可不经过局部韧带压缩等预处理而得到合格的裂纹前沿平直度，试验不改变原焊缝残余应力，可测得更加接近焊缝实际情况的CTOD韧度值，给CTOD试验中合理选取焊缝试样取样方向提供了新思路．
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    蒸汽发生器干燥器三维流场数值模拟计算
    史志龙, 矫明, 应秉斌
    2016, 37(4): 763-768. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.04.017
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    针对压水堆核电厂蒸汽发生器波形板干燥器的结构特点，采用通用计算流体力学软件ANSYS-Fluent中的多孔介质模型对蒸汽发生器用波形板干燥器进行三维流场的数值模拟计算，得到干燥器区域的流场情况以及干燥器孔板入口处蒸汽的流速分布情况，确定在极限工况下干燥器孔板入口处蒸汽的最高流速．在设计蒸汽发生器干燥器时，应确保极限工况下干燥器入口蒸汽的最高流速低于通过试验确定的特定波形板片的临界速度，以确保干燥器的所有区域均工作在其允许的分离能力以内．
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    基于8节点平面单元的RC梁柱节点单元
    方自虎, 洪博恺
    2016, 37(4): 769-776. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2016.04.018
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    为了分析RC框架结构的非线性滞回性能，基于平面8节点单元，本文提出了一个新的针对受循环荷载作用钢筋混凝土的梁柱节点单元．单元中梁与节点交界面和柱与节点交界面被划分成“节点截面”和“梁柱截面”，节点核心区的力学性能由8节点单元描述，而梁柱受力钢筋与节点核心区的粘结滑移由存在于“节点截面”和“梁柱截面”之间的8根弹簧控制，梁柱与节点之间的剪切由4根剪切弹簧表示．单元具有4个外节点和8个内节点，每个内节点具有2个自由度，每个外节点具有3个自由度，该3个自由度与普通梁单元一致，从而确保本单元能够同普通一维梁柱单元一起进行钢筋混凝土结构平面非线性分析．通过将内节点上的自由度依附到外节点上，单元在数值表现上具有4个节点和28个自由度．通过对比试验和模拟分析结果，验证了本模型适合于循环荷载作用下平面框架结构的非线性响应分析．