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• 2017年, 38卷, 第3期
  刊出日期：2017-09-21

    

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  海上浮式风机气动力-水动力耦合分析研究进展

  万德成，程萍，黄扬，艾勇

  2017, 38(3): 385-407. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.03.001

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  近年来，海上浮式风机受到了越来越多的关注．相比陆上风机，海上浮式风机承载着更加复杂的环境载荷．本文针对海上浮式风机气动力-水动力耦合分析问题，对风机的气动力载荷计算、浮式基础的水动力载荷计算，以及浮式风机系统在风浪流联合作用下的气动力-水动力耦合分析等方面，分别进行了研究方法及研究现状的介绍，同时简要分析了海上浮式风机的发展趋势及面临的问题和挑战．
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  液滴自发运动的微粗糙结构梯度表面参数研究

  余颖，陈硕

  2017, 38(3): 408-420. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.03.002

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  采用多体耗散粒子动力学(MDPD)方法，研究液滴在微结构粗糙梯度表面上的自发运动现象．表面微结构的构成影响液滴自发运动速度和距离．对相关的具体参数如构成微结构表面立柱的截面形状、排布、边长、面积等参数进行系统研究．研究表明，微结构表面的排布影响液固接触区域的边缘大小和形状，进而影响液滴自发运动输送效果；不对称结构立柱朝向对液滴运动也有影响，其中先宽后窄截面形状的立柱上液滴运动速度较快；对于对称的立柱组成的梯度表面，定义周长和面积的比值为长积比，该参数越大，液滴自发运动速度越快．本文可为微流控表面设计提供一定的数值模拟依据．
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  基于激光阵列辅助的波面立体视觉测量

  李继磊，郭晓宇，王本龙

  2017, 38(3): 421-427. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.03.003

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  在激光阵列辅助下，基于立体成像计算机视觉建立了一套非接触多点波高测量系统(NIFSM)，根据自适应均值方法改进了激光光斑筛选匹配算法．根据圆柱绕射波面仿真结果制作了3D打印模型，对模型测量结果的对比表明所发展的测量系统和算法可行有效并具有较高的精度．针对实际问题，在波浪水槽中测量了规则波圆柱绕射波面，将圆柱周围多点测量值与电容式浪高仪测量结果对比，波高和周期均吻合良好，最大相对误差小于5%，实验结果表明NIFSM在实验室环境中能够准确有效测量一定区域范围内多点的波面时间序列，并可重构瞬时波面，可作为一种具有广泛用途的非接触式多点波面测量技术．
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  柔性空间机器人姿态运动规划的混合优化策略

  姚其家，戈新生

  2017, 38(3): 428-437. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.03.004

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  自由漂浮是空间机器人执行任务时常用的工作模式，其姿态规划是完成复杂空间任务的基础．针对自由漂浮柔性空间机器人姿态运动规划问题，提出一种由Gauss 伪谱法求解可行解与直接打靶法求解更为精确的数值解相结合的混合优化策略．首先，利用假设模态法近似描述柔性臂杆的弹性变形，根据Lagrange 方程建立空间机器人系统的动力学模型；然后，利用Gauss 伪谱法将空间机器人非完整运动规划问题离散为非线性规划问题，求解在较少Legendre-Gauss(LG)点时状态变量和控制变量对应的可行解，可行解的求解采用从可行解到近似最优解的串行优化策略；最后，在LG 点处离散控制变量，作为直接打靶法的初值，利用序列二次规划算法求解最优的控制输入，再通过数值积分得到空间机器人系统姿态运动优化轨迹．通过数值仿真，求解得到的姿态运动曲线光滑平稳，最优控制输入也能很好地满足各种约束条件．结果表明该混合优化策略具有很好的鲁棒性和有效性．
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  径向弹性约束下功能梯度圆板的热过屈曲

  王茂林，孙云，李世荣

  2017, 38(3): 438-446. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.03.005

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  研究了周边具有面内径向弹性约束功能梯度圆板在横向非均匀升温下的热过屈曲行为．基于von Karman薄板理论，推导出了横向非均匀加热功能梯度圆板在径向弹性约束作用下的位移形式的轴对称热过屈曲制方程．假设功能梯度材料性质沿厚度方向按幂函数连续变化，采用打靶法求解得到非线性常微分方程边值问题，获得了周边简支和夹紧条件下功能梯度圆板的热过屈曲响应．定量分析了径向弹性约束对圆板的临界屈曲温度载荷以及热过屈曲变形的影响，给出了不同弹性约束刚度功能梯度圆板的热过屈曲平衡路径和平衡构形．数值结果表明，径向弹性约束对圆板的热过屈曲平衡路径的影响显著，随着约束刚度的减小，临界屈曲温度载荷增大．
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  Nabla导数下Hamilton系统的约化

  金世欣，张毅

  2017, 38(3): 447-457. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.03.006

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  提出并研究nabla 导数下Hamilton 系统的约化问题．依据nabla 导数下力学系统的Hamilton 原理，建立Hamilton 系统的正则方程，给出系统的能量积分和循环积分；并利用这些积分，约化系统的Hamilton 正则方程．结果表明：约化后的方程仍保持系统的Hamilton 正则方程形式，Nabla 导数下力学系统的约化理论是连续和离散力学系统的约化理论的统一和拓展．文中讨论了时间尺度等于实数集和整数集两种特殊情形下Hamilton 系统的约化，并举例说明了结果的应用．
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  基于静力挠度的梁结构损伤识别两阶段方法

  欧阳煜，徐超，杨万锋

  2017, 38(3): 458-467. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.03.007

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  基于梁弯曲挠度的三次样条插值，利用应变能损伤定位指标和有限元损伤状态方程，建立了梁损伤识别的两阶段方法．首先假定结构损伤对结构应力重分布影响较小，证明了损伤梁单元的静态应变能改变量大于零．考虑测量噪声及挠度三次样条插值近似引起的误差，引入损伤定位指标阈值和损伤概率，确定了梁的可能损伤单元．在此基础上，利用有限元法，建立了可能损伤单元的损伤状态方程，通过损伤状态方程的求解完成损伤程度的确定．最后，为验证所提损伤识别两阶段方法的有效性和可靠性，对简支梁和固支梁的损伤情况进行了数值模拟，结果表明：所提方法不仅可有效地识别梁损伤单元，而且对测量噪声具有较强的鲁棒性．
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  挤压应力对圆柱壳轴对称弯曲变形的影响

  马幸申，陈建钧

  2017, 38(3): 468-477. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.03.008

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  以柱面为中面的薄壳，称为柱形薄壳，简称为柱壳．因为这种薄壳在纵向（柱面的母线方向）没有曲率，在计算、设计、制造、施工方面都比较简单，所以得到广泛的使用．在壳体理论中，通常采用如下的计算假定：(1) 垂直于中面方向的线应变可以不计；(2) 中面的法线保持为直线，而且垂直于变形后的中面；(3) 与中面平行的截面上的正应力σ3（即挤压应力），远小于其垂直面上的正应力，因而它对形变的影响可以不计；(4) 体力及面力均可化为作用于中面的荷载．本文在放弃计算假定(3)的情况下计算了圆柱壳在轴对称弯曲时的变形和应力，得到的最大应力比传统理论得到的最大应力更大，最大挠度更小，更接近有限元分析的结果．计算结果对高压容器的设计有一定参考价值．
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  行道树随机结构风振响应分析与动力可靠度评价

  彭勇波，艾晓秋，承颖瑶，李杰

  2017, 38(3): 478-486. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.03.009

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  建立了行道树风振响应分析的简化理论模型，根据有限元理论，分析了影响行道树动力学特征的材料物理参数，即密度和弹性模量．将风荷载模拟为Davenport谱，提出了基于虚拟激励法的行道树风振响应分析方法．考虑材料物理参数的随机性，利用概率密度演化理论，给出了行道树随机结构风振响应分析的基本步骤，提出了与行道树主干抗弯强度相关的失效风速概念和动力可靠度评价方法．以上海地区城市行道树为例进行了分析，揭示了树种材料参数不确定性对行道树随机动力学响应的影响，计算了不同风速水平下行道树结构的破坏概率，在风险意义上定义了行道树的失效风速．
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  集簇式刚性连接组合梁桥的力学性能分析

  陈祺，周叮，刘朵，张建东

  2017, 38(3): 487-495. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.03.010

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  为了研究任意荷载作用下集簇式刚性连接工字钢-混组合简支梁桥的应力和位移分布，首先将组合梁桥的三维结构简化为层合的二维弹性力学平面应力问题，分别求得各层简支梁的弹性力学解，然后用集中力替代集簇式刚性连接件对结构的作用力，根据梁桥表面的受力条件以及界面处位移和应力的衔接条件，确定待定未知量，从而得到组合梁桥的应力和位移分布函数．与有限元结果比较显示了该数值解具有很高的精度，参数化分析揭示了集簇式刚性连接组合梁桥的力学特点并且提出了簇钉间距的合理范围，研究结果为新型组合梁桥的工程设计提供了科学的理论依据．
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  温度变化对不同边界梁非线性振动及特性影响

  赵珧冰，黄超辉，金波，花文文

  2017, 38(3): 496-502. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.03.011

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  温度变化有可能导致工程结构产生温度应力，引起结构振动特性发生改变．因此针对工程中常见的受轴力作用梁，基于Hamilton变分原理，在梁的应力-应变关系中引入温度变化，推导其非线性运动微分方程．针对三类边界条件（铰支-铰支、铰支-固支和固支-固支），开展特征值分析及模态离散．利用摄动法求解系统非线性自由振动和主共振响应的近似解，并得到其幅频响应方程．通过算例研究温度变化对梁非线性振动特性影响．研究结果表明：梁固有频率和温度变化呈现出反比例关系；温度变化与梁非线性振动时硬弹簧特性的程度呈正比例关系；温度变化对小幅和大幅振动时的响应幅值影响恰恰相反；相同温度变化条件对不同边界梁的振动特性影响有定量差异；温度变化会导致梁的位移场曲线发生定量改变．总之梁结构的线性和非线性振动特性受温度响明显，且需特别关注其边界条件．
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  热荷载作用下薄板振动能流的可视化研究

  耿雪若，陈涛

  2017, 38(3): 503-509. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.03.012

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  基于振动声强法研究了热荷载作用下矩形薄板中振动能量的传递和分布特性．首先，得到热荷载作用下薄板的振动方程，并详细给出了热荷载作用下薄板振动声强的表达式，可利用模态叠加法求出薄板振动的横向位移．之后，利用流线可视化技术，通过流线图显示出薄板振动时能量流出的位置，能量被吸收的位置和能量的流动路径．最后，通过具体的数值算例分析了热荷载和机械荷载对薄板振动时能量流动的影响，数值模拟表明施加热荷载后会改变机械荷载对薄板中振动能量流动的影响，使振动能量的流动路径发生明显改变，且在不同的热荷载作用下，通过改变机械荷载可以抵消热荷载对振动能量流动的影响．
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  炭黑颗粒对丁苯橡胶材料力学性能的影响

  付宾，杨晓翔

  2017, 38(3): 510-517. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.03.013

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  利用电子万能材料试验机，对不同体积分数的炭黑填充丁苯橡胶复合材料进行了单向拉伸和循环拉伸加卸载等准静态力学试验，研究了炭黑填充橡胶材料单向拉伸应力应变关系、Mullins效应、调制应变相关性和拉伸断裂力学行为等．试验结果表明：调制应变越大，橡胶材料的刚度越小，橡胶的非线性应力应变关系越明显；炭黑含量越高，橡胶材料的初始模量和刚度越大，应力反翘现象和Mullins效应越显著；同时，随着炭黑体积分数的增加，炭黑填充丁苯橡胶材料的拉伸强度和断裂伸长率将呈现先增大后减小的趋势．
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  磁电弹性体中唇形运动裂纹问题分析

  郭怀民，高明，赵国忠

  2017, 38(3): 518-526. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.03.014

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  本文通过共形映射公式，利用复变函数方法研究了磁电弹性体中的唇形运动裂纹问题．对裂纹面上受反平面剪应力和面内磁电载荷共同作用情况，导出了磁电全非渗透型边界条件下运动裂纹尖端场应力强度因子和机械应变能释放率的解析解．当运动速度为零时这两解都退化成了静止状态下的解．通过算例，与具有相同尺寸的带双裂纹的椭圆孔口问题进行了比较，给出了两种裂纹尖端点处应力强度因子和机械应变能释放率随孔口高度h 与裂纹半长a 之比h/a 的变化规律曲线图，得出了两种孔口裂纹问题在应力强度因子和能量释放率两方面的异同点，结果表明采用唇形孔口裂纹比采用带双裂纹的椭圆孔口能降低裂纹的扩展，这在工程建设及构件的制造上有一些指导作用．
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  e 型压电材料中开孔附近电声波散射和动应力研究

  蒋慈海，周传平，杨旭姣

  2017, 38(3): 527-536. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.03.015

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  基于弹性动力学和电动力学理论，研究e 型压电复合材料中开孔附近电声波的散射和动应力集中问题，将力-电耦合场分解成Laplace 方程和波动方程的形式，采用数学物理方法配以适当的边界条件，得出了问题的一般解和动应力集中系数、电位移集中系数的表达式，给出了不同参数情况下数值模拟的结果，并对结果进行了分析．
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  功能梯度半空间体的热弹性问题研究

  孙飞，刘五祥，张伦伟

  2017, 38(3): 537-545. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.03.016

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  本文研究半空间非均匀各向同性功能梯度弹性体的热弹性问题．根据功能梯度材料热弹性体的运动方程，热传导方程以及本构方程，利用状态空间法推导出功能梯度材料的热力耦合微分方程，进一步利用特征值分析法和拉普拉斯逆变换进行求解，得到功能梯度热弹性体在分别只受温度和应力荷载作用时，时域内位移，温度，应力三个物理量的解析解．通过图表，数值分析了半空间功能梯度材料弹性体在热-力荷载作用下各物理场的响应，数值曲线的变化趋势反映了热-力荷载之间的耦合效应．这可以很好的利用在材料设计领域，通过控制材料的梯度参数来控制物理场的极值，从而为未来该材料的工厂加工设计提供理论支持．
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  不同端部激励下斜拉索的空间耦合振动

  孙测世，周水兴

  2017, 38(3): 545-551. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.03.017

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  斜拉索在端部激励下将发生空间耦合振动．为探究不同端部激励下斜拉索空间耦合振动的特性，利用斜拉索非线性振动运动方程，采用数值方法研究了在第一、二主共振区，上端水平面内激励、下端竖向激励和下端面外激励三种常见情形下斜拉索的空间耦合振动响应．研究表明：因上端水平面内激励和下端竖向激励均是面内激励，对斜拉索空间耦合振动的影响具有相似性；重力的影响使斜拉索面内、外运动方程不同，从而导致斜拉索在面外激励下（下端面外激励）与面内激励下（上端水平面内激励及下端竖向激励）的空间耦合振动特性具有本质区别．
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  电路系统的尼尔森方程及其应用

  崔新斌，傅景礼

  2017, 38(3): 552-557. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.03.018

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  研究了电路系统的能量方程的形式，并推导建立了电路系统的尼尔森方程．将复杂的电路系统分为多个相对独立的回路，选取适当的电路广义坐标，运用能量的方法分析电路，利用电路基尔霍夫定律，并根据电路中能量函数及其求导特性，给出了基于尼尔森原则下构建拓扑完整电路系统的尼尔森方程的方法．通过实例验证检验，这种方法是一种一般的且系统的方法，与电路系统的拉格朗日建模方法相比，使用尼尔森方程对电路系统进行建模具有相同的效果．而且，在一些情况下，由于建模过程中求导计算的方法不同，可能使用尼尔森方程对电路系统进行建模会更加容易．
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  多层电子器件的界面应力及塑性发展分析

  胡雪娇，田燕萍

  2017, 38(3): 558-566. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.03.019

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  界面应力是判断界面失效的关键参数，因此准确地预测界面应力对多层电子器件的设计具有重要意义．多层电子器件的层间界面处会出现较大的应力集中，引起结构发生塑性变形，而塑性区域的存在会改变应力集中程度，影响界面应力的分布，几何非线性和材料塑性的联合作用又会导致界面应力呈现不一样的奇异性．本文综合考虑弹塑性变形和几何非线性，对多层电子器件的界面应力分布及塑性区域发展进行了分析．以三层电子器件为例，详细讨论了电子器件在角位移加载和线位移加载两种模式下，界面应力分布和塑性区域的发展规律．相关结论可用于改善多层电子器件的工业设计．
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  无网格介点法计算参数分析

  李承城，王聪，杨建军

  2017, 38(3): 567-578. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.03.020

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  为无网格介点(MIP)法提出了基本的数值实施规则，对局部介点布置和局部域尺度参数进行了重点讨论，给出了保证该方法能精确和高效求解的计算参数选择方案．通过数值算例，验证和确定了计算参数选择的合理性，并进一步推介了这种执行简单、计算高效、求解精确的数值方法．
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  压力对冰水固流转化速率影响的实验研究

  王永岩，吴洋

  2017, 38(3): 579-585. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.03.021

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  本文对圆柱形冰块融化过程进行了数学分析，得到了冰水固流转化的数学关系及冰的温度与压力的关系，通过冰块融化实验，研究了压力对融冰速率的影响，通过Matlab曲线拟合与数据分析，得出了圆柱形冰块融化速率与时间随压力变化的经验公式，最后用Ansys进行了数值仿真验证．
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  用能量法计算双模量深梁的弯曲挠度

  吴晓，刘奇元，罗佑新

  2017, 38(3): 586-591. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2017.03.022

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  为了得到双模量深梁弯曲变形挠度的实用计算方法，在考虑剪切变形的基础上，采用能量法研究了双模量深梁在外载荷作用下的弯曲变形挠度计算问题，并推导出了双模量深梁弯曲挠度的计算公式．把能量法的挠度计算结果与弹性理论方法的挠度计算结果进行比较，可知用能量法研究双模量深梁的弯曲变形不但计算过程简便，而且计算精度也很高．研究结果表明，双模量深梁的剪切形状因子与双模量材料的拉压弹性模量有关，而各向同性材料深梁的剪切形状因子却与它的弹性模量无关，所以双模量深梁的剪切形状因子与各向同性材料深梁的剪切形状因子有着本质上的区别．