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• 2018年, 39卷, 第1期
  刊出日期：2018-03-28

    

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  弥散核燃料燃烧演化过程中的关键力学问题

  丁淑蓉，龚辛，赵云妹，崔羿，霍永忠，魏洪杨

  2018, 39(1): 1-21. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.01.001

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  为了实现核能的可持续发展，需要研发第四代先进核能系统，其同时具有高安全性、高经济性、核废料最小化和防核扩散的特点．加速器驱动的次临界系统（Accelerator-driven Subcritical System, 简称ADS）是具有上述特点的一种先进核能系统，弥散核燃料在其中具有良好的应用前景．弥散核燃料是一种非均质核燃料，在结构上类似于颗粒复合材料，也称为惰性基体燃料．本文主要针对ADS用弥散核燃料，给出其在反应堆高温、高压和辐照环境中的关键力学问题，阐述其所具有的多尺度和多场耦合特征，介绍在理论建模和数值求解等方面的相关研究进展，并提出研究展望．
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  褶皱幅度对仿生翼型滑翔气动特性的影响

  张子龙，殷雅俊，仲政，赵红晓

  2018, 39(1): 22-32. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.01.002

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  蜻蜓翅膀具有独特的褶皱状形貌．研究者们致力于利用仿生学原理，设计在低雷诺数条件下具有更优气动性能的褶皱翼型．本文采用计算流体力学方法，求解二维不可压Navier-Stokes方程组，探讨了四种翼型（平板翼型、流线翼型、小幅度褶皱翼型和大幅度褶皱翼型）的气动表现．在低雷诺数条件下得到以下结果：(1) 较小幅度的褶皱结构有利于增加升力和减小阻力．(2) 雷诺数变化时褶皱翼型的升力系数呈非线性变化；在特定雷诺数区间，幅度相近的褶皱翼型会发生相对气动优势的转变．(3) 褶皱结构内的回流区通过减小粘性阻力，使得翼型总阻力下降．(4) 翼型前缘的极小区域会产生脉冲高升力，对升力表现产生较大影响．这些结果表明，调整褶皱幅度是实现褶皱翼型气动优化的有效方案．
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  DNA纳米管的扭转刚度模型

  卢伟，李孝斌，张乘胤，张能辉

  2018, 39(1): 33-38. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.01.003

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  刚度是衡量材料弹性变形难易程度的一个定量表征参数，与DNA纳米管静动力学特性及其结构生物功能密切相关．本文致力于研究DNA纳米管的扭转刚度．首先，在六角形均匀封装条件下，考虑到单个DNA杆件弯扭组合问题的静不定特点，我们利用平衡方程、变形协调方程和弹性本构方程，合理预测了DNA纳米管扭转实验中单个DNA杆件的弯扭组合变形，由此给出了DNA纳米管扭转刚度预测的解析模型．最后的结果表明：随着DNA杆数的增加，DNA纳米管的弯曲刚度显著增加，而其扭转刚度却几乎不变，合理解释了扭转实验中发现的现象．有关结论为DNA折叠结构的设计和应用提供了参考．
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  基于细观力学方法的底部充填封装芯片接合层的热应力计算

  刘亚平，杨帆

  2018, 39(1): 39-48. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.01.004

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  底部充填是一种用来提高电子产品在恶劣环境下工作的稳定性及可靠性的技术，是电子制造产业的常用方法．本文基于细观力学方法建立了计算底部充填封装芯片热应力的方法．针对底部充填封装芯片焊锡-充填物接合层的结构特点，我们建立了接合层的均一化模型，并从理论上推导了接合层的等效弹性常数、热膨胀系数和导热系数．运用该均一化模型，我们对封装芯片工作产热导致的热传导和热应力问题进行了有限元数值模拟，计算的结果与接合层未均一化的模型具有较好的一致性，而计算效率极大提高，显示了该方法在计算底部充填封装芯片热应力方面的可行性．
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  当量比对预混燃烧影响的大涡模拟研究

  王静毅，夏玉显，罗剑平，李家骅，邱翔

  2018, 39(1): 49-59. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.01.005

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  本文对在突扩燃烧室内甲烷和空气的预混燃烧进行了大涡模拟(LES)研究，考虑预混燃料的当量比对燃烧室提供的动力及产生的污染物的影响．利用LES计算了不同当量比条件下燃烧室内湍流预混燃烧反应流场的温度、浓度、涡量和压力分布,最后对当量比0.5时B点和C点的温度和速度进行EMD分解，得到了温度场和速度场的各阶模态的平均周期．结果表明：随着当量比从0.5增加至0.7，燃烧反应趋于剧烈，燃烧室的最高温度提高了350K，平均压力从32.876 Pa增大到34.833Pa，燃烧产生的瞬态径向最高浓度从0.5%增加到0.95%．
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  基于纯声子辐射模型的超薄绝缘夹层结构

  王小贞，张士元，郑百林，贺鹏飞

  2018, 39(1): 60-68. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.01.006

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  在复合材料结构中起绝热、增韧作用的绝缘夹层，其加工厚度现在已达到纳米量级，原有的傅立叶热传导定律已无法描述其热能的传递行为，需从分子动力学、量子力学从发，针对不同研究对象建立相应的热传导模型．针对超薄绝缘夹层结构，将纯声子辐射模型和傅立叶热传导模型相结合数值求解热冲击条件下的温度场，并作为热载荷，用于求解结构上表面应力和夹层裂纹驱动力，其结果与只采用傅立叶热传导模型计算的结果相比较, 分析了物理参数对温度、应力和裂纹驱动力的影响．结果表明：与只采用傅立叶热传导模型计算的结果相比，按EPRT计算的热传导明显变慢，其表面剥离应力偏大，而夹层裂纹驱动力偏小．同时随着松弛时间增大和声子速度的降低，热传导减缓，表面横向剥离应力增大，超薄绝缘夹层内裂纹尖端驱动力减小．
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  非高斯荷载作用下结构微小失效概率的估计方法

  吴金华，何军

  2018, 39(1): 69-81. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.01.007

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  本文提出了一个估计非高斯荷载作用下结构体系微小失效概率的有效方法．该方法由两个解耦的分析过程组成：第一个过程由移位广义对数正态分布模型估计结构非高斯反应的边缘分布函数，对于移位广义对数正态分布模型的参数估计采用两水准方法；第二个过程由Copula函数估计结构非高斯反应的联合分布函数，通过该联合分布函数的尾部得到结构体系的微小失效概率．非高斯地震荷载作用下六层抗弯钢框架的微小失效概率算例分析表明，本文所提方法能精确估计结构体系的微小失效概率，其计算效率比目前普遍采用的Monte Carlo模拟方法高5~10倍．
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  功能梯度材料热传导问题的近场动力学模型

  刘英凯，程站起

  2018, 39(1): 82-89. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.01.008

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  当材料中存在不连续性缺陷的时候，传统的基于连续介质理论的方法在研究热传导问题时存在诸多不便．我们基于近场动力学方法(Peridynamics)建立了功能梯度材料的热传导模型，并且研究了在温度荷载作用下功能梯度材料的温度场的变化表现．该文概述了PD方法应用于热传导问题时的详细理论基础,描述了其建模思路以及计算体系,给出了使用PD方法模拟结构承受温度荷载时的计算格式，讨论了不同梯度形式对功能梯度材料内热传导的影响．算例结果表明：通过PD模型所得到的温度场与解析解吻合较好，证明了PD方法在分析功能梯度材料热传导行为等问题时的可行性．
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  基于等效黏性弹簧的黏弹性Timoshenko裂纹梁弯曲解析解

  付超，杨骁

  2018, 39(1): 90-106. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.01.009

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  考虑裂纹的缝隙和黏性效应，将梁中横向裂纹等效为黏弹性扭转弹簧，利用广义Delta函数，给出了Laplace变换域内裂纹梁的等效抗弯刚度，得到了具有任意开闭裂纹数目且满足标准线性固体黏弹性本构的Timoshenko梁在时间域内的弯曲变形显式解析通解．在此基础上，通过两个数值算例，分析了时间、梁跨高比和裂纹深度等参数对黏弹性Timoshenko开裂纹梁弯曲变形的影响．结果表明：裂纹黏性对Timoshenko裂纹梁的弯曲具有显著的影响．相比于裂纹的弹性扭转弹簧模型，考虑裂纹黏性效应的黏弹性Timoshenko裂纹梁在裂纹处挠度尖点和转角跳跃现象十分明显．另外，由于横向剪切引起的附加变形，Timoshenko裂纹梁的稳态挠度与Euler-Bernoulli梁挠度的差值为常数，其大小与裂纹模型、梁跨高比或裂纹深度无关，这些结果对梁裂纹无损检测具有指导意义．
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  电梯轿厢-导靴-导轨耦合振动建模与仿真分析

  王文，钱江，张安莉

  2018, 39(1): 107-116. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.01.010

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  导靴是连接轿厢和导轨的纽带，本文从轿厢导靴导轮-导轨及挡板-导轨的接触出发，推导了接触刚度系数用于计算接触力．建立了一种较为实用的电梯轿厢、导靴和导轨耦合振动的动力学模型，计算了系统在导轨支架多点激励作用下的水平振动响应．结果表明，该模型可以较好的模拟导轮-导轨及挡板-导轨的接触分离现象；电梯运行时，导轨刚度变化产生的参数激励明显放大导靴与导轨的接触力及脱离量，运行速度的影响非常显著．
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  考虑竖向地震作用效应的地下典型空间结构 易损性性能指标探讨

  何志明，陈清军

  2018, 39(1): 117-125. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.01.011

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  为探究考虑竖向地震作用效应的地下空间结构易损性性能指标，本文基于地下结构抗震分析与设计的Pushover分析方法，以六个典型地下空间结构为背景，利用ABAQUS软件建立带有附加自由场的土-地下空间结构相互作用分析模型进行Pushover分析，研究了不同类型场地及地下空间结构埋深对地下空间结构中的柱构件能力曲线的影响；采用弯矩-转角四折线模型来量化指标限值，将Pushover分析所得结果经数学统计分析，以保证率为98%的屈服转角、峰值荷载转角以及极限转角限值作为特征点，得到了适用于水平地震作用下的性能指标限值．然后，基于冲量原理分析了不同竖向地震动加速度对柱构件动力响应的影响，由拟合所得的屈服转角、峰值荷载转角以及极限转角与轴压比的关系，求得了考虑竖向地震作用效应的特征点限值折减系数，给出了考虑竖向地震作用效应的地下空间结构易损性性能指标限值．研究结果表明：地下空间结构埋深对其柱构件的能力曲线影响较大；与仅考虑水平向地震作用的结果相比较，本文算例中考虑竖向地震作用效应的特征点的平均折减系数可分别取屈服转角为0.89、峰值荷载转角为0.85、极限转角为0.80．
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  含等档的输电线面内自由振动理论

  刘小会，胡友，严波，侯睿

  2018, 39(1): 126-137. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.01.012

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  连续档导线运动方程包含平方和立方非线性项，倍频时会产生多模态耦合的复杂响应，因此研究连续档导线模态及共振的频率分布规律尤为重要．基于模态综合法获得了具有相等档距的连续档导线模态函数，基于动刚度理论得到了不同模态对应的频率理论公式，并应用有限元方法验证了模态及频率理论公式的准确性．研究了不同模态对应频率随几何参数的变化趋势，结果表明有相等档距的连续档导线的共振条件和单档导线有明显区别，连续档导线面内对称模态之间容易产生1:1共振，面内对称与反对称模态之间易产生1:2共振．本文研究内容可用来分析连续档导线内共振及其分岔行为．
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  一种升浮一体环形浮空器气动特性研究

  喻海川，闫溟，陈冰雁

  2018, 39(1): 138-147. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.01.013

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  选取填充轻质气体的环形浮空器为研究对象，采用数值模拟方法开展高空风力发电机用浮空器气动特性研究．采用有限体积法求解不可压N-S方程和S-A湍流模型来数值模拟风力机气流场，分别对翼型，安装角，长细比，雷诺数及风力机等因素对引入浮力后浮空器气动特性影响进行研究，对比分析引入浮力后布局外形气动力特性随各外形特征参数的变化规律．数值结果表明，截面翼型弯度越大，最大升阻比越小，出现位置有一定前移；截面厚度越大，三维效应越强，最大升阻比出现有一定的滞后性；增大安装角，相当于增大攻角，使得升力系数和阻力系数随攻角变化曲线均有一定前移；引入浮力后，最大合升阻比增大，并且存在一个明显前移；长细比越小，浮空器升阻比越大，随着长细比增大，浮空器最大升阻比出现越滞后；一定范围内，雷诺数增大，浮空器动升阻比增大，引入浮力后，基于来流风速变化时，浮空器合升阻比随雷诺数增大先迅速减小然后趋于平缓，但基于浮空器尺寸变化时，合升阻比则随雷诺数增大而增大；风轮转速增大，浮空器阻力增大，升力有一定下降．
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  车载系统主被动联合振动控制研究

  邵敏强，杨雨田，杨志甫，曾捷

  2018, 39(1): 148-155. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.01.014

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  针对车载系统行进过程中产生的结构振动，提出被动隔振和主动减振相结合的方法对结构弹性振动和刚体振动进行抑制．一方面，针对结构弹性振动，在车载结构和车体之间安装隔振装置，选择合适的隔振器参数，对车载结构的弹性振动进行隔离．另一方面，结合刚体振动抑制的需求，进一步研究小阻尼隔振器带来的结构低频刚体振动．对隔振器和车载结构形成的新系统采用主动控制方法设计最优控制器，对这一类过驱动控制系统进行主动控制研究．通过主被动控制结合，实现车载结构全频段范围内的振动抑制，能够将系统刚体振动的位移均方根值抑制到无控制时的5%以下．
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  损伤弹性薄板的弯曲

  孙立新，盛冬发

  2018, 39(1): 156-163. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.01.015

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  通过损伤弹性薄板的变分方法，推导了损伤弹性薄板弯曲的运动控制方程．选取满足边界条件的挠度函数，采用Ritz法和 Galerkin法，将原问题转化为线性方程组的求解．通过算例分析，得到y=b/2处挠度和损伤随x的变化曲线，结果表明损伤薄板中任一点的位移总是大于无损薄板中的位移．
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  基于Lemaitre原理改进砂岩蠕变损伤模型研究

  杨逾，魏珂，刘文洲

  2018, 39(1): 164-170. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.01.016

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  以煤矿巷道围岩（砂岩）为研究对象，采用MTS815.02岩石力学试验系统，对流固耦合蠕变过程中孔隙水压力作用机制展开研究，以伯格斯模型为基础，基于Lemaitre原理建立改进的伯格斯非线性蠕变损伤模型，可以得到如下主要结论：当围压越大，岩石蠕变最后一级荷载作用持续时间越长，相对经历衰减蠕变和稳定蠕变时间越长；且由最终一级破坏蠕变变形值可知，孔隙水压较小时，蠕变变形量相对较大，此时围压增大提升了岩石延性特性，但是孔隙水压增大却削弱了围压作用，由于孔隙水压使得岩石力学性能劣化，因而减少了岩石在破坏时蠕变变形量；随后基于Lemaitre原理建立的伯格斯非线性损伤蠕变模型，可以较好地描述岩石的衰减蠕变、稳定蠕变与加速蠕变阶段；且试验曲线与拟合曲线吻合度高，验证了本文所建立损伤流变模型的合理性．
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  考虑热渗效应的有限长圆柱热固结解

  郭华，陶海冰，刘干斌，陈誉

  2018, 39(1): 171-181. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.01.017

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  在作者已建立的饱和多孔介质耦合非线性热弹性理论基础上，考虑热渗效应，建立了饱和多孔介质耦合热弹性固结方程，并推导了有限长圆柱热固结问题的解析解，进而以温控三轴试验的试样为例进行了算例分析，同时利用COMSOL软件进行了数值模拟，并将解析结果和数值结果进行对比．结果表明：在不排水条件下，影响试样最终孔压大小的参数是：土的泊松比>弹性模量>水的体膨胀系数，渗透系数对孔压变化影响不大，考虑与不考虑水土压缩性不影响孔压的计算；相对线弹性情况，考虑非线弹性膨胀系数随温度变化时的孔压有所下降，轴向应变变化很小．
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  CFRP阶梯加固钢板端部胶层应力的理论模型研究

  伍希志，黄雪优，朱洪前，刘秀波，马辛迪

  2018, 39(1): 182-190. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.01.018

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  CFRP阶梯加固可以有效减小CFRP端部胶层应力，防止胶层过早剥离而导致CFRP加固失效．文中通过理论推导建立CFRP阶梯加固钢板的端部胶层剪应力和正应力的理论模型，并采用有限元模型验证了理论模型，然后利用理论模型研究了加固参数对胶层应力的影响．研究结果表明：理论模型可以有效地计算端部胶层应力，且当阶梯端部长度超过“最小端部长度”时，理论模型可以准确计算端部胶层的最大应力值及其发生位置；利用理论模型便于分析各种参数对端部胶层应力的影响，其中胶层厚度、阶梯数量和CFRP厚度对端部胶层应力影响较大．
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  变截面梁动力响应的频域传递矩阵计算方法

  王渊，沈锐利，王路

  2018, 39(1): 191-200. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.01.019

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  为提高变截面梁振动分析的计算效率，提出了基于频域传递矩阵法的动力计算算法．首先，选择线速度、角速度、弯矩和剪力作为求解变量，通过Laplace变换将变截面梁的动力响应时域偏微分方程转换为频域常微分方程；然后，通过求解频域方程并结合协调和边界条件建立变截面梁的频域传递矩阵；通过构造傅里叶级数展开形式的时域响应函数，对变截面梁传递矩阵方法求解的频响函数进行Laplace逆变换，建立了变截面梁的固有特性计算和时域瞬态响应计算方法，最后，借助数值仿真软件，开发了变截面梁动力响应分析的计算程序．完成对算例的仿真计算和分析，并与有限元计算结果进行对比，数值结果验证了该方法的正确性和有效性．
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  用等效力系变换矩阵求解静不定桁架极限载荷

  吴晓，刘奇元

  2018, 39(1): 201-208. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.01.020

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  采用等效力系变换矩阵研究了双模量静不定桁架极限载荷问题．首先证明了固体的等效力系变换矩阵与等效位移变换矩阵是互为转置的矩阵，采用等效力系变换矩阵求解双模量静不定桁架结构的内力，然后再利用静力方程确定双模量静不定桁架结构的极限载荷．当力的变换关系可以根据物理条件容易求得，而位移的变换关系不容易找出时，用等效力系变换矩阵求解静不定桁架极限载荷，就更能显示出其计算过程简洁、清晰等优点．用等效力系变换矩阵求解静不定桁架极限载荷不涉及材料的性质，对各向同性材料、双模量材料静不定桁架极限载荷的求解都适用．
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  基于kw-θw关系的非饱和土水力梯度模型

  陈茜

  2018, 39(1): 209-214. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.01.021

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  水力梯度计算是研究渗流问题的重要一环，对于非饱和土而言，含水率的变化使得渗透系数不再是常数，水力梯度计算更加困难．本文基于一维稳态流下连续性方程，结合具体的kw-θw关系，分别获得了基于Gardner模型、Davidson模型和Compbell模型的水力梯度模型．最后通过算例对不同的水力梯度模型进行对比分析．研究结果表明：基于Gardner模型的水力梯度模型为具有双拟合参数的幂函数，基于Davidson模型的水力梯度模型为具有单拟合参数的指数函数，基于Compbell模型的水力梯度模型为具有单拟合参数的幂函数．通过对Lakeland细砂水力梯度与含水量关系模拟计算表明，基于Gardner模型的水力梯度模型在计算细砂水力梯度上效果最佳，基于Davidson模型和Compbell模型的水力梯度模型由于均引入了饱和渗透系数和饱和体积含水率而具有更明确的物理意义．
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  正弯矩和拉力共同作用下刚性组合节点承载力计算方法

  高山，王社良，苏卫铭，彭震

  2018, 39(1): 215-222. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2018.01.022

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  框架结构中某柱发生失效会造成梁跨度增加，进而导致梁的内力增大、跨中挠度变大，作用在失效柱上方节点的荷载组合也由负弯矩转变为同时存在的拉力和正弯矩．针对此工况，本文对在正弯矩和拉力作用下的刚性钢-混凝土组合节点进行内力分析，采用内力平衡法推导了拉弯承载力公式，并与相应的组合梁及钢梁的公式进行对比．同时利用ABAQUS有限元软件建立组合节点的有限元分析模型，得到不同参数下钢-混凝土组合节点的拉弯相关曲线，并与本文所提出的公式的计算结果进行了对比，两者吻合较好，为刚性组合节点在拉力和正弯矩共同作用下的拉弯受力设计提供了一定的参考依据．