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  • 2020年, 41卷, 第4期
    刊出日期：2020-12-06
      
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  • 无单元Galerkin 方法施加本质边界条件研究进展
    曹阳, 陈莹婷, 姚林泉
    2020, 41(4): 591-612. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.04.001
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    无网格方法是一种基于节点离散问题域的数值方法，已在许多科学计算和工程领域中得到广泛应用．基于移动最小二乘(MLS)近似的全局弱形式无单元Galerkin 方法具有计算简单、精确度高等优点，是最著名的无网格方法之一．但由于MLS 方法所构造的形函数一般不具备Kronecker delta 函数性质，离散所得到的代数方程组的未知量是节点参数而非节点函数值，因而本质边界条件不易施加．本文以弹性力学方程为例，首先简单回顾了构造形函数的MLS 方法和无单元Galerkin 方法的计算过程，然后从求解问题步骤的四个方面，即求解区域的划分、变分原理的修正、形函数的构造、离散代数方程组的建立，对目前已提出的数十种关于如何方便准确地施加本质边界条件的方法进行归纳总结，比较了这些方法的优缺点，最后提出了展望．
  • 金属玻璃在不同温度下应力晶化行为的分子动力学模拟研究
    杨帆, 刘亚平, 张家瑞, 仲政
    2020, 41(4): 613-621. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.04.002
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    金属玻璃的晶化对提高其力学性能尤其是延展性有重要意义．除了温度效应，大量文献证实应力是导致晶化的重要原因．本文通过分子动力学模拟，研究了金属玻璃铜在温度和应力两种因素联合作用下的晶化行为，分别研究了温度和应力两种因素的贡献．结果表明晶化比例随温度和应变的增大而增大，应变硬化与晶化比例之间存在正相关关系，证实了金属玻璃的应变硬化一定程度上由晶化引起．
  • 用广义胞元法研究弱界面复合材料偏轴拉伸强度
    毛润生, 黄争鸣
    2020, 41(4): 622-632. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.04.003
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    本文用广义胞元法结合应力集中系数模型，从细观、宏观力学结合的角度，预测了弱界面复合材料偏轴拉伸强度值．用广义胞元法/高精度广义胞元法计算复合材料开裂前和开裂后的应力场，引入基体应力集中系数以得到基体真实应力．在计算真实应力时根据宏观试验现象考量是否对界面开裂后的复合材料进行刚度衰减，最终形成4种方案计算出复合材料的偏轴拉伸强度．通过对比芳纶纤维和亚麻纤维两种弱界面复合材料的偏轴拉伸强度试验值，找到了最可靠的预报方案并具有良好的预报精度．
  • 稳定分层湍流中逆梯度输运的关联分析研究
    邱翔, 张加胜, 傅渊, 罗剑平, 卢志明
    2020, 41(4): 633-646. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.04.004
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    本文采用关联分析方法研究了稳定温度分层湍流中的结构特性、输运特性，以及热量、动量逆梯度输运现象的尺度效应及其参数演化．首先采用大涡模拟方法对稳定分层湍流中的结构特性和输运特性进行了分析，将逆梯度输运发生的时间尺度作为已知条件，结合关联量分析方法在波数空间中的解析解，对逆梯度输运现象的尺度效应进行了分析研究．结果发现，稳定分层强度较大的流动中发生垂向热量及动量逆梯度输运现象，发生的结构尺度与关联分析所发现垂向热量、动量逆梯度输运的波数形成了呼应．随着分层强度增加，热量、动量的输运强度均受抑制，与逆梯度输运关联的流场结构尺度减小，同样的效应也发生在流场结构向下游演化的过程中．
  • 均质简支梁简化为单自由度系统条件研究
    镇斌, 董杨
    2020, 41(4): 647-656. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.04.005
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    简支梁是土木工程中的常见结构形式，工程计算中常将其简化为单自由度系统进行初步分析和计算．本文系统地讨论了简谐荷载作用下将简支梁简化为单自由度系统进行竖向位移计算的限定条件．对限定条件分析发现将梁上质量的一半集中到梁跨中处所得近似结果精度最好．给出公式可以通过单自由度系统的位移得到梁上任意点处的竖向位移．本文对结构力学教材中的集中质量法进行了进一步的分析和讨论，给出的近似计算公式对土木工程中简支梁在简谐力作用下竖向位移的快速估算具有一定的参考价值．
  • 基于SWT方法的钢绞线索微动疲劳特性分析
    贾如钊, 王春江
    2020, 41(4): 657-665. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.04.006
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    为得到钢绞线索丝间接触区的应力场分布并预测微动疲劳裂纹萌生位置和微动疲劳寿命，本文利用参数化方法建立了精细化的钢绞线拉索有限元模型，包括整索模型和不同层丝间接触区域的局部精细化子模型．分析了钢绞线索在两种交变荷载工况下的应力场变化情况，并基于多轴疲劳SWT(Smith-Watson-Topper)临界平面法进行了疲劳特性分析和疲劳寿命预测．主要结论如下：钢绞线索内接触区边缘处的微动幅值较大，中心处几乎没有相对滑动，微动疲劳的初始裂纹萌生点位于接触区域边缘；经不同区域子模型分析比较，在轴向循环荷载作用下，外层钢丝的接触区域比内层钢丝更易发生微动疲劳损伤；在横向位移循环荷载作用下，同层钢丝因位置角度不同而产生了较大的疲劳特性差异，且相比轴向循环拉伸，该工况下最不利单丝的微动疲劳寿命更低；与非接触区域相比，接触区的疲劳寿命大幅降低，微动现象对钢绞线索的抗疲劳性能有明显降低作用．
  • 交联葡聚糖凝胶中反常扩散的Hausdorff 分形导数扩散成像模型
    王书鸿, 梁英杰
    2020, 41(4): 666-673. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.04.007
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    本文通过考虑复杂介质的分形特征，并结合交联葡聚糖凝胶的磁共振信号，给出了基于Hausdorff分形导数的磁共振信号衰减模型．该模型包含三个参数，其中分形导数的阶数可以表征介质的分形特性，扩散系数可以表征介质的复杂程度．通过交联葡聚糖凝胶的磁共振实验验证了模型的有效性．结果表明，模型参数的大小与介质内部结构和外部结构有关．与传统的模型相比，基于分形导数的模型参数更符合介质的物理特性，可以准确地描述水分子在复杂介质中的反常扩散，并用于区分不同介质结构特征．
  • 海底集矿机和移动输送站最小安全距离研究
    魏明珠, 郐艳荣, 王旭, 周济福
    2020, 41(4): 674-683. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.04.008
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    海洋矿产资源的开发正由浅海向深海发展，水下输送管道作为深海采矿系统中的必备构件，其作业安全尤为重要．本文以6 000 m深海采矿工程为背景，研究了海底集矿机、海底移动输送站及连接两者的矿料输送管道的运动协调关系．首先，用悬链线理论得到输送管道的初始构形，基于有限元方法，构建了集矿机-输送管道-移动输送站系统三维动态响应模型，进而讨论了集矿机和移动输送站运动过程中，输送管道形态和应力的变化．结果表明，集矿机与移动输送站靠近时，输送管道的最大应力增长速度变快，威胁采矿系统的作业安全．基于此，提出了集矿机与移动输送站最小安全距离的概念，分析并给出了管道壁厚和材料屈服应力对最小安全距离的影响规律．
  • 刚性环梁支撑圆形基坑支护结构变形解析解
    杨骁, 任凯凯, 盛棋楸
    2020, 41(4): 684-694. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.04.009
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    将圆形基坑支护结构视为弹性圆柱壳，利用广义Delta函数和Heaviside函数，基于圆柱薄壳轴对称弯曲变形的控制方程，利用Laplace变换及其逆变换，得到了具有任意数目刚性环梁支撑的圆形深基坑支护结构变形的解析解．在此基础上，以某一圆形基坑工程为背景，分析了基坑底部混凝土底板、支护结构底部边界条件、基坑开挖深度以及支护结构的几何和物理参数等对支护结构变形和内力分布的影响，结果表明：随着基坑半径和挖掘深度的增大，支护结构的位移和内力增大，但随着支护结构厚度的增加，径向位移减小，而内力增加．同时，随着支护结构弹性模量的增加，基坑位移减小，但内力几乎没有变化，这些结果为圆形基坑支护结构设计提供了理论依据和指导．
  • CFRP-钢管RPC 短柱轴压承载力分析
    赵均海, 李莹萍, 陈彦雄
    2020, 41(4): 695-703. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.04.010
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    基于统一强度理论，充分考虑中间主应力对碳纤维增强复合材料(CFRP)-钢管活性粉末混凝土(RPC)短柱的影响，考虑钢管与RPC处于三向应力状态，CFRP处于环向受拉应力状态，推导得出了CFRP-钢管RPC受压短柱的极限承载力公式．在此基础上进一步提出了考虑界面黏结影响和尺寸效应的CFRP-钢管RPC轴压短柱的承载力统一解．将理论计算结果与有关文献的试验数据进行对比，验证了理论计算公式的正确性．研究结果表明：考虑了界面黏结影响和尺寸效应的计算结果与试验结果吻合更好，且试件尺寸越大，尺寸效应越明显，计算结果越贴合试验结果，并进行了参数分析，同时得到中间主应力系数、钢管套箍指标和摩擦系数等对承载力的影响规律．
  • 考虑舞动和微风振动的复合横担疲劳评估
    陆兴华, 刘建军, 张廼龙, 吴佰建, 郭小明
    2020, 41(4): 704-717. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.04.011
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    复合横担在实际运营环境长期荷载作用下的疲劳性能是影响其向不同电压等级输电线路大范围推广应用的关键因素，准确的预测和评估复合横担在典型运营荷载下的疲劳寿命是确保其在服役期内安全、可靠运行的重要保障．本文以目前国内最具推广应用前景的双柱斜拉式复合横担为研究对象，对输电线路发生导线舞动、微风振动时横担的受力情况进行分析，借助有限元软件ANSYS，进行了复合横担的静动力特性分析，得到了横担上危险点的应力时程曲线，最后结合材料的S-N曲线利用Miner线性累积损伤理论评估了复合横担的疲劳寿命．结果表明，复合横担在不同舞动工况下的失效破坏模式以及疲劳寿命完全不同；当输电线路中存在一个半波的舞动时，由于舞动幅值过大，复合横担一般发生静力失效破坏；在不考虑任何防震系统的前提下，当发生偶数个半波舞动时，耐张塔复合横担的使用寿命在5.1年以上，其在微风振动情况下的平均使用寿命可达30年．
  • 基于细观力学均匀化等效材料参数的复合泡沫热致应力预测方法
    李想, 都焕亮, 陈静, 宋文波, 李悦芳, 赵剑
    2020, 41(4): 718-727. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.04.012
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    环氧复合泡沫采用空心玻璃微珠改性环氧树脂，对于降低电子封装材料的热致应力非常有效．为提高环氧复合泡沫的设计效率，本文提出了一种宏细观结合的环氧复合泡沫热致应力分析方法．首先通过细观力学建立不同微珠粒径、壁厚、微珠体积分数等微观结构参数下环氧复合泡沫的等效性能预测模型，然后结合宏观线弹性热应力分析模型，进行环氧复合泡沫电子封装的热致应力分析，最终获得了一种电子封装热致应力与环氧复合泡沫微观结构之间的关联模型．基于模型探讨了微珠壁厚、微珠体积分数、微珠配比等微观结构参数对封装热致应力的影响规律，并基于两种典型封装结构证明了方法的可行性，研究成果对于开发低应力封装技术、提高电子封装的可靠性及环境适应性具有重要的意义．
  • 功能梯度旋转圆板的热弹性固有振动
    包海军, 胡宇达
    2020, 41(4): 728-738. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.04.013
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    在考虑热因素及旋转运动条件下，针对金属－陶瓷功能梯度圆板的固有振动问题进行研究．给出随温度变化且材料组分沿厚度方向按幂律分布的材料物性参数，依据热弹性理论得到圆板的能量关系式．基于哈密顿原理建立旋转金属－陶瓷功能梯度圆板热弹性动力学方程．采用伽辽金法得到边界约束下圆板的自由振动方程，确定了静挠度及固有振动频率．基于数值计算，得到系统固有频率值随体积分数指数、转速和温度等参量的变化曲线，讨论了静挠度变化规律及动力系统的奇点稳定性问题．结果表明，固有频率随体积分数指数、材料表面温度以及转速的增加而减小．
  • 含双裂纹圆截面悬臂梁的损伤识别研究
    刘文光, 吴兴意, 戴文柯, 李冀
    2020, 41(4): 739-747. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.04.014
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    裂纹的萌生和扩展直接影响构件的振动响应，对构件的安全可靠性具有重要影响．本文以圆截面悬臂梁为对象，结合转角模态振型和模态频率等高线，研究了一种双裂纹识别技术．首先，基于应力强度因子和卡氏定理推导了无裂纹梁单元和含裂纹梁单元的刚度矩阵；在此基础上，建立了含裂纹圆截面悬臂梁的有限元动力学方程；然后，结合裂纹对梁转角模态振型和模态频率的影响，提出了双裂纹识别策略．最后，通过算例讨论了双裂纹识别策略的可行性．结果表明，圆截面悬臂梁的模态转角在裂纹位置出现突变，裂纹深度越大转角突变值越大；将识别出的裂纹位置作为已知参数，通过模态频率等高线法，可以准确地识别出双裂纹的深度．
  • 基于临界距离点法的混凝土Ⅰ型断裂韧度的预测
    童谷生, 黄信锴, 徐攀
    2020, 41(4): 748-759. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.04.015
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    混凝土的断裂韧度是极为重要的断裂力学材料参数，本文利用临界距离理论(TCD)中的点法和混凝土标准断裂梁试样裂缝尖端应力场的近似解，提出了一种对混凝土断裂问题按临界距离的点法进行分析的方法．基于已有文献的试验材料及其实验结果，分析了这种断裂研究分析方法的可行性．将临界距离点法与双K断裂准则应用于几何相似的混凝土梁的断裂韧性和断裂过程区分析，验证了TCD点法的可靠性．实验表明：临界距离理论的点法能够获得比双K断裂准则相对安全的失稳断裂韧度，利用临界距离法还可得到相应断裂过程区长度的极限估算值．
  • 基于热-磁-弹性耦合的二维导电薄柱壳数值分析
    边宇虹, 游群
    2020, 41(4): 760-770. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.04.016
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    基于几何方程、物理方程、运动方程和电动力学方程，建立了二维导电薄柱壳热磁弹性基本方程．考虑到Joule热效应，引入热平衡方程及广义Ohm定律，得出导电薄柱壳的温度场．利用变量代换方法，整理成具有10个基本未知量的标准型方程组．采用差分法和准线性化方法，给出准线性微分方程组．对于二维导电薄柱壳，导出了Lorentz力表达式、温度场积分特征值．通过实例计算，得到了二维导电薄柱壳应力、位移、温度随外加电磁参量的变化规律．研究结果可为二维导电薄壳热磁弹性问题研究提供理论参考．
  • 粘弹性地基上含孔隙的石墨烯增强功能梯度板的振动
    黄小林, 魏耿忠, 刘思奇, 钟德月
    2020, 41(4): 771-782. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.04.017
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    为分析粘弹性地基上含孔隙的石墨烯增强功能梯度板的自由和强迫振动特性，基于三参数粘弹性地基模型及复合材料薄板理论，建立了粘弹性地基上含孔隙石墨烯增强功能梯度板的运动方程，用伽辽金法求解其固有频率和动力响应，并通过数值算例分析了粘弹性地基参数、孔隙率、孔隙类型及石墨烯纳米片分布模式、含量等因素对自由振动和动力响应的影响．结果表明，固有频率随着孔隙率的增大非单调变化，孔隙率对固有频率的影响随着地基参数、孔隙类型的不同而不同．另外，在三种孔隙类型中，上下表面层含有最少孔隙数量的板的动挠度最小，且其动挠度随着孔隙率的增大而微弱提高．
  • 考虑空气阻力影响的振动筛分物料的运动分析
    逄锦飞, 马国英, 任亚琳, 杨如, 刘航, 杜国君
    2020, 41(4): 783-794. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.04.018
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    空气阻力对轻质物料筛分的影响是不可忽略的，本文利用达朗贝尔原理推导出物料在正向滑动、反向滑动和抛掷运动过程中的运动方程，并利用MATLAB软件仿真了物料在运动过程中的位移和速度，将结果与不考虑空气阻力时的物料运动进行对比分析，讨论了主要物理参数对物料运动的影响规律，为轻质物料的筛分提供理论参考．
  • Poiseuille-Rayleigh-Bénard 流动中局部行波的水平流宽度
    胡彪, 宁利中, 宁碧波, 田伟利, 吴昊, 宁景昊
    2020, 41(4): 795-802. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2020.04.019
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    在普朗特数 的纯流体Poiseuille-Rayleigh-Bénard流动中，通过二维流体力学基本方程组的数值求解，可得到局部行波斑图．局部行波斑图由水平流区和行波区构成．本文给出了相对瑞利数 时，局部行波水平流宽度随水平来流雷诺数的变化关系式，以及水平来流雷诺数 时，局部行波水平流宽度随相对瑞利数的变化关系式．与 的局部行波水平流宽度随水平来流雷诺数变化的比较可知，普朗特数Pr越大，局部行波水平流宽度由0变化到12所需水平来流雷诺数差 越小．