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  • 2021年, 42卷, 第3期
    刊出日期：2021-09-12
      
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  • 格子玻尔兹曼方法概述：详尽的历史性文献及待探讨的理论问题
    邢景棠
    2021, 42(3): 413-428. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.03.001
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    本文给出了详尽的格子玻尔兹曼方法的概述：包含其理论基础、起源、基本思想及主要特征，历史进展、重要的综述、著名书刊、应用及可用计算机代码，从而为从事有关研究的学生与研究人员提供了丰富的参考文献． 通过文献检索阅读， 揭示了以下有待探讨的理论问题： (a) 麦克斯韦-玻尔兹曼分布(Maxwell-Boltzmann distribution)的建立只涉及稀薄气体的压力内能，但未考虑粘性应力的内能；(b) 三个守恒律无法从玻尔兹曼方程直接导出，必须借助外加的小参数展开完成，同时在守恒方程中无法引入外力及能源的贡献；(c) Lattice Boltzmann Method (LBM)执行中，只更新流体的物质密度和平均速度，不更新其内能参数．由于在复杂流动中，流体的内能是时间及空间的函数，因此其理论是不完整的．以上揭示的理论问题是现有LBM方法
    不能有效地求解涉及高速及大压缩性引起内能剧烈变化的复杂流场的原因．作者给出一篇理论研究文章以回答揭示的理论问题．
  • MSC折纸结构设计及其双稳态解析与实验
    万世雯, 张琦炜, 徐鉴
    2021, 42(3): 429-437. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.03.002
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    折纸是一门古老艺术，其本质是将平面材料沿着事先设计好的折痕进行折叠，进而形成一个复杂的三维结构．柔性折纸结构是实现三维结构轻量化的重要途径．因此，解析折纸结构几何特性和力学性质十分必要．本文以MSC(Magic Spiral Cube)为研究对象，通过实际折痕和虚拟折痕的方法，建立了该结构的几何模型，确定了实现完全展开和完全折叠对刚性面和可变形面的设计条件，在虚拟折痕上引入了扭转刚度，证明了该扭转刚度与柔性面变形的等效性，从而得到了MSC 折纸结构的弹性势能，得到了使结构变形的力与位移本构．通过力学特性分析，发现了MSC折纸结构具有双稳态特性，这种特性是由面内变形诱发的，与虚拟折痕刚度与弹性折痕刚度的比值有直接的关系．最后，我们对MSC折纸结构进行设计和制备，通过实验，验证了理论
    模型的准确性．本文的研究结果不仅进一步加深了我们对于MSC折纸结构力学特性的认识，同时也为其工程应用提供理论基础．
  • 碳纤维增强树脂基复合材料压缩失效机理研究
    侯子豪, 张卫刚, 徐凌超, 徐永生
    2021, 42(3): 438-449. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.03.003
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    为分析基体性质和纤维铺设方式对碳纤维树脂基复合材料(CFRP)压缩性能的影响，设计两种基体（耐高温环氧树脂基体和PA6 基体） 和两种碳纤维铺设方式[[45/0/-45/90]s和[45/-45]2s]，共4 类盒型碳纤维试件．采用轴向压缩实验，研究低应变速率下碳纤维复合材料的极限载荷、压缩量和刚度等力学性能．研究表明试件的失效形式主要由基体性质决定，损伤区域及裂纹方向主要由碳纤维铺设方式决定．利用X射线显微镜(XRM)对试件典型的损伤区域进行三维扫描，并对扫描图像进行重构与渲染，获得破坏区域的内部损伤细节．根据损伤扫描结果，得到材料内部的损伤类型及破坏程度．归纳所获得的损伤测试特征，分析不同类型试件压缩时的损伤规律与失效机理．
  • 超重力作用下软材料薄膜失稳的有限元分析
    卓国栋, 李科呈, 张素敏, 吕朝锋
    2021, 42(3): 450-457. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.03.004
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    软材料在自然界和工业应用中无处不在，其显著特点是对外界刺激极其敏感，相对于传统材料其弹性模量更小，容易发生表面形态的失稳现象．现有研究主要把光、声、电等作为诱导材料失稳的因素进行研究，而重力往往作为常量考虑．本文通过有限元模拟，建立超重力作用下环向受限的圆柱状软材料薄膜失稳模型，探究了薄膜材料的密度、厚度、半径、剪切模量等材料和几何参数对失稳临界超重力和临界失稳模态的影响．结果表明，触发薄膜失稳的超重力随薄膜厚度和密度增大而减小，随剪切模量增大而增大，随着薄膜半径增大快速减小并迅速趋于常数．另外，当径厚比R/H较小时，无量纲临界超重力随着径厚比增大而单调减小，但当径厚比R/H大于3 时，此量为一个常数．超重力作用下软材料的临界失稳模态与密度、剪切模量等参数无关，随径厚比R/H增大，临界失稳模态波数增大、波长减小．
  • Rayleigh-Bénard 穿透对流的传热与对流斑图的实验研究
    何川, 李婷, 韦萍, 李慧敏
    2021, 42(3): 458-469. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.03.005
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    为研究Rayleigh-Bénard(RB)穿透对流系统的传热和对流斑图的流动特性，本实验采用径高比Γ ≡D/L= 1的圆柱形对流槽实验装置（D 为对流槽直径，L 为对流槽高度），以4 ℃左右的水为实验流体．水的密度在4.0 ℃时达到最大值，对流槽底板的温度为Tb(Tb > Ti = 4.0 ℃)，顶板温度为Tt(0< Tt ≤4.0 ℃)．本实验的主要控制参数为：Ra 数(104<Ra<108)，Pr 数(10< Pr < 13)，密度反转参数θi(0 ≤θi ≡( Ti -Tt ) / (Tb -Tt ) ≤1)．对流斑图的强度和方位角通过装置侧壁4 个温度探头的测量来确定．固定Ra 数，随着θi 增大，对流槽上部分稳定层厚度增加，系统全局传热Nu 数减小．固定θi，随着Ra 数增大，系统全局传热Nu 数增加，当Ra 数大于临界瑞利数Ra*(Ra*=4× 106)，Nu 数与Ra 数的标度率关系为：Nu = cRa0.3，该标度率与GL理论相符．实验研究了一阶傅立叶能量占比E1 /Etot 和流动强度δ 随Ra 数的变化．结果表明，在Ra 数小于Ra*时，系统内形成稳定的环状对流斑图，该对流斑图可用傅立叶级数m=1 表示．在Ra 数大于Ra*时，系统处于湍流区间，对流斑图不再稳定．
  • 含J2摄动的有限时间航天器追逃博弈问题研究
    李沛, 王齐帅, 蔡国平
    2021, 42(3): 470-478. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.03.006
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    航天器追逃博弈是航天器在轨捕获任务的一个重要问题，具有极高的军民两用双重价值．针对有限时间且考虑J2摄动的航天器追逃博弈问题，本文提出了一种精确的求解方法．该方法的核心思想是将有限时间的航天器追逃博弈问题建模为有限时间二人零和对策，则博弈中两航天器的最优控制策略可以转化为有限时间二人零和对策的鞍点解．在鞍点解的求解过程中，本文首先基于考虑J2摄动的非线性动力学方程，将两航天器动力学方程和始末边值条件与鞍点解必要条件结合得到两点边值问题，然后提出一种结合遗传算法和配点法的混合算法求解该两点边值问题以得到精确的鞍点解．本文利用数值仿真对所提方法的有效性进行了验证．结果表明：(i) 在航天器追逃博弈过程中，J2摄动对两航天器的最优控制策略具有较大影响；(ii) 所提方法能够精确求解出两航天器在有限时间的追逃博弈过程中的最优控制策略．
  • 风洞中灰尘在不同特性玻璃表面上粘附形貌和粘附程度的实验研究
    雷炳海, 杨志刚, 金哲岩
    2021, 42(3): 479-489. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.03.007
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    为探究室外环境中玻璃上灰尘的形貌特征和粘附程度，本研究选择三种生活中常见的玻璃安装的角度以及三种不同特性的玻璃，利用风洞实验可控环境条件和实验参数的特性，通过工业相机拍摄得到灰尘在玻璃上的粘附形态．本方法解决了过去玻璃积灰实验周期长、难定量、误差大的问题，并利用改进的区域自适应阈值图像识别算法，分别得到不同角度下玻璃上灰尘的总数、灰尘粒径大小、不同粒径灰尘的占比、灰尘平均长轴长度等．结果表明：相同时间内，同种角度下没有涂层的玻璃比有涂层的玻璃更易吸附灰尘，且没有涂层玻璃上面积较大的灰尘更不容易脱落．同种玻璃，放置角度越大，灰尘数量越多．同种玻璃上颗粒物面积大于15 μm2灰尘颗粒数量占灰尘总数的41.9 %左右．所有实验组玻璃上的灰尘平均长轴长度均在11~18 μm之间，灰尘的长宽比均分布在1.34 上下．此项研究可为定量研究玻璃积灰奠定基础，并为工业领域中玻璃防尘、除灰技术等提供技术参考．
  • 混凝土材料损伤-自愈行为的湿化力多场耦合分析
    黄康, 吴佰建, 汤可可, 李兆霞
    2021, 42(3): 490-497. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.03.008
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    荷载与环境共同工作下的混凝土损伤-愈合力学行为具有典型的内在湿化力多场耦合特征．本文以混凝土中CaCO3 沉淀自愈机制为例，建立了一种湿-化-力多场耦合分析模型．通过引入一组扩散和化学反应方程，对材料微观结构层次的物理化学过程进行数学建模．随后，基于连续损伤愈合力学理论，将自愈效应引入混凝土损伤本构关系，发展出混凝土湿化力耦合分析模型并进行模型验证．针对单轴拉伸混凝土试样进行多场耦合数值分析，考察了关键参数对愈合过程的作用规律以及自愈进程对混凝土材料力学行为的影响．本文的研究为混凝土在运行环境下的损伤-愈合行为以及性能演变提供了定量分析方法．
  • 含冲击损伤高强中模碳纤维复合材料层压板压缩剩余强度分析与试验验证
    李磊, 宋贵宾, 郑华勇, 程鹏飞, 赵剑
    2021, 42(3): 498-506. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.03.009
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    论文以碳纤维复合材料层压板为研究对象，发展了一种模拟复合材料层压板冲击及冲击后压缩的一体化数值分析方法．基于Puck 失效准则和粘聚区模型描述层内损伤与层间损伤，分别采用基于断裂能的双线性型、函数型以及直接折减型等不同损伤折减方法构建了层内损伤预测与演化模型；建立了碳纤维复合材料冲击后压缩数值仿真模型，通过开展不同能量冲击后压缩试验，验证了所发展的数值分析方法的有效性；研究结果表明，采用Puck 失效准则和基于断裂能的双线性损伤演化模型预测冲击后压缩强度时具有较高精度．
  • 粘弹性问题的插值型无单元伽辽金比例边界法
    王涛, 陈莘莘
    2021, 42(3): 507-516. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.03.010
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    作为一种最近发展起来的半解析数值方法，插值型无单元伽辽金比例边界法不仅无需基本解，且在处理应力奇异性问题和无限域问题时十分有效．为了更有效地求解粘弹性问题，对插值型无单元伽辽金比例边界法应用于此类问题进行了研究，并发展了相应的算法. 通过时域分段展开，将时空耦合的初边值问题转化为一系列递推形式的边值问题，然后采用插值型无单元伽辽金比例边界法进行自适应计算．在径向保持解析特性的基础上，环向采用无单元伽辽金法离散可简化前处理和后处理工作量．此外，改进的插值型移动最小二乘法形函数具有插值性，有效地解决了本质边界条件不能直接施加的困难．最后给出了数值算例，并验证了所提方法的有效性和正确性.
  • 转动惯量法在多轴疲劳本构关系预测中的应用
    徐辰旻, 吴昊
    2021, 42(3): 517-527. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.03.011
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    一些金属材料在承担多轴非比例加载过程时，会产生额外非比例附加强化或软化现象，这一现象往往会导致在评估疲劳寿命时因为材料本构关系的不确定而引起预测结果出现较大误差．因此基于单轴疲劳理论得出的寿命预测模型并不能准确地预测多轴非比例疲劳加载下的材料寿命．针对此问题，本文阐述了非比例附加强化效应产生的原因及结果，结合转动惯量法的理论和塑性增量法，建立了预测多轴低周疲劳加载下循环应力-应变曲线的数值计算模型．利用316L 不锈钢试样在5 种加载路径下的实验数据对预测结果进行了验证，结果表明该模型具有良好的预测有效性及精度．
  • 基于改进Burgers 模型的橡胶沥青复合材料非线性黏弹塑性分析
    张思成, 盛冬发, 安文静, 刘邦剑, 齐荣庆, 程家幸
    2021, 42(3): 528-537. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.03.012
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    橡胶沥青复合材料作为一种重要工程建筑材料，其蠕变特性与应力、温度和时间等各种参数有着密切相关的影响．为了深入探讨橡胶沥青复合材料的蠕变性能，本文进行了等温不同应力及等应力不同温度条件下的蠕变实验．将黏塑性元件和经典Burgers 模型串联，得到改进的Burgers 模型．假定模型中待定参数是与温度、应力相关的函数，从而推导出考虑温度与应力效应的改进的Burgers 模型．将实验数据和改进的Burgers 模型进行拟合，得到模型的待定材料参数．从而通过橡胶沥青复合材料改进Burgers 模型来预测该类材料在不同温度或不同应力水平下的长期蠕变行为．利用蠕变柔量与松弛模量的换算关系，推导出改进的Burgers 模型松弛模量表达式．再利用WLF 方程得到该材料松弛模量主曲线，为橡胶沥青复合材料在不同温度条件下应力松
    弛的性能分析提供参考依据．
  • 含力磁屈服区的压磁材料硬币型裂纹问题研究
    李梦涵, 吴琼, 万永平
    2021, 42(3): 538-549. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.03.013
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    本文利用Hankel 变换及Copson 求解方法，得到了在无穷远处磁荷载以及对称力荷载作用下的无限大压磁材料中，硬币型裂纹在裂纹尖端含有环状力磁双屈服区情况下的相关解析解．本文考虑了磁屈服区尺寸小于、大于、等于力屈服区尺寸的三种情况．结果表明：屈服区尺寸不仅与外荷载及材料常数相关，更与力磁屈服区尺寸的相对大小有关；其中，较大尺寸的屈服区仅受同性质单一荷载影响，与材料常数无关；而较小尺寸屈服区受力磁两荷载与材料常数共同影响；裂纹张开位移、磁势跳变均沿裂纹面径向增大而减小；裂尖张开位移、裂尖磁势跳变与材料常数相关，且随外荷载增大而增大．
  • 时间尺度上广义Chaplygin 系统Noether 对称性的摄动与绝热不变量
    金世欣, 李彦敏
    2021, 42(3): 550-559. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.03.014
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    本文研究时间尺度上广义Chaplygin 系统的Noether 对称性的摄动与绝热不变量．给出时间尺度上广义Chaplygin 方程和Noether 定理；研究小扰动作用下时间尺度上广义Chaplygin 系统的Noether 对称性的摄动，得到该系统时间尺度上的一类Noether 形式的绝热不变量．并举例说明结果的应用.
  • 内共振条件下轴向运动梁磁弹性超谐共振研究
    李晓靓, 胡宇达
    2021, 42(3): 560-570. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.03.015
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    以载流导线激发的磁场中轴向运动梁为研究对象，同时考虑外激励力作用，推导出梁的磁弹性非线性振动方程．通过位移函数的设定和伽辽金积分法，将非线性振动方程离散为常微分方程组．采用多尺度法得到系统的近似解析解．应用Matlab 和Mathematica 软件求解幅频响应方程，并对稳态解进行稳定性判定．通过具体算例得到前两阶假设模态的响应幅值随不同参数的变化规律．结果发现：系统在内共振条件下发生超谐波共振时，二阶假设模态幅值明显小于一阶；随着外激励的增大，多值解区域范围明显缩小；随着电流强度增加，振动幅值减小，表明载流导线能够起到控制共振的作用．
  • 聚氨酯橡胶超弹性本构模型拟合效果评估
    管国阳, 孟政委, 谢立新, 彭南陵
    2021, 42(3): 571-580. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.03.016
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    对聚氨酯橡胶进行了单轴拉伸、单轴压缩和平面拉伸试验，采用常用的超弹性本构模型拟合试验数据，并基于拟合优度、拟合曲线与试验曲线相似性、相对偏差三方面，对拟合效果进行评估．结果表明：采用拟合优度评估，能从总体上反映超弹性本构模型对试验数据的拟合效果，采用拟合曲线与试验数据相似性的对比进行评估，能直观反映超弹性本构模型对试验数据的拟合效果，若同时考虑相对偏差，则可以反映超弹性本构模型与试验数据之间的相对偏差量，更为准确地对超弹性本构模型的拟合效果进行评估．
  • 微流道内椭圆粒子黏弹性聚焦数值模拟研究
    姜迪, 倪陈
    2021, 42(3): 581-593. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.03.017
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    黏弹性聚焦技术借助微尺度黏弹性流体的惯性和弹性耦合效应，能够实现生物粒子在流道中心的单一位置聚焦排列，被认为是未来生物粒子计数以及检测的理想预处理单元，因而引起了广泛的关注．自然界中的生物粒子往往是非球形的，故而研究不同形状粒子在黏弹性流体中的迁移特性具有十分重要的价值．本文通过格子玻尔兹曼方法耦合浸入边界法，对椭球粒子在直流道内黏弹性流体中的聚焦行为进行了系统的数值模拟研究．结果表明，面积相同但长径比不同的椭圆粒子在黏弹性流体中有不同的旋转周期与迁移速度．长径比更大的粒子旋转周期更长，且长径比大于3.5 的粒子甚至不再有明显的旋转．长径比更大的粒子上下两侧的黏弹性力分布更加平缓，受到指向流道中心的弹性力更小，使得粒子横向迁移速度更慢从而导致了长径比不同的椭圆粒子聚焦至流道中心所需时间的差异．此外，Weissenberg 数Wi 的增加同样能够减弱粒子的旋转，使得长径比稍小的粒子也能和长径比为1.0 的圆形粒子产生明显的分离．上述数值模拟的结论，为不同长径比粒子在黏弹性流体中的聚焦与分选应用提供了重要的理论指导．
  • 穿斗式木框架受力性能研究
    王展光, 石昂, 邵建华
    2021, 42(3): 594-603. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.03.018
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    为研究西南地区穿斗式木结构的承载能力和变形特征，设计了单榀足尺穿斗式木框架进行水平静力单调加载试验，获得了木框架水平荷载-位移曲线关系以及木框架的整体破坏形态等，并采用ABAQUS 软件对木框架进行数值分析．研究表明木框架破坏形式表现为框架整体的严重倾斜，柱与枋本身较为完好；木框架柱顶侧移随着加载位移的增加呈线性增长关系，对称的左右立柱和瓜柱柱顶侧移基本一致；不同节点榫头同步拔出，拔榫量峰值相差较小，表现出较好的协调性；暗销节点的变形主要表现为榫头的挤压凹陷，榫头横纹方向较早地进入塑性变形阶段．卯口受压变形较小，处于弹性变形阶段．
  • 带孔隙损伤的弹性固体的广义变分原理
    齐荣庆, 程家幸, 盛冬发
    2021, 42(3): 604-612. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.03.019
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    应用弹性微结构理论，建立了具广义力场带孔隙损伤线弹性固体的基本模型．应用变积方法，同时分别建立了带孔隙损伤弹性固体四类和两类变量的广义变分原理，这些变分原理对应着带孔隙损伤弹性固体微分方程和初值边值条件．应用弹性微结构理论，建立了带孔隙损伤的弹性Timoshenko 梁的基本方程，得到带孔隙损伤的弹性Timoshenko 梁两类变量的广义变分原理．这些广义变分原理为近似求解带孔隙损伤的弹性问题提供了有效途径．