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  • 2021年, 42卷, 第4期
    刊出日期：2021-12-12
      
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  • 配点型无网格法理论和研究进展
    王莉华, 阮剑武
    2021, 42(4): 613-632. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.04.001
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    有限元法是当前工程科学领域应用最广泛的数值计算方法之一，但是其在求解极端大变形、高速碰撞等一些复杂问题时，容易出现网格畸变和网格敏感性，从而导致计算结果精度低和不收敛的问题．为了避免网格带来的问题，出现并兴起了各种无网格法．无网格法不仅建模简便，而且收敛速度更快、计算精度更高，可用于求解有限元等网格类方法难以求解乃至尚未触及的问题．本文首先阐述了无网格法的分类以及具有代表性的方法．目前限制无网格法发展的主要问题是效率偏低．伽辽金型无网格法效率较低，而配点型无网格法效率较高，在复杂问题的高效高精度数值模拟中具有更大潜力．因此本文详细介绍了配点型无网格法的起源和研究进展，归纳了其常用的近似函数和离散方法，最后对无网格法的发展做出了总结和展望．无网格法的研究和改进，为复杂问题的高效高精度数值模拟开辟了新的途径．
  • 阿姆斯特朗电解液液桥的实验现象及断裂机理研究
    潘雪芹, 胡曼
    2021, 42(4): 633-640. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.04.002
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    阿姆斯特朗液桥是电流体力学领域中的一种有趣现象，它悬在空中抵抗重力流动的神奇状态引起了人们的广泛关注．近十几年来，去离子水液桥已经通过理论和实验得到深入研究，但是对于电解液液桥的研究依然十分有限．本文以Na2SO4电解液作为形成液桥的实验液体，利用高速摄相机和红外热像仪研究了电解液液桥的形成过程、焦耳效应、流动中的热气泡产生及其破碎导致的液桥断裂等现象，提出了不同于去离子水液桥的断裂机理，有助于进一步加深人们对液桥这一复杂现象的理解．
  • 含有阈值控制策略Hindmarsh‑Rose 系统的簇发振荡分析
    葛亚威, 陈少敏, 毕勤胜
    2021, 42(4): 641-651. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.04.003
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    本文研究了阈值控制策略下不同尺度耦合系统的簇发振荡及其机理．以包含周期激励项的Hindmarsh-Rose 模型为例，当激励频率与系统固有频率存在量级差异时，引入阈值控制策略，建立了频域间存在快慢耦合的Filippov 系统．因激励项可以被视为一个慢变参数，我们可以相应地得到一个向量场不连续的广义自治系统，从而分析了系统在不同区域随慢变参数变化的平衡点及相关分岔．特别地，由于系统的非光滑特性，我们也分析了非光滑分岔出现的条件，给出了滑动区域的解析表达式．基于阈值控制策略，研究了三种切换条件下的簇发振荡，指出了非光滑分界面的变化会产生不同的非光滑分岔，进而导致不同滑动现象的发生，表现为不同形式的沉寂态与激发态．通过叠加转换相图与分岔图，簇发机理得以揭示．
  • 加热板上固着液滴内部的浮力‑Marangoni 对流
    童月萱, 陈硕
    2021, 42(4): 652-664. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.04.004
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    为了揭示液滴内部的流动与传热机制，本文对加热板上固着液滴内部的浮力-Marangoni 对流进行了数值模拟研究，首先对浮力对流和Marangoni 对流进行分离研究，后研究了两者共同作用的情况，并讨论了Pr 数、Re 数、Bi 数、Ra 数、Ma 数和接触角对内部流场和温度场的影响．结果表明，纯Marangoni 对流在液滴右侧中截面上表现为逆时针涡旋，而纯浮力对流存在静态分岔现象，给定不同方向的涡旋作为初始条件，当Ra 数大于临界Ra 数后，最终稳定时液滴内部的涡旋方向与给定的初始方向一致，在本文的数值模拟中该分叉点约为2 500．液滴内部的浮力-Marangoni 对流也存在静态分岔，在Ra 数较小时，液滴内部的涡流方向纯Marangoni 对流方向一致，在Ra 数大于临界Ra 数后，该方向与所给初始流场一致，但该分叉点受Ma 数影响，增大液滴的Ma 数可以使分岔受到抑制．
  • 双相钛合金Ti‑6Al‑4V微观缺陷疲劳演化的片层结构分布效应
    陈坤荣, 汤可可, 杜兆钧
    2021, 42(4): 665-673. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.04.005
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    本文研究疲劳载荷作用下双相钛合金Ti-6Al-4V中片层结构对微观几何缺陷区域演化的影响．基于晶体塑 性有限元(Crystal Plasticity Finite Element, CPFE)理论，建立含微观椭圆缺陷的双相片层代表性体积单元 (Representative Volume Element, RVE)模型，通过调控缺陷附近的微观组织形貌，使缺陷两端分别出现单相结构和 片层结构，以突出双态合金中片层结构分布对微观缺陷演化的影响．模拟结果表明，位于微观缺陷两侧的晶粒， 片层结构的应变敏感性更大，应变沿缺口环向和沿晶内均呈不连贯波动．片层结构通过调节晶内应变，扩大承载 范围，可提高双相钛合金的抗疲劳特性．这一研究结果可为双相钛合金的疲劳裂纹萌生提供一个新的解释途径
  • 螺栓连接件微动疲劳特性分析
    武洋洋, 王莹
    2021, 42(4): 674-684. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.04.006
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    工程中钢结构构件经常采用螺栓连接，被连接部位多处于复杂受力状态，单轴疲劳理论已无法满足该 形式下构件的寿命评估需求．针对现有理论不足，本文建立了螺栓连接件有限元模型，研究了不同工况下被连 接件微动疲劳裂纹萌生位置，并基于临界平面的多轴疲劳理论，比较了四种常用模型的适用性以及预测了连接 件的疲劳寿命．结果表明：(1) 裂纹萌生位置位于受拉端螺栓孔附近的滑移粘着区，在相同螺栓预紧力下，该 位置与施加的疲劳载荷大小无关；(2) 基于临界平面方法的四种模型均可以较好判断裂纹萌生位置，其中SWT (Smith-Watson-Topper)模型对不同载荷水平下的螺栓连接件微动疲劳寿命预测效果较好，大部分预测结果位于± 2倍分散带之内，预测结果优于其他三种模型；(3) 在规范规定的螺栓预紧力范围内，被连接件裂纹萌生区域距 孔边的距离与预紧力大小无关，可能是由于预紧力变化范围内的粘着滑移区未发生明显变化所致，并且随着预 紧力减小，被连接件的寿命预测值反而增大
  • Pasternak 双参数地基上Euler⁃Bernoulli 裂纹梁弯曲的解析解
    欧阳煜, 夏登科
    2021, 42(4): 685-695. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.04.007
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    基于开裂纹的等效扭转弹簧模型，采用 Laplace 变换，给出了 Pasternak 地基上具有任意裂纹数目的 Euler-Bernoulli梁弯曲变形的解析通解．在验证本文解析解正确的基础上，数值分析了 Pasternak地基上简支裂 纹梁的弯曲变形和内力特征，考察了裂纹数目、深度、位置以及地基反力系数对裂纹梁弯曲的影响．结果表 明：在裂纹处梁挠度分布存在尖点，而转角分布存在跳跃，并且尖点效应和转角跳跃随着裂纹深度的增加而愈 加明显；同时随着地基反力系数的增大，裂纹梁的挠度、弯矩和转角逐渐减小；此外，随着地基反力系数的增 大，裂纹数目对裂纹梁挠度的影响逐渐减弱．这些结果为Pasternak地基上梁的裂纹损伤识别提供了理论基础．
  • 理想八面体点阵结构力学模型优化及力学性能测试分析
    徐香新
    2021, 42(4): 696-706. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.04.008
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    利用光固化立体成型技术(SLA)制备了不同相对密度的光敏树脂基体理想八面体结构，并对其进行紫外 固化处理，通过理论计算、实验测试以及数值模拟的方式对八面体点阵结构的力学性能进行了分析．实验结果 表明八面体点阵结构的压缩模量以及抗压强度随着相对密度的增加而上升，相对密度从 11.3 %提升至 27.9 %， 弹性模量上升了 3.5倍左右，抗压强度上升 2.6倍左右．利用 ABAQUS有限元软件对实验过程进行了模拟，数 值模拟结果与实验结果具有良好的一致性．在理论计算中，对 Deshpande 等提出的八面体点阵结构计算模型 （DFA模型） 进行了修正，计算结果显示修正后的计算结果更接近实验值与模拟值．
  • 考虑非局部效应的双层纳米板的磁弹性随机振动
    王佳悦, 王平
    2021, 42(4): 707-717. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.04.009
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    研究了四边简支双层纳米板在外加磁场的作用下的磁弹性随机振动问题．基于非局部弹性理论和板壳 磁弹性理论建立了系统的磁弹性随机振动方程．通过模态分析法对其进行位移响应分析，得到了通入平稳随机 电流时双层纳米板位移响应均值、功率谱密度函数等数字特征．在此基础上，分析了非局部参数、磁场强度、 板厚比等对功率谱密度的影响．结果表明，非局部参数、磁场强度、板厚比等因素的变化会影响系统的振动能 量变化及振动响应带宽分布.
  • 四角点简支双稳态层合板振动特性研究
    周伟兵, 郝育新
    2021, 42(4): 718-730. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.04.010
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    双稳态层合板作为一种柔性可变体结构，为实现振动状态下的构型调控，将对其开展固有振动特性的 研究．本文以四角点简支约束的矩形非对称铺设双稳态板作为研究对象，运用最小势能原理、一阶剪切变形理 论、以及冯卡门几何非线性位移应变关系，得到双稳态板的两种稳态构型．首次给出了适合于四点简支的6参 数构型函数与17参数构型函数，研究对比发现对于稳态构型采用17参数的构型函数结果相对更精确；对于应 用线性位移应变关系的基于任一稳态构型下振动固有特性而言，这两种构型函数得到的结果基频相差2 %，其 它阶次频率相差也不大．随后采用6参数构型函数得到的稳态构型研究了几何尺寸、铺层数分别对两种稳态构 型固有振动特性的影响．本研究对于进一步研究该类结构动态跳变机理具有重要意义．
  • 无定形水化硅酸钙纳米压痕模拟及卸载段处理
    张子星, 杨海霞, 邵婷悦
    2021, 42(4): 731-742. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.04.011
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    基于预测水泥及其水化物体积性能的简化物理模型Wittmann模型，结合分子动力学研究方法，构建水 化硅酸钙(C-S-H)凝胶模型用来模拟纳米压痕实验．在弛豫阶段使用高温淬火方法将模型转变为无定形态，并 测定模型高温淬火前后的径向分布函数，确定了无定形态下的水化硅酸钙(C-S-H)压痕模型，计算得出荷载深 度曲线 （P-h 曲线）．考虑到高温淬火对模型内粒子热力学运动的影响以及带来的位错效应，分别采用 OliverPharr方法与 Cheng-Cheng 方法对荷载深度曲线的卸载段进行分析处理．其中 Oliver-Pharr方法计算得到硬度 H 为 0.92 GPa，折合模量 Er为 29.56 GPa；Cheng-Cheng方法计算得到折合模量 Er为(34.92±7.57) GPa．与文献结 果及标准试块实验结果进行对照，探究两种计算方法的合理性及适用范围，并提出研究展望
  • 基于3D⁃DIC技术的约束岩石裂缝扩展研究
    杜凯, 邓建华, 王化俗, 杨壮, 代旭东
    2021, 42(4): 743-751. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.04.012
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    采用 RMT-301B岩石与混凝土力学实验系统对施加预应力值为峰值强度 20 %、40 %、60 %的泥质白云 岩进行单轴压缩实验，并借助三维数字图像相关技术(3D-DIC)测试系统观测受约束岩石试样的变形和破坏形 态，研究泥质白云岩在约束条件下的位移场和 Tresca应变场的演化过程．结果表明：(1) 岩石的破坏过程是由 内向外扩展，当应力积累超出岩石承受范围后，岩石出现裂纹，随后裂纹尖端继续扩展，应力也发生了重分 布，岩石内部多组裂纹开始联合扩展、贯穿，直到试件发生完全破坏．(2) 含约束岩石在单轴压缩下一共有轴 向劈裂破坏、沿片理破坏、Y形破坏、共轭剪切破坏四种破坏形态，且以轴向劈裂破坏为主
  • 基于反向传播神经网络的疲劳裂纹扩展分析
    叶文静, 王莉华
    2021, 42(4): 752-762. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.04.013
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    材料发生疲劳断裂时往往会引起重大安全事故，而基于传统数值模拟方法求解疲劳裂纹扩展问题时模 型复杂、计算量大．本文基于包含多隐层的反向传播神经网络分析金属材料疲劳裂纹扩展行为，计算了裂纹扩 展过程中的 von Mises应力场和位移场，并与数值解和实验解进行对比，误差分析结果表明其求解精度高．并 基于该神经网络有效预测了裂纹扩展中裂纹长度及裂纹扩展速率的变化过程，预测精度高．该神经网络分析方 法可为材料剩余寿命和疲劳强度预测提供研究基础．
  • 分数阶粘弹性地基上薄板波动和振动特性分析
    袁宇彤, 魏培君, 周小利
    2021, 42(4): 763-774. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.04.014
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    本文研究了粘弹性地基上薄板的波动和振动问题．主要讨论了基于分数导数理论的粘弹性地基模型上 薄板弯曲波的传播特性以及固有频率对地基的依赖特性．推导了三种经典粘弹性地基模型的复模量．并利用分 数导数的性质得到分数阶粘弹性地基上 Kirchhoff板中弯曲波的传播速度、衰减系数以及自由振动的复固有频 率．数值算例表明粘弹性地基对弯曲波传播特性存在显著影响，不同粘弹性模型所对应的色散和衰减特性也存 在较大差别．分数阶导数可以实现相邻整数阶导数之间的光滑过渡．利用分数导数的本构关系可以更加真实地 描述粘弹性地基的历史依赖行为，更准确地表现出粘弹性地基板中弯曲波的色散和衰减特性．
  • 气动力⁃安培力⁃谐波激励作用下载流导线的非线性振动特征
    刘小会, 梁浩博, 闵光云, 杨曙光, 伍川, 蔡萌琦
    2021, 42(4): 775-788. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.04.015
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    研究了气动力-安培力-受迫激励联合作用下载流新月形覆冰导线的振动特征，在传统只考虑安培力的载 流导线振动方程中引入了气动力和受迫激励项，使得模型更加符合实际工程．首先建立了载流新月形覆冰输电 导线模型，接着推导了载流覆冰导线模型的振动方程，利用Galerkin方法将该振动方程转变为有限维度的常微 分方程，采用多尺度法进行摄动求解，求得幅-频响应函数，并对比分析主共振情况下考虑气动力与不考虑气 动力时载流、间距、风速、张力、激励幅值对振动幅值的影响．研究结果表明：考虑气动力的振动幅值较未考 虑气动力时小．各线路参数对导线的幅值都有一定程度的影响，并且使系统表现出明显的软弹簧特征和复杂的 动力学行为．本文研究成果能为实际工程提供一定参考价值
  • SPH粒子初始化均布方法及其均布质量评价
    李明飞, 孙伟, 王博, 窦益华
    2021, 42(4): 789-799. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.04.016
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    光滑粒子流体动力学(SPH)是一种拉格朗日型无网格粒子法，粒子均布程度是影响SPH分析精度和稳定 性的重要因素．本文基于射线法提出了一种在异形多边形区域内均布SPH粒子的方法，先在多边形的最小外包 矩形范围内均布粒子，再通过射线法和辅助筛选条件保留区域内的粒子；通过生成粒子的Voronoi多边形计算 其变异系数值(Cv)，作为SPH粒子均布质量的评价标准，其值越小，粒子均布质量越高．为验证该方法提高分 析精度的有效性，基于爆轰侵彻的经典实验，建立由经典三角形和四边形均布粒子法构建的模型甲、模型乙和 本文模型丙，用 LS-DYNA 中的 SPH 模块进行仿真分析．研究表明，模型丙的 Cv 分别比模型甲和模型乙低 4.88 %和5.22 %；模型甲、乙和丙射流头部速度分别为5 960、5 900和6 060 m/s，较经典实验的6 100 m/s分别 相差2.3 %、3.3 %和0.7 %，相对于模型甲和模型乙，模型丙计算精度提高了1.6 %和2.6 %．因此，本文方法可 快速有效地均匀布置SPH粒子，提高分析精度
  • C40 自密实混凝土II 型断裂韧度的确定
    童谷生, 姚良发, 徐攀
    2021, 42(4): 800-810. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.04.017
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    自密实混凝土的II型断裂韧度是个很重要的材料参数，而对其II型断裂的研究，有助于我们建立复杂裂 缝扩展准则并且探索构件断裂失效．为了解自密实混凝土II型断裂破坏过程并确定其II型断裂韧度，本文制备 了7组21个不同缝高比以及不同切口方式的试件，利用半对称加载方式对自密实混凝土做了II型断裂实验，并 利用 ABAQUS有限元建模，模拟计算了各个试件的 II型断裂韧度．实验结果表明，自密实混凝土比普通混凝 土粒径小，断裂脆性大，多是沿韧带剪切破坏，自由端剪切崩落．实验与模拟计算的II型断裂韧度一致，其大 小为1.95 MPa· m．由于骨料粒径小，KIIc的值比普通混凝土稍低一些，并且其值与材料强度呈正相关，与试 件宽度呈负相关，半边对称加载的实验方式可以准确反映自密实混凝土的II型断裂韧度．单边切口与双边切口 试件断裂韧度值相差不大，切口方式对KIIc影响很小，且初始缝高比对断裂韧度无影响．
  • 钢筋混凝土平面框架节点单元BCJ⁃5N
    方自虎
    2021, 42(4): 811-817. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2021.04.018
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    本文基于四根刚臂梁结合12个外接一维单元建立了钢筋混凝土框架节点单元，单元具有5个节点15个 自由度，称之为“BCJ-5N”单元．每个节点具有3个自由度，与普通梁单元一致，从而确保本单元适合于同普 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．单元考虑了梁受力钢筋在框架节点内的黏结滑移作 用，并通过钢筋混凝土梁正截面强度设计建立了梁端弯矩与截面转角关系的骨架曲线，结合Lowes加载卸载模 型，组成了完整的静力、动力分析的框架节点单元，并将其移植到 ABAQUS通用分析平台上，通过对两跨三 层钢筋混凝土框架结构的滞回分析和三跨三层钢筋混凝土框架结构的动力分析两个算例，验证了本模型适合于 进行循环荷载和动力荷载作用下平面框架结构非线性响应分析．