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  • 2023年, 44卷, 第1期
    刊出日期：2023-03-25
      
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  • 丝束变角度复合材料板壳结构静动力问题研究进展
    陈晓东, 聂国隽, 仲政
    2023, 44(1): 1-14. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.01.001
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    近年来随着先进自动铺丝技术的发展，生产材料特性随空间位置连续变化的丝束变角度(Variable Angle Tow, VAT)复合材料已成为可能．由此制备的新型复合材料板壳结构不仅具有比传统结构更强的可设计性，而且在提升结构效率方面显示出极大的优越性，是实现航空航天工业装备高性能、轻质化发展的新的重要途径．然而，自动铺丝技术使VAT复合材料板壳结构具有了一般各向异性及面内变刚度特性，给其静动力学问题的分析带来了极大的困难．因此，发展针对该种新型变刚度复合材料板壳结构的力学模型和计算方法至关重要，这也是深入理解其复杂的力学响应机制并进一步促进其在航空航天工程中广泛应用的前提和基础．本文旨在总结近年来有关VAT复合材料板壳结构静动力问题的研究进展，着重从理论分析模型和数值计算方法等方面来简述其最新研究成果，最后讨论了目前VAT复合材料板壳结构静动力问题研究的局限性，并对未来的理论研究进行了展望．
  • 自然超空泡与尾喷流相互作用的数值模拟
    舒畅, 宫兆新, 刘桦
    2023, 44(1): 15-30. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.01.002
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    认识带尾喷流和自然超空泡的水下高速航行体流体动力特性并发展其预报与控制方法仍是水动力学领域极具挑战性的课题．本研究采用CFD方法对尾喷流和自然超空泡之间的相互作用进行了数值研究．针对发动机欠膨胀超音速喷流，采用现有实验结果验证了基于两方程湍流模型的二维轴对称流动数值模型的可靠性．尾喷流在空气和蒸汽环境中流动的数值计算结果表明，由于蒸汽环境中背压较低，欠膨胀尾喷流无法及时形成压缩波，使得蒸汽环境中尾喷流的过膨胀区和气相扩散区的体积比空气中大；尾喷流很难形成规则的激波格栅，波系结构相对简单．针对携尾喷流的平头航行体超空泡流状态的数值模拟结果表明，尾喷流注入超空泡后迅速充满航行体周围的空腔区域；尾喷流与超空泡尾迹区域形成的回射流相互作用最终导致超空泡断裂，断裂过程中伴随着燃气泡的下泄现象；受空泡壁面约束，尾喷流难以在狭窄的超空泡空腔内完全膨胀，尾喷流的激波波系结构有显著的变化：在喷嘴附近受到压缩，在远离喷嘴区域受到超空泡水汽掺混的破坏；空泡内压强基本维持在饱和蒸汽压附近，没有显著增加．
  • 基于真实工况下的工业机器人关节转角辨识与分析
    高天驰, 宋汉文
    2023, 44(1): 31-37. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.01.003
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    本文基于多目视觉测量系统，对真实工况下连续运动的工业机器人进行关节转角的实时重构．该方法通过机器人运动前后的坐标集，在对刚体运动进行最优拟合的条件下，采用最小二乘法获得了各关节的旋转矩阵与平移向量．在此基础上，在考虑相邻关节牵连运动的前提下，获得了各关节的相对旋转矩阵．结合罗德里格斯变换理论通过相对旋转矩阵，确定了各关节转角．仿真与实验分析，验证了该方法的有效性与正确性．在该测量与辨识体系下，初步确定了各关节转角随机器人运动的真实状态．2与3杆臂由于物理尺寸呈细长形状，连杆挠度较大，这时变形误差与振动建立了关系，角振动幅度很大，曲线随机性较强．其余杆臂由于刚度较大，关节转角曲线呈光滑状态．
  • 单调激活函数惯性项神经耦合系统的混沌共存
    朱嘉奕, 宋自根
    2023, 44(1): 38-44. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.01.004
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    混沌及其稳态共存是神经网络系统中一个重要研究热点问题．本文基于惯性项神经元模型，利用非线性单调激活函数构造了一个惯性项神经耦合系统，采用理论分析和数值模拟相结合的方法，研究了系统平衡点以及静态分岔的类型，分析了系统两种不同模式的混沌及其稳态共存．具体来说，我们通过选取不同的初始值，利用相应的相位图和时间历程图，展现了系统混沌对初值的敏感依赖性．进一步，采用耦合强度作为动力学的分岔参数，研究了混沌产生的倍周期分岔机制，得到了单调激活函数耦合下的惯性项神经元系统混沌共存现象．
  • 基于多层模拟方法的双层梁断裂有限元分析
    刘庆辉, 方敏, 乔丕忠
    2023, 44(1): 45-55. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.01.005
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    本文提出一种用于含分层的双层梁线弹性断裂分析的有限元方法．将上下子梁均模拟为多个子层，采用只有平动位移自由度的新型梁单元，假设单元内的位移沿纵向和横向均线性变化，推导了该单元的单元刚度矩阵．将开裂部分和未开裂部分的子梁进行单元刚度矩阵组装，施加相应的等效结点力，得到整体平衡方程，并结合边界条件进行求解．为验证该方法的有效性和精度，开展非对称双悬臂梁(Asymmetric Double Cantilever Beam, ADCB)和单臂弯曲梁(Single Leg Bending, SLB)试样的断裂分析，利用虚拟裂纹闭合技术(Virtual Crack Closure Technique, VCCT)得到了试样的能量释放率及其分量，并将求得的结果与解析解和二维有限元解进行对比．计算结果表明，相对于传统双层模拟方法，该多层模拟方法能够精确、高效地计算各类梁试样的能量释放率及其分量，并且无需引入界面连续条件．
  • 基于气压鼓泡法研究石墨烯力学性能
    安飞, 曹国鑫
    2023, 44(1): 56-64. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.01.006
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    通常假设二维材料为连续介质薄膜，然后采用连续介质薄膜的研究方法进行二维材料力学性能研究，其中气压鼓泡法是一种主要测试方法．但实验观测发现，悬空石墨烯并非处于气压鼓泡测试分析模型中假设的固支边界条件，而是处于一种粘附边界条件：靠近孔壁边界处，有小部分材料通过范德华吸引粘附在基底柱形孔的侧壁上，而且粘附部分可以在极小载荷作用下剥离．这导致石墨烯悬空部分的实际半径大于基底孔半径，即鼓泡实验中的石墨烯是一种松弛薄膜，而非通常认为的预拉伸薄膜．通过有限元数值模拟研究发现，可基于含有名义松弛应变的鼓泡分析模型获得处于粘附边界条件下的石墨烯弹性模量．
  • 高密度封装倒装焊的新简化模型及疲劳寿命分析
    崔新雨, 单月晖, 沈飞, 柯燎亮, 苏洁
    2023, 44(1): 65-74. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.01.007
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    高密度封装结构中存在大量焊球，在进行有限元建模时，考虑到焊球数量多且尺寸小的特点，需简化焊球层模型．本文针对高密度封装结构中倒装焊及底填胶，提出了一种新的简化模型，采用非重点部位简化和材料均匀化相结合的方法，将内部焊球层和底填胶简化为均匀层，只保留外圈几层焊球．通过建立代表性体积单元，计算得到均匀化层的材料参数．讨论了外层焊球圈数对焊球层危险点应力的影响，发现保留外圈两层焊球就能得到非常精确的结果．利用新简化模型计算了高密度封装结构的疲劳寿命，所获得的结果与未均匀化模型结果误差在0.3 %以内．
  • 考虑时滞的主动悬架系统控制策略对比研究
    吴彪, 闫盖, 李佩琳, 方明霞
    2023, 44(1): 75-87. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.01.008
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    本文以二自由度四分之一汽车悬架系统为研究对象，采用不同控制策略对考虑时滞的悬架系统控制特性进行研究，并对控制效果进行对比分析．首先，采用第二类拉氏方程建立考虑时滞的二自由度悬架控制系统的动力学模型；然后分别基于状态变换法和H∞控制理论，设计系统的时滞反馈控制律．其中状态变换法主要通过系统状态变量的转换，将系统时滞控制方程转换成不显含时滞的动力学方程，然后采用传统的二次型最优控制方法对系统进行控制．H∞控制主要通过使用Lyapunov-Krasovskii泛函和自由权矩阵法，设计考虑时滞的H∞控制律；最后在Matlab/Simulink平台上对控制系统进行仿真分析，并在相同时滞下对两种控制结果进行对比．研究表明，两种控制策略在考虑时滞的情况下均可保证系统的稳定性，且H∞控制相比于状态变换法有更好的控制效果．
  • 四角点支撑纳米板稳态受迫振动解析解
    范俊海
    2023, 44(1): 88-100. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.01.009
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    本文基于非局部弹性理论及辛叠加方法，得到放置在黏弹性介质上四角点支撑矩形纳米板稳态受迫振动问题的解析解．将纳米板受迫振动问题导入哈密顿体系，得到哈密顿控制方程，在无需任何预设函数的情况下可直接对哈密顿控制方程进行求解，得到简支纳米板稳态受迫振动问题在辛空间展开形式的解析解．进而通过边界叠加，可求出四角点支撑纳米板稳态受迫振动的解析解．数值算例中验证了本文应用辛叠加方法得到解析解的准确性，并以石墨烯纳米板为例，分析了非局部参数和黏弹性介质参数对四角点支撑石墨烯纳米板稳态受迫振动的影响．结果表明，非局部参数和黏弹性介质参数的变化会影响石墨烯纳米板的共振频率及共振幅值．
  • 考虑地基水平摩阻的Winkler 地基上板模型解析
    谈至明, 成林燕
    2023, 44(1): 101-112. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.01.010
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    在Winkler地基模型基础上，采用板与地基之间的水平摩阻应力正比于板与地基接触点间水平位移假设，推演了包含板弯曲和轴向拉压效应的非线性地基板微分方程；应用摄动法分析竖向集中力作用下，板与地基水平摩阻应力对板内力（弯曲力、轴向力和剪应力）、位移（挠度、水平位移）的影响规律，实证了板与地基水平摩阻应力对板剪应力的非线性影响可以忽略不计，从而得到了轴对称条件下计入地基水平摩阻的Winkler地基上薄板的线性微分方程．随后通过汉克尔变换得到了轴对称无限大板的解析解，以及包含四项复宗量贝塞尔函数的轴对称圆形板的解析解，给出了板内力、位移的计算式；最后，通过算例分析了板与地基间水平摩阻状况对板挠度、截面弯矩的影响规律．结果表明：地基板挠度与弯矩随着板与地基间水平摩阻的增大而减少；当地基板水平摩阻参数大于0.01时，地基水平摩阻力对板挠度和弯矩影响有可能超过2 %，应予考虑；无限大板作用圆形均布荷载时，水平摩阻的存在最大可使板最大挠度（即荷载圆中心点处挠度）下降约50 %，板最大截面弯矩（即荷载圆中心点处弯矩）下降约70 %．
  • 多维SUPG格式不可压流动高精度算法研究
    韩向科, 苏波, 郭彤, 宋凯
    2023, 44(1): 113-121. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.01.011
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    在传统流线迎风Petrov-Galerkin (SUPG)有限元法基础上，通过对稳定因子关键参数进行分析，提出了基于流向投影的最优特征高度参数确定方法，同时针对不可压流动引入变量分裂算法，发展了一种可用于高雷诺数不可压流动计算的高精度稳定化SUPG方法．详细地给出了三角形单元基于流向的最优特征高度确定方法的分析过程，并给出了基于分裂算法的有限元计算步骤和公式．采用该方法对典型的方腔拖曳、圆柱绕流流动问题进行了分析，在网格较稀疏，且雷诺数较大的情况下，依然可以得到稳定的计算结果，从而验证了该方法的稳定性、有效性，对实际工程应用具有积极的意义．
  • 分数阶黏弹性Pasternak 地基上两端固支Timoshenko 梁的动力响应
    毕晓东, 魏培君, 周小利, 宋鹏飞
    2023, 44(1): 122-132. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.01.012
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    本文研究了放置在黏弹性Pasternak地基上的Timoshenko梁在移动载荷作用下的动力响应行为．首先，引入分数阶导数，将整数阶标准固体黏弹性地基模型推广为分数阶标准固体黏弹性模型．对于Pasternak地基，考虑压缩层是黏弹性的而剪切层仍是弹性的情况，给出了地基反作用力．然后，求解了Timoshenko梁的自由振动解，获得含黏性耗散信息的复固有频率及振型函数．在此基础上用振型叠加法分析了在移动简谐荷载作用下梁的位移响应．在数值算例中，给出了不同分数阶导数、地基黏性系数以及载荷移动速度下梁的动态响应，讨论了黏弹性地基对梁的动态响应的影响规律．
  • 混杂短纤维增强复合材料弹性模量预测
    潘静, 张凌博, 刘京红, 刘晓健, 张国平
    2023, 44(1): 133-141. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.01.013
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    在现代工程结构中，纤维增强复合材料具有较高的刚度重量比、优异的耐久性和设计灵活性等优点，因此得到了广泛应用．本文结合细观力学中的Mori-Tanaka方法和Halpin-Tsai方法推导了混杂碳纤维和玻璃纤维增强复合材料有效弹性模量的解析表达式．通过引入参数λ，提出了计算随机方向混合纤维增强复合材料弹性模量的新模型，分析了纤维长径比和体积分数对复合材料弹性模量的影响．结果表明，复合材料的弹性性能对纤维长径比和体积分数非常敏感．根据提出的理论，混杂纤维增强复合材料的弹性模量处于单一纤维（纯碳纤维或纯玻璃纤维）增强复合材料弹性模量之间．对于单一纤维增强复合材料，采用Halpin-Tsai方法计算的复合材料弹性模量高于Mori-Tanaka方法计算结果．
  • 复合材料层合板低速冲击响应和损伤分析
    黄越, 李海滨
    2023, 44(1): 142-149. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.01.014
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    通过在有限元软件Abaqus/Explicit中编写用户材料子程序VUMAT，建立了一种基于能量演化的复合材料低速冲击渐进损伤模型．该模型以三维Hashin准则来预测层内损伤的起始，以一种简化的损伤变量来模拟层内损伤的演化，将具有双线性牵引-分离本构的零厚度界面单元插入层间来模拟分层损伤．采用该模型对14.7 J冲击能量下的纤维增强复合材料低速冲击过程进行了仿真分析，计算得到的冲击力-时间曲线、能量-时间曲线和损伤分布与试验结果吻合较好．根据数值模拟结果，分析了纤维、基体和分层损伤的扩展规律，为低速冲击下的复合材料结构设计提供了理论依据．
  • 基于神经网络改进WENO⁃Z重构方法
    张龙, 唐树江
    2023, 44(1): 150-159. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.01.015
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    本文通过使用深度神经网络对WENO-Z格式的非线性权重进行改进，提出了一种新的WENO-Z-NN格式．新格式首先用神经网络去随机扰动有限体积系数集，然后用代表偏微分方程解的波形生成的数据，采用L2正则化来学习扰动的最优函数，最后引入测试函数并结合最小总变差和最小总偏差作为评估依据进行后处理，从而得到新的权重．一维波动方程和一维Euler方程的数值结果表明，无论是在粗网格还是在细网格，本文所提出的WENO-Z-NN格式的激波捕捉能力明显优于传统的WENO-Z和WENO-JS-NN格式．
  • 纤维/金属网增强层板低速冲击损伤机理和演化
    王沁宇, 卓家桂, 李新顶, 闵济东, 胡文盛, 谈建平, 万云
    2023, 44(1): 160-171. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.01.016
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    本文首先通过落锤低速冲击实验测试了纯玻璃纤维增强环氧树脂复合材料和304不锈钢丝网(SSWM)/玻璃纤维混杂复合材料的力学性能，探究了SSWM嵌入数量对混杂复合材料抗冲击性能的影响．随后采用Abaqus有限元软件建立了混杂复合材料的低速冲击模型，分别采用三维Hashin失效准则和Jason-Cook破坏准则模拟了纤维/基体和SSWM的损伤；建立了基于表面接触的内聚力模型来模拟界面分层；编写了VUMAT用户子程序定义混杂复合材料层合板的渐进失效过程．结果表明：相较于纯玻璃纤维增强环氧树脂层合板，SSWM/玻璃纤维混杂增强环氧树脂层合板的抗冲击性能更优，其中铺层形式为铺层III的混杂复合材料抗冲击性能最佳．通过对比发现有限元仿真结果与实验结果吻合良好，表明建立的模型适用于SSWM/玻璃纤维混杂增强环氧树脂复合材料低速冲击损伤的评估．通过分析仿真结果发现混杂复合材料的低速冲击损伤主要是冲击区域的纤维断裂、基体破坏和层间分层；SSWM通过吸收和传递冲击能量从而提升了混杂复合材料的抗冲击性能．
  • 聚丙烯纤维加筋绍兴非饱和黏土的剪切特性研究
    吴瑞潜, 项祺辰, 杨光, 吴早生
    2023, 44(1): 172-180. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.01.017
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    为了研究纤维加筋非饱和土的剪切特性，以绍兴地区广泛分布的非饱和黏土为研究对象，聚丙烯纤维为加筋材料，通过一系列非饱和直剪试验，探讨了纤维长度对加筋土剪切变形特性、抗剪强度及其指标的影响规律，并简要分析了聚丙烯纤维的增强机理，最后得出了0.2 %掺量下补强效果最佳的纤维长度．研究结果表明：随着净法向应力的增大，土体的剪应力-剪切位移曲线由软化型逐渐向硬化型转化，纤维长度L为12 mm的加筋土样表现出的剪切硬化特性最明显；不同净法向应力下，纤维加筋非饱和土的抗剪强度均高于素土；随着纤维长度的增加，纤维加筋土的黏聚力呈先增加后减小，内摩擦角先增加后趋于平缓；当纤维长度L为12 mm时，聚丙烯纤维对土体抗剪强度指标的补强效果能够最大程度得到发挥．
  • 基于静力柔度灵敏度的网架结构损伤识别
    黄铧, 马俊, 伍晓顺, 邹韬
    2023, 44(1): 181-192. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.01.018
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    采用模态参数来组集网架结构的柔度矩阵面临较多困难，如所需模态数量较多、测点数量有限和密集模态识别精度较低等．相比之下，基于静力测试的柔度矩阵具有测试精度较高、无截断误差的优点．文中提出一种基于静力柔度灵敏度、先定位后定量的网架结构损伤识别方法．首先，针对柔度灵敏度方程容易产生病态解的问题，构造一种奇异值贡献指标以合理截断柔度灵敏度矩阵的奇异值，从而提高解的精度．其次，结合前述奇异值截断策略，在不更新刚度矩阵的前提下，通过多次计算来逐步缩减疑似损伤杆件，从而降低未损杆件的干扰和实现损伤杆件的定位．最后，仅保留灵敏度矩阵中已定位损伤杆件对应的列，在迭代计算中不断更新刚度矩阵来进行损伤杆件的定量识别．以某网架结构为例进行数值分析．结果表明：提出的奇异值贡献指标具有明显的突变位置，可方便地指出灵敏度方程奇异值截断位置；提出的两步识别法在仅利用竖向自由度的情况下具有较好的抗噪能力，可有效定位和定量识别损伤杆件．
  • 基于XFEM的混凝土纯弯曲梁的裂缝扩展模拟研究
    张瑞琳, 黄锋, 邓世灵, 刘星辰, 张班, 郑艾辰
    2023, 44(1): 193-202. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.01.019
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    选取纯弯曲梁进行裂缝扩展研究，在理论上符合Ⅰ型断裂模式．因此，本文利用扩展有限元法(XFEM)模拟了混凝土纯弯曲梁裂缝发展的全过程，结合线性叠加渐进假定，得到了不同初始缝高比的P-δ曲线、P-CMOD曲线以及临界有效裂缝扩展长度(ac-a0)/h与裂缝发展路经．对比试验数据和模拟结果表明：随着初始缝高比的增大，起裂荷载Pini、最大荷载Pmax、离散弗雷歇距离δdF与δ'dF，以及临界有效裂缝长度(ac-a0)/h均逐渐减小；试验与模拟的裂纹发展路径存在一定偏差，可知试验数据与模拟结果存在规律性差异．
  • 安全绳坠落试验及分析
    马恒, 王超, 吴芳芳, 李亮, 张书南, 黄志龙
    2023, 44(1): 203-209. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.01.020
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    对多种不同型号的安全绳、缓冲包及假人系统开展实验室坠落试验分析．研究发现，相邻二次冲击的冲量之比，及相邻二次冲击的自由抛体运动持续时间之比都近似为一个定值，利用该统计规律导出估算阻尼系数的近似方法，并利用首次冲击波形的试验结果得到了三次幂非线性刚度系数, 相关结果可作为安全绳性能评估的重要依据．
  • 用高阶剪切变形理论研究双模量梁的弯曲
    吴晓
    2023, 44(1): 210-217. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.01.021
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    利用高阶剪切变形理论研究了双模量梁的弯曲变形问题，推导出了双模量梁的挠曲线方程及弯曲正应力公式．讨论分析了翘曲函数的指数n对挠度、正应力的影响．研究结果表明：拉压弹性模量的差异对梁的弯曲应力有较大影响．把高阶剪切变形理论的计算结果与弹性理论计算结果进行比较，可知该方法计算精度非常高．
  • 基于等效刚度的矩形孔蜂窝梁钢框架结构内力计算方法
    黄炳生, 秦雨生, 黄泰杰
    2023, 44(1): 218-226. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2023.01.022
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    蜂窝梁钢框架结构因梁截面沿长度周期性变化，不能直接采用普通钢框架结构矩阵位移法计算框架内力和位移．本文基于等效刚度法推导了矩形孔蜂窝梁的等效抗弯刚度、抗剪刚度和轴向刚度，建立了矩形孔蜂窝梁的单元刚度方程，提出了矩形孔蜂窝梁钢框架内力和位移计算方法．算例理论计算结果与有限元分析结果表明，两种方法计算结果非常接近．本文提出的等效刚度法概念清晰，准确性好，适用于计算蜂窝梁钢框架结构的内力和位移．