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  • 2023年, 44卷, 第4期
    刊出日期:2023-12-25
      

  • 全选
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  • 侯丹, 仲政
    昆虫普遍具有高超的飞行技巧,其翅膀是与飞行能力相适应的精巧结构.本文对近年来关于昆虫翅膀结构特征及其力学特性的研究内容进行综述.研究进展主要包括两个阶段:第一,重点关注昆虫翅膀轻薄而坚韧的整体结构,通过简单模型分析几何形状、三维构型、脉络分布等因素的影响;第二,聚焦翅膀上复杂而多样的微观结构,包括翅结、柔性关节和血淋巴流动等特征,研究它们在翅膀运动和变形中发挥的主动控制及被动效应.最后对未来可能的研究方向予以展望.
  • 唐韫, 陈硕, 贺冬冬
    本文使用物理神经网络(Physics-Informed Neural Networks, PINN)对偏微分方程(Partial Differential Equation, PDE)进行了正向求解,该方法将控制方程和边界条件编码为损失函数,并使用自动微分机制和随机梯度下降算法来更新超参数,成功建立软约束优化下的PINN正向求解模型.针对稳态案例求解,文章展示了二维泊肃叶-库埃特,无黏Taylor-Green涡以及Re为100时的二维顶盖驱动方腔流计算结果,并比较了不同采样策略和采样点集大小对预测结果的影响.对于非稳态案例,文章提出了使用时间标签和“门函数”来强化模型表征时序因果的能力,成功在相同参数设置下求解了传统PINN失效的Allen-Cahn方程.本文为偏微分方程的求解提供了一种新思路,具有广泛的应用前景.
  • 程珩, 梁冬琼, 刘燕, 彭飘飘, 程玉民
    将多种数值方法耦合,充分利用各种方法的优点建立新的数值方法,是求解三维复杂问题的有效途径之一.本文将无单元Galerkin (Element-Free Galerkin, EFG)方法、有限元法和维数分裂法耦合,提出了求解三维弹性力学问题的快速耦合方法(Fast Hybrid Method, FHM).将三维弹性力学问题分裂为若干个二维平面问题,对于每个二维问题采用罚函数法施加边界条件,并推导其相应的积分弱形式,引入Shepard基函数的移动最小二乘法建立形函数,进而推导二维平面问题的离散方程.第三个方向上采用有限元法将这些二维离散方程进行耦合,可以得到原三维弹性力学问题的快速耦合方法数值解的求解公式.通过数值算例验证了本文快速耦合方法求解三维弹性力学问题的收敛性,将数值解与解析解对比,说明了本文方法求解三维弹性力学问题的有效性.
  • 徐岩松, 李辰喆, 赵莹, 聂国华
    冠心病等心血管疾病的发病率逐年提高,血管支架使用率大幅提升.聚乳酸等形状记忆聚合物生物相容性较好、具有一定生物降解特性,可以用于制备新型心脏支架.心脏支架需要收缩时体积尽可能小,且膨胀时足以撑开堵塞的血管,因此需要具有负泊松比特性.本文基于聚乳酸的力学和形状记忆性能,设计了不同截面胞数的凹六边形负泊松比心脏支架模型,使用4D打印熔融沉积成型技术对其制备,并对血管支架模型的力学性能、形状记忆性能及血管支撑性能等进行测试,分析了支架的不同构型对支架体外性能的影响.同时,进行了有限元数值模拟,弹性模量和泊松比计算结果与实验相吻合.本文提出的模型对于通过4D打印的方式构建在临床上可用的新型血管支架具有重要参考价值.
  • 蔡绍辉, 赵珧冰, 张昕涛, 陈林聪
    在复杂的海洋环境中,上部浮式结构受到波、浪、流共同作用,会产生多个方向的运动,进而诱发水下锚索产生复杂的动力学行为,影响海洋工程结构的安全性和稳定性.本文考虑水下锚索垂度效应所带来的二次非线性效应,探究上部浮台纵荡和垂荡运动对水下锚索振动响应的影响.建立上部浮台多方向运动影响下水下锚索的动力学模型,推导其运动微分方程,并采用多尺度法对运动微分方程开展近似分析以及稳定性分析.研究结果表明:系统的共振响应随着垂荡位移的增加而增加,随着垂跨比的增加而减小;随着垂荡位移的增加,系统越发容易失去稳定性;随着倾角和初始张力的变化,系统的不稳定区域也会发生定性和定量的改变;与仅考虑参激作用的情况相比,参强联合作用时水下锚索的振动响应幅值会增加.
  • 赵文龙, 唐介, 池维超, 李映辉
    在空间任务过程中为了减少振动对星载精密载荷的影响,需要在精密载荷和卫星本体的传递路径中加入隔振装置.本文旨在设计一种用于敏感载荷振动主动控制的六自由度并联平台.首先利用Newton-Euler法建立并联平台的动力学模型,然后基于自抗扰控制策略进行主动振动控制器的设计,接着对控制器的有效性进行数值仿真分析,并与PID (Proportion-Integration-Differentiation)控制算法作比较.结果表明,基于自抗扰控制策略的隔振系统能够有效抑制敏感载荷的振动,并且控制效果优于PID控制.此外当结构参数存在较大摄动范围时,该控制策略仍具有较强的鲁棒性.
  • 孙思齐, 肖军华, 刘志勇, 张骁, 薛立华, 韦凯, 王炳龙
    针对高频振动条件下岩土颗粒材料动力响应放大的现象,采用离散元法开展了一系列动双轴数值试验,分析了不同荷载频率下岩土颗粒材料的动力行为及其细观特征.试验结果表明:对于模拟的岩土颗粒材料,在加载频率为30~40 Hz时的动力变形尤其明显,加载过程中塑性变形快速发展,试件内部形成“八”字型剪切带,动刚度显著降低.提出了“竖向分布系数”描述试件内部的局部变形规律,并结合颗粒细观受力特征,探究了试件变形加剧和刚度弱化的细观机理.研究发现相较20 Hz和60 Hz工况,加载频率为40 Hz时试件中下部区域的局部动变形振动幅值明显增大,颗粒处于高度动力非平衡态,颗粒体系的排列结构和接触力剧烈调整,使得试件变形加剧、承载性能显著弱化.
  • 陈传龙, 沈辉, 戴隆超, 陈玄奕, 张锦烨, 程家幸
    微机电系统(Microelectromechanical System, MEMS)器件的疲劳可靠性问题往往可追溯到某一关键元件的性能退化.更本质的,其失效机理往往又可追溯到材料的微缺陷演化.因此,建立一种MEMS元件的材料微缺陷演化模型对探究失效机理意义重大.本文基于连续介质损伤力学理论方法对MEMS金属薄膜建立了微缺陷表征的损伤模型,进一步建立了电阻退化模型.通过本模型的建立,在一定工况条件下,可以预测基于电阻性能的MEMS薄膜可靠性问题.对建立的模型进行反演分析,结果与试验数据对比较好,验证了模型建立的正确性.本文为研究MEMS的疲劳失效机理及可靠性优化策略提供了重要理论基础.
  • 刘星辰, 黄锋, 李修磊, 郑艾辰
    高温工程建设与隧道火灾修复中,岩石高温损伤会导致工程围岩承载力降低,严重影响围岩施工稳定性与灾后修复质量.为了揭示高温损伤岩石力学性质,以100~600 ℃热处理灰岩作为研究对象开展了单轴压缩试验,分析了岩石物理参数及力学行为随温度的变化规律.基于应力-应变关系,从能量吸收、储存、释放角度揭示了单轴压缩下灰岩能量演化规律.定义了岩石储能参数,以表征热处理灰岩的储能、耗能性质的温度敏感性.指出:热处理灰岩的高温损伤阈值温度为100 ℃,微观损伤表现为晶体胶结质量降低与新增裂隙、溶蚀孔隙发育.伴随热处理温度升高,灰岩宏观受压破裂模式由劈裂破坏向X状共轭斜面剪切破坏演变,初始压密阶段延长、线弹性变形阶段滞后现象趋于显著,灰岩的峰值强度、弹性模量、储能极限、储能效率、储能-耗散比均先增大后减小,脆性指标非线性增大.
  • 乐治济, 孙飞飞, 蔡小莹
    海上风力发电塔会受到风荷载、波浪荷载等多种复杂动力荷载的作用,有必要对其进行振动控制.大径厚比的锥筒塔架结构是海上风力发电塔的重要支撑结构形式.本文提出约束阻尼控制风电塔筒的方案,并研究了约束阻尼对典型锥筒结构低阶模态阻尼特性影响.首先,建立锥筒结构的有限元模型,利用模态应变能法计算复合结构的模态损耗因子,并讨论了布置位置对模态损耗因子的影响.进一步地,通过锥筒结构模型的锤击模态试验测量得到结构模态频率与阻尼比,结果表明,利用约束阻尼可有效提高锥筒支撑结构的模态阻尼.
  • 孙益星, 陈继业
    基于微分求积单元法,开展了非均匀温度场中层合梁的热弹性分析.首先基于Fourier导热定律,分析一般热边界条件下层合梁的二维稳态温度场;然后基于二维热弹性力学理论,分析层合梁的热应力和变形.为求解热传导和热应力问题,将层合梁沿各层界面划分为若干空间子域,采用微分求积法对每一子域的控制方程和边界条件进行离散并求解.数值算例验证了本方法的收敛性,与已有文献结果的对比验证了本方法的正确性.最后,算例分析了非均匀热边界条件对夹层梁温度分布的影响,以及端部支承条件和长厚比对梁内位移和应力分布的影响.
  • 周琦, 胡宇达
    针对温度场中的金属-陶瓷功能梯度圆柱壳,基于物理中面下Love非线性薄壳理论,考虑物性参数沿厚度的梯度分布规律,得到含热应力项的内力和内力矩的表达式.根据电磁和弹性理论,得出磁场环境中导电功能梯度壳体的涡流洛伦兹力模型,给出动能、应变能及其变分表达式.应用哈密顿变分原理和伽辽金离散法,建立功能梯度圆柱薄壳的磁热弹耦合振动方程,推得两端简支约束下非轴对称振动壳体的固有频率特征方程.通过算例,得到功能梯度圆柱壳的固有频率变化曲线图,阐明了磁场、温度、材料属性及结构尺寸对振动频率的影响规律.结果表明:周向波数增大,固有频率呈现先减小后增大的趋势;磁感应强度增加,电磁阻尼效应逐渐明显,固有频率值减小;壳体厚度的增大、长度的减小和温度的大幅升高,使刚度项系数减小,固有频率值增加.
  • 吴剑锋, 李赫赫, 马德源, 王彩华
    为研究混凝土在单轴压缩条件下表面裂纹分布的多重分形特征,利用多重分形理论对混凝土单轴压缩表面裂纹分布多重分形广义维数Dq进行了定量计算.分析了粗骨料平均粒径、试样尺寸、峰值应力、峰值应变、单位体积吸收能、应力水平等因素对广义维数阈值宽度ΔDq的影响.建立了基于广义维数阈值宽度ΔDq的混凝土单轴压缩弹性分形损伤本构方程.结果表明,混凝土在单轴压缩条件下表面裂纹分布具有多重分形特征;广义维数阈值宽度ΔDq随着峰值应力、峰值应变、单位体积吸收能以及应力水平的增加而增大,随粗骨料平均粒径和试样尺寸的增加呈降低趋势;单轴压缩弹性分形损伤本构方程理论曲线与试验曲线吻合良好.研究结果可为探究混凝土裂纹分布规律提供参考.
  • 葛昊, 胡振东
    大范围转动和伸缩运动是某些机械臂系统的典型运动特征,如快堆中燃料组件转运机构. 为了实现精准定位操作,设计过程中需要考虑机械臂的弹性振动问题.本文从刚体运动和弹性变形耦合的角度出发,运用广义Hamilton原理建立了一种变长度回转梁的时变动力学方程.通过变量替换,利用假设模态法得到二阶变系数微分方程,并采用Newmark-β法进行求解.根据计算结果,讨论了不同回转角速度和轴向伸缩情形对机械臂末端弹性振动的影响,并说明了在此类柔性机械臂振动分析中考虑刚弹耦合的必要性.
  • 王成雨, 黄庆奕, 王勇超, 方丁, 陈雪梅
    大型铝合金整体框类零件机加变形问题一直制约着航空制造业的发展,尤其是框类零件局部缘条发生变形一直难以控制.为了对框类零件局部进行校形,本文在分析了大型铝合金整体框机加零件变形机理的基础上,重点讨论了利用喷丸校形工艺对框类零件进行局部校形的方法,分析了不同喷丸校形工艺参数、预应力以及热处理对校形效果的影响.研究结果表明,增加喷丸强度有助于提升喷丸校形量,但是具有饱和的趋势;采用预应力喷丸可以在较小的喷丸强度下实现较大的校形量,且尺寸稳定;喷丸校形后的常规喷漆等热处理对喷丸校形效果影响很小,喷丸校形效果稳定.
  • 赵钦, 张仕祥, 吴邦兴
    为研究混凝土与加劲钢管之间的相互作用,即混凝土对钢管的支持力、混凝土-加劲钢管的界面粘结力以及加劲肋所受到的混凝土侧向压力对加劲矩形钢管混凝土柱局部屈曲的影响,本文在考虑了界面粗糙程度的影响后,通过能量法推导了在轴向压力作用下加劲钢管的局部屈曲特征方程,得到了在弹性基底上钢管屈曲的伽辽金表达式;迭代计算后,得到了带肋钢管的局部屈曲应力和对应的屈曲模态.结果表明:考虑混凝土作用力和钢管受力的有效宽度后,钢管的极限承载力最高分别能达到未加劲时的2.25倍和3.1倍;在钢管完全加劲前,混凝土与加劲钢管之间的相互作用能极大地提高钢管的屈曲荷载,且其提高幅度随界面粗糙程度加大而增大,但并不能提高其最大屈曲系数和加劲肋的最小加劲刚度.此外,通过瑞利-里兹法对带肋钢管壁板的局部屈曲性能进行了分析研究,推导得到了钢管屈曲系数公式;结合有效宽度的概念后,得出了钢管和构件的极限承载力计算公式.
  • 张琬, 陈建峰, 孙蕊, 薛一峰, 葛佳西, 赵玮
    现行加筋土挡墙设计规范由于忽略了墙趾阻力对挡墙内部稳定性的贡献,计算的筋材拉力值远大于实测值,在设计上过于保守.本文对55座假定的模块式加筋土挡墙开展数值模拟,研究工作应力条件下筋材最大拉力随墙趾阻力的变化规律及其影响因素,在此基础上,采用响应面模型提出考虑墙趾阻力的筋材拉力计算方法,并用现场挡墙实测数据对该方法进行验证.结果表明,随着墙趾阻力增大,挡墙下部1/3高度范围内的筋材最大拉力值减小;墙趾阻力对筋材拉力的影响随着挡墙高度和填土内摩擦角的增加而减弱,随墙面仰角的增加而增强,受筋材刚度和间距影响不大;本文提出的方法可以合理预测加筋土挡墙在工作应力状态下的筋材拉力,并能反映出墙趾阻力使挡墙底部筋材拉力减小的现象.
  • 陈雪, 郑素佩, 张成治, 汪浏博
    求解双曲守恒律方程的高阶半离散熵稳定方法在时间方向上采用Runge-Kutta型方法时,算法的计算效率较低,Lax-Wendroff型时间离散方法为这一问题的解决提供了新思路.将WENO (Weighted Essentially Non-Oscillatory)型四阶熵稳定格式与Lax-Wendroff型两步四阶时间离散方法相结合求解双曲守恒律方程,时空同步可达到四阶精度.相较于流行的Runge-Kutta型时间离散方法,Lax-Wendroff型两步四阶方法只需两步就可以达到四阶精度,从而可提高计算效率.多个不同类型双曲型方程数值结果表明:新的耦合算法计算效率有明显提高,一维问题计算效率至少提高35 %,二维问题计算效率至少提高39 %,且新算法依旧具有熵稳定性,数值结果分辨率高.
  • 孔婷婷, 郑超引, 杨骁
    基于梁中开裂纹的等效线性扭转弹簧模型,并将梁跨内支座约束解除,代之以未知约束反力,给出了Pasternak地基上具有任意裂纹数目的多跨连续梁静力弯曲的解析通解.在此基础上,利用梁边界条件及跨内支座处挠度约束条件,得到了Pasternak地基上两等跨简支连续裂纹梁的弯曲挠度,数值考察了地基反力系数、裂纹数目、深度和位置等参数对连续裂纹梁弯曲变形的影响,结果表明:在裂纹处,Pasternak地基上连续裂纹Euler梁挠度存在尖点,而横截面转角存在跳跃,并且随着裂纹深度的增加和地基反力系数的减小,裂纹梁挠度和转角增加;当裂纹深度较小时,裂纹位置对连续地基裂纹梁挠度的影响有限,但随着裂纹深度的增加,裂纹位置对连续地基裂纹梁挠度影响逐渐显著.这些结论对地基梁健康检测和安全评估具有一定指导意义.
  • 缪广红, 马秋月, 周大鹏, 胡昱, 孙志皓, 刘自伟, 马宏昊, 沈兆武
    以321钢/1230铝双金属管为研究对象,利用Ansys LS-DYNA有限元软件结合SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics)法对其爆炸焊接过程进行了数值模拟.计算并建立了爆炸焊接窗口,对基复管的结合过程、界面压力和等效应力进行了分析.并研究了基复管间距对复管位移、碰撞速度和塑性变形的影响.结果表明:基复管间距对复管的塑性变形和碰撞速度影响较大,间距过小则会影响金属管的焊接质量,结合强度较低,这与实验所得结论一致.模拟所得复管碰撞速度与Gurney推广公式和Aziz公式计算的理论速度吻合较好.
  • 李宇, 肖嘉昕, 李琛, 王峰
    人行桥的人致振动的传统算法没有考虑人-桥耦合效应(Human-bridge coupling effect, HBCE)的影响.目前,已有学者将行人等效成弹簧-质量-阻尼(Spring-Mass-Damping, SMD)模型.在此基础上,本文将SMD模型加入到人行桥的运动方程中,推导了人-桥耦合系统的竖向振动方程,并用MATLAB编制了计算程序,对人-桥耦合系统的动力特性和竖向人致振动进行了初步分析.研究结果表明:(1) 在考虑人-桥耦合效应后,系统频率会降低,而系统阻尼会增大,即人-桥耦合效应对人行桥的动力特性的影响显著;(2) 当步频接近人行桥的频率时,不考虑人-桥耦合效应的竖向人致振动会被过分地放大,而当步频远离人行桥的频率时,考虑人-桥耦合效应的竖向人致振动则偏于保守;(3) 人行桥越轻或行人越多,考虑和不考虑人-桥耦合效应的计算结果的差异越大.
  • 岳田田, 李月秋, 王长达
    本文应用麦克斯韦电磁学理论研究了在外磁场调控下弹性波的反射和透射问题.首先根据麦克斯韦方程组推导出洛伦兹力,其次根据运动方程推导出P波、SV波和SH波的色散关系,然后根据连续的界面条件推导出反射波和透射波相对于入射波的振幅比以及能流比.通过数值计算结果,详细分析了洛伦兹力对弹性波反射和透射的影响,结果发现,洛伦兹力不改变波动模式和色散性质,只改变弹性波的传播速度大小.最后,通过法向能量守恒验证了数值计算结果的可靠性.
  • 王贺元, 张熙
    混沌水轮是展示混沌现象的典型力学装置,国内外众多学者对其进行了深入的研究.本文探讨了圆筒连续型水轮混沌旋转的力学机理与能量转换问题.把圆筒连续型水轮的数学模型转换为Kolmogorov系统,基于惯性力矩、内力矩、耗散力矩和外力矩的不同耦合模式,利用理论分析和数值仿真相结合方法,分析探讨了圆筒连续型水轮混沌旋转的主要影响因素和内在的力学机制.研究了水轮系统哈密顿能、动能和势能之间的相互转换.讨论了能量与Rayleigh数之间的关系.引进Casimir函数分析水轮系统的动力学行为和能量转换,并估计混沌吸引子的界.Casimir函数反映了能量转换和轨道与平衡点间的距离,数值仿真结果展现出它们之间的关系.
  • 徐传乐, 季新然, 任智源
    针对理想沙坝沟槽型地形,采用Boussinesq相位解析水动力模型模拟了沙坝沟槽地形下裂流的形成过程,着重分析了沙坝沟槽地形对入射波波高、周期、浪向、地形粗糙程度的敏感性.结果表明裂流的强度与入射波波高、入射波周期成正比;与入射波角度和地形粗糙程度成反比.波高及周期的增大会在沙坝靠岸侧堆积大量的水体使得该处的流场分布变得复杂.当入射波的角度增大时离岸流将转换为沿岸流,其强度也将减小.地形摩阻系数的增大使得裂流的延伸距离及沟槽处的流速减小,但其分布宽度变大.以上研究结果对深入了解沿岸沙坝沟槽地形的裂流形成机制及防灾减灾具有一定的参考意义.