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  • 2024年, 45卷, 第2期
    刊出日期：2024-06-25
      
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  • 锂离子电池的劣化：力-电化学耦合机理与模型
    吕浡, 陈鑫松, 周志宇, 宋亦诚, 张俊乾
    2024, 45(2): 287-308. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2024.02.001
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    锂离子电池在充放电循环过程中会不可避免地发生容量衰减，这种性能劣化现象普遍存在，且符合人们的日常认知．然而，显而易见的电池劣化现象背后的机理则是相当复杂．本文首先分别从颗粒尺度和电极尺度入手，对锂离子电池的多尺度-多场-多过程的力-电化学耦合劣化机理进行了梳理，其中对固态电池的劣化进行了单独的讨论．进一步地，本文梳理了用以描述锂离子电池力-电化学耦合劣化行为的劣化模型．需要指出的是，由于电池劣化机理的复杂性和外部可测量的稀缺性，建立劣化模型是具有挑战性的，且目前仍存在巨大的研究空白．基于此，本文提出了一种双向劣化模型的设想，融合物理模型和数据模型，以具有一定物理意义的内变量为纽带，建立围绕内变量的“力学行为-内变量-劣化行为”完整映射，为客观、准确地描述和预测电池劣化行为提供新思路．
  • 大型薄膜衍射太空望远镜的压电振动主动控制
    王展鸿, 喻恒, 蔡国平, 周徐斌, 杜冬
    2024, 45(2): 309-318. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2024.02.002
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    随着航天技术的发展，大型薄膜衍射太空望远镜以其质量体积小、成像分辨率高、易折展等优点获得广泛的关注与研究．本文对大型薄膜衍射太空望远镜结构进行振动控制研究，给出基于压电作动器的振动控制方案．首先采用有限元方法建立结构的动力学模型，然后根据可控性准则进行作动器位置寻找，之后基于模糊Proportional-Derivative (PD)算法设计控制律，最后通过数值仿真验证本文研究方法的有效性．本文中，还通过数值仿真研究了压电作动器数量与控制稳定所需时间的对应关系，另外还进行了控制律鲁棒性的研究．
  • 基于晶体塑性模型与内聚力单元模拟的接触疲劳亚表面原奥晶界裂纹萌生
    韩鑫琦, 李淑欣, 余丰, 鲁思渊, 金永生
    2024, 45(2): 319-328. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2024.02.003
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    材料在接触疲劳载荷下亚表面裂纹的萌生是其主要损伤模式之一．采用晶体塑性模型耦合内聚力单元，模拟高强钢在滚动接触疲劳载荷下亚表面原奥氏体晶界处的疲劳裂纹萌生．基于内聚力模型的损伤起始准则和疲劳损伤演化规律，并利用USDFLD子程序将内聚力单元的疲劳损伤与晶体塑性模型结合，计算了滚动接触疲劳加载下的损伤随循环次数的累积．对Voronoi模型下的疲劳裂纹萌生进行了模拟，研究了晶体取向对裂纹萌生的影响．结果表明，裂纹的萌生受剪切应力主导，萌生位置在最大剪切应力范围内，模拟结果和试验观察一致．晶粒取向对裂纹萌生位置与萌生寿命有显著影响．
  • 高弹性橡胶止水模型实验及全周鼓起变形测量
    王辉, 朱飞鹏, 韩威, 尚振兰, 叶建光, 李天宇, 彭宣茂
    2024, 45(2): 329-337. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2024.02.004
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    针对涵洞、隧道等水工建筑物在长期运营过程中出现的渗漏问题，利用高弹性橡胶进行封堵止水是一种行之有效的措施．为了评价不同橡胶的封堵效果，提出一种高弹性橡胶止水实验模型，将橡胶安装在模型伸缩缝中，通过施加静水压力测试橡胶的封堵性能．同时，提出一种利用电动旋转台的全周三维数字图像相关(Digital Image Correlation, DIC)方法，利用单套三维DIC系统，即可测量得到内侧橡胶在不同静水压力、各个视角下的鼓起变形．按照1∶1比例浇筑了实物模型，开展了静水压力实验，并测得了所选橡胶能承受的最大水压力和全周鼓起变形，验证了止水模型实验的可行性和全周变形测量方法的有效性．
  • 基于多源数据融合方法的龙卷风切向速度预测
    胡传新, 聂豪, 钱帮虎, 管文松, 李功文, 赵林
    2024, 45(2): 338-349. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2024.02.005
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    龙卷风具有作用范围小、持续时间短、作用强度大的特点，是自然灾害中破坏力最大的灾害之一．受限于龙卷风危险性及发生发展时空随机性，现场实测数据过于稀缺且难以收集近地面区域风场数据．鉴于此，提出了基于神经网络模型的数据融合方法，实现不同来源风场数据的融合，并对模型预测效果及泛化能力进行验证．在此基础上，对龙卷风切向速度场进行了预测．研究表明：在低涡流比龙卷风预测中，实测数据的驱动模型平均误差在35 %以上，而采用数据融合驱动模型平均误差为14 %以下，表明融合模型具有较好的预测精度．在高涡流比龙卷风预测中，实测数据驱动模型平均误差在28 %左右，而数据融合驱动模型平均误差在10 %以下，表明数据融合模型在预测高涡流比时仍保持较高精度，具有较好泛化性．融合模型重构的低涡流比风场涡核为破裂状，高涡流比风场核心区域风速明显增加，且近地面风速覆盖范围增加．该模型能获取近地面及涡核中心附近处的风场数据，同时提高了龙卷风风场空间分辨率，为龙卷风环境下结构抗风实践提供重要支撑．
  • 考虑表面多尺度几何特征的三维多层结构接触响应研究
    张肖扬, 刘涛, 张红晓, 李志敏, 乔丕忠
    2024, 45(2): 350-362. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2024.02.006
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    航空发动机叶盘结构服役于高温、高转速的恶劣环境，使得叶片与轮盘非连续界面之间的涂层接触力学行为复杂，影响整体动力学性态．本文基于三维弹性理论建立了一种基于多层半空间体的接触模型，研究多层结构粗糙表面间的接触响应规律．采用数学解析形式将粗糙表面形貌分解为微观、介观和宏观多层级几何轮廓，引入Papkovich-Neuber势函数（P-N势函数），结合傅里叶积分变换法和影响系数法，构建了多层接触的边值问题，应用共轭梯度算法得到接触频响函数解．通过典型多层接触问题的解析解和有限元结果对比，验证了模型的可靠性；进一步研究了不同弹性模量、泊松比及摩擦系数下层内的应力场、位移场变化规律，为研究涂层系统表面粗糙界面的接触响应提供了一种可行而有效的方法．
  • 基于神经网络的双层壁叶片异型孔结构强度设计
    陈湘军, 田啸宇
    2024, 45(2): 363-375. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2024.02.007
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    随着航空发动机领域的飞速发展，热端涡轮叶片服役环境越发恶劣．为了提高叶片的承温能力，行业内提出了双层壁叶片结构，其原理为“外壁承温，内壁承载”．本文针对双层壁叶片气膜孔结构强度问题，采用参数化建模构建叶型及外壁孔结构，通过仿真分析确定孔型设计参数对圆柱型气膜孔、圆锥型扩张孔和簸箕型扩张孔的孔周结构强度的影响，最后根据参数输入及对应响应构建神经网络模型，通过遗传算法优化径向基函数(Radial Basis Function, RBF)神经网络的权值与阈值来提高代理模型的准确性．寻优获得三种不同结构的气膜孔最优孔型设计方案，相较于圆柱型孔，圆锥型扩张孔孔周应力降低了25.12 %，簸箕型扩张孔孔周应力降低了22.54 %．
  • 航改型燃气轮机部件蠕变寿命预测模型研究
    刘保侠, 安警坤, 王宗明
    2024, 45(2): 376-386. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2024.02.008
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    航改型燃气轮机因其研制基础好、设计周期短、结构紧凑、燃料适应性强等优点，在海上油气平台、船舶动力及管道输送等领域得到了广泛应用．航改型燃气轮机叶片在高温、高压等苛刻环境下工作时，蠕变是其主要失效方式之一．为确保叶片的运行可靠性，通常选用抗蠕变性能较好的镍基合金作为制造材料．该种材料蠕变第三阶段较为明显，占比较高，当前的蠕变损伤本构方程难以精确表征镍基合金蠕变第三阶段的失效行为．针对上述问题，本文提出了一种可合理描述蠕变第三阶段的损伤本构模型，并得到了不同温度下蠕变实验数据的验证．该模型的提出可为航改型燃气轮机高温部件的寿命精准预测和可靠性设计提供较好的理论基础．
  • 多级加筋面板受力行为分析及优化
    严嘉伟, 邓庆田, 李新波, 温金鹏
    2024, 45(2): 387-400. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2024.02.009
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    采用三点弯曲实验和有限元仿真方法，对多级加筋面板的变形和破坏进行分析．引入正六边形和内凹六边形两种加筋模式，将具有不同横纵向加筋肋壁厚、圆弧倒角优化的直角边界及二级加筋结构的加筋面板作为研究对象，分析在给定加筋面板几何参数的情况下，横纵向加筋肋壁厚、圆弧倒角优化处理、二级加筋结构对加筋面板结构强度和力学行为的影响．研究表明，加筋面板结构强度随着横纵向加筋肋壁厚的增加而增加，纵向加筋肋壁厚对加筋面板结构影响较大；内凹六边形加筋模式较正六边形加筋模式的加筋面板承载力高；圆弧倒角优化后可以明显改善边角处的应力集中现象、提升加筋面板的结构强度；二级加筋面板的承载能力得到明显提升，且次级加筋层胞元为内凹六边形时提升效果最明显．
  • 基于Timoshenko梁模型的变截面体心立方梯度点阵结构力学特性研究
    杨鄂川, 谭成帅, 马婧华, 李映辉, 覃亮, 孔垂建
    2024, 45(2): 401-410. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2024.02.010
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    针对由变截面杆构成的体心立方(Body-Centered Cubic, BCC)梯度点阵结构，推导了BCC线性变截面弯折杆弯矩的分布表达式，应用于Timoshenko梁理论，得到了梯度点阵结构的力学特性参数化理论预测模型；采用六面体实体单元建立了BCC变截面单胞单元和梯度点阵结构的有限元模型，完成了仿真分析，验证了理论预测模型的有效性．对于梯度点阵结构则采用3D打印技术并选择316L金属粉末制备试样，开展了准静态压缩力学试验，同时也完成了同样工况下的有限元仿真分析，验证了Timoshenko梁模型对于长径比10以下梯度点阵结构力学特性研究的适用性，最后通过理论模型讨论了不同长径比、单胞尺寸、单胞数量和梯度方向等各种梯度点阵结构力学特性的变化规律．研究结果表明：对于线性变截面弯折杆，文中所推导的弯矩分布更加精确，能有效降低理论解的误差；采用本文中的理论预测模型，若长径比在3.5~8.7区间内，BCC变截面单胞单元及梯度点阵结构的等效弹性模量解的误差在3 %以内．
  • 柔性液态金属剪切力传感器
    刘英君, 张晟泓, 吴洁, 龚晓波
    2024, 45(2): 411-418. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2024.02.011
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    使用柔性微管液态金属传感器作为应力测量元件，设计制作了一种剪切力传感器．剪切力传感器由弹性聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane, PDMS)杆件、支撑垫片和柔性微管传感器组成．探讨了剪切力传感器的工作原理以及测量元件的传感机制．弹性PDMS杆件受到剪切力作用后变形，使用剪切力传感器对杆件的剪切角进行测量，并将测量结果与灰度重心法测得的参考值进行对比，系统分析了装配间隙δ、微管布置距离L对测量精度的影响．结果表明：当以弹性PDMS杆件为变形体时，剪切力传感器可在0.004 7~0.038 rad的转角范围内进行有效测量；测量误差随着装配间隙δ的增大而增大，随着微管布置距离L增大而减小．所设计剪切力传感器具有灵敏度高、抗干扰能力强等优点，为剪切力的测量提供了一种新的工具．
  • 基于双线性类桁架材料模型的拉-压杆拓扑优化设计
    郭新泽, 石顺义, 周克民
    2024, 45(2): 419-428. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2024.02.012
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    拉-压杆模型是复杂钢筋混凝土结构配筋设计的标准方法之一，采用拓扑优化建立复杂应力区域的拉-压杆模型具有十分重要的意义．渐进结构优化类算法和各向同性材料惩罚模型类算法已经广泛应用于此类研究，这些算法的优化对象为各向同性的等厚度带孔板，其本质是在最优解附近寻找近似解．此外，由于应力-应变曲线不光滑的特性给求解优化问题带来困难，现有拉-压杆构建方法很少考虑材料拉压性能不同对最优拓扑产生的影响．本文提出了一种基于双线性类桁架材料模型的拓扑优化算法，以寻求复杂混凝土结构中拉-压杆的最优拓扑构型．该方法以结点位置正交杆件的密度和方向作为设计变量，拉伸区和压缩区的材料特性分别与钢筋的拉伸模量和混凝土的压缩模量一致．采用材料替换方法克服拉压异性模量引起的非线性问题，并给出了单元刚度矩阵的修正方法．优化问题采用基于灵敏度信息的迭代算法求解．数值算例表明，结构拉压性能差异对最优拓扑结构产生显著影响．与现有基于单元密度的优化方法相比，所提方法能够准确描述复杂应力状态下的材料最优分布场，计算效率提高约26 %，同时给出更多材料分布细节．
  • 电热固耦合作用下车载功率模块引脚焊点振动疲劳寿命研究
    付建新, 陈祥, 李海威, 陈岱岱, 姜钊
    2024, 45(2): 429-441. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2024.02.013
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    本文对车载功率模块引脚焊点在器件功率损耗产生的热量和路面颠簸引起的随机振动共同影响下的可靠性进行了研究．建立多物理场有限元分析模型对引脚焊点进行电热固耦合疲劳寿命仿真，得到发热状态和常温状态下的焊点随机振动响应应力分布和振动疲劳损伤值．利用基于经验的Dirlik疲劳损伤模型和Miner线性损伤累积法则对两种状态的疲劳寿命进行了估算和对比分析．结果表明：在考虑电热固耦合作用下，局部约束刚度降低和焊点振动响应应力增大导致焊点振动疲劳寿命明显降低，但仍然满足规定的振动可靠性要求．结合满功率负载发热状态下的振动失效试验结果，验证了分析结果的准确性和装置设计的可靠性．
  • 基于LightGBM与SHAP的空腔积水深度可解释性机器学习模型
    李珊珊, 孙朝阳, 李国栋
    2024, 45(2): 442-453. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2024.02.014
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    传统的机器学习模型主要围绕如何提升模型预测精度进行研究，从而忽略了预测结果的可解释性．本研究基于LightGBM (Light Gradient Boosting Machine)建立了预测掺气设施空腔积水深度的黑箱模型，与常用的机器学习模型如RF (Random Forest)、SVM (Support Vector Machine)及XGBoost (Extreme Gradient Boosting)对比结果表明LightGBM拥有较高的预测精度．进一步通过贝叶斯优化技术对LightGBM的四个超参数进行优化，较大程度上提升了模型的R2（决定系数）得分．应用SHAP (Shapley Additive Explanation)事后解释方法对LightGBM的预测结果进行全局解释和局部解释．全局解释结果表明：流速、水舌冲击角、坎高及流量是影响空腔积水形成的主要因素，特征交互解释可以用来解释特征之间的复杂非线性关系，局部解释则可以显示单个样本各特征的影响大小．研究建立的基于LightGBM-SHAP的空腔积水深度可解释性机器学习模型在掺气设施体型优化及模型试验方案优化方面有很好的应用前景．
  • 基于燃料组件振动分析软件FAVA的水隙变化研究
    卢勇, 卫小艳, 刘虓瀚, 张明, 贺青云, 罗雅云, 厉井钢
    2024, 45(2): 454-461. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2024.02.015
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    燃料组件振动引起的燃料组件之间水隙变化对反应堆内功率波动具有重要影响．为了研究燃料组件振动和水隙变化行为，根据燃料组件结构及其振动特点建立了燃料组件振动分析模型，并开发了燃料组件振动分析软件FAVA．首先，通过与商用有限元软件Abaqus对比，对燃料组件振动分析模型进行了验证；其次，通过分析燃料组件振动引起的水隙变化，比较FAVA软件计算的燃料组件振动频率与堆芯功率波动频率，说明了堆芯功率波动主要是由燃料组件振动引起的；最后，分析了燃料组件刚度变化对振动的影响．
  • 胶凝砂砾石纳米压痕试验及系统聚类法界面过渡区的研究
    林章焕, 杨海霞, 邵婷悦, 王树严
    2024, 45(2): 462-472. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2024.02.016
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    针对胶凝砂砾石材料微观力学性能的研究成果较少的问题，以及胶凝砂砾石材料界面过渡区的存在性问题，提出了胶凝砂砾石不同相的确定方法以及界面过渡区尺寸的确定方法．结合纳米压痕试验，绘制微观力学性能图像，采用系统聚类法对测试矩阵内的测试点进行分类．在试验阶段，考虑到胶凝砂砾石的材料特性，完善了“30-2-30”测试制度，通过荷载-深度曲线结合Oliver-Pharr方法求出胶凝材料硬度H为0.18 GPa，折合模量Er为13.13 GPa，砂砾石材料硬度H为8.60 GPa，折合模量Er为84.56 GPa．在计算阶段，采用系统聚类法确定界面过渡区范围，确定其尺寸约为18 μm．
  • 渗透各向异性地层中隧洞稳态渗流场的半解析预测模型
    汤钰, 王华宁, 宋飞
    2024, 45(2): 473-482. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2024.02.017
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    隧洞施工和服役过程中容易出现支护结构渗流破坏、涌水等与渗流场相关的工程问题．为更方便快捷地对隧洞的孔隙压力、涌水量等进行预测并为数值模型提供验证，本文对渗透各向异性饱和地层中圆形隧洞的渗流场开展理论研究，并充分考虑注浆区/衬砌对渗流场的影响．利用坐标变换和保角映射对渗流场基本控制方程进行处理，求解围岩和注浆区/衬砌区孔隙压力分布．使用配点法处理两区域交界面各点孔压和流量协调，获得了在精确满足边界和协调条件下围岩和衬砌/注浆区渗流场的控制方程，以及孔隙压力与比流量稳态分布的半解析模型．解析解与数值解的一致性验证了模型的正确性．利用解析模型分析了衬砌渗透系数、围岩渗透性各向异性程度、注浆区厚度等因素对隧道渗流量和衬砌外水压的影响．
  • 周期性多孔金属材料宏观有效模量和细观局部应力的预测
    董伟伟, 刘承
    2024, 45(2): 483-492. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2024.02.018
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    通过材料内侧孔壁的边界条件和单胞的周期性边界条件，可以得到材料的细观性能，并通过材料的总体均匀化本构关系得到材料在面内和面外的宏观均匀化模量参数．所计算的均匀化模量与其他数值及解析模拟得到的结果非常吻合．由于省去了有限元法中对于细观结构的网格划分和前后处理等过程，本文提出的方法在计算效率方面有了明显的提高．此外，对于含有两种不同孔隙体积比的多孔金属材料的初始屈服面进行了预测．以上结果显示，本文所提供的方法可以为工程人员进行多孔材料的模拟和设计提供有效的理论依据．
  • 基于CGMD的半椭圆形截面自支撑石墨烯膜镜面屈曲研究
    续文龙, 张锴, 郑百林
    2024, 45(2): 493-505. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2024.02.019
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    扫描隧道显微镜观测表明自支撑石墨烯膜在偏压和隧穿电流作用下发生镜面屈曲，针对该现象目前尚未开展系统性的研究．为此，本文使用基于粗粒化分子动力学结合实验结果构建半椭圆形截面石墨烯膜模型，着重研究截面几何形状对结构镜面屈曲行为的影响．计算结果表明，半椭圆形截面石墨烯膜能够发生曲率正负变化的变形，但是没有出现镜面屈曲现象，同时发现大高跨比情况下石墨烯膜的变形对温度的影响不敏感．将文献采用的扇形截面石墨烯膜镜面屈曲行为的计算结果与本文计算结果对比可知，扇形截面石墨烯膜更容易出现镜面屈曲现象，产生这种情况的原因与初始结构有关，半椭圆形截面由于其端部曲率更小，原子排布与二维石墨烯更接近，在温度变化过程中达到能量平衡时碳原子位置变化更小，所以表现出更小的变形．本文的研究可为基于石墨烯膜波动效应的能量收集装置的开发提供理论支持．
  • 离散方法对覆冰输电线主共振的影响分析
    包婉玉, 闵光云, 刘小会, 蔡萌琦, 周林抒
    2024, 45(2): 506-518. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2024.02.020
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    为对比分析覆冰输电线主共振响应的两种不同离散方法，对固有频率和激励频率接近情况下的覆冰输电线做影响分析，本文主要采取位移响应曲线以及幅频响应曲线分析导线的舞动特征及主共振响应．基于哈密顿原理推导输电导线舞动控制偏微分方程，在面内方向施加谐波荷载以定义主共振，基于三阶模态分别采取直接使用Galerkin方法转换偏微分方程为常微分方程；以及先将动张力平均分配在长度范围内离散后再采用Galerkin离散转换成常微分方程的方法；应用多尺度法求解幅频响应曲线，研究第二种离散方法下调谐参数与激励幅值对覆冰输电线主共振响应的影响以及气动荷载对幅频响应曲线的影响．结果表明，不同的离散方法会影响导线的舞动特征与主共振响应，调谐参数与激励幅值也会对导线的主共振造成影响，第二种离散方法的舞动幅值和相位明显大于第一种离散方法．
  • 磁电弹性材料含正六边形纳米缺陷的表面效应研究
    徐燕, 杨娟
    2024, 45(2): 519-530. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2024.02.021
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    在磁电弹性材料断裂力学框架下，利用表面弹性理论和解析函数边值理论，解析研究了反平面机械载荷、面内电载荷和磁载荷耦合作用下磁电弹性体中正六边形孔边均布六条等长裂纹的Ⅲ型断裂力学问题，确定了考虑表面效应时纳米尺寸裂纹问题的精确解．基于以上解析解，通过数值算例揭示了表面效应、缺陷几何参数及所施加的损坏载荷分别在两种理想裂纹面电磁条件假设下对断裂参数的影响规律．研究发现：考虑表面效应时影响裂纹扩展的因素与经典弹性理论解答明显不同．各个物理分量呈现出显著的尺寸依赖效应，但随着缺陷尺寸的增加，表面效应的影响呈下降趋势，并趋于经典弹性理论值．研究可为该材料应用于微纳米结构和微机电系统提供理论指导．
  • 喷嘴结构内流场数值模拟研究
    钟伟, 王莉华, 杨帆
    2024, 45(2): 531-542. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2024.02.022
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    提升雾化喷嘴出口流量可以提高液体出口速度，从而获得更细小的雾滴，增强雾化效果．为了抑制空化效应，获得更大的出口流量，本文通过建立喷嘴内流场的数值模型，对内流场速度、液相体积分数以及湍动能分布等流场信息进行分析．针对空化的产生机理，提出多种改进喷嘴结构的方案：减小喷嘴长度、增加喷嘴倒角和降低壁面粗糙度，有效降低了空化效应，显著增大了喷嘴的出口流量，改善了雾化效果，为喷嘴结构的优化提供了参考．
  • 基于概率密度演化的大跨越导线铝部风振疲劳可靠度分析
    汪峰, 洪磊, 刘章军, 黄金山
    2024, 45(2): 543-554. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2024.02.023
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    为了掌握微风作用下大跨越架空输电导线铝股疲劳特性及其可靠度，提出了基于概率密度演化的大跨越输电导线铝部疲劳可靠度计算方法．首先建立了大跨越塔线体系有限元模型，研究了微风激振下导线悬挂点处振动位移时程，然后构建了导线节段有限元实体模型，以微风激振作用下导线位移时程为激励，研究了大跨越导线内外层铝股风振疲劳应力时程响应，最后采用概率密度演化方法，考虑线路风速风向概率分布，分析了大跨越导线疲劳可靠度，并与Miner线性累积损伤结果进行比较．结果表明：微风风速越大，大跨越导线振幅越大；微风作用下大跨越导线的外层铝股应力大于内层铝股，外层的钢股应力亦大于内层；大跨越导线运行年限越大，导线内外层铝股可靠度越小，但内层铝股可靠度大于外层铝股可靠度；基于Miner原理计算的铝股疲劳可靠度偏大，建议开展大跨越输电导线疲劳设计时考虑分层特性．
  • 三维二十面体准晶弹性半平面周期接触问题研究
    赵雪芬, 卢绍楠, 李星, 孔德凤
    2024, 45(2): 555-568. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2024.02.024
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    借助平面弹性复变方法，研究了周期刚性压头作用下三维二十面体准晶弹性半平面的周期有限摩擦和周期粘结接触问题．从应力、位移分量的复变函数形式表达式出发，利用半平面Hilbert核积分公式、Plemelj公式，得到两类周期接触问题的解答．针对周期有限摩擦接触问题，得到了三类周期刚性压头（直水平、直倾斜和圆形基底）作用在准晶体半平面上接触应力的封闭解．针对半平面周期粘结接触问题，求得接触边界上作用周期尖劈形位移时接触应力的显式解答．当不考虑相位子场的作用时，文中求得的理论结果可退化到正交各向异性材料平面弹性周期接触问题的对应结果．数值算例说明准晶弹性常数对接触应力分布规律及大小的影响．本文结论可为分析准晶材料压痕实验结果及准晶材料性能提供一定理论依据．
  • 混合边界矩形薄板静力问题解析研究
    田宇, 常亮, 万春华, 聂小华
    2024, 45(2): 569-580. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2024.02.025
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    本文利用Hamilton体系中的“辛-叠加”方法，基于弹性薄板理论，对两对边固支、另两对边中部固支两端简支这一混合边界条件矩形薄板静力问题进行了解析研究．首先基于Hamilton求解体系辛几何方法对对边简支这一经典边界条件矩形薄板问题进行了解析求解，然后以此为基本体系采用叠加法思想对两对边固支、另两对边中部固支两端简支这一复杂混合边界条件矩形板问题进行了求解，最后采用有限元数值模拟对本文方法的正确性和收敛性进行了验证．本文方法同时具备辛几何方法的理性和叠加法的规律性优点，其求解过程中无需预先假定解的形式，直接由弹性力学基本方程出发，通过逐步严格推导来获得解析解．该方法通用性强，可用于一些传统方法难以解析求解的矩形板问题中．
  • 不同应力路径及围压下煤岩损伤能量演化
    马恒, 刘晓东, 侯双荣, 齐消寒, 王品, 刘阳
    2024, 45(2): 581-591. https://doi.org/10.15959/j.cnki.0254-0053.2024.02.026
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    为研究煤岩体损伤演化过程中能量的转化机制，以王庄煤矿9105工作面原煤为研究对象，利用HC-SPT-100型高压三轴试验机、HC-U7型非金属超声波探测仪、4K科研相机等仪器，采用非接触式数字图像处理技术开展了不同应力路径及围压下三轴加载试验．研究结果表明：(1) 不同应力路径及围压下三轴加载过程中煤岩损伤能量演化可分为压密、弹性与脆性跌落3个阶段；(2) 试件在不同加载路径与不同初始围压下各阶段能量值相差较大，表现为在同一初始围压下，常规三轴加载路径下试件的弹性能、耗散能、总能量均大于三轴循环加载路径下试件的弹性能、耗散能、总能量；(3) 三轴加载过程中，不同加载路径下试件轴向应变从压密到破坏阶段表现为整体波动与局部集中→局部集中→局部集中→整体波动与局部集中的发展规律；(4) 不同加载路径及围压下破坏阶段试件的应力集中不同，常规三轴加载路径下破坏阶段试件的应力集中在低围压下以新生应力集中为主、高围压下以继承应力集中为主，三轴循环加载路径下破坏阶段试件的应力集中在高、低围压下主要以继承应力集中为主．