机械能量采集是将环境中分散和无序的低品质高熵机械能转换为电能, 可以为广泛分布的传感器等低功耗电子器件供电实现自供能物联网, 具有灵活、便捷、可持续和零碳环保的优势, 能够广泛应用于生态环境监测、基础设施健康状态监测和设备状态监测等, 是国际前沿研究热点. 但是, 目前机械能量采集存在输出功率低、工作频带窄、低频效果差、环境适应性差和可靠性低等制约其实际应用的关键难题. 机械能量采集动力学调控方法能够改善机械能量采集系统的动力学性能, 使其与特定的环境激励相匹配, 提升系统的输出电学性能. 文章构建了机械能量采集动力学调控方法体系, 包括激励调制、非线性系统、多自由度系统、自适应控制和策略调控等方法; 论述了动力学调控方法的最新研究进展, 包括每类动力学调控方法的特点和典型设计; 最后, 总结了动力学调控方法的关键挑战, 并预测了未来发展方向. 为机械能量采集系统适应复杂环境激励提供了新的动力学调控视角, 有益于促进机械能量采集理论与技术的发展.
2023, 55(10): 2094-2114.
doi:10.6052/0459-1879-23-341
海洋环境传感器、航行器/机器人等无人机电系统可用于海洋军事侦察、资源探测、生态监测、海洋大型设备设施状态监测等, 有益于海洋生态保护、海洋经济发展和海洋权益维护. 长期有效供能是制约海洋无人机电系统在辽阔海域作业的瓶颈难题. 电池电量有限且污染环境, 线缆供电成本高且限制了海洋机电系统的机动性. 波浪能是最丰富并且可以被大规模利用的可再生能源之一. 将波浪能量转换为电能, 可以实现海洋环境机电系统的自供能传感、控制与驱动, 具备可持续、灵活便捷和节能环保的优势, 有望破解海洋无人机电系统供能瓶颈难题. 此外, 随着化石能源面临着枯竭和严重的环境问题, 开发海洋能源能够缓解能源危机、减少环境污染并促进经济发展. 文章全面论述波浪能量采集、基于波浪能量采集的自供能海洋无人机电系统和海洋无人机电系统的研究进展, 讨论目前自供能海洋无人机电系统面临的关键挑战并进行展望, 为解决海洋无人机电系统长期有效供能难题提供多维度参考, 推动自供能传感、控制与驱动等技术的发展与应用, 助力海洋无人机电系统应用于深海远海.
2023, 55(10): 2115-2131.
doi:10.6052/0459-1879-23-334
近年来, 随着物联网、无线传感器网络和便携式医疗设备的迅速发展, 如何为这些独立设备提供可靠、清洁和自给的能源成为其发展的关键. 传统的化学电池不仅寿命有限, 而且庞大的电池数量带来了高昂的维护成本, 废弃后的电池还会给环境保护带来更大的负担. 自然环境中风能分布广泛、储藏量大且无污染, 是绿色可再生能源. 将风能转换为电能是目前能源利用的重点. 然而, 涡轮风力发电机投资巨大、对风场要求高、占地面积大、维修困难, 同时产生的噪声和生态问题日益突出. 目前, 如何利用新材料和简单结构实现低速风能的高效收集正在成为国内外研究的热点. 基于涡激振动的微型风能收集器是目前较为有效的风能收集技术之一, 有望实现分散分布的无线传感器自供电. 文章从涡激振动能量收集器的工作原理、研究进展、效率提升方法等方面综述了涡激振动能量收集器的研究现状. 着重讨论了钝体形态优化、非线性特性引入、多风向风能收集结构设计和混合风能收集器设计等增强方案对涡激振动风能收集器性能的影响, 为高性能涡激振动能量收集器的设计提供参考. 最后, 对涡激振动风能收集器面临的关键问题与难点进行了分析和总结, 并对今后的研究方向和未来的发展前景进行了展望.
2023, 55(10): 2132-2145.
doi:10.6052/0459-1879-23-364
风致振动是自然界中普遍存在的一种现象, 并且蕴藏着巨大的可利用能源. 如何充分利用风致振动引起的结构大幅值响应进行能量俘获, 为微电子器件供电是能量俘获领域的一个难题. 为了高效俘获风致振动能量, 文章提出了一种磁力滑动式翼型颤振能量俘获器. 基于半经验非线性空气动力学模型并考虑与磁铁位置相关的机电耦合系数, 建立了该能量俘获器的动力学模型, 搭建了风洞实验平台, 制作了实验样机. 通过增加风速和降低风速的方式为能量俘获器提供两种不同的初始状态, 发现其具有两个临界风速(5.2 m/s 和 8.3 m/s), 降风速实验中在8.3 m/s风速下出现突跳现象. 在数值仿真中, 在6.8 m/s 和8.2 m/s 风速下出现了两个突跳点, 和一段多解区域. 分析了沉浮位移和电压响应, 发现沉浮位移以正弦形式响应, 输出电压以非正弦形式响应, 并出现明显的偶次谐波. 仿真的沉浮位移和电压输出波形与实验波形吻合较好, 验证了模型的准确性. 能量俘获器的均方根电压随电阻的增加而增加, 平均功率随电阻增加呈现先增加后降低的趋势. 分析了负载电阻对能量俘获性能的影响, 在8.6 m/s风速下, 实验中能量俘获器的负载电阻接近线圈内阻值时平均功率达到最大值7.5 mW. 文章为高效颤振式能量俘获器的设计提供了一种新方案, 可为驰振、涡振等其他形式的风致振动能量俘获器的设计提供参考.
2023, 55(10): 2146-2155.
doi:10.6052/0459-1879-23-330
如何高效且经济环保地为数以万计的传感器网络节点供电, 是物联网快速发展和大范围应用的瓶颈性难题. 将振动能转换为电能以实现传感器自供电是物联网传感器网络节点供能的潜在方案. 但是, 环境振动中低频成分占比较大, 而传统振动能量采集方法较难实现低频( < 10 Hz)振动能量的高效转化, 这限制了振动能量采集技术在物联网领域的大范围应用. 文章提出了一种准零刚度驱动式压电振动能量采集装置, 可将环境、人体及部分机械设备的低频振动能量高效地转化为电能. 首先利用能量法得到压电俘能单元的机电耦合方程, 并用谐波平衡法获得系统动力学及电学响应的解析表达式, 同时对比了数值解与解析表达式的结果; 进一步探究了阻尼比、激励幅值等参数对动力学响应及电学输出的影响. 最后加工制备了准零刚度驱动式压电振动能量采集装置样机, 搭建了实验平台, 测试了系统的动力学响应与电学输出, 验证了理论结果的正确性. 研究结果显示当频率为2.5 Hz时, 准零刚度驱动式压电振动能量采集装置中单个能量转化单元的最大峰值电压达到25 V. 文章提出的准零刚度压电能量采集装置有望克服传统共振型压电能量采集装置能量采集频带依赖于能量采集系统固有频率以及多稳态能量采集器需要跨越势垒而难以实现超低频小幅值能量俘获的难题, 进一步夯实振动能量采集理论, 为超低频小振幅振动能量的高效采集提供新思路.
2023, 55(10): 2156-2167.
doi:10.6052/0459-1879-23-315
目前, 大多数的能量收集器从低频运动中只能收集到较少的能量, 且能量收集效率较低. 低频激励下发电输出能量低是当前限制电磁俘能器多场景应用的关键问题, 而电磁感应发电作为目前应用广泛且较为成熟的发电技术, 具有高功率输出, 被广泛应用于能量收集领域, 有望解决这一技术瓶颈. 文章提出了一种基于斜齿离合传动系统的电磁式振动俘能器, 以系统性解决输出频率低和能量转化时间短的问题. 俘能器的机械传动系统由直线−旋转转化模块、牙嵌离合模块和能量存储/释放模块3部分构成, 可将外界低频、不规则的瞬时激励(约0.2 ~ 5 Hz)转化为高频、连续的单向旋转运动以实现能量转换效率最大化. 对所提出的俘能器建立了机电耦合动力学模型并进行实验验证. 研究结果表明, 俘能器在外界脉冲激励下可以实现开路状态长达30 s的输出; 接入负载后惯性旋转运动的最高转速可达750 r/min, 并实现了运动频率从0.17 ~ 50 Hz的近300倍提升; 单层发电模块的峰值功率可达1.25 W, 两层发电模块并联输出2.5 W的峰值功率, 可实现134 mW平均输出功率. 此外, 其紧凑高效的传动结构设计使得俘能器可以进一步集成到可穿戴设备中, 在人体能量收集领域和构建自供能物联网传感节点等方向具有重要意义.
2023, 55(10): 2168-2177.
doi:10.6052/0459-1879-23-362
面向摆式摩擦发电机结构优化设计需求, 开展非线性机电耦合建模与参数敏感性分析, 以推动其向工程实用化方向发展. 在摩擦发电机理分析的基础上, 构建等效电容拟合函数; 结合能量原理和等效电路法, 建立了考虑摆角非线性变化的机电耦合模型. 利用谐波平衡法, 解析求解摆式摩擦发电机的周期稳态输出, 并判断结果稳定性. 结合数值积分和动态测试两种手段, 验证谐波平衡分析的准确性. 与线性模型结果进行深入对比, 并考察了不同设计参数对摆式摩擦发电机输出特性的影响. 考虑非线性效应, 模型预估的工作带宽显著增加(相对增量83%). 文章提出的机电耦合模型能够有效避免线性模型对工作带宽的低估问题, 显著提升输出性能估计的准确性; 增加激励幅值、降低系统阻尼或减小电极夹角, 均有助于提升摆式摩擦发电机的输出表现; 在实际设计时, 需综合考虑间隙长度和摩擦力幅值, 以使摆式摩擦发电机输出表现处于较优状态; 构建多种拟合模型用于表征设计参数与输出性能的关系, 可作为摆式摩擦发电机输出性能设计的依据.
2023, 55(10): 2178-2188.
doi:10.6052/0459-1879-23-197
针对受限金属薄层在剪切塑性变形时出现明显尺度效应这一问题, 现有理论分析多采用纯剪切假设和传统钝化边界条件, 其理论预测与实验结果不符. 文章采用黏弹塑性本构模型, 对Gudmundson高阶应变梯度塑性理论进行了有限元实现, 深入研究了金属薄层受限剪切的塑性变形机理. 考虑因界面倾斜引起的附加压应力, 采用自定义平面单元对材料的压缩−剪切组合变形进行了有限元模拟. 根据表面解锁的物理机制, 引入“软−硬”中间态的边界条件. 结果表明, 在压缩−剪切组合变形条件下, 受限薄层的剪切流动应力明显低于纯剪切条件下的流动应力, 而压应力的存在降低了剪切屈服强度. 利用周期性钝化边界条件, 能够定量描述界面处几何必需位错饱和引起的边界条件变化, 理论预测与实验结果吻合. 相关研究揭示了加载方式和高阶边界条件在受限薄层剪切尺度效应问题中的重要作用.
2023, 56(1): 59-68.
doi:10.6052/0459-1879-23-318
在全球气候变暖危机和“双碳”战略的大背景下, 开发使用木基材料替代传统结构或功能材料, 可以大大降低能源消耗, 减少碳排放并增加碳封存量, 对改善生态环境、实现绿色可持续发展具有重大意义. 近年来, 为了开发利用木质资源并提升传统木基材料的宏观性能, 不少学者通过自上而下的“两步改性”策略实现了木材中从微观尺度到宏观尺度的多尺度结构设计调控, 从而赋予了木基材料诸如高强度等不同的宏观性能, 为开发设计可持续、绿色低碳的高性能木基材料开辟了新的天地. 基于此, 文章围绕木基材料中自上而下的多尺度结构设计策略进行了详细综述: 首先简要概述了木材天然具备的跨尺度多层级结构, 接着综述了微观尺度下木基材料中由纤维素主导的力学行为机制, 其次从细胞壁工程的角度回顾了不同微结构调控策略以及得到的具有不同性能的木基材料, 随后简要综述了近期木基材料的功能化应用新进展. 最后总结了现有木基材料多尺度结构设计方面存在的不足并提出了相应的研究展望.
2023, 56(1): 26-45.
doi:10.6052/0459-1879-23-319
基于物理信息神经网络(PINN)建立了一种求解薄壁结构屈曲非线性控制方程组的方法. 薄壁结构的非线性控制方程可由挠度和应力函数表示成复杂的4阶非线性偏微分方程组, 使用物理信息神经网络(PINN)解法可以克服传统数值方法对求解域网格的依赖性. 文中建立的神经网络模型根据基于加权的均方误差的损失函数更新网络参数, 并用弧长法迭代的思想进行外层迭代控制以应对屈曲问题的迭代特性. 将弧长法, 硬边界条件, 基于预训练的权重调整策略, 以及自适应激活函数策略融合进网络优化的过程中使得PINN能够更为高效地求解线性与非线性屈曲问题. 文章对两种典型的薄壁结构进行了屈曲模态和带有缺陷的非线性后屈曲问题求解, 并将神经网络获得的解和有限元结果进行了对比. 结果分析表明, 物理信息神经网络方法能够在不需要标签数据的前提下对薄壁结构的屈曲问题进行有效分析, 并且给予的额外标签数据能够提高此方法的求解效率. 该方法虽较成熟的有限元解法收敛速度较慢, 但不需要对求解域进行人为的前处理, 有一定工程应用可行性.
2023, 55(11): 2446-2460.
doi:10.6052/0459-1879-23-277
三维内转式进气道的唇口结构通常存在复杂的激波干扰及严酷的气动热载荷, 严重威胁高超声速飞行器的性能与安全. 在6.0马赫的高超声速流动中, 以V形钝前缘模型为研究对象, 设计了局部凸起的被动流动控制降热方案. 采用数值模拟手段, 首先研究了局部凸起方案的降热能力以及降热原理, 然后初步优化了局部凸起的位置、高度以及宽度等关键设计参数, 最后分析了优化后的局部凸起方案的攻角、侧滑角及马赫数的适用性. 研究结果表明: 上游凸起边缘形成的斜激波与主马赫反射结构形成的透射激波发生干扰, 能够减弱其冲击壁面的强度, 实现降热的目的; 驻点凸起通过改变超声速射流的对撞角度, 能够降低其对撞的强度, 实现降热的目的. 原始方案的降热能力约为37.75%, 在对局部凸起的关键设计参数进行初步优化后, 优化方案的降热能力将提升至44.60%. 设计工况下的优化方案具有良好的攻角适用性, 而高度可变的优化方案可以较好地适用于有侧滑角及高马赫数的流动. 在研究范围内, 高度可变的优化局部凸起方案的降热能力均高于20%.
2024, 56(2): 138-150.
doi:10.6052/0459-1879-23-409
原子力显微镜是一种典型的微纳谐振器, 其核心部件是一个对微弱力极敏感的微悬臂梁探针, 当它在不同的环境工作时, 存在着各种不同形式、不同性质的能量耗散, 这些能量耗散与系统的相位图像有着密切的联系. 在众多的耗散机制中, 只有针尖与样品的黏附接触耗散才能真正反映样品的性质, 其他耗散会降低黏附接触耗散在系统总耗散中的占比, 使得图像中的有效信息被削弱. 因而, 明确其他耗散对系统品质因数的量级贡献是十分重要的, 这有助于提高图像的品质. 为了研究这些耗散, 本文根据耗散机理产生的原因对不同的能量耗散进行了细致的分类, 系统总结了各种能量耗散的类型. 之后, 通过理论、实验和仿真的方法探究了在不同环境下、不同位置处微悬臂梁探针的能量耗散, 明确了不同耗散对系统品质因数的量级贡献. 然后, 对于不同流体环境下的能量耗散, 对比了它们的作用机理及量级大小. 最后, 对于在大气环境下工作的原子力显微镜探针, 研究了它在振动过程中从高于样品表面到下降并接触样品这一连续过程中不同阶段存在的能量耗散, 分析表明, 在这些能量耗散中对系统品质因数影响最大的是由空气引起的耗散, 包括空气黏性阻尼, 压膜阻尼及液桥耗散.
2023, 55(11): 2525-2539.
doi:10.6052/0459-1879-23-300
无拉力弹性地基上矩形薄板的屈曲/后屈曲问题是板壳力学中一类重要课题, 在工程中有着大量应用. 因涉及接触非线性, 目前主要采用数值方法对该类问题进行求解, 发展具有重要基准价值的解析方法是当前面临的一项挑战. 针对上述问题, 本文将板划分为若干包含强制边界条件的板, 形成子问题, 在辛空间下利用分离变量与辛本征展开对子问题进行解析求解, 通过子问题边界处的连续条件确定板与地基的接触状态; 通过迭代求解上述过程, 获得子问题划分的收敛结果, 并得到最终屈曲载荷及模态. 结果表明, 无拉力弹性地基与Winkler地基上板的屈曲行为存在显著差异, 且无拉力弹性地基的刚度对板的屈曲载荷与屈曲模态均有重要影响. 在此基础上, 结合Koiter摄动法与辛方法, 对无拉力弹性地基上矩形板的后屈曲问题进行求解, 获得板的后屈曲平衡路径. 所得到的屈曲与后屈曲分析结果均与有限元计算结果吻合良好, 确认了本文结果的正确性. 由于本文方法数学推导严格, 求解效率高, 因此不仅为研究无拉力弹性地基上矩形薄板的屈曲/后屈曲行为提供了一种有价值的理论工具, 更有望拓展至更多复杂板壳力学问题的求解.
2023, 56(1): 121-132.
doi:10.6052/0459-1879-23-384
混合爆轰现象既包含气相反应又包含两相反应, 具有复杂性和多样性. 爆轰推进技术在新领域的突破性应用与发展, 依赖对爆轰现象的深刻认识. 文章采用卧式爆轰管开展铝粉/氢气/空气混合爆轰试验, 将μm、nm级的球形铝粉与当量比的氢气和空气通过扬尘充分混合, 在长13 m和直径224 mm的管内直接起爆混合物. 试验中观测到不同种类的混合爆轰波, 包括双波面和单波面结构. 通过对爆轰燃气中铝粉点火燃烧特性的分析, 阐明了两相反应对铝粉/氢气/空气混合爆轰波结构的直接影响. 粒径100 nm和1 μm时, 混合爆轰呈现单波面结构, 对比气相爆轰爆速和压力峰值都有增加, 铝粉点火释热开始于声速面之前. 粒径20 μm和40 μm铝粉点火较慢, 混合爆轰呈现出双波面结构, 气相反应释热支持第一道波, 而铝粉燃烧支持第二道波. 粒径10 μm时, 测得爆轰波压力曲线是单波峰, 峰值压力有大幅提高, 但是爆速并没有增加. 其本质是两波面距离很近的双波面结构, 由于传感器空间辨识能力的不足而无法在压力曲线中区分. 混合爆轰试验结果充分解释了铝粉/氢气/空气混合爆轰现象, 反映了铝粉在复杂条件下的燃烧特性, 并且明确了铝粉的点火燃烧特性对混合爆轰现象的影响机理.
2023, 55(11): 2472-2481.
doi:10.6052/0459-1879-23-290
本研究以高精度可压缩均匀各向同性湍流直接数值模拟数据为基础, 通过点粒子模型和单向耦合方式模拟了100万个重粒子在湍流中的运动. 着重进行了两方面的研究, 首先, 通过使用不同滤波宽度的谱截断滤波器来获得大尺度流场, 并研究了不同滤波尺度对粒子运动的影响; 其次, 设置了5种不同的粒子初速度, 以研究粒子聚集性和运动学性质的演化. 在研究粒子聚集性方面, 使用了香农熵来描述粒子的瞬时聚集性, 而稳态时的统计结果则通过概率密度分布函数来描述. 研究结果表明, 滤波尺度对不同Stokes数的粒子聚集效应产生不同的影响. 具体而言, 小尺度流动结构对低Stokes数的粒子聚集性有促进作用, 而对高 Stokes数的粒子聚集性则有抑制作用. 此外, 随着Stokes数的增加和截断波数的减小, 粒子的速度和加速度的概率密度分布变得更为集中. 另外, 还发现颗粒的初始速度差异会在演化的初期产生明显影响, 最终会趋于相同的统计定常状态. 这一发现强调了湍流中粒子运动的复杂性和统计特性的重要性.
2024, 56(2): 151-161.
doi:10.6052/0459-1879-23-327
深度学习通过多层神经网络对数据进行学习, 不仅能揭示潜藏信息, 还能很好地解决复杂非线性问题. 偏微分方程(PDE)是描述自然界中许多物理现象的基本数学模型. 两者的碰撞与融合, 产生了基于深度学习的PDE智能求解方法, 它具有高效、灵活、通用等优点. 本文聚焦PDE智能求解方法, 以是否求解单一问题为判定依据, 把求解方法分为两类: 神经算子方法和类物理信息神经网络(PINN)方法, 其中神经算子方法用于求解一类具有相同数学特征的PDE问题, 类PINN方法用于求解单一问题. 对于神经算子方法, 本文从数据驱动和物理约束两个方面展开介绍, 分析研究现状并指出现有方法的不足. 对于类PINN方法, 本文首先介绍了基础PINN的3种改进方法(基于数据优化、基于模型优化和基于领域知识优化), 然后详细介绍了基于物理驱动的两类解决方案: 基于传统PDE离散方程的智能求解方案和无网格的非离散求解方案. 最后总结技术路线, 探讨现有研究存在的不足, 给出可行的研究方案. 最后, 简要介绍智能求解程序发展现状, 并对未来研究方向给出建议.
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doi:10.6052/0459-1879-23-407
非线性能量汇(nonlinear energy sink, NES)具有减振频带宽、减振效果好等诸多优点. 但是NES没有线性刚度的特征导致其难以驱动大重量的NES振子, 从而难以应用于对大型工程结构的减振. 因此, 将NES以高效和便捷的方式应用于工程减振, 仍然是有待研究的问题. 将NES以胞元的形式装配于振动的主结构中, 通过多个NES胞元的共同作用, 是一种有前景的减振策略. 文章在偏心转子激励下, 探究了多个NES胞元对远大于单个NES自身重量的振动结构的减振效果, 分析了多个NES胞元耦合主结构组成的系统的整体响应特征. 建立了NES胞元减振系统的运动微分方程, 采用复化平均法(complexification-averaging, CxA)导出系统的慢不变流形及稳态响应满足的近似解析表达式, 通过慢变流形的扰动运动微分方程对稳态解进行稳定性分析, 再利用伪弧长法获得系统响应的近似解, 分析了NES胞元的减振规律及系统响应规律, 最后利用龙格−库塔(Runge-Kutta, R-K)法进行数值验证. 结果表明, 通过多个NES胞元共同作用, 能够有效控制较大重量的主系统振动, 而且减振效率随NES胞元个数和重量的增加而显著提高, 共振区的响应状态随着胞元个数的增加从稳定状态、强调制状态、稳定状态依次变化. 因此, 本研究有助于推动NES的工程应用.
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doi:10.6052/0459-1879-23-284
谐波平衡法是求解非线性动力学系统周期解的最常用方法, 但对非线性项进行高阶近似需要庞杂的公式推导, 限制了该方法的超高精度解算. 作者团队通过对频域非线性量的时域等价重构, 提出了重构谐波平衡法(RHB法), 解决了经典谐波平衡法超高阶次计算难题. 然而, 上述两种方法均要求动力学系统为多项式型非线性, 且无法直接用来求解非线性系统的拟周期解. 针对上述问题, 本文提出一种将RHB法和复杂非线性系统等价重铸法相结合的计算方法, 首先将一般非线性问题无损重铸为多项式型非线性系统, 然后用RHB法进行高精度求解; 针对拟周期响应求解问题, 提出基于“补频”思想的RHB方法, 通过基频的优化筛选, 实现拟周期响应的快速精准捕捉. 本文选取非线性单摆、相对论谐振子、非线性耦合非对称摆等典型系统进行仿真计算, 仿真结果表明, 所提出的RHB-重铸法在解非多项式型非线性系统的稳态响应时精度保持为${10^{ - 12}}$量级, 达计算机精度, 远超现有方法水平. 补频RHB法则实现了对拟周期问题的高效解算, 拓宽了方法对真实物理响应的求解范围.
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doi:10.6052/0459-1879-23-369
描述车桥耦合作用的基本问题是一个时变系统问题，且很多工况下需考虑非线性特性，使得该问题难以得到解析解，甚至数值解也可能很复杂。针对于该问题的求解，本文提出了一种参数冻结精细指数积分法，将其应用于车桥耦合动力学模型的数值分析中。该方法结合了精细积分和指数积分特点，并将时变系数矩阵在每一积分步参数冻结，用于获得系统振动响应的数值解。考虑汽车轮胎与桥面的力和位移耦合关系、桥面沥青铺装层、桥梁材料粘弹性和几何非线性特性，建立了车桥耦合动力学模型，并应用参数冻结精细指数积分法对该模型进行了求解。通过与近似解析解、辛Runge-Kutta算法以及经典的Newmark-β数值积分法计算结果进行对比，验证了所提出方法计算结果的有效性和准确性。在此基础上，制作了缩尺车桥耦合系统模型，测试了跨中挠度响应，进一步验证了理论建模和所提算法的有效性和实用性。通过数值计算分析了所提算法的数值特性，结果表明：本文提出的参数冻结精细指数积分法不仅可以处理时变、非线性问题，且具有良好的数值计算精度和长时间数值稳定性；由于精细积分的特点，参数冻结精细指数积分法的计算时间步长可以取的较大，可有效提高计算效率。因此，本文所提出的参数冻结精细指数积分法预期可成为求解车桥耦合动力学问题的一种新的高效算法。
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针对球体表面润湿性对倾斜入水空泡演化过程及球体动力特性的影响开展研究，以便能够进一步理解润湿性对入水过程的影响并且能够为多种情况下的入水现象提供理论依据。基于球体入水过程空泡形态观察、采集与测量实验平台，分析了亲水性和疏水性球体入水过程中入水喷溅和空泡的演变规律，并深入讨论了不同速度下球体表面润湿性对球体入水过程中动力特性的影响。研究表明：不同表面润湿性球体在入水过程中的喷溅及入水空泡演化与动力特性存在明显区别。在相同入水速度下，亲水性球体的三相接触点远高于疏水性球体，而喷溅的高度却低于疏水性球体，但该差异随入水速度的增加反而减小。随着入水速度的增大，亲水性球体依次经历了无空泡、浅闭合和面闭合三种闭合方式，而疏水性球体先后只出现了深闭合和面闭合两种。但是。随着入水速度的增加，球体表面润湿性对空泡演化过程的影响逐渐减弱，当速度增加到11.25 m/s时，二者不存在区别。同时发现，在入水过程中，在相同速度下生成入水空泡较无入水空泡其总流动阻力系数降低49.94%；亲水性球体生成空泡体积更小，空泡带来的附加质量力也更小，减阻效果更好。
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层流扩散火焰的闪烁是一种经典的火焰不稳定性现象, 然而现阶段对其不稳定性模态及频率特性的研究尚不充分. 本文利用高速摄影和粒子图像测速同步测量技术, 对宽工况下准静态环境中的浮力主控和动量主控圆口射流扩散火焰的不稳定性及其频率进行了实验研究. 实验发现, 燃料射流流量增大会导致火焰失稳, 所引起的闪烁现象可分为varicose模态和sinuous模态. 流场测量结果表明, 闪烁火焰的主要流动结构表现为分别位于火焰面内外的两个剪切层. 火焰外剪切层卷起形成的大尺度环形涡的周期性产生、增长和脱落是导致火焰面周期性形变(即火焰闪烁)的原因. 闪烁火焰具有准周期性, 其流场具有统一的主频率, 且该频率与火焰脉动频率一致, 说明闪烁火焰在本质上是种整体流动不稳定性的体现. 浮力主控火焰sinuous模态的频率比varicose模态高3 Hz左右, 并且在燃料流量较大的工况下存在varicose和sinuous模态间的切换. 浮力主控火焰的频率符合经典的1/2标度律, 但不同模态对应着不同的标度律系数. 动量主控火焰的频率显著偏离1/2标度率, 且偏离程度随射流动量增加而增强. 研究表明了流动不稳定性模态对于射流扩散火焰频率特性具有不可忽略的影响.
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doi:10.6052/0459-1879-23-361
基于电弧发生技术获得大面积均匀热等离子体,具有高温区尺寸大、处理和反应均匀性好等优点,在热喷涂、微纳粉体制备、煤制乙炔等领域具有广阔的应用前景.本文从大尺寸电弧等离子体应用需求入手,详细综述了国内外在大尺寸电弧等离子体技术及应用方面的研究进展.首先,从产生的方式上,介绍了多相交流、多电极直流和磁驱动旋转电弧等离子体发生器,并分别阐述了大尺寸热等离子体产生的基本原理和电弧的基本特征;在电弧特性控制方面,基于发生器结构特征,从电极几何位形、气流驱动和磁场驱动等几个方面,汇总了等离子体的调控方法及其调控机制,论述了它们对等离子体位形、动态特性和流动特性的影响;最后,介绍了国内外大尺寸电弧等离子体应用的基本情况及其研究进展,围绕着应用痛点,进一步凝练亟需解决的关键科学技术问题,展望了未来的发展趋势,为电弧等离子体技术的应用升级和新领域应用的拓展提供支持.
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土遗址锚固工程中，压力型锚杆相比于全长粘结拉力型锚杆而言具有高承载力和耐易溶盐侵蚀的优势，但由于此类锚固系统传力机理尚不明确，导致其在实际工程中的应用受到严重制约. 本文将遗址稳定体内锚固段分为弹性压缩段和粘结-滑移段两部分，分别基于线性弹簧和浆体/土体界面粘结-滑移强化型本构建立简化力学模型，对界面粘结-滑移全过程，即弹性阶段、弹性-强化阶段和强化阶段进行理论解析，推导了各阶段对应的位移、应变以及剪应力分布等计算公式，给出了压力型锚杆极限抗拔承载力解析解. 结果表明，峰值荷载前荷载-位移曲线理论值与试验值吻合较好；弹性压缩段占比与锚固长度对荷载-位移关系的影响主要体现在弹性-强化阶段. 参数敏感度分析表明，忽略弹性压缩段影响时，锚固长度与极限承载力线性相关；浆体弹性模量主要影响界面应力随荷载增加时的传递进程，对承载力影响有限；粘结-滑移模型的剪应力峰值对承载力有显著影响. 该解析方法对土遗址压力型锚杆锚固系统传力过程分析具有良好适用性.
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