力学学报 -

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徐万海, 马烨璇

圆柱结构涡激振动现象在生活中十分常见, 如海洋工程中的管道、土木工程中的高耸建筑、桥梁斜拉索, 核工程中的热交换器等频繁受到涡激振动影响, 诱发结构的疲劳损伤, 甚至破坏失效. 现阶段, 人们对垂直来流作用下圆柱结构涡激振动机理已有较为全面的认识. 然而, 当圆柱倾斜置于流场中, 结构后缘的尾流形态与垂直放置差异显著, 结构与流体的耦合作用机理更为复杂. 为简化倾斜圆柱涡激振动问题, 提出了不相关原则, 来流速度被分解为垂直圆柱结构轴向和平行圆柱结构轴向的两个速度分量, 仅考虑垂直结构轴向速度分量的影响, 忽略平行结构轴向速度分量的影响. 近年来, 针对倾斜圆柱涡激振动及不相关原则的适用性, 出现了大量实验和数值模拟研究成果. 为了深化对倾斜圆柱结构涡激振动相关机理的认知, 本文全面阐述了倾斜圆柱结构涡激振动响应规律、尾迹流场模式和流体力特性等方面的研究进展, 分析了不相关原则的适用范围, 探讨了倾斜圆柱结构涡激振动抑制措施, 并对今后该领域的研究进行了力所能及的展望.

2022, 54(10): 2641-2658. doi: 10.6052/0459-1879-22-186

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非线性连续体拓扑优化方法综述

文桂林, 刘杰, 陈梓杰, 魏鹏, 龙凯, 王洪鑫, 荣见华, 谢亿民

连续体拓扑优化方法可以从力学本质上提升结构的性能, 为设计人员提供多样性的创新性设计, 近年来得到了快速发展. 该领域在线性问题上发展已经较为成熟, 已经成功应用到很多工程结构的高性能设计. 但实际工程中会涉及大量非线性问题, 如果将其近似为线性问题, 往往会产生较大误差, 甚至得到错误的结果, 可能会导致重大的工程安全事故. 在航空航天、机械工程、海洋工程、高速列车、建筑工程等重要工程领域需求驱动的背景下, 非线性连续体拓扑优化方法近年来取得了引人注目的进展. 本文系统地综述了涉及材料非线性、几何非线性和边界非线性三种类型的连续体拓扑优化方法, 并对现有典型方法进行讨论和评述. 最后, 指出了非线性连续体拓扑优化方法目前存在的困难(如数值分析精度差、计算效率低、局限于静力学领域等)以及未来的发展方向. (如大变形大应变问题、非线性动力学问题、大规模拓扑优化设计问题等). 本研究综述可为非线性连续体拓扑优化领域的初学者提供较为全面的知识梳理, 同时也为从事相关领域学者提供应有的帮助.

2022, 54(10): 2659-2675. doi: 10.6052/0459-1879-22-179

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弹性波与力学超材料设计与应用专题序

姜恒, 黄国良

超材料是一类由人工微结构单元构筑的复合材料, 具有天然材料所不具备的超常物理性质, 经过多年发展, 超材料已经从电磁领域逐渐拓展到声学、力学、热学、材料学等诸多学科领域, 国内外学者在概念与内涵、理论与设计、制备与应用等各方面都开展了深入探究与应用研究, 产生了深远影响. 相较于传统均质材料的半经验式研究, 超材料从微结构基元精确设计出发, 是未来先进功能材料的创新研究新范式. 弹性波与力学超材料是整个超材料家族的重要组成部分, 近年来受到国内外学者的广泛关注, 已经在结构设计、数学模型建立以及应用等方面取得了丰硕的研究成果.

2022, 54(10): 2676-2677. doi: 10.6052/0459-1879-22-481

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低频弹性波超材料的若干进展

王凯, 周加喜, 蔡昌琦, 徐道临, 文桂林

超材料是一类新兴的具有超常物理性质的人造周期/拟周期材料, 能够改变电磁波、声波以及弹性波等在介质中的传播特性. 因在航天、国防以及民用科学等方面的巨大应用潜力, 超材料自被提出后便受到极大的关注并引发研究热潮. 弹性波超材料是超材料的一种, 能够基于弹性波与超材料结构的相互耦合作用实现对弹性波的操控. 带隙是评估弹性波超材料实现弹性波操控的重要工具, 其性质与超材料的材料参数、晶格常数以及局域振子的固有频率相关. 受制于超材料的承载能力、外观尺寸以及局域振子结构等因素, 利用传统超材料开启低频(约100 Hz)弹性波带隙依然存在较大困难. 文章首先简要介绍超材料开启弹性波带隙的基本原理, 然后从低频弹性波超材料基本结构与低频带隙实现方法、低频带隙优化与调控策略、低频带隙潜在应用等三个方面详细总结低频弹性波超材料的研究工作. 其中, 低频带隙超材料的基本结构主要包括布拉格散射型超材料、传统局域共振型超材料以及准零刚度局域共振超材料. 文章通过总结低频弹性波超材料的研究进展, 分析了目前研究中的不足并对未来低频弹性波的研究方向进行了展望.

2022, 54(10): 2678-2694. doi: 10.6052/0459-1879-22-108

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弯曲波彩虹捕获效应及其在能量俘获中的应用

王芳隆, 沈一舟, 徐艳龙, 周生喜, 杨智春

弹性波在色散关系经过设计的梯度结构中传播时会产生空间分频现象和波场能量增强现象, 即不同频率的弹性波会在结构的不同位置停止向前传播并发生能量聚集, 这就是弹性波彩虹捕获效应. 其相关研究成果可以促进结构健康监测、振动控制以及能量俘获等领域的发展. 本文通过所设计的梯度结构梁, 系统地研究了弯曲波彩虹捕获效应及其在压电能量俘获中的应用. 首先, 利用传递矩阵法获得了梯度结构梁元胞能带结构的解析解, 进而分析了弯曲波彩虹捕获效应的产生机理: 不同频率的弯曲波会在不同元胞附近群速度减小到零, 从而停止向前传播并发生反射; 入射波和反射波的叠加, 以及群速度减小带来的能量聚集, 会显著增强反射处的波场能量. 其次, 通过有限元仿真和实验验证了弯曲波彩虹捕获效应的空间分频现象和波场能量增强现象. 最后, 通过有限元多物理场耦合仿真和实验, 研究了粘贴PVDF压电薄膜的梯度结构梁相对于均匀梁的弯曲波能量俘获效果及其随入射波频率的变化规律. 结果表明, 在弯曲波彩虹捕获效应发生频带内, 粘贴在梯度结构梁上的PVDF压电薄膜的输出电压约为粘贴在均匀梁相应位置处的PVDF压电薄膜的输出电压的2倍.

2022, 54(10): 2695-2707. doi: 10.6052/0459-1879-22-107

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可重构力学超材料的设计与波动特性研究

肖伯雅, 杨洮, 冯亚菲, 刘宇, 徐文帅, 陈猛, 姜恒, 王育人

力学超材料中的弯曲梁双稳态结构由于其主动调控性强且调控精度高等优点近年来受到广泛关注. 文章利用中心受压弯曲梁的不稳定性设计了六角型双稳态结构, 首先建立了等效弯曲梁模型, 基于梁变形微分方程及能量最低原理探明了结构双稳态特性的产生基理, 之后利用有限元数值计算研究了结构几何参数对其整体力学性能的影响, 分别得到了具备自恢复及双稳态性能的结构几何参数范围, 绘制了几何参数与力学性能之间的相图. 同时, 可重构结构的可控变形能力有助于调整整体的色散特性, 利用数值仿真研究了具备双稳态特性的结构在拉伸和压缩两种构型下的色散关系, 对比分析了不同结构几何参数及构型转变对结构产生的带隙位置及范围的影响, 之后对由不同构型单胞组成的周期性结构进行了频响分析来验证带隙计算的准确性. 通过六角型可重构结构的力学特性、色散特性研究及频响分析表明可以通过结构几何参数的设计实现对结构整体性能的主动调控, 为可逆向设计的弹性波超材料结构研究分析提供了一条可靠路径.

2022, 54(10): 2708-2716. doi: 10.6052/0459-1879-22-366

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金字塔点阵圆筒结构轴向弹性波传递特性研究

任怡, 张昊, 张望, 刘海东, 李钊, 张满弓

点阵结构的周期和多孔特征使其相较于普通的实体结构具有轻质、耐冲击、减振降噪和高比强度等优势, 在航空航天和船舰等领域具有十分广泛的应用前景. 本文以金字塔点阵圆筒结构为对象, 根据单胞的宽、高和阵列的个数等独立的结构参数进行参数化建模, 并利用商用有限元软件计算了点阵圆筒结构轴向振动特性. 通过无量纲手段针对归一化频率和相对带宽, 系统研究了单胞的宽、高以及杆件直径等关键参数对减振效果的影响. 根据参数分析的结果, 设计了一种具有低频宽带减振性能的金字塔点阵圆筒结构. 使用增材制造技术制作了样件, 并进行了振动测试实验, 结果表明, 实验和有限元模拟的结果基本一致, 在500~1500 Hz范围内, 结构表现出明显的减振效果, 平均的衰减强度达到了50 dB左右.

2022, 54(10): 2717-2725. doi: 10.6052/0459-1879-22-168

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折纸超材料折展稳态特性研究

王海瑞, 申薛靖, 王宙恒, 贾璐, 李传檑, 朱龙基, 赵丹阳

可折展折纸超材料可通过自身内部微结构连续变形来调控宏观变形, 使其泊松比、刚度、模量等力学性能发生转变. 本文针对新型折纸超材料稳态机理不清晰的问题, 采用扭转弹簧等效法和能量原理, 对折纸超材料在复杂内部构型及折展运动协同作用下的力学行为进行理论研究, 建立超材料构型在折展变形过程中的力学模型, 分析构型几何参数对折展外载荷的影响规律. 通过参数分析发现, 该折纸超材料的外载荷在展开过程中呈现出单调性, 不具有稳态特性. 外载荷在折叠过程中可呈现出单调性、单稳态和双稳态等多种情况, 不同稳态之间的调控与边长比p和q、内角α、折展角$ \theta $和间距尺寸比r等构型参数密切相关, 从而揭示折纸超材料稳态特性的转变机理. 本文对于提高折纸超材料的构型设计及其性能调控具有重要的理论指导意义.

2022, 54(10): 2726-2732. doi: 10.6052/0459-1879-22-356

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增强六手臂缺失支柱手性拉胀超材料力学性能理论研究

朱一林, 江松辉, 于超

前期研究工作中, 基于有限元分析, 作者发展了一种在大变形范围内具有可调恒定负泊松比的新型增强六手臂缺失支柱手性拉胀超材料. 为了揭示微观结构−力学性能关系, 并进一步指导超材料目标参数设计, 本文在小变形框架下基于能量法建立了表征该拉胀材料等效泊松比和弹性模量的理论模型. 增强六手臂缺失支柱手性拉胀材料由“Z”型手臂元件组成. “Z”型手臂可以被假设为两端简支的欧拉−伯努利梁. 因此, 本文首先推导了两端受集中力和力偶的任意形状欧拉−伯努利梁的应变能. 然后, 考虑平衡条件和变形协调条件进一步给出了材料等效泊松比和弹性模量的理论表达式. 研究表明只有“Z”型梁的内外手臂比为2:1时, 理论表达式才有简洁的形式. 为了更好地利用所推导的理论表达, 基于理论推导, 本文开发了MATLAT图形用户界面 (GUI). 在GUI中输入可描述该超材料几何形状的独立几何参数, 即可直接获取其等效泊松比和弹性模量. 最后, 基于理论结果, 系统讨论了超材料微结构几何参数对其等效力学性能的影响, 并将理论解与有限元计算结果进行了对比. 结果表明, 可以通过调控微结构几何参数获取大范围的目标力学性能.

2022, 54(10): 2733-2746. doi: 10.6052/0459-1879-22-188

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一种面向激波噪声计算的加权优化紧致格式及非线性效应分析

李虎, 罗勇, 刘旭亮, 武从海, 韩帅斌, 王益民

在超声速流动中, 激波与湍流结构的相互作用会产生高强度的激波噪声. 激波噪声的高保真计算要求激波捕捉格式具有高阶精度、低耗散和低色散特性, 同时还要尽可能地减弱格式的非线性效应. 现有的六阶精度迎风/对称混合型加权非线性紧致格式CCSSR-HW-6在基于对称模板构造网格中心处的数值通量时引入了两级加权, 且两级加权都需要构造非线性的权系数, 因而非线性效应较强. 本文以修正波数的误差积分函数为优化目标函数, 优化了CCSSR-HW-6格式的非线性特性, 建立了加权优化紧致格式WOCS. 精度验证表明WOCS格式的精度高于5阶. 谱特性分析表明, 与原方法相比, WOCS格式的耗散误差和非线性效应显著降低. 典型激波噪声问题数值实验表明: WOCS格式不仅提高了对高频波的分辨能力, 而且显著地消除了数值解中因格式的非线性效应所导致的非物理振荡.

2022, 54(10): 2747-2759. doi: 10.6052/0459-1879-22-254

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翼反角对高压捕获翼构型亚声速气动特性影响分析研究

常思源, 肖尧, 李广利, 田中伟, 崔凯

高压捕获翼新型气动布局在高超声速设计状态下具有较好的气动性能, 新升力面的引入使其在亚声速条件下也具有较大的升力, 但在亚声速下的稳定特性还有待研究. 基于高压捕获翼气动布局基本原理, 在机身-三角翼组合体上添加单支撑和捕获翼, 设计了一种参数化高压捕获翼概念构型. 以捕获翼和机体三角翼上/下反角为设计变量, 采用均匀试验设计、计算流体力学数值计算方法及Kriging代理模型方法, 研究了0° ~ 10°攻角状态下不同翼反角对高压捕获翼构型亚声速气动特性的影响, 重点分析了升阻特性、纵向和横航向稳定性的变化规律以及流场涡结构等. 结果表明, 小攻角状态下翼反角对升阻比的影响比大攻角更加显著, 捕获翼上反时, 升阻比略微增大, 下反则升阻比减小; 三角翼上反时, 升阻比减小, 下反则升阻比先略微增大后缓慢减小; 翼反角对纵向稳定性的总体影响较小, 捕获翼上反会稍微提高纵向稳定性, 而三角翼上反则会降低纵向稳定性; 捕获翼或三角翼上反都会增强横向稳定性, 下反则减弱横向稳定性, 但大攻角状态时, 三角翼上反角过大对提升横向稳定性作用有限; 捕获翼上反航向稳定性增强, 下反航向稳定性则减弱, 而三角翼下反对提升航向稳定性的整体效果比上反更加显著.

2022, 54(10): 2760-2772. doi: 10.6052/0459-1879-22-217

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振荡潜流带沉积层−水界面污染物输运的研究

陈金峰, 张金龙, 杨文武, 董宇红

潜流带中污染物质交换与输运特性是影响水资源环境的重要问题之一. 本文对底部为高渗透沉积层的三维槽道振荡流高Schmidt数传质问题进行了大涡模拟研究. 采用动力学亚格子模型来封闭滤波后的三维不可压缩Navier-Stokes方程以及污染物输运方程, 同时采用修正的Darcy-Brinkman-Forcheimer模型来描述沉淀有锌离子污染溶质的可渗透沉积层. 通过对沉积层内外流场和浓度场的统计特性以及瞬态结构的分析, 探究了上覆水体中振荡流驱动作用对污染物输运的动力学影响以及扩散率随振荡周期和振荡角的变化规律. 研究结果表明, 浓度通量中的湍流浓度分量在垂向物质交换中起主导作用, 流向、展向速度, 湍流强度和污染物浓度的波动跟随振荡驱动力呈现准周期变化, 同时发现沉积层−水交界面处的湍流浓度通量与法向湍流强度两者之间的变化具有明确的相关性. 并且在较大振荡角和低频振荡的情况下, 沉积层−水交界面处的有效扩散率增大, 这主要是来自于沉积层−水交界面处流体的猝发行为有效促进了湍流混合和物质交换, 进而增强了污染物的垂向输运.

2022, 54(10): 2773-2783. doi: 10.6052/0459-1879-22-227

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离子选择性表面电对流的多块LB模拟

张煜, 李天富, 罗康, 吴健, 易红亮

离子选择性表面(如纳米通道、离子交换膜等)复杂的动力学现象为微纳流控技术的发展提供了新思路. 向带有离子选择性表面的电解质溶液施加电压, 通过液体的电流密度会经历复杂的非线性变化过程; 当电压超过某一临界值时会引发对流现象, 这种流动被称为第二类电渗或离子选择性表面的电对流, 关于此类问题的数值求解引发了大量的研究. 本文提出一种基于多块网格加密的格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method, LBM)的数值模型, 用于模拟第二类电渗流动. 结合该算法, 给出了求解流动、电势和离子浓度的网格信息交换方程, 较好地解决了此类问题中大浓度梯度边界对计算分辨率的要求. 利用该数值模型模拟获得的电流−电压特性曲线先随着电压升高而迅速增大, 随后达到饱和状态, 与理论解吻合良好. 此外, 模拟结果还表明, 当流动发生后, 相对低电压下的流动倾向于形成大涡且流动呈指数趋势增强; 而较大电压则会先激发多个小涡, 并逐渐合并为大涡流动, 且大涡流动有更高的离子输运效率. 此外, 除了模拟离子选择性表面的电对流现象, 本文提出的数值格式还可拓展到其他电流体动力学问题的模拟.

2022, 54(10): 2784-2795. doi: 10.6052/0459-1879-22-161

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广义热弹模型的热力学基础与瞬态响应

吴华, 邹绍华, 徐成辉, 尉亚军, 邓子辰

微纳科技的快速发展与超短脉冲激光技术的广泛运用, 对描述微纳尺度超快热冲击的广义热传导及其热弹耦合理论提出迫切需求. 基于拓展热力学原理, 本文建立了考虑热传导双相滞后效应和高阶热流率的广义热弹耦合理论. 类比于力学领域黏弹性本构关系的串联、并联模型, 并受Green-Naghdi (GN)广义热传导模型启发, 本文提出了热学“弹性”单元和“黏性”单元模型, 并采用串联、并联方法实现了Cattaneo-Vernotte (CV)、GN、双相滞后(DPL)和Moore-Gibson-Thompson (MGT) 热传导模型的重构. 理论推导进一步表明, 本文新建模型对应于热学Burgers模型, 并得到了新模型中各相位滞后中松弛时间之间的比例关系. 运用拉普拉斯变换方法, 研究了一维结构受边界热冲击和移动热源作用下的瞬态响应, 计算结果表明: 新模型克服了热波速度无限大的悖论; 仅有边界热冲击载荷时, 新模型得到的响应结果均较大, 响应范围最小; 相比于无热源作用情形, 受移动热源作用时, 新模型会产生更大的峰值响应. 新模型与经典弹性理论耦合构建了广义热弹性理论, 运用该理论, 可以清晰观察到在热波和弹性波波前的应力突变. 理论方面, 本文推动了拓展热力学与连续介质力学的结合, 对于远离平衡态极端力学基础理论问题的研究具有启发意义; 应用方面, 本文研究结果可为激光等移动热源作用下材料的瞬态响应分析提供理论基础和数值方法.

2022, 54(10): 2796-2807. doi: 10.6052/0459-1879-22-225

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P-CS不确定性量化模型与其性能数据驱动更新方法

何佳琦, 贾晓璇, 吴伟达, 钟杰华, 罗阳军

在实际工程中, 广泛存在大量的不确定性信息, 直接或间接影响着工程结构形式设计、结构性能评估与预测以及在役结构损伤识别等工作的开展与决策. 这些多源不确定性信息往往需要用多种不同的不确定性量化模型加以描述; 与此同时, 不确定性变量在使用过程中可能随时间变化且难以直接测量, 需要间接根据性能测试信息在使用工程中更新不确定性量化模型. 为兼顾上述两个问题, 本文基于等概率变换原则提出了一种P-CS (probability-convex set) 不确定性量化模型, 该模型将不确定性变量用概率随机变量与非概率凸集变量组合表征, 可统一表达概率模型、非概率模型以及非精确概率模型, 实现多源、多类型不确定性的统一量化. 本文进一步基于贝叶斯理论提出了一种针对该P-CS不确定性量化模型的性能数据驱动更新方法. 该更新方法根据性能测试数据信息更新P-CS不确定性量化模型参数取值的信度分布, 从而根据后验信度分布计算得出当前P-CS不确定性量化模型参数集合. 通过数值算例详述了P-CS不确定性量化模型的构建方法与其概率、非概率特性, 并验证了性能数据驱动更新P-CS模型方法的适用性.

2022, 54(10): 2808-2824. doi: 10.6052/0459-1879-22-173

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基于图像四叉树的改进型比例边界有限元法研究

孙立国, 江守燕, 杜成斌

为提高数值计算的精度, 断裂力学问题的数值模拟需要在裂纹扩展的局部区域采用较密的网格, 而远离裂纹扩展的区域可采用较疏的网格, 且对于裂纹扩展问题的数值模拟, 大多数数值方法又存在局部网格重剖分的问题. 论文提出了一种基于图像四叉树的改进型比例边界有限元法用于模拟裂纹扩展问题, 该方法可根据结构域几何外边界的图像全自动进行四叉树网格剖分, 无需任何人工干预, 网格剖分效率极高, 由于比例边界有限元法本身的优势, 四叉树网格的悬挂节点可以直接地视为新的节点, 无需任何特殊处理. 通过引入虚节点的思想, 将裂纹与四叉树单元边界交叉点作为虚节点, 虚节点的自由度作为附加自由度处理, 并采用水平集函数表征材料内部的裂纹面, 含不连续裂纹面的子域可通过节点水平集函数识别, 使得裂纹扩展时无需进行网格重剖分, 界面的几何特征通过比例边界有限元子域的附加自由度表征. 最后, 通过若干算例验证了该方法的性能, 建议的改进型比例边界有限元法在求解复合型应力强度因子和模拟材料内部裂纹扩展路径时均具有较高的精度.

2022, 54(10): 2825-2834. doi: 10.6052/0459-1879-22-189

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水平互层围岩隧道破坏机理及其范围预测模型

王嘉琛, 张顶立, 孙振宇, 方黄城, 刘昌

水平互层围岩因其显著的层理构造, 导致其破坏形式相较于均质围岩有较大区别. 目前针对水平互层围岩的研究集中在单一破坏模式, 未考虑破坏形式的多样性. 为探究水平互层围岩的破坏范围, 首先按其层理面划分为单层围岩进行分析, 将围岩破坏分为拉破坏、楔形剪切破坏和拱形剪切破坏3种典型模式, 分别建立了岩梁受拉分析模型和拱形关键块剪切分析模型进行分析, 提出了相应的破坏准则, 并引入塌落系数和临界高度对不同破坏模式的孕育条件进行研究, 将此方法应用于矿井巷道和隧道工程实例中, 与既有方法进行比较, 验证了单层围岩破坏机理模型的可靠性, 同时代入离层破坏算例中验证其实用性. 并以此为基础, 结合破坏范围层间连续条件和破坏休止条件建立水平互层围岩破坏预测模型, 将上述水平互层围岩破坏模型应用于补连塔矿巷道实例. 结果表明本文预测的水平互层围岩破坏范围与数值模拟结果、真实塌落情况吻合较好. 研究成果可为水平互层围岩隧道支护方案设计提供理论基础.

2022, 54(10): 2835-2849. doi: 10.6052/0459-1879-22-133

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基于Welch法的协方差随机子空间方法的模态参数识别

李雪艳, 官宇航, 罗铭涛, 吴博宇

对工程结构进行环境激励下的模态参数识别具有重要意义, 而随机子空间法作为适合环境激励下模态参数识别的时域方法, 由于噪声和复杂激励的原因, 会产生虚假模态、真实模态遗漏、系统自动定阶难和计算效率等问题, 这些问题阻碍了该方法在实际工程中的广泛应用. 本文提出了基于Welch法的随机子空间方法, 通过Welch法对振动响应在频域进行去噪、降低环境激励和其他不确定性因素影响的处理, 把结构固有模态从噪声和激励频率中突显出来, 形成富含更多结构模态的Toeplitz矩阵, 然后进行奇异值分解和状态矩阵计算, 最后进行特征值分析. 为了实现自动定阶, 对不同奇异值分量构建的状态矩阵得到的特征参数, 进行模糊C均值聚类分析和模态的平均相位偏移分析, 剔除虚假模态, 实现结构模态参数的自动识别. 并把本文所提出方法应用于一座大跨悬索桥的实测加速度响应分析, 和一座七十层的高层建筑的加速度响应分析, 跟频域分解法、传统随机子空间法和基于相关分析的随机子空间法的计算结果进行了比较, 发现基于Welch方法的随机子空间法相比于传统随机子空间法和基于相关分析的随机子空间法, 在避免模态遗漏和计算效率方面有显著提高, 而相对于频域分解法则在自动识别和剔除虚假模态方面有明显优势.

2022, 54(10): 2850-2860. doi: 10.6052/0459-1879-22-256

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基于有限时间收敛的双臂空间机器人捕获卫星主动对接力/位姿阻抗控制

朱安, 陈力

针对双臂空间机器人捕获卫星主动对接力/位姿阻抗控制进行了研究. 为防止捕获过程中机械臂末端执行器与卫星接触、碰撞时产生的冲击载荷对机器人关节造成冲击破坏, 在各关节电机与机械臂之间加入了一种弹簧阻尼缓冲机构. 该机构可通过弹簧实现冲击力矩的卸载, 阻尼器则用于因弹簧引起的柔性振动的抑制. 为解决捕获过程中的非完整动力学约束及捕获后混合体系统的协调控制问题, 结合牛顿第三定律、捕获点的速度约束及闭链几何约束, 获得捕获后混合体系统的动力学方程, 且通过动量守恒关系计算碰撞冲击效应与碰撞冲击力. 通过分析对接装置在载体坐标系下的运动学关系, 建立对接装置相对载体的运动雅可比矩阵, 并基于此建立基于力的二阶线性阻抗模型, 实现对接装置输出力的精确控制. 考虑到主动对接操作过程要求控制器具有收敛速度快, 控制精度高的特点, 通过结合终端滑模与超扭滑模的特点, 提出一种非奇异快速终端滑模阻抗控制策略. 该策略即能实现主动对接操作中位姿与输出力的快速响应, 又能有效地抑制滑模的抖振以保证控制精度. 通过Lyapunov定理证明系统的稳定性; 利用数值模拟验证缓冲装置的抗冲击性能及所提阻抗控制策略的有效性.

2022, 54(10): 2861-2873. doi: 10.6052/0459-1879-22-224

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具有时滞的帕金森模型的振荡动力学分析

陈国泰, 郑艳红, 易丹, 曾巧云

研究大脑基底神经节中产生异常β振荡的起源有助于分析帕金森病的致病机理. 本文系统地研究了改进的皮质−基底神经节(E-I-STN-GPe-GPi)共振模型的振荡动力学. 首先, 通过Routh-Hurwitz准则和稳定性理论获得了该模型局部平衡点处的稳定性与Hopf分岔发生的条件, 并且推导出该共振模型存在Hopf分岔的时滞参数范围. 研究发现, 增加突触传输时滞能够使模型产生Hopf分岔, 并且诱导β振荡的产生, 使系统在健康和帕金森病这两个状态之间相互转换. 其次, 揭示了β振荡的产生与丘脑底核相关的突触连接强度有关. 数值模拟发现, 当丘脑底核同时受到兴奋性神经元集群和苍白球外侧较强的促进作用时, 丘脑底核产生振荡. 最后, 分析了与苍白球内侧有关的参数对其产生振荡的影响, 研究结果发现, 当较小的苍白球外侧突触连接强度和较大的突触传输时滞共同作用时, 苍白球内侧更容易发生振荡, 且振幅越来越大. 希望本文对E-I-STN-GPe-GPi共振模型的动力学特征的研究有助于人们理解帕金森病的致病机理和揭示帕金森病异常β振荡的来源.

2022, 54(10): 2874-2882. doi: 10.6052/0459-1879-22-307

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变质量力学系统的广义高斯原理及其对高阶非完整系统的推广

张毅, 陈欣雨

变分原理具有极大的概括性, 可分为微分的和积分的, Gauss原理是微分形式的变分原理. 在现有的微分变分原理中, 只有Gauss原理具有极值特性, 它可表示为拘束函数的Gauss变分等于零. 利用Gauss原理可以直接通过求函数极值的方法获得质点系的运动规律, 因此Gauss原理在复杂系统的动力学建模以及近似计算等方面发挥其独特作用, 例如机器人的设计与分析、非线性振动方程的近似解以及多体系统动力学等. 本文研究变质量力学系统的广义Gauss原理及其对高阶非完整力学的推广. 首先, 建立变质量力学系统的Gauss最小拘束原理, 并通过构建修正的拘束函数, 将原理推广到二阶线性非完整约束系统. 其次, 提出变质量力学系统任意阶情形下的广义Gauss原理, 在此基础上建立广义Gauss最小拘束原理, 并通过构建广义拘束函数, 将原理推广应用于变质量高阶非完整约束系统. 研究表明: 对具有双面理想约束的变质量高阶非完整力学系统, 在每一瞬时$k$次加速度空间所有与约束相容的可能加速度之中, 真实运动的加速度使广义拘束函数在$k$次Gauss变分下取得极小值. 文末应用广义Gauss最小拘束原理导出沿粗糙水平面作惯性运动的燃烧匀质圆球和变质量Hamel问题的运动微分方程.

2022, 54(10): 2883-2891. doi: 10.6052/0459-1879-22-202

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两套节点格林元嵌入式离散裂缝模型数值模拟方法

程林松, 杜旭林, 饶翔, 曹仁义, 贾品

对于原始嵌入式离散裂缝模型(EDFM), 在计算包含裂缝单元的基质网格内的压力分布时采用了线性分布假设, 这导致了油藏开发早期对非稳态窜流量的计算精度不足. 因此, 本文提出了一种两套节点格林元法的EDFM数值模拟方法. 两套节点格林元法的核心思想是将压力节点与流量节点区分开, 一套压力节点设置在单元顶点, 另一套流量节点设置在网格边的中点, 满足局部物质守恒、具有二阶精度的同时, 可适用于任意网格类型. 本文将两套节点格林元法与EDFM耦合, 采用了非稳态渗流控制方程的边界积分形式推导了基质网格与裂缝网格之间传质量的新格式, 代替了线性分布假设以提高模拟精度; 此外, 修正后的EDFM能适应任意形态的基质网格剖分, 拓展了原始EDFM仅适用于矩形基质网格、难以考虑复杂油藏边界的局限性. 研究表明: 通过对比商业模拟软件tNavigator^® LGR模块与原始EDFM, 验证了本文模型具有较高的早期计算精度; 以复杂油藏边界−缝网−SRV分区模型为例, 通过对比SFEM-COMSOL商业模拟软件, 验证了本文模型处理复杂问题的适应性. 本文研究可用于裂缝性油藏开发动态的精确模拟.

2022, 54(10): 2892-2903. doi: 10.6052/0459-1879-22-250

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LNG耐超低温柔性管道研究进展综述—工业应用与结构设计分析

杨亮, 刘淼儿, 范嘉堃, 李方遒, 英玺蓬, 步宇峰, 曹慧鑫, 张凯仑, 杨建业, 杨志勋

LNG (液化天然气)耐超低温柔性管道是开采、运输、存储LNG过程中的关键装备之一, 被誉为是LNG外输系统的“血管”. 近年来, 随着LNG的开发逐渐由近海走向深远海, 耐超低温柔性管道作为LNG外输系统中的核心输运装备迎来了更加广阔的发展前景, 同时也面临着由更加严苛的海洋环境带来的结构失效的挑战. 本文针对LNG耐超低温柔性管道的工程应用背景、结构设计、内流分析等方面进行了调研与综述, 总结了LNG耐超低温柔性管道上述各项技术的研究进展. 分析了LNG耐超低温柔性管道的波纹管状结构、螺旋缠绕结构和高分子材料的柔顺性结构特征的力学机理, 总结了实现柔顺性结构的方法, 梳理了LNG耐超低温柔性管道管内流体计算分析的规律, 并对LNG耐超低温柔性管道相关技术的未来研究热点提出了展望. 我国在LNG耐超低温柔性管道相关技术的研究工作中起步相对较晚, 突破LNG耐超低温柔性管道的结构设计分析与工业应用中的关键力学问题, 实现LNG耐超低温柔性管道的国产化研制, 对于实现我国深远海天然气资源开发的“卡脖子”技术的自主可控, 助力“碳达峰”国家战略目标的实现具有重要意义.

2022, 54(10): 2904-2921. doi: 10.6052/0459-1879-22-115

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基于SHAP-RF框架的越野车辆路面识别算法研究

赵健, 刘彦辰, 朱冰, 李扬, 李雅欣, 孔德成, 姜泓屹

根据越野车辆在不同路面上行驶时的动力学响应特征, 可以实现路面类型的在线识别, 为面向路面特征调整底盘控制子系统参数从而获取更好的行驶性能奠定基础. 但越野环境地面特征复杂, 车辆响应机理分析困难, 给基于车辆动力学响应进行路面准确识别带来挑战. 提出了一种SHAP-RF路面识别算法设计框架, 通过SHAP (Shapley additive explanations)模型解释方法实现高维随机森林(random forest, RF)路面识别模型的降维化: 首先采集了试验车在压实土路、沙地、良好沥青路与冰雪路4种路面上的行驶数据并计算了3个次级行驶特征; 进一步计算了行驶数据的共计105个时域特征和频域特征, 并以此为输入特征建立了高维随机森林路面识别模型; 利用SHAP解释法分析高维模型输入特征对识别结果的影响从而提炼出各个特征与路面类型的关联性, 完成特征筛选; 最后, 利用筛选后的特征设计降维随机森林路面分类器. 基于实车数据的算法验证试验表明, 设计的降维路面识别模型对4种路面的识别精确率在94%以上, 召回率在93%以上, 相比高维的随机森林路面识别模型, 各种路面上的精确率和召回率最大降幅不超过3.2%, 证明本文提出的SHAP-RF路面识别算法设计框架能够在选用较少特征的情况下依然保证车辆行驶路面类别的准确识别.

2022, 54(10): 2922-2935. doi: 10.6052/0459-1879-22-229

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