力学学报 -

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张鑫, 王勋年

正弦交流介质阻挡放电等离子体流动控制技术是基于等离子体激励的主动流动控制技术, 具有响应时间短、结构简单、能耗低、不需要额外气源装置等优点, 在飞行器增升减阻、抑振降噪、助燃防冰等方面具有广阔的应用前景. 针对“激励器消耗的大部分能量尚未被挖掘利用、诱导流场的完整演化过程尚未完全掌握、诱导流场的演化机制尚不明确”这三方面问题, 本文首先从激励器诱导流场的空间结构、时空演化过程、演化机制三个方面回顾总结了激励器诱导流场的研究进展. 在诱导流场空间结构方面, 发现了高电压激励下诱导射流的湍流特性, 辨析了壁面拟序结构与无量纲激励参数之间的关联机制; 从激励器诱导声能方面挖掘出了激励器潜在的能量, 发现了“等离子体诱导超声波与诱导声流”的新现象, 提出了声激励机制; 在时空演化过程方面, 阐明了激励器诱导流场从薄型壁射流发展为“拱形”射流、再演变为启动涡, 最终形成准定常射流的完整演化过程; 在演化机制方面, 结合声学特性提出了以“升推”为主的诱导流场演化机制. 其次, 围绕激励器诱导流场, 进一步凝练出下一步研究重点, 为突破等离子体流动控制技术瓶颈, 打通“概念创新—技术突破—演示验证”的创新链路, 实现工程应用提供支撑.

2023, 55(2): 285-298. doi: 10.6052/0459-1879-22-377

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基于POD和代理模型的静气动弹性分析方法

李凯, 杨静媛, 高传强, 叶坤, 张伟伟

静气动弹性问题考虑弹性结构与定常气动力间的相互耦合作用, 对飞行器的性能和安全具有显著的影响. 在现代飞行器设计阶段, 计算流体力学(CFD)/计算结构力学(CSD)直接耦合方法是精确考察静气动弹性影响的重要手段. 然而, 基于CFD技术的气动力仿真手段在耦合过程中计算量大且耗时长, 难以满足设计阶段的需求. 因此, 为了兼顾计算精度与效率, 文章采用本征正交分解(POD)和Kriging代理模型相结合的模型降阶方法, 替代CFD求解过程并耦合有限元分析(FEA)方法, 建立了高效、准确的静气动弹性分析框架. 相较于传统的以模态法为主的静气动弹性分析方法, 该方法能够解决更为复杂的静气动弹性问题以及提供静气动弹性变形过程中的气动分布载荷. 针对典型三维跨声速HIRENASD机翼模型开展的马赫数、迎角变化的算例验证表明: 由建立的静气动弹性分析方法与CFD/CSD直接耦合方法计算得到机翼翼梢处的静变形量间的相对误差在5%以内; 同时该方法预测静平衡位置处的气动分布载荷的误差在5%以内, 静气动弹性分析的计算效率至少提升了6倍.

2023, 55(2): 299-308. doi: 10.6052/0459-1879-22-523

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高速弹丸诱导斜爆轰激波结构实验研究

尚甲豪, 胡国暾, 汪球, 王业军, 张坤, 项高翔, 赵伟, 魏炳忱

斜爆轰推进系统在高超声速推进领域具有广阔的应用前景, 其释热迅速、比冲高、燃烧室结构简单的优点吸引研究人员的持续关注. 然而, 斜爆轰的地面试验同时涉及到高速试验环境模拟、燃料与氧化剂混合、高温燃烧流场结构测量等技术难点, 当前国内外系统的试验研究仍然十分有限, 难以支撑斜爆轰发动机的研制. 为了研究自持传播的斜爆轰激波结构与波面流动特性, 基于爆轰驱动二级轻气炮开展了高速弹丸诱导斜爆轰实验研究, 使用直径30 mm球头圆柱形弹丸发射进入充满氢/氧可燃混合气体的实验舱中以起爆斜爆轰波, 并采用两种阴影技术对实验流动结构进行测量. 实验中在不同速度、不同充气压力下观察到三种弹丸诱导激波结构, 即激波诱导燃烧、弹丸起爆爆轰波和相对弹丸驻定的斜爆轰波, 实验舱充气压力下降则会造成爆轰横波尺度增加与波面流动失稳. 实验中, 斜爆轰激波角与理论分析结果吻合较好, 弹丸气动不稳定带来较大的弹丸攻角会对激波角测量带来一定偏差. 通过对斜爆轰波波面法向传播速度的测量发现, 随着远离弹丸, 斜爆轰传播速度由弹丸飞行速度衰减至接近实验气体CJ速度, 弹丸速度的降低会加速斜爆轰波传播速度的衰减.

2023, 55(2): 309-317. doi: 10.6052/0459-1879-22-536

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舵几何特征对桨−舵系统尾流场演化的影响

张维鹏, 任建新, 郭航, 王子斌, 胡健

发生在桨和舵之间的干扰会影响螺旋桨尾流的演化, 导致尾流场中的湍流在下游增强, 恶化船舶的振动和噪声性能, 深入分析舵几何参数对桨−舵系统尾流场演化的影响能够为推进器尾流场的调节和减振降噪提供新思路. 因此, 从弦长、剖面和梯形舵入手分析不同的舵几何参数对螺旋桨尾流场演化特性的影响, 使用大漩涡模拟方法模拟流场中的湍流结构, 对不同舵弦长、剖面下的螺旋桨尾涡结构演化进行了分析, 在舵弦长、剖面影响螺旋桨尾流场演化的研究的基础上分析了梯形舵对螺旋桨尾涡结构的影响, 进一步分析了梯形舵影响下的螺旋桨尾流场中湍动能的分布. 结果表明舵的弦长和剖面均会影响螺旋桨尾流场的演化, 这种影响表现为更大的弦长和更厚的剖面会促进螺旋桨梢涡在舵压力面上的偏移, 更薄的舵剖面会带来更强烈的螺旋桨毂涡偏移; 涡管轮廓和舵表面脉动压力的对比均表明梯形舵会促进螺旋桨尾流场沿逆舵梯度方向偏移, 从而导致螺旋桨的尾涡结构在舵两侧及下游呈现不对称分布, 桨−舵系统下游的湍流结构与螺旋桨尾涡−舵碰撞过程、螺旋桨尾涡−舵随边涡干扰过程、螺旋桨梢涡−螺旋桨毂涡干扰有关, 偏移更大的螺旋桨尾涡结构会在尾流场中更早地引起湍动能增强.

2023, 55(2): 318-329. doi: 10.6052/0459-1879-22-552

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波纹壁对高超声速平板边界层稳定性的影响

王昊鹏, 袁先旭, 陈曦, 刘姝怡, 赖江, 刘晓东

高超声速边界层转捩会使飞行器表面热流和摩阻增加3 ~ 5倍, 极大影响高超声速飞行器的性能. 波纹壁作为一种可能的推迟边界层转捩的被动控制方法, 具有较强的工程应用前景. 文章研究了不同高度和安装位置的波纹壁对来流马赫数6.5的平板边界层稳定性的影响. 采用直接数值模拟(DNS)得到层流场, 并在上游分别引入不同频率的吹吸扰动以研究波纹壁对扰动演化的作用. 对于不同位置的波纹壁, 探究了其与同步点相对位置对其作用效果的影响, 与相同工况下光滑平板的扰动演化结果进行了对比, 发现当快慢模态同步点位于波纹壁上游时, 波纹壁会对该频率的第二模态扰动起到抑制作用. 当同步点位于波纹壁之中或者下游时, 波纹壁对扰动的作用可能因为存在两种不同的机制而使得结果较为复杂. 对于不同高度波纹壁, 发现高度较低的波纹壁, 其作用效果强弱与波纹壁高度成正相关, 而更高的波纹壁则会减弱其作用效果. 与DNS结果相比, 线性稳定性理论可以定性预测波纹壁对高频吹吸扰动的作用, 但在波纹壁附近的强非平行性区域误差较大.

2023, 55(2): 330-342. doi: 10.6052/0459-1879-22-327

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扩张尾裙对跨介质航行器高速入水转平弹道特性影响

刘喜燕, 罗凯, 袁绪龙, 任伟

扩张尾裙是影响跨介质航行器高速入水转平弹道及其稳定性的关键因素. 采用流体体积多相流模型和动网格技术, 建立了跨介质超空泡航行器高速入水多相流场弹道耦合计算方法, 并通过试验验证了计算方法的准确性和适用性. 通过对跨介质航行器高速入水转平过程进行数值模拟研究, 获得尾裙外形对航行器入水转平过程中空泡发展形态、流体动力特性与弹道特性的影响, 并分析尾裙扩张角度对高速入水转平弹道的影响规律. 结果表明: 不同预置舵角下的无尾裙外形航行器在入水转平过程中, 攻角持续增大, 最终导致弹道发散, 带尾裙外形航行器在入水后尾裙沾湿形成了恢复力矩, 获得了稳定的入水转平弹道; 设计的1.5°, 6°, 8°尾裙角度的航行器形成了稳定滑水、单侧尾拍以及双侧尾拍3种弹道特征, 且均能实现稳定高速入水转平弹道; 稳定滑水弹道原理为预置舵角与尾裙滑水耦合作用下达到的动态平衡, 该弹道综合阻力系数最小, 转弯效率最高, 动载荷最小, 是跨介质航行器高速入水的理想弹道转平形式.

2023, 55(2): 343-354. doi: 10.6052/0459-1879-22-427

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基于改进LBM的气液自发渗吸过程中动态润湿效应模拟

张晟庭, 李靖, 陈掌星, 张涛, 吴克柳, 冯东, 毕剑飞, 朱上

微通道内气液自发渗吸是广泛发生在自然界及诸多工业领域的物理现象, 而动态接触角是影响整个渗吸过程的关键因素. 针对该问题, 本文使用改进的伪势多相流格子玻尔兹曼方法(LBM), 直接捕捉微通道内气液自发渗吸过程中的实时接触角, 并分析接触角的动态变化特性及其对渗吸长度的影响. 首先, 本文在原始的伪势多相流LBM的基础上耦合Peng-Robinson (PR)状态方程, 改进流体−流体作用力以及流−固作用力格式, 并采用精确差分方法将外力添加至LBM框架中. 然后, 通过校准模型的热力学一致性, 模拟测试界面张力, 静态平衡接触角等界面现象验证了模型的准确性. 最后, 基于建立的模拟方法, 在水平方向上模拟微通道内气液自发渗吸过程. 结果表明: 渗吸过程中的接触角呈现动态变化特征, 在渗吸初期, 因受到惯性力的影响存在较大波动; 随着渗吸距离的增大, 其逐渐减小并趋近于静态平衡接触角. 渗吸过程中的接触角与微通道尺寸及静态接触角有关, 随着微通道宽度增大, 实时的动态接触角与静态接触角相差大; 随着静态接触角增大, 实时的动态接触角与静态接触角的相差增大. 此外, 忽略动态接触角的Lucas-Washburn (LW) 方程所预测的弯液面位置与模拟结果存在一定偏差, 利用模拟得到实时动态接触角数据可以直接用于校正LW方程, 校正后的LW方程预测的弯液面位置与模拟结果基本一致.

2023, 55(2): 355-368. doi: 10.6052/0459-1879-22-409

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非饱和颗粒材料的多孔连续体有效压力与有效广义Biot应力

李锡夔, 张松鸽, 楚锡华

多孔连续体理论框架下的非饱和多孔介质广义有效压力定义和Bishop参数的定量表达式长期以来存在争议, 这也影响了对与其直接相关联的非饱和多孔介质广义Biot有效应力的正确预测. 基于随时间演变的离散固体颗粒−双联液桥−液膜体系描述的Voronoi胞元模型, 利用由模型获得的非饱和颗粒材料表征元中水力-力学介观结构和响应信息, 文章定义了低饱和度多孔介质局部材料点的有效内状态变量: 非饱和多孔连续体的广义Biot有效应力和有效压力, 导出了其表达式. 所导出的有效压力公式表明, 非饱和多孔连续体的有效压力张量为各向异性, 它不仅对非饱和多孔连续体广义Biot有效应力张量的静水应力分量的影响呈各向异性, 同时也对其剪切应力分量有影响. 文章表明, 非饱和多孔连续体中提出的广义Biot理论和双变量理论的基本缺陷在于它们均假定反映非混和两相孔隙流体对固相骨架水力−力学效应的有效压力张量为各向同性. 此外, 为定义各向同性有效压力张量和作为加权系数而引入的Bishop参数并不包含对非饱和多孔连续体中局部材料点水力−力学响应具有十分重要效应的基质吸力. 所导出的非饱和多孔介质广义Biot有效应力和有效压力公式(包括反映有效压力各向同性效应的有效Bishop参数)可在以协同计算均匀化方法为代表的非饱和颗粒材料计算多尺度方法中上传到在宏观非饱和多孔连续体设置了表征元的局部材料点.

2023, 55(2): 369-380. doi: 10.6052/0459-1879-22-407

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基于近场动力学的薄板弯曲大变形及断裂分析

申国哲, 王瑞阳, 夏阳, 郑国君

薄板结构仅在较小的荷载下就能产生较大的位移、旋转, 甚至引发结构产生裂纹并扩展, 进而发生结构整体断裂, 因此, 建立薄板结构在大变形过程中的裂纹扩展及断裂仿真模型, 具有重要的工程实际意义. 文章建立了用于薄板结构几何大变形和断裂分析的近场动力学(PD)和连续介质力学(CCM)耦合模型. 首先基于冯·卡门假设, 采用更新的拉格朗日法得到薄板在几何大变形增量步下的虚应变能密度增量公式, 并利用虚功原理和均质化假设求出几何大变形微梁键的本构模型参数; 接着分别建立几何大变形薄板PD模型与CCM模型的虚应变能密度增量, 并建立了薄板几何大变形PD-CCM耦合模型; 最后模拟了薄板结构在横向变形作用下的渐进断裂过程, 得到与实验结果高度一致的仿真结果, 验证了所提出的几何非线性PD-CCM耦合模型的精度. 结果表明: 本文所提出的薄板PD-CCM耦合模型具有简单高效, 无需考虑材料参数限制和边界效应的特点, 可以很好地用于预测薄板结构在几何大变形过程中的局部损伤和结构断裂, 有利于薄板结构的断裂安全评价和理论发展.

2023, 55(2): 381-389. doi: 10.6052/0459-1879-22-519

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基于结构化变形驱动的非局部宏−微观损伤模型的真II型裂纹模拟

任宇东, 陈建兵, 卢广达

II型载荷作用下裂纹变形模式也为II型的破坏问题称为真II型破坏. 准确定量地把握真II型破坏的全过程是具有挑战性的问题. 本文采用结构化变形驱动的非局部宏−微观损伤模型对真II型破坏问题进行了模拟. 根据结构化变形理论将点偶的非局部应变分解为弹性应变与结构化应变两部分, 进而利用Cauchy-Born准则与结构化应变计算点偶的结构化正伸长量. 在本文中, 结构化应变取为非局部应变的偏量部分. 当点偶的结构化正伸长量超过临界伸长量时, 微细观损伤开始在点偶层次发展. 将微细观损伤在作用域中进行加权求和得到拓扑损伤, 并通过能量退化函数将其嵌入到连续介质−损伤力学框架中进行数值求解. 进一步地, 本文采用Gauss-Lobatto积分格式计算点偶的非局部应变, 将积分点数目降低到4个, 显著降低了前处理和非线性分析的计算成本. 通过对II型加载下裂尖应变场的分析揭示了采用偏应变作为结构化应变的原因. 对两个典型真II型破坏问题的模拟结果表明, 本文方法不仅可以把握II型加载下的真II型裂纹扩展模式, 同时可以定量刻画加载过程中的载荷−变形曲线, 且不具有网格敏感性. 最后指出了需要进一步研究的问题.

2023, 55(2): 390-402. doi: 10.6052/0459-1879-22-280

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钢筋混凝土界面的近场动力学方法

路德春, 高一鑫, 王国盛, 宋志强, 杜修力

近场动力学方法已被广泛用于钢筋混凝土的开裂破坏研究, 传统近场动力学方法的控制方程与参数是基于同种均质材料的能量方程确定, 在处理不同种材料之间的相互作用时, 无法合理反映其界面的力学行为. 针对这一问题, 通过分析钢筋混凝土界面的黏结−滑移机理, 提出了近场动力学界面区材料点的相互作用模型, 发展了考虑钢筋混凝土界面黏结的键基近场动力学方法. 基于键基近场动力学与连续介质力学的能量密度等效方法, 提出了界面微弹性参数的确定方法; 根据钢筋肋间混凝土的应力分布规律, 获得界面材料点域半径与受限楔体半径的等效关系; 利用界面黏结−滑移曲线峰值应力对应的滑移变形, 给出了界面临界拉伸常数确定方法. 通过与2组钢筋混凝土构件的拉拔试验对比, 验证了发展的界面近场动力学方法, 并开展了不同条件下钢筋混凝土构件的数值试验. 结果表明, 发展的近场动力方法能够合理反映钢筋直径、锚固长度、混凝土强度以及肋间距对钢筋混凝土界面黏结行为的影响, 体现了所提方法的合理性与优越性.

2023, 55(2): 403-416. doi: 10.6052/0459-1879-22-470

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橡胶材料弹性的一种新的螺旋管模型

魏志刚, 陈海波, 罗仲龙, 胡文锋

建立统计力学模型正确描述材料微观结构与宏观力学特性之间的关系是软物质类材料的最大挑战之一, 已有的橡胶材料统计模型尚存在一些不足. 文章根据橡胶类材料宏观各向同性、连续均匀和不可压缩特性, 结合分子链的非高斯统计模型, 提出一种橡胶材料网络结构的力学特性模型. 该模型将代表体元上对应点之间的传力路径用一个类螺旋管区域约束的分子链子网络来描述, 螺旋管的表面随材料的宏观变形做仿射变形, 分子链子网络由方向和长度随机的分子链或链段首尾链接而成, 在此基础上由分子链的熵推导出描述材料宏观力学特性的本构关系. 通过大量的材料测试数据对本构模型进行拟合验证, 拟合结果表明该模型具有非常好的精度, 并且在采用两个参数时模型具有非常高的可靠性, 仅用单轴拉伸实验数据拟合模型就能准确预测全部3类实验数据. 该模型使用了仿射的弯曲管假设, 能从微观结构尺度上说明材料的不可压缩特性, 避免了直管模型的近似性, 为微观尺度的随机性和宏观的均匀性的联系提出一个新的模型.

2023, 55(2): 417-432. doi: 10.6052/0459-1879-22-435

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高承载梯度分层点阵结构的拓扑优化设计方法

黄垲轩, 丁喆, 张严, 李小白

随着增材制造技术的迅速发展, 点阵结构由于其高比强度、高比刚度等优异力学性能受到广泛关注, 但其单胞分布设计大多基于均布式假设, 导致其承载能力相对较差. 基于拓扑优化技术提出了一种梯度分层的点阵结构设计方法. 首先, 基于水平集函数建立点阵单胞几何构型的显式描述模型, 引入形状插值技术实现点阵单胞的梯度构型生成; 其次, 构建基于Kriging的梯度点阵单胞宏观等效力学属性预测模型, 建立宏观有限单元密度与微观点阵单胞等效力学属性的内在联系; 然后, 以点阵结构刚度最大为优化目标, 结构材料用量和力学控制方程为约束条件, 构建点阵结构的梯度分层拓扑优化模型, 并采用OC算法进行数值求解. 算例结果表明, 所提方法可实现点阵结构的最优梯度分层设计, 充分提高了点阵结构的承载性能, 同时可保证不同梯度点阵单胞之间的几何连续性. 最后, 开展梯度分层点阵结构与传统均匀点阵结构和线性梯度点阵结构的准静态压缩仿真分析, 仿真结果表明, 与传统均匀点阵结构和线性梯度点阵结构相比, 梯度分层点阵结构的承载能力明显提高. 研究结果可为高承载点阵结构设计提供理论参考.

2023, 55(2): 433-444. doi: 10.6052/0459-1879-22-363

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仿鸡脖子刚柔耦合结构的仿生机理及大变形建模

瞿怡鹏, 孙秀婷, 徐鉴

观察表明, 禽类颈部普遍具有刚柔耦合的特点, 在运动过程中, 可以辅助身体运动, 使得头部产生大变形. 在机器人、航空航天等领域普遍需要具有大变形、变刚度等特征的结构实现相关功能. 受禽类脖子结构的启发, 提出了一种仿鸡脖子刚柔耦合结构, 阐明仿鸡脖子的仿生机理并建立大变形模型. 首先, 从鸡颈部的生物解剖出发, 发现仿鸡脖子结构势必具有多自由度刚柔耦合的特征, 因此, 根据鸡脖子骨骼的构型构造出单节仿生标准单元, 根据肌肉的连接方式厘清节间弹性连接, 建立起仿鸡脖子刚柔耦合结构的力学模型; 然后, 通过定义连接矩阵描述节间弹性元件的分布和作用, 由此得到任意运动下的标准单元的力平衡方程; 最后, 选取了几种具有代表性的工况, 通过有限元分析验证理论建模方法的准确性并展示结构的非线性变刚度特征;在4种典型平面弯曲工况下得到不同变形与发力肌肉群的对应关系. 文章提出的仿鸡脖子刚柔耦合结构建模具有仿生机理清晰、适合大变形计算及结构具有非线性刚度特征等特点, 也解释了禽类颈部变形机理.

2023, 55(2): 445-461. doi: 10.6052/0459-1879-22-553

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轮对非线性动力学模型稳定性和分岔特性研究

王鹏, 杨绍普, 刘永强, 刘鹏飞, 赵义伟, 张兴

为了探究轮对系统的横向失稳问题, 考虑了陀螺效应和一系悬挂阻尼的影响作用, 建立非线性轮轨接触关系的轮对动力学模型, 研究轮对系统的蛇行稳定性、Hopf分岔特性及迁移转化机理. 通过稳定性判据获得了轮对系统失稳临界速度. 采用中心流形定理和规范型方法对轮对动力学模型进行化简, 得到与轮对系统分岔特性相同的一维复变量方程, 理论推导求得轮对系统的第一Lyapunov系数的表达式, 根据其符号即可判断轮对系统的Hopf分岔类型. 讨论了不同参数对轮对系统Hopf分岔临界速度的影响, 探究了轮对系统的超临界、亚临界Hopf分岔域在二维参数空间的分布规律. 利用数值模拟得到轮对系统的3种典型Hopf分岔图, 验证了轮对系统超临界、亚临界Hopf分岔域分布规律的正确性. 结果表明, 轮对系统的临界速度随着等效锥度的增大而减小, 随着一系悬挂的纵向刚度和纵向阻尼的增大而增大, 随着纵向蠕滑系数的增大呈先增大后减小. 系统参数变化会引起轮对系统Hopf分岔类型发生改变, 即亚临界与超临界Hopf分岔相互迁移转化. 轮对系统Hopf分岔域在二维参数空间的分布规律对于轮对系统参数匹配和优化设计具有一定的指导意义.

2023, 55(2): 462-475. doi: 10.6052/0459-1879-22-469

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燃料大幅晃动等几何分析仿真及航天器耦合动力学研究

于嘉瑞, 岳宝增, 李晓玉

现代航天器肩负许多周期长且复杂的航天任务, 通常需要携带大量的液体燃料. 贮箱中液体燃料大幅晃动会严重影响航天器的姿态稳定性和控制精度, 是现代航天器耦合动力学建模和精确控制研究的重要问题. 本文提出了一种新的液体大幅晃动数值仿真方法, 采用等几何分析方法对贮箱内气体和液体整体进行建模和空间离散, 采用压力修正的分步法对控制方程进行时间离散, 结合水平集方法划分气体和液体区域并且实时追踪液体晃动自由面. 提出了一种质量修正方法以消除水平集函数演化产生的液体质量误差. 基于燃料大幅晃动等几何分析仿真方法, 对携带太阳能帆板的充液航天器进行动力学建模和耦合运动数值仿真. 对于太阳能帆板的振动问题则采用Kirchhoff-Love板理论建模和模态分析法数值求解. 通过将数值仿真结果与解析解对比, 证明了本文给出方法的正确性. 本文还对燃料大幅晃动下的航天器刚−液−柔耦合运动进行了数值仿真, 发现液体晃动对航天器的姿态变化和结构振动的幅值和频率具有不可忽视的影响.

2023, 55(2): 476-486. doi: 10.6052/0459-1879-22-539

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基于非均匀梁模型的二维柔性机翼固有振动分析

黄可, 张家应, 王青云

变体飞行器通过光滑连续的结构变形改变气动特性, 从而提高飞行器的飞行性能, 具有很大的应用前景. 由于这类新概念飞行器主要通过改变自身结构形状以获得最佳工作性能的需求, 因此具有变形大、质量轻等特点, 较容易发生结构振动响应. 本文研究了一种以柔性变后缘作为变体形式的二维柔性机翼等效建模方法, 基于非均匀梁模型假设, 建立了该柔性翼的动力学模型. 通过利用Frobenius方法得到解析解及固有频率, 并用有限元方法进行对比验证, 发现前4阶固有频率的误差均在1%以内, 每阶固有频率对应的振型一致. 通过3D打印工程塑料ABS和硅胶蒙皮材料制备了柔性机翼结构件, 并通过动态测量法和拉伸试验分别测定了打印材料和硅胶蒙皮材料的杨氏模量, 搭建振动响应实验平台对制备的柔性机翼试验件进行振动试验. 对比发现模型振动试验获得的基频与理论模型结果一致, 并与有限元方法误差在3%以内. 本文通过理论分析和实验验证, 建立了二维柔性机翼等效建模方法, 研究结果将为柔性变后缘结构动力学特性分析及其控制应用方面提供理论支持.

2023, 55(2): 487-496. doi: 10.6052/0459-1879-22-551

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关节混合空间控制下的冗余绳驱并联机器人绳力分布特性分析

秦志伟, 刘振, 高海波, 孙光耀, 孙聪, 邓宗全

绳驱并联机器人是由绳索代替刚性杆件的一类特殊机器人, 其中绳索具有只能承受拉力而不能承受压力的特点, 冗余绳驱并联机器人的绳力分配问题是一个难点. 在关节混合空间控制中, 将冗余的绳索组合采用绳力控制, 而其余绳索进行绳长控制. 因为不同的绳索组合可能导致不同的控制效果, 本研究旨在解决关节混合空间控制条件下, 力控绳索组合的选择问题. 以二冗余绳驱并联机器人为例, 通过向量空间基变换方法, 实现了冗余绳驱系统绳力在拉力索张力空间的表达. 基于拉力索张力空间, 计算了绳力控制绳索组合的对称最大误差带, 用于找到合适的绳索组合用于力控. 使用多体动力学仿真手段, 对关节混合空间的控制效果和对称最大误差带解析解计算方法的正确性进行了模拟验证. 在同时考虑绳长和绳力控制误差的条件下, 发现当选择不合适的绳索组合时, 绳力误差会被显著放大, 说明了本文针对绳力分布特性分析的意义. 本文提出的对称最大误差带概念同时也为关节混合空间控制策略下的绳力控制器设计提供指导.

2023, 55(2): 497-508. doi: 10.6052/0459-1879-22-463

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骨骼肌生物力学特性多尺度建模与仿真

王沫楠, 姜国栋, 刘峰杰

针对肌纤维微观结构模型与显微镜下观察的图像存在一定差异、微观组分生物力学模型无法有效捕获骨骼肌剪切变形时的力学行为、骨骼肌多尺度数值模型计算成本高的问题, 本文从实验、多尺度建模和仿真的角度研究骨骼肌被动力学特性, 提出以曲边泰森多边形作为肌纤维截面形状, 并建立骨骼肌微观尺度代表性体元RVE; 提出新的生物力学模型(MMA模型), 并将MMA模型作为肌纤维和结缔组织生物力学模型, MMA模型采用完全的应变不变量${I}_{4},\;{I}_{5},\;{I}_{6}和{I}_{7}$, 使骨骼肌的剪切行为从材料属性层面得以体现; 结合骨骼肌力学实验结果、RVE模型、肌纤维和结缔组织的生物力学模型, 建立骨骼肌多尺度数值模型. 根据实验结果确定生物力学模型参数, 通过多尺度均匀化方法实现微观尺度和宏观尺度之间的连接, 最终获得骨骼肌宏观力学行为, 通过纵向拉伸、横向拉伸、平面外纵向剪切和平面内剪切4种变形形式的仿真结果验证骨骼肌多尺度数值模型的收敛性. 研究了生物力学模型中模型参数、肌纤维体积分数和肌纤维结构对骨骼肌宏观力学行为的影响, 最后通过实验验证多尺度数值模型的有效性. 本文骨骼肌多尺度数值模型不仅能够用于研究骨骼肌微观因素对宏观力学行为的影响, 也可用于研究疾病对骨骼肌生物力学特性的影响及模拟骨骼肌重塑和再生.

2023, 55(2): 509-531. doi: 10.6052/0459-1879-22-496

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基于人工神经网络的非均匀固相应力模型

吴雪岩, 李煜, 谢妍妍, 李飞, 陈昇

最小多尺度理论EMMS已经被引入多相质点网格法MP-PIC中, 建立了非均匀EMMS固相应力模型. 但现有的非均匀固相应力模型计算中, 中间步骤繁琐且花费时间长. 采用人工拟合的方式能获得非均匀固相应力表达式, 但需要人为确定拟合变量和拟合函数, 且针对于非均匀固相应力这种高度非线性函数所得到的拟合精度不高、用于MP-PIC模拟的结果相比原EMMS固相应力模型结果存在偏差. 针对上述问题, 本文提出通过机器学习的方法, 规避对固相体积分数的局部分布情况的表征, 并提出和建立能考虑颗粒浓度详细分布的人工神经网络ANN固相应力模型. 首先, 基于局部颗粒浓度和颗粒非均匀分布指数建立了双变量的ANN固相应力模型; 进一步将当前网格及其周边网格颗粒浓度组成的序列来详细表征颗粒浓度分布, 并建立相应的ANN固相应力模型. 然后, 将两种模型与EMMS固相应力模型进行了对比并测试了网格分辨率和粗化率对模型的影响. 研究表明: 基于ANN固相应力模型的模拟结果对EMMS固相应力模型结果有较高的还原度, 同时具有一定的网格分辨率无关性和粗化率无关性.

2023, 55(2): 532-542. doi: 10.6052/0459-1879-22-511

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变开度岩体裂隙多相渗流实验与有效渗透率模型

胡冉, 钟翰贤, 陈益峰

岩体裂隙的有效渗透率是描述岩体非饱和或多相渗流的关键参数, 而裂隙开度是影响有效渗透率的重要因素. 通过自主研发的粗糙裂隙多相渗流可视化实验平台, 针对天然岩体裂隙复制而成的裂隙模型开展变开度条件下的多相渗流可视化实验, 研究开度变化对多相渗流流动结构以及有效渗透率的影响. 研究表明: 非湿润相流体运动通道, 在低流量比条件下呈现出气泡流流动结构, 而在高流量比条件下呈现较为稳定的通道流流动结构. 随着开度的增加, 非湿润相流动通道的分支变少、等效宽度增加, 两相流体的有效渗透率均增大, 流动结构趋于稳定. 可视化结果还阐明了柱塞流流动结构下, 两相流体交替占据裂隙空间的竞争机制: 当非湿润相流体通道由连续转变为不连续时, 裂隙进出口压差显著增加; 反之, 当该通道由不连续转变为连续时, 压差显著减小. 最后, 基于分形理论以及渗透率统计建模方法, 建立了考虑开度效应的岩体裂隙多相渗流有效渗透率理论模型, 并通过实验测定的有效渗透率数据验证了该模型的正确性与有效性.

2023, 55(2): 543-553. doi: 10.6052/0459-1879-22-500

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小管径管翅式换热器气压胀接成形机理研究

郑智跃, 蒋占四, 丁泽良, 杜王芳, 李凯, 陈雪

管翅式换热器是制冷行业中最常用的换热器形式, 其换热管的胀接性能决定了换热器的传热性能. 本文提出了管翅式换热器的三维流−固耦合模型, 采用单向流固耦合瞬态数值模拟方法, 对小管径管翅式换热器的流体和固体域的流动和变形特征开展了数值研究. 计算结果表明: 根据换热管和翅片的胀接成形要求和胀后管径要求, 气压胀接压力的合理范围为P = 12.5 MPa, 与理论公式推导值一致. 根据管翅应力随时间变化的规律可知, 换热管接头处应力远大于其屈服极限66 MPa, 翅片接头处应力刚好略大于其屈服极限132 MPa, 满足胀接成形要求. 胀后的换热管直径随着压力的增加其管径增大, 换热管的径向位移在水平方向较小, 垂直方向较大, 其最大和最小位移差约为0.03 mm. 探究了管翅间残余接触压力随胀接压力的变化, 残余接触压力随胀接压力的变化可分为三个阶段. 结果表明当胀接压力使得翅片内孔发生屈服后, 继续增大胀接压力会导致胀接不完全. 最后研究了保压时间的影响, 结果表明保压时间的增加对胀接效果并没有明显影响. 相关结果可为工程实际中小管径管翅式换热器气压胀接工艺提供理论指导.

2023, 55(2): 554-563. doi: 10.6052/0459-1879-22-482

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2023 年 2 期目录

2023, 55(2): 1-2.

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