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2023年  第55卷  第4期

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研究综述
神经动力学研究进展和若干思考
韩芳, 王青云
神经动力学是动力学与控制学科的基础性分支, 属于力学与脑科学、智能科学的国际前沿交叉学科领域, 主要是通过动力学与控制的基本理论和方法, 建立合理的模型来探究神经系统电生理动力学行为和脑认知功能的机理. 近年来, 国内外学者在神经动力学的基础研究方面取得了显著成果, 包括神经元和神经元网络动力学行为的深入研究、大脑不同功能结构的建模分析以及神经疾病关联脑区的网络动力学建模与控制等. 本文首先对国内外神经动力学研究领域取得的进展做了较全面的概括分析, 特别是给出了建模方面的发展历程. 进而, 基于解析生物神经网络及其动力学的研究成果, 对神经动力学未来的研究方向提出了一些思考展望, 期望神经动力学的研究将助力具备较强可解释性和泛化能力的类脑智能原理和方法的突破及在重大工程中的应用.
2023, 55(4): 805-813. doi: 10.6052/0459-1879-22-404
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流体力学
逆壁射流中射流剪切层内湍流结构特性的实验研究
刘宇陆, 王宇泽, 李家骅, 陶亦舟, 邱翔
采用粒子图像测速技术对逆壁射流全流场进行了实验测量, 射流与主流的速度比为$ 8.89 $, 基于射流圆管内径的雷诺数为$9127$. 主要关注射流剪切层内不同流向位置湍流的统计特性变化, 包括尺度特性和结构特性. 对射流中心线上不同流向位置的脉动速度场统计分析发现: 在$ x/D = 30\sim 43 $, 受反馈机制影响, Q1和Q4事件占据主导地位. 在驻点附近($ x/D = 43\sim 50 $)的区域Q3事件为主导事件. 对射流剪切层内湍流结构的平均空间尺度进行分析, 在$ x/D = 0\sim 37 $总尺度向射流下游发展呈增长趋势, 在$ x/D = 37\sim 46 $总尺度几乎不变, $ x/D = 46\sim 51 $总尺度向射流下游发展呈减小趋势. 在$ x/D = 35 $之前, 参考点上游尺度与下游尺度近似. 在$ x/D = 35\sim 41 $, 参考点下游尺度大于上游尺度. 在$ x/D = 41\sim 51 $, 参考点下游尺度小于上游尺度. 利用频域上的本征正交分解方法对湍流结构进行了定量分析, 发现模态能量集中在低频, 流场中能量最大的模态频率为$fD/{U_j} = 0.000\;5$, 出现在再循环区. 频率为$fD/{U_j} = 0.002\;6$的第一阶模态说明射流发生偏转时与主流相互作用产生了湍流结构, 并且沿再循环区外围输运. 高频结构的构型是类似的, 均位于射流剪切层内, 且频率越高, 越接近射流出口, 尺度越小.
2023, 55(4): 814-823. doi: 10.6052/0459-1879-22-533
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微槽−吸气组合控制平板边界层多模态稳定性研究
巩耕, 胡伟波, 武健辉, 涂国华, 陈坚强
边界层转捩会使高超声速飞行器壁面摩阻和热流显著增加, 因此在高超声速飞行器设计过程中往往占据重要地位. 针对高超声速飞行器多模态转捩控制问题, 提出了微槽道(1 mm)与边界层吸气的组合控制方法, 并通过直接数值模拟和线性稳定性理论研究了Ma = 4.5平板边界层的稳定性及组合控制效果. 边界层在无控状态时, 同时存在失稳的第一、二模态波, 且二维第二模态波最不稳定; 单纯施加微槽道控制时, 边界层第二模态波会被抑制但第一模态波会被略微激发. 对比而言, 采用“微槽−吸气”组合控制后, 不仅增强了对第二模态波的抑制效果, 而且减弱了第一模态波的激发程度; 同时随着吸气强度的增加, 第二模态波不稳定区域明显收缩、频率显著增高, 而第一模态波则变化不明显. 相较于单纯的微槽道, 吸气增强了“微槽吸收”与“声波散射”作用, 因此中等吸气强度下该组合控制方法对第一和第二模态波的增长率分别实现了12.63%和28.02%的抑制效果. 以上结果表明“微槽−吸气”组合控制手段具有适用宽频、布置区域灵活的优点, 展现出了一定的多模态控制效果.
2023, 55(4): 824-834. doi: 10.6052/0459-1879-22-530
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近壁泊肃叶流中活性粒子迁移规律研究
许晓飞, 王炯哲, 童松豪, 刘凤霞, 魏炜, 刘志军
研究活性粒子在剪切流中的迁移规律对实现颗粒分离和过程强化均具有重要意义. 基于耗散粒子动力学理论, 建立了描述微通道内近壁泊肃叶流中活性粒子迁移运动的数学模型, 考察了活性粒子圆周运动角速度、手性诱导角速度、直行运动速度和转向扩散系数对大肠杆菌和常规活性粒子横向迁移速度和受迫转向频率的影响规律, 并确定近壁剪切流中活性粒子横向迁移的形成机制. 结果表明, 近壁剪切流场中大肠杆菌的横向迁移速度随剪切速率增大先快速增加继而趋于稳定; 大肠杆菌横向迁移速度随圆周运动角速度增大而减小, 随手性诱导角速度、直行运动速度和转向扩散系数的增大而增大; 大肠杆菌的受迫转向频率受圆周运动角速度、直行运动速度和转向扩散系数的影响小, 而随手性诱导角速度的增大而加快; 相比大肠杆菌, 常规活性粒子横向迁移速度显著减小、受迫转向频率明显变慢, 二者受直行运动速度和转向扩散系数的影响规律与大肠杆菌类似. 直行运动是活性粒子形成横向迁移运动的前提, 其他运动参数和结构参数均可一定程度促进或抑制活性粒子在近壁剪切流场中的横向迁移.
2023, 55(4): 835-844. doi: 10.6052/0459-1879-22-558
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波浪与新型双排开孔圆筒防波堤相互作用三维数值模拟
邓斌, 尹龙斌, 黄姣凤, 熊凯, 蒋昌波
双排开孔圆筒防波堤是基于圆筒、板式结构的一种复合式新型结构型式; 基于不可压缩两相流模型建立三维数值波浪水槽, 通过RNG k-ε湍流模型进行湍流封闭, 并采用TruVOF方法捕捉自由液面, 开展波浪与双排开孔圆筒防波堤相互作用数值模拟, 探究相对排间距、开孔率对新型双排开孔圆筒防波堤消浪性能的影响, 分析了后排开孔圆筒防波堤附近的复杂水动力现象和流动特性. 结果表明, 在本文研究工况范围内, 沿程平均波高随相对排间距的增大先增大后减小, 随开孔率的增大而增大, 周期对沿程平均波高的影响没有明显规律; 当B/D = 9, e = 23.11%时, 新型双排开孔圆筒防波堤消浪效果最优, 反射系数在0.4 ~ 0.46之间, 透射系数在0.3 ~ 0.35之间, 耗散系数在0.8 ~ 0.85之间; 自由液面破碎、水气掺混、环状涡运动演化是新型双排开孔圆筒防波堤紊动耗能消波的主要原因; 相对排间距会引起后排防波堤附近涡量分布以及剪切层形态的变化, 从而导致不同的紊动特性, 影响双排开孔圆筒防波堤消浪特性. 研究结果可以为新型双排开孔圆筒防波堤工程设计与消浪机理研究提供理论支撑.
2023, 55(4): 845-857. doi: 10.6052/0459-1879-22-545
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鲹科模式鱼体自主前游的标度律研究
高天宇, 余永亮, 鲍麟
鲹科鱼类采用波状摆动可以实现非常高效的巡游游动, 在受力动态平衡下以很高的速度向前游动, 其性能远超传统的人造水下航行器, 因此, 探寻鱼体自主前游状态下流体力和前游速度的规律并建立相应的预测式具有重要的意义. 在开源OpenFOAM平台和柔性体自主推进算法基础上, 实现了波动鱼体自主游动的数值模拟, 以NACA0012翼型为典型鱼体外形, 对鲹科模式前向自主游动开展了系统的数值模拟. 由已获得的栓结模型下推力标度律的启发, 分别对自主巡游下的压差力系数和摩阻力系数进行标度研究. 结果表明在雷诺数从500到50000的范围内, 压差力系数和摩阻力系数分别具有形式一致的标度规律, 由此可根据数值结果给出定量的预测公式, 进而根据两作用力的匹配关系可以导出鱼体自主前游速度的标度律, 获得了根据已知的鱼体波动参数来预估巡游速度的方法. 此外, 探讨了雷诺数为500和50000工况, 不同摆尾幅度和频率组合下, 鱼体厚弦比对于巡游的水动力标度律和前游速度的影响, 并分析了不同鱼体外形对效能比的影响, 发现雷诺数越高, 获得最优效能比的鱼体越细长.
2023, 55(4): 858-873. doi: 10.6052/0459-1879-22-567
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鸟类羽毛在气流中变形的力学特性研究
吴康灵, 叶正寅, 叶坤, 洪正
鸟类羽毛在飞行中的物理性质是仿生力学关心的重要问题之一. 基于CFD/CSD数值模拟方法研究了羽毛微结构在气流作用下的变形和力学特征, 揭示了鸟类静止时羽毛蓬松、而在飞行状态下紧贴皮肤表面保持表面光滑的物理机制. 首先, 通过对鸟类羽毛在显微镜下的观察, 将羽毛分解成典型简单微结构以模仿羽枝单元, 从而对羽毛外形和结构进行建模, 之后, 采用CFD/CSD方法分析比较了两种典型羽枝模型结构(片状和枝状羽枝单元)的变形和力学特征, 最后, 基于上述片状羽枝模型进一步研究了来流方向对羽枝变形的影响机理及多根排列羽枝的变形和力学特征. 结果表明: 在一定风向的范围内, 羽毛在气流下都具有保持紧贴皮肤表面的变形趋势, 这种紧贴壁面的趋势只有在气流与羽轴几乎垂直时才会改变; 在来流侧滑角为$ 45^\circ $时, 羽枝沿皮肤表面法向下压的变形最为显著, 尖端位移达原始高度的约97%; 多根排列的羽枝在顺流方向气动载荷逐渐下降, 与迎风首根羽枝最大差距约11%. 此研究工作对于理解鸟类飞行时羽毛的力学特性有明确的学术价值.
2023, 55(4): 874-884. doi: 10.6052/0459-1879-22-520
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固体力学
拉扭耦合作用下柱形纤维与基底的界面黏附性能研究
徐荣强, 彭志龙, 陈少华
受壁虎刚毛可逆黏附性能的启发, 本文建立了单根弹性圆柱纤维与刚性基底黏附接触的理论和数值模型, 同时考虑了拉伸和扭转载荷的耦合作用及纤维半径对界面黏附性能的影响. 研究发现耦合载荷作用下柱形纤维同样存在一个临界半径, 当纤维半径小于该临界尺寸时, 界面应力达到均匀的理论强度分布, 接触边界应力集中消失, 出现缺陷不敏感现象; 当纤维半径大于该临界尺寸时, 界面以裂纹扩展而失效. 在耦合载荷作用下纤维的临界半径小于纯拉伸而大于纯扭转时的临界尺寸, 且该临界半径随着施加扭转载荷的增大而减小. 表明在纯拉伸载荷下使界面黏附强度达到最优的柱形纤维, 在拉伸和扭转载荷耦合作用下, 由于界面失效形式的转变使界面易发生脱黏, 并且界面脱黏时的拉脱力随着扭转载荷的增大而减小, 理论和数值结果一致. 本文结果进一步应用揭示了壁虎可以通过调控施加在其最小黏附单元上的载荷形式实现纯拉伸载荷下强黏附及耦合载荷下易脱黏的力学机制.
2023, 55(4): 885-894. doi: 10.6052/0459-1879-23-050
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耗散系统的虚功变分不等式及其应用
冯晔, 李杰
对于保守系统, 能量变分原理为推导力学系统控制方程提供了简洁的途径. 对于耗散系统, 控制方程的建立往往需要引入经验的或理性的假定, 增大了建模的难度. 针对耗散系统, 引入系统局部稳定的概念, 并在此基础上, 提出一类虚功变分不等式. 这一不等式事实上揭示了耗散系统的一类虚功不等原理. 该原理的物理含义为: 使系统状态稳定的必要条件是, 在该状态附近所有可能的虚拟路径上系统释放的势能不大于系统耗散的能量. 研究表明: 仅需结合虚功不等原理和能量守恒原理, 即可导出准静态系统力学状态量的全部控制方程. 作为应用, 文章重新讨论了塑性力学, 结合虚功不等原理与能量守恒原理, 导出经典塑性力学的全部控制方程, 并证明了经典的最大塑性耗散原理可以作为虚功不等原理的推论导出; 同时, 以Mohr-Coulomb强度准则为例, 讨论了虚功不等原理在强度理论中的应用, 说明基于应力的强度准则可以是基于能量的稳定性准则的推论. 上述例子说明了虚功不等原理的广泛适用性和在建立耗散系统控制方程中的有效性.
2023, 55(4): 895-902. doi: 10.6052/0459-1879-23-006
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动力损伤后的脆性岩石静力蠕变断裂模型研究
李晓照, 张骐烁, 柴博聪, 戚承志
应力波动力扰动下脆性岩石的静力蠕变特性, 对深部地下工程围岩变形的评价有重要的实践意义. 动力载荷作用导致的局部细观裂纹损伤严重影响脆性岩石蠕变力学行为. 基于细观裂纹扩展与应力关系模型、动力扰动损伤演化函数、静动力载荷演化路径函数与黏弹性本构模型, 提出一种应力波动力扰动下脆性岩石蠕变断裂特性的宏细观力学模型. 其中动力损伤通过控制岩石内部细观裂纹数量变化实现. 模型描述了应力波动力扰动下岩石的应变时间演化曲线, 解释了岩石动力扰动下蠕变失效特性. 研究了不同应力波幅值及周期影响下的脆性岩石应变−时间关系曲线, 并通过试验结果验证了模型的合理性. 讨论了动力损伤变化形式, 突变发生时刻, 突变量的大小对岩石蠕变失效特性的影响. 分析了应力波幅值、周期对岩石动态动力损伤效应以及蠕变失效特性的影响. 主要研究结果: 动力损伤的变化值越大, 岩石蠕变失效发生时间越短. 冲击载荷扰动期间, 动力损伤发生的时刻及增加的形式, 对动力扰动后的岩石应变及蠕变破坏时间影响很小. 动力损伤变化量随应力波幅值增加、周期减小而加速增大. 应力波幅值越大、周期越小, 岩石发生蠕变失效时间越短.
2023, 55(4): 903-914. doi: 10.6052/0459-1879-22-597
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水下爆炸作用下基于声学的爆源子结构输入方法
王丕光, 卢冉冉, 闫秋实, 李述涛, 杜修力
无限域吸收边界和爆炸波输入是水下爆炸载荷数值模拟的两个关键问题. 本文借鉴基于内部子结构的地震波动输入方法和爆源子结构多尺度分析方法, 考虑水下爆炸载荷与地震载荷同属于波动问题, 提出一种水下爆炸作用下爆源子结构的爆炸波输入方法, 该方法首先通过对爆源区域进行水下爆炸波自由场的波场分解, 并利用地震波的内部子结构输入方法, 将该自由波场运动转换为等效爆炸波输入载荷, 从而实现了水下爆炸问题中冲击波的输入; 本文采用圆形爆源子结构区域, 并采用AUTODYN软件中一维自由场模型计算水下爆炸作用下该区域的自由波场压力时程. 进一步, 基于连分式近似方法提出了一种模拟无限域水体辐射效应的高精度时域人工边界条件, 该吸收边界可设置于离结构和爆源子结构较近处. 本文提出的分析方法通过圆形爆源子结构进行水下爆炸载荷的转化, 并采用高精度吸收边界大大减少计算区域, 既保证了计算精度, 又降低了单元数量, 具有较高的计算效率和较强的实用性. 通过数值算例分析, 验证了本文模型与方法的准确性, 模拟了水下爆炸作用下的冲击波和气泡脉动阶段测点的压力时程曲线, 并研究了圆形结构对水下近场爆炸波散射效应的影响规律.
2023, 55(4): 915-924. doi: 10.6052/0459-1879-22-450
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基于“AM-GoogLeNet + BP”联合数据驱动的混凝土细观模型压缩应力−应变曲线预测
刘溢凡, 张杰, 张新宇, 王志勇, 王志华
本文结合GoogLeNet卷积神经网络和BP神经网络分别在图像数据挖掘和数据分析方面的良好性能, 采用“AM-GoogLeNet + BP”联合数据驱动方法, 对混凝土细观模型(含砂浆、骨料及孔隙)的单轴压缩应力−应变曲线进行了有效预测. 通过引入力学参量对图像数据驱动的训练结果进行优化, 从而提升了神经网络的物理可解释性. 基于Python语言实现混凝土细观模型在Abaqus中的自动建模及细观图像生成过程, 并将生成的细观图像数据库与相应的压缩应力−应变曲线作为训练数据集. 在GoogLeNet中分别引入SENet, ECANet和CBAM三种代表性注意力机制并对三种注意力机制的性能进行对比和分析, 以自适应方式提升神经网络对混凝土各相组分的分析能力, 并以此得到混凝土细观模型的初步应力−应变预测曲线; 将骨料体积分数、孔隙率及初步峰值应力等物理参量作为输入引入BP神经网络以改善峰值应力的预测精度, 并与将物理参量直接引入卷积神经网络输入层的方法进行了对比, 最后定量给出了骨料体积分数和孔隙率对峰值应力的影响权重. 结果表明, 对于不同骨料体积分数及孔隙率的混凝土细观模型, 该方法均展现了较高的预测精度. 本文采用的“AM-GoogLeNet + BP”联合数据驱动预测模型从统计角度解决了传统方法对细观尺度参量分析的复杂性, 为复合材料的跨尺度力学行为研究提供了新思路.
2023, 55(4): 925-938. doi: 10.6052/0459-1879-22-506
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有限周期微穿孔波纹板吸声体吸声性能研究
邱纪成, 王晓明, 梅玉林
为了推动微穿孔吸声体(MPA)在工程中的实际应用, 本文采用数值仿真方法, 研究了有限尺寸的微穿孔波纹板吸声体的吸声性能. 首先, 基于微穿孔板阻抗理论, 并将平面波谱法和有限元分析方法耦合起来, 构造了微穿孔波纹板吸声体(CMPA)的三维仿真模型, 给出了在声波垂直入射和斜入射工况下, 吸声体声学性能的计算列式; 然后, 应用有限元软件COMSOL, 模拟了有限周期CMPA的吸声性能, 分析了波纹深度和波纹间距与吸声性能之间的关系, 以及声波入射方向对吸声性能的影响; 最后, 为改善吸声体对声波方向的敏感性, 设计了双向波纹状微穿孔板吸声体. 结果表明, 在声波垂直入射和斜入射的工况下, 相对于传统的平直微穿孔板吸声体, 波纹板吸声体具有更好的吸声性能, 包括更高的吸声系数和更宽的有效吸声频带; 双向波纹板吸声体能显著改善单向波纹板对声波入射方向的敏感性, 实现在更大声波入射角范围内的有效吸声, 如当入射声波方位角任意且入射角在0° ~ 45°范围内时, 双向波纹板吸声体, 在500 ~ 2500 Hz范围内的吸声系数都大于0.7, 表现出了优良的吸声性能.
2023, 55(4): 939-953. doi: 10.6052/0459-1879-22-526
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动力学与控制
时滞耦合质量摆动力吸振器减振系统的等峰优化理论与实验
王长利, 赵艳影
摆式调谐质量阻尼器因其便于安装、维修、更换, 且经济实用, 广泛应用于结构减振. 它通过将摆的自振频率调谐到接近主系统的控制频率, 使摆产生与主系统相反的振动, 从而抑制或消除主系统的振动. 本文通过对主系统无阻尼的被动减振系统和主系统有阻尼的时滞反馈主动减振系统进行多目标优化设计, 实现了对主系统幅频响应曲线的等峰控制和共振峰与反共振峰差值的有效控制. 首先, 建立了时滞耦合质量摆动力吸振器减振系统的力学模型和振动微分方程, 通过对主系统无阻尼的被动减振系统进行等峰优化, 获得了减振系统的最优频率比和质量摆的最优阻尼比. 对于主系统存在阻尼的被动减振系统, 在该优化参数下主系统的幅频响应曲线等峰优化失效. 其次, 对于主系统存在阻尼的时滞反馈优化控制系统, 采用CTCR方法得到了反馈增益系数和时滞的稳定区域. 在保证系统稳定的前提下, 通过调节反馈增益系数和时滞量两个控制参数能够实现对主系统幅频响应曲线的等峰控制. 再次, 对共振点处主系统振幅放大因子时滞敏感度和反馈增益系数敏感度进行分析, 表明共振点幅值对反馈增益系数比对时滞更为敏感. 最后, 通过实验分别在频域和时域内对理论结果进行了验证. 研究表明, 通过采用时滞反馈对摆式调谐质量阻尼减振系统进行等峰优化控制, 在较宽的频率区间内抑制了主系统的振幅; 通过控制共振峰和反共振峰的差值, 保证了幅频响应曲线的平坦性.
2023, 55(4): 954-971. doi: 10.6052/0459-1879-23-026
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具有组合非线性阻尼的非线性能量阱振动抑制响应分析
张运法, 孔宪仁
非线性能量阱是一种振动能量吸收装置, 其在结构振动抑制中具有十分重要的作用. 文章对具有组合非线性阻尼非线性能量阱的系统进行振动抑制相关的分析. 首先对具有组合非线性阻尼非线性能量阱的系统进行理论模型的描述, 对系统模型的运动方程利用复变量平均法进行推导, 得到系统的慢变方程. 其次对系统的慢变方程运用多尺度法进行强调制响应的分析, 通过对系统进行慢不变流形和相轨迹的研究, 描述系统强调制响应发生的条件基础. 此外, 还利用一维映射对系统进行分析, 揭示外激励幅值对强调制响应存在时频率失谐系数取值区间的影响规律. 最后利用能量谱、时间响应和庞加莱映射对耦合组合非线性阻尼非线性能量阱系统进行了振动抑制的相关研究, 揭示组合非线性阻尼的非线性能量阱不同阻尼比、阻尼和刚度对其振动抑制效果的影响规律, 得出组合非线性阻尼非线性能量阱和主结构响应存在一致性的现象, 并验证所提出的组合非线性阻尼非线性能量阱模型具有较好的振动抑制能力.
2023, 55(4): 972-981. doi: 10.6052/0459-1879-22-563
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基于无量纲分析的法向恢复系数模型研究
马佳, 揭豪, 白梦昊, 彭静, 陈辉, 陈得良
作为描述接触碰撞过程能量损失的重要参量, 恢复系数的深入研究对于提升现有接触碰撞力模型预测性能、准确描述接触碰撞现象, 并进一步探明其对机械系统整体动态特性影响规律方面具有重要作用. 鉴于现有恢复系数模型计算精度的局限性, 本文基于无量纲分析方法, 提出了一种考虑材料特性与初始碰撞速度的新型恢复系数模型. 具体实施过程如下: 首先, 利用有限元软件ABAQUS建立弹性球−理想弹塑性基底法向接触碰撞数值仿真模型, 分别从最小网格尺寸设置与接触碰撞能量转换角度验证了所建模型的有效性; 基于此模型开展多工况下的数值模拟研究, 分析不同材料弹塑性参数与初始碰撞速度对接触碰撞响应的影响; 在此基础上, 引入无量纲化参数E*/$(\rho v_{{\rm{nc}}}^{2})$与σy/E*, 寻找恢复系数与弹塑性参数及初始碰撞速度间的函数关系; 进一步结合Johnson塑性碰撞理论, 反向推算获取屈服速度与材料属性的映射关系, 最终建立无量纲化恢复系数新模型; 通过与低速试验数据、高速有限元模拟结果的对比, 验证了新模型的预测精度和泛化性能.
2023, 55(4): 982-990. doi: 10.6052/0459-1879-22-583
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并行加速的局部变分迭代法及其轨道计算应用
王昌涛, 代洪华, 张哲, 汪雪川, 岳晓奎
为满足航天工程对轨道计算精度和实时性的高要求, 近年来发展出了可以通过大步长积分修正实现快速精确求解的积分修正类方法. 积分修正类方法有可并行计算的特点, 然而在串行计算环境下会受到计算资源的限制, 无法充分发挥其可并行加速的优势. 此外, 合理的计算参数通常难以预先确定, 也使积分修正类方法大步长快速计算的优势难以充分体现. 针对以上问题, 利用积分修正类方法可并行计算的特点, 提出了并行加速的局部变分迭代法PA-LVIM, 通过将传统局部变分迭代法LVIM的并行计算量均摊到多个计算节点上, 显著提高了计算速度. 此外, 还使用根据系统状态二阶导数分布确定计算参数的打磨法优化了PA-LVIM的计算参数, 进一步发挥了其大步长快速计算的优势. 求解了三个经典的轨道递推问题, 仿真结果表明, PA-LVIM的加速效果明显, 且经打磨法优化计算参数后, 其计算效率又进一步得到提高, 将当前主流方法的计算效率提高了5倍以上.
2023, 55(4): 991-1003. doi: 10.6052/0459-1879-22-592
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高速列车磁流变半主动悬挂控制策略研究
王鹏, 杨绍普, 刘永强, 刘鹏飞, 赵义伟
为了提高列车运行平稳性, 在经典的天棚控制和加速度控制的基础上, 提出了一种新型混合控制策略, 对高速列车磁流变半主动悬挂控制系统进行了仿真和实验研究. 首先, 对磁流变阻尼器(MRD)的力学特性测试分析, 引入具有电流饱和特性的修正函数, 建立了MRD的修正扩展双曲正切模型. 然后, 设计了面向列车平稳性的新型混合控制策略, 通过分析车体加速度传递特性, 比较了不同控制策略在全频域内的控制效果. 此外, 从相频特性的角度阐释了新型混合控制策略在全频段的控制优势. 将MRD修正模型应用于悬挂控制, 利用UM和Simulink软件建立了整车磁流变半主动悬挂控制系统联合仿真模型, 分析不同控制策略对车辆动力学性能的影响. 最后, 构建了基于MRD的整车悬挂系统硬件在环实验台, 通过开展硬件在环实验分析不同控制策略下的车体响应. 结果表明, 相比传统的控制策略, 新型混合控制策略能兼顾低频段和高频段的振动控制效果, 不仅可以提高列车的运行平稳性, 而且不会恶化列车的运行安全性. 硬件在环实验证明了新型混合控制策略的有效性, 以及高速列车应用半主动控制悬挂的可行性.
2023, 55(4): 1004-1018. doi: 10.6052/0459-1879-22-586
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生物、工程及交叉力学
爆轰驱动惰性气体磁流体发电试验研究
卢子寅, 张晓源, 李进平, 马虎
磁流体发电装置作为一种特殊的高功率脉冲电源, 具有效率高、容量大、启动快的优点, 制约其发展的关键在于如何获得高电导率的发电工质. 爆轰驱动具有远超常规方式的驱动能力, 在提供高温、高电导率气体方面独具优势. 将爆轰驱动激波管技术应用于磁流体发电, 有利于突破磁流体发电技术瓶颈, 故据此开展了基于爆轰驱动激波管技术的惰性气体磁流体发电试验研究. 爆轰驱动根据激波管点火位置不同分为反向和正向两种运行模式, 反向爆轰驱动可提供时间较长、状态稳定的试验气流, 而正向爆轰优势在于产生高焓试验气流. 试验系统由爆轰驱动激波管、拉瓦尔喷管、发电通道、电磁铁和真空罐等组成, 试验中分别以反向爆轰和正向爆轰驱动激波管产生发电工质, 利用激波将惰性气体压缩至高温从而发生电离, 形成的等离子体经喷管加速后, 最终在法拉第直线型发电机内切割磁感线输出电能. 磁场强度0.9 T的条件下, 反向爆轰在负载3.5 Ω时获得了较稳定的1.9 kW输出功率, 持续时间1.5 ms; 外接35 mΩ负载时, 正向爆轰在0.3 ms内短时输出功率高达212 kW, 功率密度为0.2 GW/m3. 试验成功验证了基于爆轰驱动激波管技术的惰性气体磁流体发电方案的可行性, 为高功率脉冲电源的应用与发展提供了新的方法.
2023, 55(4): 1019-1027. doi: 10.6052/0459-1879-22-576
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小样本数据下圆柱薄壳初始缺陷不确定性量化的极大熵方法
李建宇, 杨坤, 王博, 张丽丽
具有不确定性特征的初始缺陷被认为是导致薄壳结构实际临界载荷值与理论解不相符并呈现分散特征的主要原因. 对实际薄壳结构初始缺陷的建模至少需要考虑两个方面的不确定性量化, 一是对缺陷分布形式和幅值等固有随机性的量化, 二是对小样本量和不准确测量所导致缺陷统计量的不确定性的量化. 本文在利用随机场的Karhunen-Loeve展开法对薄壳初始几何缺陷建模的基础上, 提出一种基于极大熵原理的缺陷建模方法. 首先, 采用极大熵分布来估计Karhunen-Loeve随机变量的概率密度函数, 以适应不能使用高斯随机场进行缺陷随机场建模的情况. 随后, 通过将经典的等式约束极大熵模型扩展为区间约束极大熵模型, 实现对实际工程中仅能获得少量薄壳结构几何缺陷样本数据所导致的认知不确定性的量化. 最后, 将所提方法用于对国际缺陷数据库的A-Shell进行缺陷建模和临界载荷预测. 研究表明, 所提基于区间约束极大熵原理的随机场建模方法在能够有效表征实测数据高阶矩信息的同时, 还具备量化小样本数据导致的认知不确定性的能力, 并且高斯随机场模型和基于等式约束极大熵原理的随机场模型是本文所提建模方法的两种特殊情况.
2023, 55(4): 1028-1038. doi: 10.6052/0459-1879-22-556
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2023 年 4 期目录
2023, 55(4): 1-2.
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