力学学报 -

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唐晓峰, 冯欢欢, 潘明, 董宇红

颗粒−湍流两相流中的相间能量传递问题是学者们关注的重点之一, 而静电力作用是影响颗粒−槽道湍流两相流中颗粒倾向性分布和相间能量输运的一个重要因素. 文章对携带辐射加热带电颗粒的竖直槽道湍流两相流进行了数值研究, 重点研究颗粒在槽道中的空间分布形态以及对空间分布对相间能量输运的影响. 流体相采用基于欧拉观点的直接数值模拟, 颗粒相采用拉格朗日点−粒追踪模型, 考虑颗粒与流体之间的动量交换与热交换. 通过对颗粒局部聚集特性、颗粒与流体速度相关性和两相间能量交换的分析, 探究静电力作用下的颗粒运动和分布特点以及两相间动能和热交换的变化规律. 研究结果表明, 同种电荷颗粒之间互相排斥的静电力作用弱化了颗粒在近壁面处低速条带区的聚集现象, 颗粒的空间分布更加均匀, 且均匀性与颗粒所带的电荷量正相关. 同时发现较强的静电力作用使位于近壁区的颗粒对流体的跟随性减弱, 较之斯托克斯阻力, 静电力所起的作用占主导地位. 颗粒在空间上的均匀分布提高了流体的平均温度和速度, 强化了槽道中间区域颗粒与流体之间的动能交换与热交换并减弱了壁面附近两相之间的动能交换与热交换.

2023, 55(6): 1217-1227. doi: 10.6052/0459-1879-23-163

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高分子−自抛光漆复合涂层减阻特性实验研究

刘浩, 谢络, 姚博仁, 孙孟舸, 胡海豹

基于减阻涂层易工程应用的优势和高聚物优异的湍流减阻性能, 研发复合高聚物减阻涂层, 在船舶及水下航行器领域应用前景将非常广阔, 而目前这方面的研究仍相对缺乏. 为此, 本文基于PAM和PEO减阻剂制备国产自抛光漆复合涂层, 通过水下平板阻力测试实验系统研究了涂层种类、主流流速、PAM/PEO浓度对减阻的影响规律, 并对复合涂层表面粗糙度进行分析. 结果表明: 高分子−自抛光漆复合涂层具有减阻效果, 采用单面减阻涂层最大实现9.4%的减阻; 流速在0.5 ~ 1.8 m/s变化时不会显著改变减阻率, 减阻率变化不超过3.5%; 随着涂层中高聚物浓度的增大, 自抛光漆−PAM涂层减阻率先增大后减小, 自抛光漆−PEO涂层减阻率先保持平稳后迅速下降; 当涂层中高聚物浓度超过某一临界值时都出现了减阻率下降甚至增阻现象, 其原因为涂层表面粗糙度增大及溶液黏度变化. 本工作可为高聚物减阻涂层的工程化应用提供参考.

2023, 55(6): 1228-1235. doi: 10.6052/0459-1879-23-049

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三维超声速后掠翼转捩的e^N-神经网络模型预测

于晟浩, 袁吉森, 高亮杰, 钱战森, 李椿萱

为提高三维超声速边界层转捩预测的计算效率, 使用神经网络模型替代线性稳定性分析的过程, 发展了一种适用于三维可压缩边界层转捩高效预测的神经网络模型方法. 通过对线性稳定性分析方法及超声速后掠翼流场特征的研究, 提出适用于超声速后掠翼流动转捩预测的神经网络模型特征参数, 使用系列超声速后掠钝板模型作为样本集, 建立了e^N-神经网络模型. 以三维超声速大后掠等直机翼标准模型作为测试集, 分析各输入参数的敏感性, 并对比e^N-神经网络模型与传统稳定性分析方法的计算结果及效率, 验证了本方法的准确性与高效性.

2023, 55(6): 1236-1246. doi: 10.6052/0459-1879-23-029

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深纵比对方腔过渡流临界特性的影响研究

安博, 孟欣雨, 郭世鹏, 桑为民

流场过渡流临界特性是指流场因流动分岔而引起的流动状态和流场物理特性变化. 它从根本上决定了流动演化模式和流场特性等物理规律, 对解释复杂流动现象意义重大. 文章针对不同深纵比($ R \in [0.1,2.0] $)的顶盖驱动方腔内流开展数值模拟和流场稳定性分析研究. 预测Hopf, Neimark-Sacker和period-doubling流动分岔及湍流始现的临界雷诺数; 分析流场演化模式, 发现对应不同的深纵比, 有些流动遵循经典的Ruelle-Takens模式, 有些流动则会由周期性流动跃变至湍流; 捕捉和分析各种流动现象, 如流场稳定性丧失、能量级串、流场拓扑结构变化规律等. 研究成果对于揭示深纵比这一几何参数对腔体内流过渡流临界特性的影响规律意义重大, 进一步完善了内流流场特性的研究. 研究发现, Moffatt效应不仅存在于拥有尖锐夹角的内部流动中, 也出现于挤压拉伸的狭长空间; 无论是深腔还是浅腔, 流场稳定性最初的破坏总是以Hopf流动分岔的出现而开始; 就浅腔($ R < {\text{1}}{\text{.0}} $)而言, 随着深纵比逐渐增加, Hopf流动分岔的临界雷诺数越来越小, 流动更容易变为非定常状态, 说明流场稳定性变得越来越容易被破坏; 就深腔($ R > {\text{1}}{\text{.0}} $)而言, 相较于经典方腔驱动内流($ R = {\text{1}}{\text{.0}} $), 流场稳定性更容易丧失; 沿纵向的几何外形拉伸并不是提升流场稳定性的强制约束.

2023, 55(6): 1247-1256. doi: 10.6052/0459-1879-23-041

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关键构型参数对流动聚焦式微流控液滴生成的影响

张帅, 王博, 马泽遥, 陈晓东

流动聚焦式液滴微流控技术借助流动聚焦效应和离散相液丝界面失稳, 实现单分散微液滴的连续生成. 该技术中的多相界面流动对于构型参数有较强的依赖性, 表现出丰富的微尺度流动特征. 本研究在前期发展的基于毛细管可变几何微流控装置的基础上, 采用数值模拟方法研究关键参数对于液滴生成模态和尺寸的影响规律. 经过合理简化后, 研究建立实验装置的轴对称模型, 并结合自适应网格加密技术, 提高了数值模拟效率; 通过多个实验工况的对比, 验证了数值模拟的准确性. 研究发现: 在所选择的流体组合、几何和流量参数范围内, 液滴生成过程存在滴流、串滴、射流和不稳定4个模态; 在固定的离散相和连续相流量组合下, 上游和下游毛细管端部间距的变化会改变滴流和串滴模态下液滴的长度, 而对射流模态下液滴的大小影响很小; 在固定的几何参数下流量变化时, 液滴长度的变化在滴流和串滴模态转换时基本连续, 而在射流模态发生时产生骤降; 下游毛细管的内径对模态相图影响显著, 大内径下滴流模态占主导, 且射流模态下液丝的射流长度变化明显, 而小内径下射流模态占主导, 且在大的连续相流量下存在不稳定模态. 研究结果表明关键结构参数对于流动聚焦式微流控液滴的生成有重要影响, 合理改变这些参数可以控制液滴尺寸和改善液滴的单分散性, 可为设计和优化流动聚焦式液滴生成装置提供依据.

2023, 55(6): 1257-1266. doi: 10.6052/0459-1879-23-094

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逆向等离子体合成射流抑制低速流动分离的研究

孙志坤, 史志伟, 李铮, 耿玺, 张伟麟

等离子体合成射流是一种能抑制流动分离的高能激励. 通过实验和数值仿真的方法调查了等离子合成射流对低速翼型流动分离的抑制. 激励器的电极内置在翼型内部, 射流孔位于前缘点. 流场烟雾粒子浓度分布和数值模拟的结果均表明逆向等离子体合成射流能推移低速翼型的流动分离点, 并提升翼型的升力特性. 逆向等离子体合成射流推移分离点距离和提升翼型升力特性的能力随迎角的增大而增强. 当迎角为16°时, 等离子体激励推移翼型流动分离点的距离约占弦长的16.5%, 提升翼型升力系数约17.3%. 结果表明低速流动中, 逆向等离子体合成射流产生的热射流与主流相互作用会形成条带状热结构. 条带状热结构具有先导掺混作用, 能增强主流与分离剪切层内流体的掺混. 而射流主体具有掺混和诱导作用, 能诱导分离剪切层的动态重新附壁. 条带状热结构、射流主体与主流的相互作用是逆向等离子合成射流抑制低速翼型流动分离, 提高翼型升力特性的主要机制. 在不同的阶段, 条带状热结构的作用和射流主体的作用不同. 这种差异性导致它们的耦合性也发生了变化, 并使得翼型的升力特性出现了五种典型阶段. 此外, 实验结果还表明放电参数恒定时, 串联阵列式激励器的流动控制效果强于单个激励器.

2023, 55(6): 1267-1277. doi: 10.6052/0459-1879-23-005

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基于形状记忆合金声子晶体的带隙优化设计

邱克鹏, 陈智谋, 张建刚, 张卫红, 燕群, 孙向洋, 彭涛

声子晶体是一种具有声子带隙的周期性结构, 通过对其带隙的动态调控设计, 进而满足航空航天领域中重大装备对减振降噪性能的特定需求. 文章在声子晶体的带隙设计中, 引入智能材料, 采用拓扑优化方法, 开展多功能声子晶体带隙动态调控设计. 首先采用有限元方法分析声子晶体的带隙性能, 并建立形状记忆合金的温度本构关系模型; 其次基于变密度法的拓扑优化方法, 在满足特定体分比及强度约束、保证声子晶体单胞之间的连接性约束条件下, 以相对带隙最大化为目标函数建立声子晶体带隙设计优化模型; 最后根据改进的材料插值模型, 分析求解设计灵敏度, 采用移动渐进法开展多功能声子晶体带隙结构的拓扑优化设计. 优化结果表明: 在XY模式下形状记忆合金从马氏体转换到奥氏体带隙拓宽了103.9%, 在Z模式下带宽增大了3.75倍. 研究结果为声子晶体在复杂环境下实现更为主动带隙调控提供了一种有效的设计方法.

2023, 55(6): 1278-1287. doi: 10.6052/0459-1879-23-024

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考虑瞬态温度和应力约束的承载隔热多功能结构拓扑优化

李帅, 张永存, 刘书田

一体化热防护结构通常处于严酷的非稳态热环境, 热载荷作用的时间效应(即瞬态热效应)明显. 为了避免瞬态热分析的巨大计算消耗, 以往的一体化热防护结构优化设计研究通常将瞬态传热等效为相同热边界条件下的稳态传热, 将稳态传热分析的温度场作为设计热载荷. 然而, 已有的研究表明稳态传热无法准确等效瞬态传热的作用效果, 瞬态热效应对结构设计结果具有重要影响. 文章研究了考虑瞬态热效应的一体化热防护结构优化设计问题, 建立一种考虑瞬态温度和应力约束的一体化热防护结构拓扑优化方法. 该方法以SIMP (solid isotropic material with penalization) 法为基础, 构建两种针对一体化热防护结构的热弹性结构拓扑优化模型: (1)考虑材料体积分数、最大应力和底面最大温度约束, 以最小化结构应变能为目标的刚度设计模型; (2)考虑最大应力和底面最大温度约束, 以最小化材料体积分数为目标的轻量化设计模型. 通过求解瞬态热力耦合方程获得结构的热力耦合静力分析结果; 通过响应量在空间和时间域的凝聚积分函数表征结构响应在时域内的最大值, 并以此构建相应的约束和目标函数; 采用伴随法推导约束和目标函数的灵敏度表达式. 通过3个数值算例验证了本方法的有效性. 数值算例结果表明, 在瞬态传热条件下, 本方法能够准确反映瞬态热效应对一体化热防护结构设计结果的影响; 相比于基于稳态热分析的设计结果, 考虑瞬态热效应的设计结果具有更优的性能.

2023, 55(6): 1288-1307. doi: 10.6052/0459-1879-22-598

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考虑Mullins效应的硅酮胶本构模型

郭鑫, 陈素文

硅酮结构胶广泛应用于建筑玻璃幕墙的粘接, 准确掌握其力学行为是实现可靠粘接的保证. 目前常用的唯象超弹性模型忽视了材料微观结构特性, 无法描述本构行为机理; 经典的熵弹性模型往往缺乏对聚合物网络非仿射变形、缠结效应等特性的考虑. 上述不足导致了已有模型难以有效模拟硅酮胶的力学行为, 尤其是循环加载下的显著Mullins效应. 为此, 文章基于非仿射网络模型, 根据分子链分布的微球模型对宏观−微观变形转换关系进行修正, 将受载下分子链构象的演化扩展至有限个方向. 在此基础上, 基于网络演化理论提出抽象交联网络和缠结网络的演化函数描述循环加载下聚合物网络的演化过程, 以模拟Mullins效应. 文章构建的修正非仿射网络模型结合了硅酮胶的微观结构特性和变形机制, 可以描述聚合物网络非仿射变形、缠结约束效应、分子链的有限拉伸性以及空间分布特性. 与文献硅酮胶材性试验数据和其他本构模型预测结果的对比表明, 修正非仿射网络模型可有效地模拟硅酮胶多种变形模式下的力学行为, 且可描述Mullins效应的残余变形和模量退化现象, 对硅酮胶的设计计算具有参考意义.

2023, 55(6): 1308-1318. doi: 10.6052/0459-1879-23-035

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热障涂层涡轮叶片残余应力及高温行为模拟

郝义意, 梁立红, 邱天

热障涂层涡轮叶片可以有效地提高航空发动机的热效率和性能, 对航空发动机的安全稳定运行具有重要的意义. 在热冲击服役过程中, 热障涂层系统易出现表面裂纹、界面裂纹等多种形式损伤, 从而严重影响涡轮叶片的服役稳定性. 考虑到热障涂层涡轮叶片制备过程中产生的残余应力会对热障涂层的质量产生较大影响, 故本工作通过有限元方法首先研究了热障涂层沉积到具有实体形状的涡轮叶片后自然对流冷却过程的残余变形及应力, 进一步对高温热冲击下热障涂层涡轮叶片的温度及应力状态进行了模拟分析, 并揭示带热障涂层的涡轮叶片基底和不带涂层的合金叶片在高温下力学行为差异的应力机制. 研究结果表明, 由于曲率叶片几何结构影响, 热障涂层叶片制备后产生的变形及残余应力分布复杂, 叶根局部压应力最大接近200 MPa; 高温服役下的热障涂层为叶片基底提供了明显的热保护, 最大Mises应力降低可达600 MPa, 但尾缘区域的热保护效果有限; 陶瓷涂层叶根尾缘附近的叶背区域最大主应力达到159.5 MPa; 因此高温服役的热障涂层涡轮叶片会优先在陶瓷层叶根及尾缘区域出现较高应力, 成为裂纹萌生、扩展及剥落发生的起始位置.

2023, 55(6): 1319-1328. doi: 10.6052/0459-1879-23-021

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隧道−地基−流体耦合系统动力响应的三维解析计算方法

何超, 贾缘平, 周顺华

轨道交通隧道行车会引发地表或水中环境的振动, 从而对沿线居民或珍惜鱼类产生不良影响. 对此, 提出一种双洞隧道−地基−流体耦合系统动力响应的三维解析方法. 隧道和地基模拟为弹性介质, 空气或水模拟为理想流体介质, 利用时间和纵向坐标的双重傅里叶变换, 将时间−空间域内的三维动力问题转化为频域−波数域内求解. 利用波面转换和平移公式, 满足隧道、地基、流体及其交界面的边界条件, 实现动力耦合求解, 获得简谐载荷作用下双洞隧道−地基−流体系统动力响应的解析解. 通过与地基−流体耦合系统的动力基本解以及有限元−边界元耦合模型进行对比, 验证本文所提出方法的正确性. 对比分析单洞和双洞隧道内作用动力点源引起的地基、水以及地表空气的响应. 结果表明, 邻近隧道的存在会改变地基土中波动能量的分布, 进而改变水中或者空气中振动传播规律, 且邻近隧道的影响与载荷频率、观察点位置以及隧道间的相对位置关系密切相关. 当双洞隧道间距小于4倍隧道直径时, 隧道间的动力相互作用不可忽略. 研究成果可为隧道内行车引发的空气噪声以及水下振动传播特性研究和预测评估分析提供理论支撑.

2023, 55(6): 1329-1341. doi: 10.6052/0459-1879-22-543

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三维局部场地地震波散射问题谱元并行模拟方法

于彦彦, 芮志良, 丁海平

针对平面波入射下三维局部场地的波动散射问题, 利用解析法实现了考虑非均匀分布谱元节点的自由场计算, 将其作为谱元波动数值模拟的输入波场. 利用高阶谱元方法模拟内域节点的运动, 采用多次透射边界(MTF)模拟边界节点的运动, 同时基于消息传递接口(MPI)技术完成跨节点的并行计算, 进而实现基于谱元法的三维散射波动问题并行模拟, 最后基于典型数值算例验证了方法的精度及稳定性表现. 结果表明: 本方法对于不同偏振方向入射体波下的局部场地三维散射问题均具有较高的模拟精度. 直至3阶MTF, 在满足内域计算稳定的前提下, 取MTF人工波速接近介质剪切波速即可实现长持时稳定计算, 而无需其他消除高频振荡的附加措施. 取较小的消飘因子即可消除MTF的低频飘移失稳且基本不影响模拟精度. 本方法在平面波入射下区域性三维地震动数值模拟分析中具有较好的应用前景.

2023, 55(6): 1342-1354. doi: 10.6052/0459-1879-23-052

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基于改进Reddy型TSDT的弹性地基上FG-CNTRC板线性弯曲与自由振动无网格分析

陈卫, 方耀楚, 孙冰, 彭林欣

基于改进Reddy型3阶剪切变形理论(third-order shear deformation theory, TSDT)假设, 考虑碳纳米管(carbon nanotubes, CNTs)转向及功能梯度材料的不均匀性, 建立弹性地基上功能梯度碳纳米管增强复合材料(functionally graded carbon nanotube-reinforced composite, FG-CNTRC)板的线性弯曲和自由振动无网格分析模型. 利用改进Reddy型TSDT推导FG-CNTRC板的势能和动能, 给出弹性地基势能的表达式, 再将其分别进行叠加, 通过最小势能原理及Hamilton原理推导出弹性地基上FG-CNTRC板的线性弯曲和自由振动控制方程. 采用稳定移动克里金插值(stabilized moving Kriging interpolation, SMKI)对问题域内的节点进行离散, 该近似形函数的构造方法满足克罗内克条件, 可以直接施加边界条件. 文中首先给出基于三阶剪切变形理论的弹性地基FG-CNTRC板线性弯曲与自由振动无网格离散模型. 随后通过基准算例, 研究本文方法的有效性及精度问题. 最后数值分析了CNTs的分布形式、转向角、体积分数、地基系数、宽厚比和边界条件等对FG-CNTRC板的线性弯曲及自振频率的影响. 研究表明: 采用本文方法计算FG-CNTRC薄板、中厚板、甚至厚板的线性弯曲和自振频率均具有较高的计算精度; 随着CNTs体积分数和地基系数的增加, FG-CNTRC板结构刚度逐渐增大; FG-CTRC板结构刚度与宽厚比成正相关, 厚度增加的剪切效应会让CNTs转向角对结构刚度的影响逐渐降低.

2023, 55(6): 1355-1370. doi: 10.6052/0459-1879-23-040

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基于路径积分法的输液管道随机动态响应分析

孙诣博, 魏莎, 丁虎, 陈立群

随机激励下的输液管道在工程上广泛存在, 对其进行研究具有十分重要的意义. 为了预测高斯白噪声激励下输液管道系统的随机动态响应, 基于哈密顿原理建立了高斯白噪声激励下非线性输液管道的动力学模型. 采用Galerkin截断方法对输液管道的控制方程进行离散化. 采用基于Gauss-Legendre公式的路径积分法计算了输液管道随机振动响应的位移概率密度函数和速度概率密度函数. 采用Monte Carlo方法与路径积分法得到的计算结果进行对比, 验证了路径积分法在计算输液管道振动响应上具有较高的计算精度. 研究了流速、激励强度和阻尼系数对输液管道位移概率密度函数和速度概率密度函数的影响, 并确定了输液管道位移概率密度函数出现双峰时的临界流速. 结果表明, 采用路径积分法计算输液管道系统的动态响应是有效的. 流速增大会使系统可能发生的最大位移变大, 可能发生的最大速度不变; 激励强度增大会使系统可能发生的最大位移和最大速度变大; 阻尼系数增大会使系统可能发生的最大位移和最大速度变小. 此外, 研究发现流速增大是诱导输液管道发生随机分岔的因素之一.

2023, 55(6): 1371-1381. doi: 10.6052/0459-1879-23-032

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页岩气井压裂液返排与生产阶段的压裂裂缝特征差异研究

刘文超, 乔成成, 汪萍, 黄文松, 刘曰武, 丁伟, 孙玉平

水平井分段压裂是实现页岩气经济开发的关键技术, 生产过程压裂裂缝闭合会对开采产生不利影响. 由于生产动态数据误差较大且震荡严重, 与渗流数学模型内边界条件不匹配, 目前很少有基于生产动态数据分析来定量评价压裂液返排与页岩气生产阶段压裂裂缝特征差异的方法. 为此, 文章提出一种基于反褶积的量化评估返排与生产阶段压裂裂缝特征差异的生产动态数据分析系统新方法. 首先, 给出返排和生产阶段的渗流模型及其Laplace解. 之后, 利用压力反褶积算法分别对两阶段的生产动态数据进行归一化处理. 并使反褶积计算的归一化参数调试与渗流模型计算的参数调试在特征曲线拟合过程中相互制约, 分别解释出两阶段的裂缝半长及裂缝导流能力. 最后, 引入导流能力模量, 对两阶段的压裂裂缝特征差异进行了量化评估. 利用此方法对现场10口井的分析结果表明: 本方法可以有效量化评估返排与生产阶段压裂裂缝特征差异; 相比于返排阶段, 生产阶段的裂缝导流能力下降了约两个数量级, 裂缝发生了明显闭合. 文章建立的分析方法对页岩气藏后期增产措施优化有重要参考价值.

2023, 55(6): 1382-1393. doi: 10.6052/0459-1879-23-031

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分区有限线法及其在复合结构热应力分析中的应用

刘华雩, 高效伟, 范伟龙

介绍一种全新的数值方法——分区有限线法 (zonal finite line method, ZFLM), 并将其应用于求解复合结构中的热应力问题. ZFLM是一种配点型的强形式算法, 对于每个配置点, 由过其的两条(二维问题)或三条(三维问题)线段建立一个交叉线系, 采用拉格朗日插值多项式对每条线段的坐标与物理量进行函数表征, 并用沿弧长方向求导法创建任意物理量对总体坐标的一阶偏导数解析计算式, 通过递推技术, 由一阶偏导数公式建立二阶偏导数计算式. 采用建立的偏导数计算式, 可直接由问题的控制微分方程及其边界条件建立离散的总体系统方程组. 为了建立高效的有限线法和能够求解复杂的由多种材料组成的复合结构问题, 提出一种分区计算方法, 即: 根据材料的不同或几何与载荷的不规则性, 将所分析的问题划分为若干个结构化计算区域, 在每个区域由插值函数自动产生一系列配置点, 并用有限线法建立每个配置点的离散方程. 对于区域间的公共节点, 由物理量的协调条件以及界面力的平衡条件建立界面节点代数方程; 对于几何不规则或载荷跳跃问题, 采用面力方程叠加法建立非规则节点的代数方程, 以提高计算结果的稳定性. 采用本文方法对二维/三维结构的热应力进行分析. 计算结果表明本文方法具有很好的精度, 且在边界上的应力更为精确, 应力集中的效果更为明显.

2023, 55(6): 1394-1406. doi: 10.6052/0459-1879-23-003

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2023 年 6 期目录

2023, 55(6): 1-2.

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