力学学报 -

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2023, 55(10): 2091-2093. doi: 10.6052/0459-1879-23-498

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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

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波浪能量采集及自供能海洋无人机电系统研究进展

邹鸿翔, 苏昌胜, 赵林川, 张文明, 魏克湘

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

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基于涡激振动的压电风能收集器研究进展

黄浩博, 曹迪, 周志勇, 杜文风

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

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一种磁力滑动式翼型颤振能量俘获器

李支援, 吕文博, 马小青, 周生喜

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

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准零刚度驱动式压电低频振动能量采集方法

陈婷婷, 王凯, 成利, 周加喜

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

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利用斜齿离合升频机制实现瓦级输出的超低频电磁式振动能量收集器

毛新辉, 张继元, 齐欢, 邱长泉, 申维和, 田建国, 汪飞, 陶凯

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

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摆式摩擦发电机非线性机电耦合建模研究

韩勤锴, 高帅, 邵卿洋, 褚福磊

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

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一类双层薄膜结构振动能量采集器的数据驱动建模方法及应用

邱宏蕴, 王志霞, 丁北, 王炜

随着工程研究对象日益复杂化、系统化, 单纯依赖先验知识的力学建模手段难以满足日渐复杂的系统建模需求. 相比而言, 数据驱动通过大数据处理方法得到准确反映系统当前运动状态的数学模型, 体现了数据科学融入基础与应用科学领域的发展趋势. 特别是稀疏非线性动力系统辨识算法(SINDy)的出现, 解决了直接构建非线性数学模型的难点问题, 实现了由实验数据到非线性控制方程的直接过渡. 然而, 受制于噪声数据的影响显著以及奇异矩阵难以准确分析等因素, SINDy在实际应用中的可靠性仍有待加强. 有鉴于此, 文章在已有SINDy算法基础上提出增强型稀疏筛选辨识算法(ESINDy), 改进了数据滤波模块以强化其对于含噪信号的处理能力, 并且改变了原有算法的循环函数体, 以提高其对于奇异问题的识别能力, 使之更适于分析工程信号中常见的强噪声、高奇异性等问题. 作为应用, 研究了一类双层薄膜结构电磁式振动能量采集器(EMH), 利用理论建模与ESINDy方法相结合的手段建立了采集器动力学方程, 并通过实验和仿真对理论结果进行验证. 结果表明: 相比于SINDy算法, ESINDy算法能够更加准确地识别该动力学系统的信息, 刻画系统蕴含的复杂振动行为. 理论、实验和仿真结果较好的一致性体现了改进算法对于提高实际非线性系统识别精度的有效性, 强化了数据驱动建模方法的工程应用价值, 为实际工程问题中的信号处理提供了一种可行的分析方法.

2023, 55(10): 2189-2198. doi: 10.6052/0459-1879-23-358

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基于翅片超表面钝体的流致振动俘能特性研究

张野, 王军雷

超表面结构对钝体气动力特性有显著影响. 为了增强普通圆柱的流致振动俘能特性, 在圆柱表面装配不同高度和不同数量的翅片超表面并研究其对流致振动俘能特性的影响. 搭建流致振动俘能实验平台并制作压电俘能器, 实验分析了不同俘能器的俘能特性. 基于Tamura和Shimada提出的涡驰耦合模型 (Tamura-Shimada模型), 推导单自由度 (single-degree-of-freedom, SDOF) 压电俘能器流−固−电耦合理论模型, 并研究了俘能器的气动力参数对其俘能特性的影响. 建立计算流体动力学 (computational fluid dynamics, CFD) 模型, 仿真分析了不同钝体的旋涡脱落模式和流场特性. 实验结果表明翅片超表面能够显著改变钝体的动力学响应: 抑制涡激振动从而降低俘能特性或从涡激振动转变为驰振从而显著增强俘能特性. 当风速超过相应驰振起振风速后, 俘能器出现驰振特征并表现为稳定的极限环振荡 (limit cycle oscillation, LCO). 理论模型能够较为准确地预测俘能器的电压响应. 通过仿真分析可知, 翅片超表面能够显著改变钝体后方的旋涡强度, 导致其动态响应发生变化, 最终影响其俘能特性. 此外, 研究了不同接口电路对压电俘能器输出功率的影响, 与标准直流 (direct current, DC) 电路相比, 自供能同步电荷提取 (self-powered synchronous charge extraction, SP-SCE) 电路不仅可以提升压电俘能器的输出功率同时也可以提供更加稳定的功率输出, 消除了阻抗匹配的要求, 保证了高性能压电俘能器在实际应用中的灵活性.

2023, 55(10): 2199-2216. doi: 10.6052/0459-1879-23-298

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不倒翁式电磁俘能器的非线性动力学特性研究

潘侠圭, 余宁, 严博

海洋波浪能作为一种可再生能源, 将其俘获并转化为电能为无线传感器持续供电, 可以推动海洋环境监测的数字化改造升级. 然而, 海浪能的低频与随机性等特征导致其俘获难度大. 不倒翁结构具有不同于传统结构的超低频振动特性, 并且其对低频激励敏感的特点, 可以吸收周围振动能量. 为此, 文章通过引入不倒翁机制与Halbach磁铁阵列, 构建了磁非线性力, 设计一种不倒翁式电磁俘能器, 以实现提高低频波浪能的俘获效果. 首先, 基于拉格朗日方程建立不倒翁式电磁俘能器的理论模型, 并用谐波平衡法推导了不倒翁摆角与输出电压的频率响应关系. 将解析解与数值解进行对比验证. 其次, 探究了激励频率与幅值等参数对系统动力学行为的影响规律. 最后, 研制了不倒翁式电磁俘能器原理样机, 搭建俘能试验平台并进行试验, 验证了理论模型的正确性. 研究表明: 引入磁非线性力使得系统呈现刚度硬化特征, 有利于提升低频俘能效率. 不倒翁式电磁俘能器随激励频率与幅值的变化, 呈现周期、准周期及混沌运动等复杂动力学行为. 低频与大激励条件更容易造成俘能器系统的混沌运动, 有利于提高俘能效果. 本研究为不倒翁式电磁俘能器的设计及在低频波浪能高效俘获的应用提供了理论支持.

2023, 55(10): 2217-2227. doi: 10.6052/0459-1879-23-332

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基于自旋梁的压电振动能量采集与动力学分析

赵翔, 袁铭泽, 方仕童, 李映辉

为研究轴向载荷及梁上外激励共同作用下自旋梁结构强迫振动的压电振动能量采集问题, 文章提出运用格林函数法求解自旋梁压电俘能器强迫振动下的电压解析解. 基于Euler-Bernoulli梁理论, 采用扩展Hamilton原理及PZT-5A压电本构, 建立了自旋梁压电俘能器强迫振动的力电耦合模型. 采用Laplace变换法求得耦合振动方程的格林函数解, 并根据线性叠加原理和格林函数的物理意义, 对耦合的系统方程进行解耦, 进而求得强迫振动下自旋梁压电俘能器的电压解析解. 数值计算中, 通过与现有文献中的解析解以及实验结果进行对比, 验证了本文解的有效性, 并分别分析了自旋梁压电俘能器的压电响应与电阻、转速等重要物理参数之间的关系. 数值分析研究表明: (1) 自旋梁俘能器的压电响应随电阻阻值的增大而增大, 直至阻值达到最优负载电阻; (2)通过调高转速, 可以提高压电俘能器的最大输出电压; (3)通过降低轴向载荷, 可在保持俘能器高效工作的情况下改善俘能器的高基频现象.

2023, 55(10): 2228-2238. doi: 10.6052/0459-1879-23-328

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矿用压电俘能器建模与俘能特性研究

张晓宇, 张旭辉

采煤机的无线监测节点存在供电难问题, 采用压电俘能器将振动能转化为电能可为其供电, 研究俘能特性具有重要科学意义. 采用实验与数据拟合方法建立恢复力模型, 磁化电流法建立磁力模型, 拉格朗日函数建立动力学模型, RecurDyn提取滚筒、摇臂的截割方向加速度, 龙格库塔法求解动力学模型, 分析在不同磁距的俘能特性, 并开展实验研究. 结果表明: 受到前滚筒、后滚筒、前摇臂和后摇臂的截割方向加速度, 在俘能特性较好的磁距时, 电压依次减小且均随煤层硬度的增大而增大, 截割f4煤层时, 磁距分别为12 mm, 16 mm, 12 mm和12 mm的俘能特性较好, 电压有效值分别为5.107 V, 4.224 V, 0.998 V和0.882 V, 截割f6煤层时, 磁距均为16 mm的俘能特性较好, 电压有效值分别为7.298 V, 6.747 V, 1.592 V和1.397 V, 加入磁力可以加大电压. 实验研究发现, 受到截割f4和f6煤层的前滚筒截割方向加速度, 在俘能特性较好的磁距时, 电压随煤层硬度的增大而增大, 磁距分别为12 mm和16 mm的俘能特性较好, 电压有效值分别为3.340 V和4.959 V, 加入磁力可以加大电压, 验证了理论分析结果具有正确性. 研究为提高电压提供理论基础, 为无线监测节点自供电提供思路.

2023, 55(10): 2239-2251. doi: 10.6052/0459-1879-23-460

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手性超材料惯容吸振器的扭转振动抑制研究

李卉, 魏国崇, 姚红良, 彭禧

惯容结构常用于振动抑制中, 有着较为良好的减振效果. 而惯容与吸振器结合的新型吸振器具有轻量化的优点, 然而设计复杂的惯容结构限制了惯容吸振器在振动领域的广泛应用. 针对这一局限性, 设计一种具有简单高效惯容结构的手性超材料惯容吸振器(CIDVA). 首先引入了手性超材料的压缩−扭转耦合效应, 并利用该效应放大惯容盘的扭转行程, 形成惯容机制. 为了保证惯容机制的可行, 设计一种辅助机构来保证手性超材料的运动. 其次研究了CIDVA结构和工作原理并进行有限元仿真分析, 计算和验证其惯容放大常数. 并在此基础上建立了CIDVA−主系统的动力学方程, 对CIDVA−主系统在稳态和瞬态激励下的扭转振动抑制能力进行了研究, 并与锁定CIDVA进行了对比. 接着对惯容有效性进行了分析. 最后, 基于试验验证了CIDVA对主系统的扭转抑振能力. 结果表明, CIDVA能在瞬态和稳态激励下有效抑制主系统扭转振动, 且相较于传统DVA, 能节省自身10倍以上的转动惯量. 为DVA实现轻量化设计和高效的振动抑制提供了新思路和方法.

2023, 55(10): 2252-2260. doi: 10.6052/0459-1879-23-189

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失谐整体叶盘多模态振动抑制的吸振器阵列方法

王帅, 孙磊, 吴君, 郑召利, 付海岭, 毕传兴

整体叶盘是新一代高性能航空发动机的关键部件, 具有结构紧凑、重量轻和推重比高等优点, 但也存在结构阻尼低、模态密度高和随机失谐问题, 导致其通过共振区域时振幅大, 显著影响整体叶盘结构的可靠性和疲劳寿命.为有效抑制失谐整体叶盘的多模态振动, 提出一种由一系列吸振器环状布置而成的吸振器阵列减振方法, 通过设置多组匹配不同模态的吸振器, 实现对多模态共振峰值的抑制. 为揭示吸振器阵列方法的多模态减振机理, 采用具有代表性的集中参数模型构建整体叶盘−吸振器阵列系统的动力学分析模型, 结合解析形式的功率流分析方法, 分析吸振器质量、频率调谐精度、阻尼水平以及吸振器个数等关键参数对吸振器阵列减振性能的影响. 搭建了吸振器阵列方法验证实验台, 并通过实验验证了吸振器阵列方法的效果. 分析结果表明: 吸振器阵列方法能够有效控制叶片主导与叶片−轮盘耦合型模态, 能够以较小的质量实现对谐调与失谐整体叶盘多模态共振的高效抑制, 减振性能的鲁棒性较好.

2023, 55(10): 2261-2273. doi: 10.6052/0459-1879-23-336

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基于共振转换器的自主水下航行器动力学建模及减振降噪

张康宇, 路宽, 程晖, 傅超, 郭栋

文章以自主水下航行器(AUV)振动噪声抑制及其隐秘性提高为研究背景, 提出了一种含有轴承非线性的AUV振动−声学模型, 并通过寻找共振转换器(RC)最佳设计参数使壳体产生的振动声辐射功率级最小, 达到反共振的目的. 首先通过Lagrange法建立了含有浆−轴−壳的双梁系统有限元模型, 基于赫兹接触理论加入轴承非线性因素, 然后根据声传播原理推出了声偶极子辐射场模型; 然后, 采用Runge-Kutta法求解了系统振动响应, 通过时域响应、频谱、分岔和幅频响应图等后处理信号分析了系统的动力学特征; 最后, 以壳体声功率级作为代价函数并根据响应分析结果, 对RC进行参数设计. 通过对比非线性轴承和线性弹簧两种支撑, 发现AUV在非线性轴承支撑下壳体振动辐射声功率级主体趋势是沿着线性结果分布的, 同时均高于线性弹簧支撑下的系统噪声, 并且在对应共振区域达到峰值; 同时结果显示RC装置能够大幅度降低系统共振响应幅值及振动辐射声功率级, 尤其在共振频率设计点处减振降噪效果最为显著, 在共振频率设计点处频率没有发生偏移, 但在其他个别区间内, 除了最大共振幅值降低明显之外, 共振频率产生一定的偏移. 文章的理论模型揭示了AUV动力学响应特征及参数影响规律, 其研究结果可为AUV减振降噪优化设计提供新的改进思路, 具有一定的理论指导意义.

2023, 55(10): 2274-2287. doi: 10.6052/0459-1879-23-217

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非均匀矩形网格的局部网格细化LBM算法研究

安博, 孟欣雨, 杨双骏, 桑为民

传统的格子玻尔兹曼方法(LBM), 特别是基于均匀正方形网格的经典单松弛计算模型(SLBM), 其算法鲁棒性和数值稳定性较差, 限制了LBM的发展和应用. 而网格细化策略可以有效缓解这一窘境, 但是传统LBM中网格细化必然会导致计算效率骤降, 计算设备要求攀高. 为了解决这一问题, 文章基于非均匀矩形网格结构, 结合插值LBM算法的思路, 在保证物面处和流动变化剧烈区域的局部网格细化以及计算精度的前提下, 提出了25点拉格朗日插值LBM算法. 以经典顶盖驱动方腔内流为算例, 开展了包括不同网格分辨率和插值格式的对比分析研究. 验证算例既包括了定常流动的数值模拟, 也涉及了非定常周期性流动的求解. 计算结果表明, 相较于其他插值格式, 拉格朗日插值格式表现优异; 文章局部网格细化工作可以确保物面处及流动变化剧烈区域流动细节的捕捉; 数值模拟算法可以为数值仿真提供可信的计算结果; 同时大幅降低了总网格数量. 因此很大程度上提升了计算效率; 数值模拟方法鲁棒性较好, 适用于包括定常和非定常流动的数值模拟.

2023, 55(10): 2288-2296. doi: 10.6052/0459-1879-23-062

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水翼端部间隙泄漏流的压降及黏性损失机理

向秋杰, 陈为升, 黎耀军, 刘竹青

叶顶泄漏流产生的局部压降及黏性损失是导致轴流式水力机械效率下降和轮缘间隙空化的主要原因. 为探明间隙泄漏流的黏性损失特性和低压形成机制, 以NACA0009水翼为对象, 采用超大涡模拟方法(VLES)对翼端间隙流动进行数值模拟, 基于平均流动动能转换与输运分析, 提出了间隙区黏性损失定量计算模型, 研究了翼端间隙区湍动能生成、黏性损失和压降的产生机理及主要影响因素. 结果表明, 间隙区存在间隙分离涡(TSV)、间隙泄漏涡(TLV)和诱导涡(IV)等流动结构; 湍动能生成是导致TSV内压降的主导因素, TLV内压降则主要受湍动能生成和平均动能的对流和扩散效应影响; 湍动能耗散导致的翼端区域黏性损失占间隙区黏性损失总量的91.2%. 间隙区不同流动结构对湍动能生成的影响存在明显差异, 水翼吸力面的强剪切效应主要生成湍动能的$\left\langle \overline {{ u'} { u' } } \right\rangle$分量, 而TLV, TSV和IV等间隙涡结构则主要生成湍动能的$\left\langle \overline { { v' } { v' } } \right\rangle$和$\left\langle \overline { { w' } { w' } } \right\rangle$分量; 湍动能产生机制分析表明, 湍动能生成项分量P_vw是TLV和TSV中湍动能生成的主导因素, 减小TSV和TLV内的速度梯度$ {{\partial \left\langle {\bar v } \right\rangle } \mathord{\left/ {\vphantom {{\partial \left\langle {\bar v } \right\rangle } {\partial z}}} \right. } {\partial z}} $, 可有效降低湍动能生成, 进而减少翼端区域因湍流耗散导致的黏性损失. 研究结果可为间隙流动控制提供参考.

2023, 55(10): 2297-2308. doi: 10.6052/0459-1879-23-046

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基于扩散模型的流场超分辨率重建方法

韩阳, 朱军鹏, 郭春雨, 范毅伟, 汪永号

低分辨率的流场数据具有较少的信息量, 不能充分捕捉流场中的细节演化过程. 尤其对于湍流的随机脉动特征和小尺度涡旋细节特征更加难以获取, 这限制了对流场演化机理进行深入研究. 为了解决这一局限性, 并从低分辨率流场中重建高分辨率数据, 文章提出一种流场超分辨率重建的生成扩散模型FlowDiffusionNet. 该模型以低分辨率流场数据输入作为约束条件, 采用去噪分数匹配方法, 来实现高分辨率流场数据的复现. FlowDiffusionNet在结构设计上充分考虑了流场数据的低频信息与高频空间特征, 采用基于扩散过程的建模方法, 用于重建高分辨率流场数据的残差. 该模型结构便于实现迁移学习, 可在不同程度的退化流场上应用. 将该方法在多种经典流场数据集上进行测试, 并与双三次插值(bicubic)、超分辨率生成对抗网络(SRGAN)、超分辨率卷积神经网络(SRCNN)等方法进行比较. 结果表明, 该方法在各种流场上的重建性能达到最佳水平, 特别是对于包含小尺度涡结构的4倍下采样流场数据, 客观评价指标SSIM达到0.999.

2023, 55(10): 2309-2320. doi: 10.6052/0459-1879-23-167

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基于非线性耦合本构关系模型的尖化前缘气动加热影响研究

杨俊沅, 李旭东, 曾舒华, 赵文文, 张赋, 陈伟芳

结合数值模拟与风洞试验技术, 在高超声速连续/稀薄滑移流条件下对尖化前缘这一典型构型的气动加热影响开展深入研究. 在三维有限体积框架下, 应用非线性耦合本构关系(nonlinear coupled constitutive relations, NCCR)模型对试验工况下的尖化前缘外形开展数值计算, 检验NCCR模型在尖化前缘构型中准确描述局部稀薄非平衡流动和物面气动热的性能. 数值结果与实验数据对比表明, 在等效高度33 km的风洞试验条件下, NCCR模型计算得到的驻点热流系数峰值同实验值偏差为1.81%, Fay-Riddell公式和纳维−斯托克斯(Navier-Stokes, NS)方程得到的驻点热流系数峰值同实验值偏差均在5%以内, 物面其他位置的壁面热流系数计算值与实验值偏差均在10%以内, 证明此时飞行器尖化前缘区域局部稀薄气体效应对气动加热影响程度较弱; 在等效高度60 km时, 飞行器尖化前缘区域附近的局部稀薄气体效应对气动加热的影响较为明显, NS方程计算的驻点热流系数偏差为33.31%, Fay-Riddell公式计算驻点热流系数同实验值偏差为29.5%, NCCR模型计算的驻点热流系数与实验值的偏差为11.77%. 体现出NCCR模型求解稀薄非平衡流动的优势.

2023, 55(10): 2321-2330. doi: 10.6052/0459-1879-23-171

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TMP折纸防护的双稳态软体机器人

刘杰, 李志勇, 何俊峰, 文桂林, 王洪鑫, 田阳

软体机器人在复杂非结构化环境探索搜救等方面展现出了良好的应用潜力, 但仍存在运动速度较慢、软体结构易受损等问题亟需解决. 基于此, 提出了一种TMP (Tachi-Miura polyhedron)折纸防护的双稳态软体机器人. 软体脊柱、拉簧和TMP折纸外壳组成双稳态系统, 由气压驱动突破双稳态系统的两个能量壁垒, 实现双稳态之间的切换, 并通过快速储存和释放能量驱动软体机器人快速运动. TMP折纸作为软体机器人的外壳, 可为其提供防护, 预防外界坚硬锋利介质刺破软体脊柱; 此外, 其在运动过程中的应变能对软体机器人的双稳态能量势阱具有较大贡献. 结合材料拉伸实验和商用软件中的本构参数拟合法, 确定了软体脊柱材料本构模型参数. 探究了软体脊柱弯曲角度与驱动气压之间的量化关系, 并提出了基于分段常曲率法的软体机器人运动学建模方法. 开展了系列实验测试, 发现所提软体机器人通过图钉模拟的极端环境时仍能正常运动, 在平地上平均速度达到1.81BL s⁻¹, 其质量−运动速度关系图位于软体机器人和刚性机器人的交叉区域, 属于刚−软耦合机器人. 此外, 证实了所提软体机器人在石子路、泥泞地、浅水沟、浅草地和深水池复杂非结构化环境快速运动能力.

2023, 55(10): 2331-2343. doi: 10.6052/0459-1879-23-250

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内爆炸载荷下泡沫铝夹芯圆管塑性动力响应及能量耗散机理

张天辉, 刘志芳, 雷建银, 王志华, 李世强

通过实验、理论和数值模拟研究泡沫铝夹芯空心圆管在内爆载荷作用下的动态变形模式及吸能机制. 采用不同质量的球形乳化炸药进行爆炸试验. 结构轴向变形分为3个区: 大塑性变形区、绕塑性铰的刚性旋转区和无变形区. 在考虑环向膜力和轴向弯矩的情况下, 提出内爆作用下夹芯圆管动态响应的显式计算方法. 通过建立基于三维Voronoi算法的泡沫芯有限元模型, 探索结构能量耗散机制. 通过实验观测到的泡沫铝夹芯空心圆管在内爆载荷作用下的变形机制, 结合内外管的弯曲变形及芯层压缩, 给出了结构在响应过程中能量吸收的理论解. 以结构比吸能和外管中心挠度为控制参量求得夹芯圆管的最优解集. 进一步研究炸药质量、内外管直径、壁厚及芯层轴向梯度排列方式对结构动态变形模式和吸能机制的影响. 结果表明: 内管壁厚对外管中心线的挠度影响较大, 而芯层厚度和外管壁厚的影响较小; 如果夹芯圆管的轴向梯度结构从管轴向对称面到两端边缘呈对称递减分布时, 具有较好的抗爆性; 数值计算和实验测试结果均与理论预测吻合.

2023, 55(10): 2344-2353. doi: 10.6052/0459-1879-23-165

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基于分数阶导热的热脉冲涂层边裂研究

陈少华, 陈学军

热震边裂是涂层的常见失效模式之一, 严重影响涂层的防护性能, 因此准确预测涂层边缘裂纹的热致扩展行为至关重要. 文章基于Caputo分数阶导热模型, 研究热脉冲作用下涂层边缘裂纹扩展驱动力. 首先, 采用拉普拉斯变换和有限余弦积分变换得到瞬态温度场及热应力场的封闭解; 其次, 运用叠加原理及权函数法计算边缘裂纹尖端的热应力强度因子. 探讨了分数阶阶次、无量纲裂纹长度、无量纲时间等参数对热应力强度因子的影响规律. 结果表明: 热应力强度因子的峰值随着分数阶阶次的增大而提高; 与分数阶超扩散情形相比较, 经典傅里叶导热将低估热流脉冲对边缘裂纹的扩展驱动力; 与分数阶亚扩散情形相比较, 经典傅里叶导热则会高估热流脉冲对边缘裂纹的扩展驱动力; 热流脉冲作用下, 短裂纹的热应力强度因子峰值更高, 因而更易扩展.

2023, 55(10): 2354-2362. doi: 10.6052/0459-1879-23-134

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考虑几何尺寸影响的RPV钢韧脆转变实验研究

巫元俊, 徐习凯, 包陈, 蔡力勋

反应堆压力容器(reactor pressure vessel, RPV)是核电站的一道重要的安全屏障, 而RPV钢在韧脆转变区内的断裂韧性变化是核电站安全评估中的重要考虑因素. 在对RPV钢韧脆转变区内的断裂韧性变化规律进行研究时, ASTM标准等国际标准通常推荐以主曲线法进行研究. 采用不同尺寸的单边缺口弯曲(single edge-notched bending, SEB)试样及紧凑拉伸(compact tension, CT)试样完成了SA-508钢在常温至−100 °C的温度范围内的断裂韧性试验, 基于主曲线法研究了SA-508钢在韧脆转变区内的断裂韧性变化规律, 同时对主曲线法得到的基于不同尺寸断裂试样结果的韧脆转变温度预测精度进行了对比, 并通过断口微观形貌分析研究了断裂试样的破坏特征. 研究表明, 试样构形和几何尺寸对RPV钢的韧脆转变行为有显著影响. 主曲线法用于标准厚度试样的韧脆转变温度预测具有良好的精度, 但其预测的小尺寸试样的韧脆转变温度与实际韧脆转变温度区间相差较大. 随着温度的降低, 大、小尺寸试样的启裂点位置均不断靠近裂纹尖端且与试样断裂韧性呈非线性关系.

2023, 55(10): 2363-2372. doi: 10.6052/0459-1879-23-264

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非线性振动系统的多项式向量方法

金栋平

对于常微分方程描述的非线性振动系统, 当采用摄动方法求近似解时, 先是给出满足各阶近似解的二阶常微分方程组, 继而依次对每一个常微分方程进行求解, 以致多自由度非线性振动系统的求解过程相当繁琐. 文章针对常微分方程表示的非线性振动系统, 提出了一种求解非线性振动系统近似解的多项式向量方法, 该方法将二阶常微分方程组表示成一阶状态方程组, 将非线性部分写成常数矩阵和多项式向量之积的形式. 然后, 采用直接摄动方法, 获得每个幂次近似解所满足的一组状态方程, 此时状态方程的非线性部分成为常数矩阵和前一幂次近似解作为元素组成的多项式向量的乘积. 进一步, 借助Toeplitz矩阵将多项式向量之乘法表示成矩阵形式, 以解决多项式相乘带来的幂次方系数的确定问题, 再根据一阶非齐次方程组的求解方法, 获得状态方程组的全部近似解析解. 多项式向量方法将二阶常微分描述的非线性振动求解过程转换为一阶非齐次状态方程组的求解问题, 计算过程主要是矩阵和向量之间乘法运算, 提高了计算效率和程序化水平.

2023, 55(10): 2373-2380. doi: 10.6052/0459-1879-23-331

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高速重载人字齿轮传动非线性动力学分析

莫帅, 曾彦钧, 王震, 张伟

人字齿轮承载能力强, 重合度大, 可靠性高, 多于高速、重载工况下使用. 探究高速重载人字齿轮传动系统非线性动力学特性, 可为其设计提供参考. 首先, 计算齿轮副时变啮合刚度; 引入齿侧间隙、间隙非线性函数和综合传动误差, 计算时变啮合力; 引入轴承游隙, 计算轴承受力. 随后, 建立高速重载人字齿轮传动系统非线性动力学方程, 使用4阶Runge-Kutta法对方程求解. 最后, 探究不同因素对系统动态响应影响. 保持系统其他参数不变, 分别改变输入转矩、啮合阻尼、齿侧间隙、啮合刚度及激励频率, 绘制系统时间−位移图像、时间−速度图像、空间相图、空间频谱图及分岔图, 观察系统非线性动力学响应变化趋势, 判别系统运动状态. 结果表明: 在一定范围内, 系统稳定性与啮合阻尼、啮合刚度呈正相关关系, 与齿侧间隙、输入转矩呈负相关关系; 逐渐增大外部激励频率时, 系统运动从单周期运动逐渐变为混沌运动, 随后又回归单周期运动. 为保证系统平稳运行, 应合理选取外部激励频率.

2023, 55(10): 2381-2392. doi: 10.6052/0459-1879-23-166

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参外联合激励下非线性Zener系统的减振机理研究

邢景点, 李向红, 申永军

旨在揭示参外联合激励下不同尺度非线性Zener系统的减振机理. 以Duffing系统为主系统, 引入周期变化的低频参数激励和外激励, 通过耦合黏弹性元件, 系统变为1.5自由度非线性Zener系统, 经过对比系统变化前后时间历程图、相图, 发现耦合黏弹性元件后, 系统由单一激发态的大幅高频振动转变为激发态和沉寂态共存的簇发振动, 且振动幅值大幅降低, 减振效果明显. 然后分析自治系统的稳定性和分岔情况, 利用包络快慢分析法, 将参数激励项定义为慢变参数, 基于外激励在激励幅值变化范围内存在最值思想, 分析了广义自治系统的稳定性、破缺分岔与非自治系统振动行为的密切关系. 结果发现, 自治系统对非自治系统具有明显的调节作用, 具体表现为耦合黏弹性元件后自治系统平衡点稳定性增强, 平衡点类型由中心变为稳定焦点, 平衡线对系统轨线的吸引力增强, 同时多条稳定平衡线限制了非自治系统的振动区域, 这些因素是减振的根本原因. 另外, 基于双参数分岔分析, 发现通过调节参数可以控制系统破缺分岔的发生, 进而提高系统减振性能.

2023, 55(10): 2393-2404. doi: 10.6052/0459-1879-23-294

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基于龙格库塔法的多输出物理信息神经网络模型

韦昌, 樊昱晨, 周永清, 刘欣, 张超群, 王赫阳

物理信息神经网络(physics-informed neural networks, PINN)由于嵌入了物理先验知识, 可以在少量训练数据的情况下获得自动满足物理约束的代理模型, 受到了智能科学计算领域的广泛关注. 但是, PINN的离散时间模型(PINN-RK)无法同时近似多个物理量相互耦合的偏微分方程系统, 限制了其处理复杂多物理场的能力. 为了打破这一限制, 文章提出了一种基于龙格库塔法的多输出物理信息神经网络(multi-output physics-informed neural networks based on the Runge-Kutta method, MO-PINN-RK), MO-PINN-RK模型在离散时间模型的基础上采用了并行输出的神经网络结构, 通过将神经网络划分为多个子网络, 建立了多个神经网络输出层. 采用不同输出层近似不同物理量的方式, MO-PINN-RK模型不仅可以同时表征多个物理量, 而且还能够实现求解偏微分方程系统的目的. 另外, MO-PINN-RK克服了PINN离散时间模型仅适用于一维空间的局限性, 将其应用范围扩展到了更为普遍的多维空间. 为了验证MO-PINN-RK的有效性, 文章对圆柱绕流问题进行了流场预测和参数辨识研究. 测试结果表明, 与PINN相比, MO-PINN-RK在流场预测问题中的准确性获得了提升, 其精度至少提高了2倍, 而在参数辨识问题中, MO-PINN-RK的相对误差降低了一个数量级. 这凸显了MO-PINN-RK在流体动力学领域的卓越能力, 为解决复杂问题提供了更准确、更有效的解决方案.

2023, 55(10): 2405-2416. doi: 10.6052/0459-1879-23-299

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化可分离凸规划为对偶规划显式模型的普适解法研究比较

彭细荣, 隋允康

文章旨在提升对偶规划显式模型(dual programming-explicit model, DP-EM)的建模和求解的境界. DP-EM模型从一类变量可分离凸规划的特点出发, 突破了对偶目标二阶采用近似的定势, 推导得出显式的对偶目标函数; 应用于ICM方法求解连续体结构拓扑优化问题时, 其求解效率比对偶序列二次规划方法(DSQP)和可移动渐近线方法(MMA)求解效率更高. 文章进一步把常见的一类显式模型抽象为普适的可分离凸规划列式, 在需要满足的一些条件下, 转换为DP-EM模型, 并且提出4种处理方法: (1)对偶变量迭代逼近法; (2)指数函数形式的解法; (3)幂函数形式的解法; (4)基于变换的精确解法. 为了进行数值验证, 做了广泛的计算, 限于篇幅, 文章列出了5个具有代表性的算例, 除了算例1属于纯数学问题, 其余4个算例皆基于ICM方法, 分别对于位移、应力、疲劳等约束和破损−安全的连续体结构拓扑优化问题, 基于所提出的方法进行建模和求解, 都显示了所提出方法的普适性及更高的求解效率. 工作的意义在于: (1)深度方面, 加深了结构优化对偶解法的研究; (2)广度方面, 对数学规划对偶理论的发展做出了新的贡献.

2023, 55(10): 2417-2426. doi: 10.6052/0459-1879-23-267

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基于光斑投影3D-DIC的动态液面波高场测量方法研究

王凯, 李得睿, 向升, 程斌

动态液面波高场测量与面型三维重建是流体力学、晃荡动力学等研究领域中的重要问题, 但目前仍缺乏一种简易且高效的高精度全场测量手段. 基于光斑投影和三维数字图像相关(3D digital image correlation, 3D-DIC)原理, 提出了一种动态液面波高场的测量方法. 通过液体染色和光斑投影, 在液体表面形成光斑纹理, 设置双目相机拍摄动态液面的散斑图像. 运用交比不变性标定板及张正友标定法获得双目相机内外参矩阵, 并基于反向组合高斯牛顿(inverse-compositional Guass-Newton, IC-GN)的3D-DIC算法实现动态液面波高场的高精度三维重构. 进一步建立光斑投影的几何光学模型, 模拟规则波液面的双目图像, 开展数值模拟测量以验证本方法的理论精度, 同时开展真实液面波高场的测量验证. 结果表明, 本方法可实现动态液面波高场的高精度全场测量, 模拟液面测量的均方差为0.004 mm, 真实静态液面抬升测量的均方差为0.022 mm, 真实动态液面测量的均方差小于0.037 mm. 本文方法具有高精度、非接触和全场测量等优势, 可在实验室流体测量和相关工程场景中推广应用.

2023, 55(10): 2427-2438. doi: 10.6052/0459-1879-23-261

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