【期刊】《力学学报》2021年第7期目录
研究综述
软材料粘接结构界面破坏研究综述
朱忠猛, 杨卓然, 蒋晗
本文对目前软材料粘接结构界面破坏行为方面的研究进行了系统总结. 通过与传统粘接结构的对比, 指出了“软界面”与“软基体”两种软材料粘接结构界面破坏行为的独特性及其物理本质. 总结了“软界面”与“软基体”两种粘接结构界面破坏行为的实验表征方面的研究成果, 对界面及基体黏弹性耗散对界面破坏机理的影响分别进行了分析. 从理论角度,介绍了针对两种软材料粘接结构界面破坏行为的理论分析方法, 并对已建立的相关理论模型进行了总结. 介绍了软材料粘接结构界面破坏行为数值模拟方面的相关研究进展. 提出了目前研究所面临的挑战,并对可能的软材料粘接结构界面破坏的未来研究方向进行了讨论和展望.
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流体力学
激波/湍流边界层干扰压力脉动特性数值研究
童福林, 段俊亦, 周桂宇, 李新亮
本文对来流马赫数 2.25, 激波角 33.2°的入射激波与平板湍流边界层相互作用问题进行了直接数值模拟研究，分析比较了干扰区外层和物面脉动压力的典型统计特征, 着重探讨了两者的差异及其原因. 研究发现, 激波干扰对外层和物面压力脉动的影响差异显著. 两点相关结果表明, 外层和物面脉动压力的展向关联性均明显强于其流向, 前者积分尺度过激波急剧增长随后缓慢衰减, 而后者积分尺度整体上呈现逐步增大趋势. 此外, 时空关联分析结果指出, 脉动压力关联系数等值线仍符合经典的椭圆形分布, 干扰区下游压力脉动对流速度将减小, 外层对流速度仍明显高于物面.
基于喷流拟序结构预测的 SGS 模型比较研究
刘琪麟, 赖焕新本文对马赫数0.9的可压缩喷流开展大涡模拟, 使用 4 阶空间截差和 3 阶时间截差的高精度有限差分算法, 亚网格尺度模型分别采用了 Smagorinsky 模型(SM)、拟序结构动能模型 (CKM)、选择多尺度模型(SMSM)、局部动态Smagorinsky 模型 (LDSM) 和拟序结构模型(CSM) 以及对平均耗散、瞬时涡结构、脉动速度POD 主导模态的分析表明,u'的主导模态呈带状, 在下游分岔或破碎, 呈现出多尺度特征,v'的主导模态则呈流向排列的肋状, 矢量(u',v')的模态在肋的两端呈环流模式, 表征流动卷吸,w'的主导模态呈流向排布的脊状, 表征流场受展向拉伸的模式. 脉动速度的POD 模态对亚网格尺度耗散敏感, 因而预测的环流模式不明显; SM 模型则未能预测出w'的脊状模态. SMSM, CSM 和LDSM 模型均较好地反映了湍流中涡结构的多尺度特性, 揭示了流动卷吸、脊状的展向拉伸等流动模式, 其中 CSM 模型的计算效率较高.
桥跨结构发生颤振时的旋涡尾流可由二维强迫旋转振荡板绕流模拟. 在弦厚比 B/H = 5 的振荡板两侧对称地放置两个宽度比均为 b/H = 0.33 的窄条, 对尾流的锁频旋涡脱落进行控制. 采用数值模拟和实验验证方法, 对旋涡场、尾流平均和脉动速度, 以及板所受扭转力矩和升力进行研究.根据实验结果, 有控制和无控制尾流脉动速度功率谱主峰的比值远低于1, 最低可达0.3左右. 根据数值模拟结果, 当中央控制件位于y/H = ±1附近时, 在振幅β = 0° ~ 7.5°和一定频率范围内, 脉动扭转力矩均方根和升力均方根都有大幅下降, 最多可分别降低43%和80%.稳定性分析表明, 施加控制后, 最大扰动放大因子 ωimax大幅降低, 扰动增长的频率范围显著收窄. 窄条改变尾流速度剖面形状并增大湍流涡黏系数, 从而减弱尾流的不稳定性.
剪切流场中含内流立管横向涡激振动特性
段金龙, 周济福, 王旭, 陈科
本文基于欧拉−伯努利梁方程, 结合半经验时域水动力模型, 建立剪切流与内流耦合作用下海洋立管涡激振动预报模型, 运用有限元方法和 Newmark-β 逐步积分法求解方程,将数值模拟结果与实验数据进行对比,运用此模型, 对剪切流作用下含内流的顶张立管在不同内流速度和密度下的横向涡激振动响应特性进行研究, 主要分析了立管的横向振动模态、振动频率以及均方根位移等涡激振动参数随内流速度和密度等参数的变化规律. 结果表明, 在剪切流场中, 含内流海洋立管在横向上表现出多模态多频率的涡激振动；立管横向振动的最大均方根位移随内流速度和密度的增大而增大, 特别是当内流速度较大时, 横向最大均方根位移增大明显；立管横向振动的主导频率随内流速度和密度的增大而减小, 并且内流密度的增大同样会引起模态转换和频率转换.
本文对 Ansys Fluent 软件进行二次开发, 并对流场计算域进行区域划分, 从而实现对受迫振动柱体绕流流场的流固耦合模拟.在雷诺数 Re =200 时, 考虑方柱截面不同圆角的影响, 对均匀流作用下 5 种圆角化 r/D = 1/2, 1/4, 1/5,1/8 和 0 受迫振动方柱的绕流进行数值模拟, 分析了这 5 种参数下受迫振动方柱的升阻力系数、尾流涡量和锁定区间的变化规律, 澄清了圆角化对受迫振动方柱稳定性的影响机理.研究表明: 与尖角方柱相比, 圆角化方柱升阻力系数有了明显的减小, 且升力、阻力系数随圆角增大而减小; 低振幅比下圆角方柱的涡旋脱落模式均为 2S 模态, 涡旋尾迹变窄;锁定区间范围基本关于 F = 1 对称, 锁定区间的变化趋势与圆柱类似.
旋转圆柱绕流流场特性分析徐一航, 陈少松
本文对雷诺数 Re = 20 000 ~ 90 000、相对转速ɑ = 0 ~ 0.72 的旋转圆柱后方流场进行了实验测量,分析了旋转圆柱后方不同剖面处的速度分布规律和湍流度分布规律.采用LES 方法对旋转圆柱绕流问题进行了数值模拟, 分析旋转圆柱周围流场特性和自由剪切层变化规律, 最后通过理论模型对流场变化进行分析发现, 圆柱后侧下方涡位置的上移对圆柱升力影响十分显著, 在高雷诺数、低相对转速的条件下, 旋转圆柱后侧下方涡位置的改变对旋转圆柱的升力、尾流区自由剪切层的变化起到了重要的影响.
蒋子超, 江俊扬, 姚清河, 杨耿超
近年来,人工神经网络 (ANN)尤其是深度神经网络成为一种在数值计算领域具有广阔前景的新方法. 本文提出了一种结合残差网络结构与校正迭代方法的求解算法. 其中, 残差网络结构解决了深度网络模型的网络退化与梯度消失等问题, 将网络的损失降低至经典网络模型的 1/5000; 修正迭代的方法采用同一网络模型对预测解的反复校正,将预测解的残差下降至迭代前的10−5倍. 为验证该方法的有效性与通用性, 本文将该方法与有限差分法结合, 对热传导方程与伯格方程进行了求解. 数值结果表明, 本文所提出的算法对于规模大于 1000 的方程组具有 10 倍以上的加速效果, 且数值误差低于二阶差分格式的离散误差.
基于 Darcy-Stokes 耦合模型的多孔介质颗粒悬浮液等效黏性系数计算
胡洋, 彭巍, 李德才
本文基于 Darcy-Stokes 耦合模型, 给出了低浓度多孔介质颗粒悬浮液的等效黏性系数的计算公式. 首先求解低雷诺数条件下线性分布的流场中多孔介质球引起的扰动问题,使用待定系数法推导了自由流和多孔介质区域的流场的解析表达式. 其次, 依据流场解析解计算了外边界上由多孔介质球引起的附加热耗散率, 确定了低浓度条件下特性黏度与达西数Da和 Beavers-Joseph 系数αBJ的定量关系.最后将本模型计算结果, 与 Darcy-Brinkman 模型结合界面剪切应力跳跃条件计算得到的结果进行对比, 结果发现当 Beavers-Joseph 系数和界面应力跳跃系数之和为 1 时, 两类模型在低达西数条件下的结果是几乎是一致的.
固体力学
航行体出水破冰的多场耦合效应与相似律岳军政, 吴先前, 黄晨光
航行体出水破冰中的耦合效应及载荷特征, 是出水冰结构安全性评估的重要依据. 针对航行体出水破冰问题, 通过量纲分析, 获得了影响航行体动载荷及头部应力的主控参数和相似律. 基于 LS-DYNA 流固耦合计算方法, 得到了航行体在不同冲击速度、冰层厚度、冰层大小条件下的载荷特性. 计算结果表明, 航行体速度越大, 不同冰层对其过载和头部应力的影响差别越大.
新型负刚度吸能结构力学特性分析
侯秀慧, 吕游, 周世奇, 朱志韦, 张凯, 邓子辰
通过单胞构型设计, 提出了一种新型可自主回弹的三维负刚度结构. 该结构利用串联的负刚度单胞在加载−卸载过程中, 曲梁胞元的自主反弹, 实现结构循环加载和多次重复利用; 通过凹槽深度设计抑制单胞多稳态的出现, 并且通过调整侧壁厚度, 控制曲梁屈曲模态的形式, 从而增大负刚度临界载荷差值, 实现吸能效率的显著提升. 随后为实现在复杂载荷环境下的高吸能, 对结构尺寸进行梯度设计, 提出了一种梯度负刚度结构, 利用有限元方法比较分析梯度负刚度结构与均匀负刚度结构在不同载荷作用下的吸能效果.该新型负刚度结构为振动控制和结构重组等工程应用提供了技术支持.
季奕, 邢誉峰
本文提出了一种无条件稳定的单步时间积分方法. 用拉格朗日插值函数近似真实的温度场及其一次导数场,该方法具有二阶精度和L型数值耗散, 其中, L型耗散使得本文方法能够快速过滤掉虚假的高频振荡.本文改进了Hughes针对一阶非线性热传导问题提出的时间积分方法稳定性评估理论, 并将改进的理论用于方法的参数设计中. 理论分析的结果表明本文方法对线性和非线性热传导系统均是无条件稳定的. 数值测试结果显示, 所提出的方法相较于当前流行的方法具有明显的精度、耗散和稳定性优势.
本文提出了一种基于混凝土表面变形场的裂纹定位和宽度测量方法,发现开裂引起的位移梯度使裂纹附近的虚主应变场明显区别于未开裂处. 借鉴在激光条纹中心线定位中广泛采用的Steger算法思想, 提出了基于主应变场的裂纹定位方法,得到了裂纹每一点的位置和宽度. 利用高精度平移台设计了模拟裂纹扩展的实验,实验结果表明: 裂纹宽度的测量误差与理论预测相符; 测量结果比较稳定. 在同等分辨率下, 本文方法的测量精度优于基于图像的裂纹测量方法. 本文提出的方法可以全自动、实时地测量裂纹扩展, 为混凝土实验提供了一种可靠、精确的全场裂纹测量手段.
DVC 中内部散斑质量评价及计算体素点的优化选择邹翔, 张轩豪, 王延珺, 潘兵
本文从DVC算法位移测量误差的理论分析和数值模拟实验两方面证实了DVC的位移测量误差与计算子体块的灰度梯度平方和(SSSIG)值呈负相关关系, SSSIG可用于体图像内部散斑质量的定量评价.本文进一步提出一种计算体素点优化选择方法, 该方法通过将计算子体块中灰度梯度较小的体素点剔除出计算, 以实现在增大计算子体块尺寸的同时不会显著增加计算量. 模拟和真实实验结果显示了该计算体素点优化选择方法的有效性.
数字化光处理(DLP)立体成型技术是一类重要的树脂光固化增材制造技术, 具有成型速度快、精度高等优点, 但其成型区液态树脂薄层的巨大吸附力限制了成型速度的提高. 目前研究集中于树脂槽成型窗口和打印工艺的改进, 对吸附力机理缺乏了解. 本文建立耦合树脂流动、自由基光聚合反应及固化相变的多物理场模型并通过数值求解, 研究了成型区树脂液膜在传质、光聚合、固化沉积、氧阻聚等共同作用下的演化过程, 发现固−液界面呈现出稳定的非均匀波浪衰减形貌, 液膜厚度极小且在边界处波动剧烈. 讨论了打印速度、氧气浓度分布、紫外光强等因素对界面形貌以及吸附力的影响. 本文对研究不同类型的树脂光固化增材制造技术具有重要的借鉴意义.
曹蕾蕾, 朱旺, 武建华, 张传增
本文以一维层状声子晶体为例, 提出了一种基于Softmax逻辑回归和多任务学习的人工神经网络声子晶体逆向设计方法, 其中, Softmax逻辑回归实现分层结构各区域材料种类的选择, 通过多任务学习确定各区域材料的分布, 从而, 将声子晶体逆向设计问题转化为对单位胞元拓扑结构多组分材料的分类问题.算例表明本方法可根据应用需求快速高效地得到具有目标带隙的一维声子晶体. 该方法为声子晶体的逆向设计提供了一种新颖思路.
王晓明, 吴荣兴, 蒋义, 肖衡
本文基于对数应变构造一个多轴可压缩应变能函数, 先引入耗散来表征应力软化现象, 再引入依赖耗散大小的不可恢复变形量以及各向异性特征量, 使得新模型既可以表征Mullins效应, 又能模拟应力软化作用下产生的不可恢复变形和各向异性特征. 本文发展并提出了一个任意方向适用的各向异性形函数. 新模型在材料尚未发生软化(耗散为0)的情况下, 表现出各向同性; 一旦发生应力软化(耗散大于0), 则变为各向异性. 新方法得到的结果可以精确匹配经典的实验数据, 并预测不同方向的应力软化现象以及由此产生的不可恢复变形和各向异性特征.
动力学与控制
Caputo Δ 型分数阶时间尺度 Noether 定理田雪, 张毅
结合时间尺度和分数阶微积分, 研究含Caputo Δ导数的分数阶时间尺度Noether定理, 为研究复杂系统动力学行为提供了一个新的视角. 根据所提出的Caputo Δ型分数阶时间尺度Hamilton原理, 导出了分数阶时间尺度Lagrange方程. 进一步地分别给出了Caputo Δ型分数阶时间尺度Noether对称性的定义和判据. 提出并证明了特殊无限小变换下的分数阶时间尺度Noether定理和一般无限小变换下的分数阶时间尺度Noether定理.最后, 以平面上的分数阶时间尺度Kepler问题和单自由度分数阶时间尺度线性振动系统为例来验证定理的正确性.
本文提出了一种具有非线性多稳态性质的仿生柔性关节, 并在此基础上构建了多节仿生起竖结构以实现类似尺蠖、蛇等生物的起竖功能. 首先, 本文提出了一种仿生起竖关节模型, 从而建立了多节仿生起竖结构的动力学模型; 随后, 提出了实现需求起竖构型的结构参数设计准则, 利用动力学模型验证了结构参数设计准则的有效性, 并研究了需求构型的触发条件; 最后, 针对不同起竖节数的设计需求, 设计了相应节数的仿生起竖结构.本文提出的仿生起竖结构对仿蠕虫机器人的功能拓展具有参考价值和指导意义, 也是对仿生设计理论的进一步完善.
基于分数阶磁流变液阻尼器模型的车辆悬架组合控制张文静, 牛江川, 申永军, 温少芳
磁流变液阻尼器的分数阶Bingham模型结构形式简单, 而且可以更好地描述系统的滞回特性. 本文提出了一种被动控制与半主动控制相结合的组合控制策略, 并分析了半主动控制参数对振动控制效果的影响. 分析结果表明, 该组合控制策略不但能够提高车辆的乘坐舒适性, 而且能有效抑制悬架系统的主共振振动幅值.
汪韧, 惠俊鹏, 俞启东, 李天任, 杨奔
本文针对预测校正制导中两方面的问题: 一是纵向“预测环节”积分计算量大和“校正环节”割线法迭代求解难以满足实时性的问题, 二是纵向制导和横向制导都需要对动力学方程进行积分, 存在明显的冗余计算问题, 提出基于长短期记忆网络(LSTM) 的飞行器智能制导技术. 利用深度学习在神经网络映射能力和实时性方面的双重天然优势, 基于再入飞行器的实时状态信息, 采用LSTM模型实时生成倾侧角指令. 同时, 将纵向和横向制导环节的制导周期统一为一个周期, 进一步确保制导系统满足在线制导的实时性要求. 蒙特·卡罗仿真分析表明, 本文所提的方法在飞行器再入初始状态和气动参数拉偏情况下具有精度和速度上的优势.
生物、工程及交叉力学
瞬态载荷下 L4/L5 椎间盘内流固耦合效应李华忠, 王博, 王丹丹, 刘思金, 陈晓东, 师彬
中医正脊治疗通过对腰椎施加瞬态拉伸和旋转来治疗腰椎间盘退变, 本文采用考虑流固耦合效应的数值模拟研究其生物力学机制,确定了合理的拉伸和旋转的载荷参数; 发展了使用人体断层扫描图像结合解剖学数据建立详细腰椎几何模型的方法; 将松质骨、终板、椎间盘考虑为多孔弹性介质, 其他组织考虑为线性弹性介质, 建立了考虑生物组织中流固耦合效应的物理模型; 通过数值模拟得到了不同瞬态载荷及其组合作用下椎间盘内应力−应变与流体流动的变化规律.本研究所采用的方法为流动过程相关的人体椎间盘退变病理生理机制研究提供了新的方法, 为中医正脊研究提供科学化思路, 也为相关的力学-生物学耦合研究和髓核再生的基础研究提供了一个切入点.
张文硕, 杨鹏飞, 姜宗林, 刘云峰
一维爆轰传播的理论完备、计算准确, 二维斜爆轰传播由于壁面与黏性效应, 大尺度、高精度预测还有一定难度. 利用Euler方程和H2-Air基元反应模型, 对二维有限长楔面诱导的斜爆轰和活塞驱动一维非定常正爆轰进行计算比较研究, 从时空两个维度方面, 分析了两者在起爆过程、稀疏波传播、爆轰波面演化中的关联特性.本文提出的一维与二维爆轰传播的时空关联方法不仅有助于认知斜爆轰起爆、过驱爆轰产生、胞格爆轰演化的三阶段规律, 还可以对比揭示壁面、边界层和黏性效应的影响, 应用在斜爆轰发动机燃烧室设计中能够有效节约计算时间和成本, 并降低复杂度.
周凤玺, 张雅森, 曹小林, 牟占霖
本文以非饱和半空间作为研究对象, 基于连续介质力学和多孔介质理论, 考虑非饱和多孔介质中各相的质量守恒方程、动量守恒方程、本构方程以及有效应力原理等基本方程, 建立了以骨架位移、孔隙水压力和孔隙气压力为基本未知量的动力学控制方程. 针对非饱和半空间表面在竖向集中简谐荷载作用下的动力学响应及能量传输问题, 建立了频域内经典Lamb问题的轴对称计算模型, 采用Helmholtz分解法, 通过引入势函数Φ和Ψ表示骨架的位移分量, 结合本构方程获得了不同边界条件下半空间表面位移场和能量场等物理量的解析解答, 并通过数值算例对荷载参数(激振频率)、材料参数(饱和度、渗透系数)等影响因素进行了分析与讨论.
蒲诚, 刘奉银, 王劭涵, 钟丽佳
作为一种自然界中广泛存在的力, 液桥力的研究对制药、重金属回收、颗粒分离等领域具有十分重要的意义. 利用纳米多功能拉伸试验机测量不等径颗粒间液桥拉伸过程中的液桥力−位移曲线, 同时配合CCD工业相机记录拉伸全过程液桥形态的变化. 首先分析了液桥力−位移曲线形态、最大液桥力、断裂距离随粒径比及液桥体积的变化规律, 其次基于圆环假设及Y-L方程对本文试验结果的合理性进行验算, 最后针对圆环假设在液桥力计算中存在的不足分析了其原因, 并结合重力对液桥形态的影响对液桥拉伸全过程的形态变化进行了具体分析.
期刊简介
《力学学报》由首任主编钱学森等创刊于1957年，是由中国科学院主管、中国科学院力学研究所和中国力学学会主办的力学学科综合性学术刊物。历任主编为钱学森、郭永怀、郑哲敏、林同骥、黄克智、吴承康、王自强、杨卫、程耿东、郑泉水、魏悦广，现任主编陆夕云院士。
《力学学报》的报道方向包括在理论和应用力学领域的理论、方法和实验研究进展。期刊鼓励发表与力学相关的交叉学科的研究成果，力求成为力学与其他工程和科学分支的桥梁，成为有助于中国力学年青学子成长和推动与中国重大工程建设合作的平台。
《力学学报》现为月刊，被EI、Scopus、CSCD等数据库收录。论文从收稿到网络版发表的平均周期力争控制在3个月以内，纸质版的平均发表周期控制在5个月以内。论文稿一旦接受发表，将于24小时内在期刊官网和中国知网同步发布。
《力学学报》先后获得首届国家期刊奖、第二届国家期刊奖百种重点期刊、《共和国期刊60年》（力学学科唯一入选）、中国科协top50、全国科技百强期刊等多项荣誉。2020年获中国科学院科学出版基金中文科技期刊择优支持。
期刊网址：http://lxxb.cstam.org.cn
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