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电磁霍普金森杆实验技术及研究进展

王维斌, 索涛, 郭亚洲, 李玉龙, 聂海亮, 刘会芳, 金康华, 杜冰, 江斌

2021, 51(4): 729-754. doi:10.6052/1000-0992-20-024

摘要(2532)

HTML(879)

PDF(496)

摘要:
电磁霍普金森(E-Hopkinson)杆实验技术是利用电磁驱动的方式替代了传统霍普金森杆中子弹撞击加载杆来产生应力波, 是电磁驱动技术与霍普金森杆实验技术相结合而发展起来的一种新的动态加载技术. 本文综述了E-Hopkinson杆实验技术在单轴单向/双向及动态双轴对称压缩/拉伸、复合材料的层间断裂、金属动态包辛格效应等领域的应用现状, 涵盖了实验研究, 理论分析及数值模拟等, 最后对该实验技术未来发展方向进行了展望.

铁电材料的疲劳失效行为

陈渝, 周华将, 谢少雄, 徐倩, 朱建国, 王清远

2021, 51(4): 755-791. doi:10.6052/1000-0992-20-030

摘要(4133)

HTML(1015)

PDF(950)

摘要:
在航空航天、核能发电等重大装备技术领域, 作为高温传感/驱动/能量收集器件的敏感材料——铋层状结构铁电(BLSF)陶瓷在复杂载荷环境下的疲劳失效问题严重限制着器件寿命和可靠性的提高. 本文以BLSF陶瓷的应用需求为背景, 围绕铁电材料的疲劳裂纹扩展与电畴极化翻转及其相互作用机制等关键问题, 综述了铁电材料在热、力、电三种载荷及其耦合作用下疲劳失效行为的研究现状, 并根据当前铁电材料的一些新发展、新应用对其未来研究方向进行了展望, 旨在为高性能、长寿命铁电/压电器件设计提供参考.

基于聚类连通法的湍流拟序结构研究进展

董思卫, 程诚, 陈坚强, 袁先旭, 李伟鹏

2021, 51(4): 792-830. doi:10.6052/1000-0992-20-032

摘要(1799)

HTML(615)

PDF(202)

摘要:
湍流的无序性要求对拟序结构的研究必须从统计的角度出发, 而聚类连通法 (clustering method) 则是实现拟序结构与统计方法深度融合的有力工具. 该方法是一种基于数据的流动特征提取方法, 它将每个连通域, 即单个拟序结构作为一个统计样本. 此外, 其衍生的基于连通域空间重叠的时空追踪方法可以进一步研究这些结构的时空演化, 该方法将每个拟序结构从生成到消亡的演化过程也视为统计样本, 从而实现了对拟序结构运动学特征和动力学过程的统计刻画. 本文回顾了聚类连通法的发展历程并着重介绍了人们采用该方法在雷诺切应力结构、速度条带和能量级串方面取得的重大进展, 这些结果表明该方法极大拓展了人们基于传统的逐点统计方法对湍流的认识, 因而具有很大的潜力. 最后, 对该方法在湍流中的应用给出了建议和展望.

大推力液体火箭发动机结构中的力学问题

李斌, 闫松, 杨宝锋

2021, 51(4): 831-864. doi:10.6052/1000-0992-21-003

摘要(3022)

HTML(1305)

PDF(561)

摘要:
依据大推力液体火箭发动机工作时极端的力热环境状态, 阐述分析了大推力发动机强振动、大静载、多源激励和传递路径复杂的力学特点. 静力学方面介绍了整机结构载荷分析和组件静力学分析方法, 动力学方面介绍了整机低频模型、精细化动力学修正、多源载荷等效等问题的研究情况. 针对发动机典型的部件, 梳理了大推力发动机研制中面临的力学挑战, 包括高温高压燃气摇摆装置、转子动力学、动静干涉流体激振、诱导轮汽蚀振荡、大范围轴向力平衡、超音速涡轮颤振、推力室热疲劳、喷管侧向力载荷、总装管路疲劳断裂等问题, 指出了力学需求和未来研究方向. 最后对发动机结构概率失效分析的现状进行了简要介绍, 为大推力液体火箭发动机研制提供力学支撑.

人工智能在复合材料研究中的应用

张峻铭, 杨伟东, 李岩

2021, 51(4): 865-900. doi:10.6052/1000-0992-21-019

摘要(6365)

HTML(1991)

PDF(1436)

摘要:
复合材料以其轻质高强高模、可设计性强等优点成为结构轻量化的重要用材. 然而, 随着复合材料组分、结构以及性能需求的日益复杂化, 以实验观测、理论建模和数值模拟为主体的传统研究范式, 在复合材料力学性能分析、设计和制造等方面遇到了新的科学问题与技术瓶颈. 其中, 实验观测不足、理论模型缺乏、数值分析受限、结果验证困难等问题在一定程度上制约了先进复合材料在面向未来工程领域中应用的发展. 人工智能方法以数据驱动的模型替代传统研究中的数学力学模型, 直接由高维高通量数据建立变量间的复杂关系, 捕捉传统力学研究方法难以发现的规律, 在复杂系统的分析、预测、优化方面拥有与生俱来的优势. 而通过人工智能赋能来寻求复合材料中传统研究方法所面临难题的新的解决方案, 目前已成为复合材料研究领域的发展趋势. 本文综述并评价了人工智能方法在复合材料性能预测、优化设计、制造检测及健康监测等方面的研究进展, 并对未来发展方向进行了探讨和展望.

基于模板的子结构多分辨率拓扑优化

黄孟成, 霍文栋, 刘畅, 杨东生, 黄佳, 杜宗亮, 郭旭

2021, 51(4): 901-909. doi:10.6052/1000-0992-21-030

摘要(1336)

HTML(524)

PDF(230)

摘要:
多分辨率拓扑优化(multi-resolution topology optimization, MTOP)方法将有限元网格和密度网格解耦, 采用较粗的网格(超单元)进行有限元分析, 从而大大降低了拓扑优化过程中的结构分析成本. 但MTOP方法每次迭代都需要根据超单元内的平均密度计算有限元单刚, 不仅精度不够且在过滤半径较小的情况容易出现棋盘格现象和QR模式. 为解决相应问题, 本文将超单元视为子结构, 通过静态凝聚得到超单元刚度阵, 并进一步根据拓扑优化过程中子结构的密度分布特征组建了其模板库, 从而省去了超单元单刚的重复计算, 显著提高了MTOP方法的分析精度, 有效抑制了数值不稳定现象.

碎片云演化分析新进展: 完全基于概率表征方法

舒鹏, 杨震, 罗亚中

2021, 51(4): 910-914. doi:10.6052/1000-0992-21-002

摘要(1013)

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PDF(130)

摘要:
从碎片云的不确定性特征出发, 可以构建完全基于概率表征的碎片云演化分析方法. 用于对解体、演化和碰撞过程进行解析分析, 避免了数值方法计算效率低和结果鲁棒性差的问题.

多主元合金中的化学短程有序

卜叶强, 王宏涛

2021, 51(4): 915-919. doi:10.6052/1000-0992-21-027

摘要(1259)

HTML(613)

PDF(158)

摘要:
大量的研究表明多主元合金中广泛地存在对其性能提升有重要影响的化学短程序. 利用先进的透射电子显微成像技术可以在原子分辨率水平分析多主元合金中化学短程序的尺度、成分和构型.

深水表面有限振幅周期波的稳定性

Zakharov V E

2021, 51(4): 920-930. doi:10.6052/1000-0992-21-051

摘要(1089)

HTML(410)

PDF(152)

摘要:
本文研究了无限深流体中非线性定常表面波的稳定性( Lamb 1964 , Moiseev 1960 ). 在第1节中, 将带有自由表面的理想流体动力学方程转换为有关正则变量的方程: 以正则变量来表示波形 $\eta ({\boldsymbol{r}},t)$ 和表面速度势函数 $\varPsi ({\boldsymbol{r}},t)$ . 通过引入正则变量, 可以将表面波的稳定性问题视为色散介质中非线性波这一更具普遍性问题的一部分( Akhmanov 1964 , Zakharov 1965 ). 本文其余部分的结果也适用于一般情况. 在第2节中, 使用与van der Pohl 类似的方法, 得到了一个用于描述小振幅近似下的非线性波的简化方程. 如果假设波包很窄, 方程将特别简单. 该方程具有精确解, 该解近似于一个有限振幅的周期波. 在第3节中, 研究了有限振幅周期波的不稳定性, 发现了两类不稳定性. 第一类不稳定性是破坏不稳定性, 类似于等离子体中波的破坏不稳定性( Oraevskii & Sagdeev 1963 , Oraevskii 1964 ). 在该类不稳定性中, 一对波被同时激发, 其频率之和是原始波频率的整数倍. 对于毛细波, 破坏不稳定产生得最快; 而对于重力波, 破坏不稳定产生得最慢. 第二类不稳定性是负压类型的不稳定性, 它是由于非线性波的波速依赖于振幅而产生的, 这导致波的调制率被无限放大. 当非线性波通过色散介质时, 如果色散关系对波数的二阶导数的符号与因非线性效应导致频率漂移的符号不同, 则会产生此类不稳定性. 正如Litvak A N和Talanov V I ( 1967 )所提到的那样, 这类不稳定性已经在非线性电磁波中被独立发现.

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