固体—气幕—液体耦合问题的水弹性分析

论文对已有的流－固耦合问题的水弹性理论加以扩展，使之满足气泡振动方程、速度连续条件和压力连续条件，以建立固体－气幕－液体耦合问题的水弹性分析方法，用来解气幕中结构的振动问题。     

固体－气幕－液体耦合系统广义变分原理

基于驻值势能原理，本文建立了固体－气幕－液体耦合系统的广义变分原理．本文进一步根据薄气幕层的特性，将广义变分原理的相关项适当组合，得出结论，在薄气幕层情况下，固体－气幕－液体三介质耦合问题可以化为在气泡振动方程、速度与压力连续条件限制下的流－固两介质耦合问题来进行数值计算．     

利用多维模态理论分析圆柱贮箱液体非线性晃动

将多维模态理论应用到求解作横向运动圆柱贮箱中液体的非线性晃动问题. 首先通过压力积分变分原理推导出描述液体作非线性晃动的一般形式无穷维模态系统,然后根据Narimanov-Moiseev三阶渐近假设关系,通过选取二阶主模态和三阶次模态,将无穷维模态系统降为五维渐近模态系统. 通过对这个模态系统的数值积分可以看出一些典型的非线性特征(如波峰大于波谷、节径移动等).      

界面强度对玻璃微珠填充聚丙烯力学性能的影响

本文针对玻璃微珠填充聚丙烯这一刚性粒子填充聚合物复合体系进行了实验研究。通过偶联剂改性对比,研究了该聚合物复合材料在不同界面粘结状态下的宏观拉伸、冲击力学性能。此外,根据冲击破坏断面的电镜观测结果,发现复合体系的断裂和增韧机制随界面粘结强度不同而发生改变,界面改性使得材料抗冲击破坏能力得到增强。本文还采用在位拉伸过程中的细观观测方法,观测到材料在一维应力作用下,刚性粒子和基体界面的脱粘、开裂过程,分析了该复合体系细观结构和宏观力学性能之间的关系,发现界面改性对于材料细观结构的界面脱粘和宏观屈服现象的重要影响,为发展新型复合材料提供了实验依据。     

充液航天器液体晃动和液固耦合动力学的研究与应用

随着火箭运载能力、卫星工作寿命和深空探测器任务复杂度的不断提高, 液体推进剂占航天器总质量的比重也不断增加. 液体推进剂的晃动影响着航天器的运动稳定性和姿轨控系统的可靠性, 是航天器动力学中一个备受关注的问题. 充液航天器中晃动的液体是一个分布参数系统, 理论上是无穷维的, 而工程上希望建立的数学模型是简单、低维的, 因此对液体晃动等效力学模型的研究经久不衰. 另外, 液体推进剂对航天器的结构动特性有着重要的影响, 在建立充液航天器的结构动力学模型时需要考虑液体推进剂与贮箱等结构的耦合效应. 本文首先结合液体晃动动力学理论和航天工程实际, 从理论研究、数值研究和实验研究等三个方面综述了国内外在充液航天器液体晃动动力学领域的研究现状, 并以此为基础介绍了航天工程中液体晃动等效力学模型的应用进展情况; 然后, 以液体运载火箭为例概述了国内外在充液航天器液固耦合建模方面的成果,介绍了求解液固耦合问题的数值方法和应用软件; 最后, 根据航天器工程的发展需求, 对充液航天器液体晃动和液固耦合动力学的进一步研究方向提出了一些建议.      

微重力下圆柱形贮箱内液体晃动的分岔现象

为了得到微重力下液体晃动的特性,晃动模态用具有水平静液面的液体晃动模态近似. 液体晃动取前5 个重要模态,用Lagrange 方程推导了横向力作用下液体晃动和航天器结构的无量纲的耦合动力学方程并进行数值模拟. 模拟了液体晃动模态随外力振幅和频率变化产生的分岔现象,并分析了系统参数,如Bond数、接触角、接触角迟滞、充液高度、频率比、质量比以及外力的周期形式和方向等对晃动模态的分岔的影响.     

储液容器内液体晃荡的非线性动力学分析

基于非线性波动理论模型,求解储液容器内液体晃动的固有频率、模态及动力学响应问题。流体使用u_s-u_p状态方程,利用ABAQUS软件的自适应网格技术,建立储液容器液体晃动数学模型,通过施加水平简谐激励得到液体晃动的固有频率和模态,并与解析解对比,验证了该方法的准确性与可行性。然后,分析了矩形储液容器在多种激励作用下液体非线性晃动响应特性。

     

离子液体添加剂对硬脂酸钾固体润滑薄膜摩擦磨损性能的影响

采用浸渍-提拉方法在单晶硅片上制备硬脂酸钾以及添加离子液体的硬脂酸钾复合薄膜,采用DF-PM型静-动摩擦磨损试验机考察薄膜在低速滑动条件下的摩擦磨损性能,采用扫描电子显微镜和X射线能量散射谱仪观察分析薄膜及其偶件表面的磨损形貌及典型元素面分布.结果表明:在相对低速滑动条件下,在羟基化硅基底上制备的复合薄膜的摩擦磨损性能优于硬脂酸钾薄膜;在载荷为1.0 N条件下,含离子液体质量分数40.0%的复合薄膜的耐磨寿命超过5 000次,而硬脂酸钾薄膜仅为100次左右;随着复合薄膜中离子液体含量增加,复合薄膜更容易在偶件钢球表面形成有效转移薄膜,使复合薄膜摩擦磨损性能得以提高.     

智柔超材料及其力学性能的研究进展

力学超材料(或超结构)因其独特的微观结构设计而展现超常的物理和力学特性.将力学超材料设计思想与智能柔性(简称智柔)材料相结合,可以制备出具有自感知和自驱动功能的智柔力学超材料(简称智柔超材料).本文对近年来智柔超材料的研究现状和进展进行了评述,分析了此类材料的基本设计思想、变形机理及力学特性,重点关注了基于形状记忆聚合物和水凝胶智柔超材料的设计原理和性能分析方法;阐释了先进制造技术为智柔超材料发展带来的机遇,并讨论了此类材料在设计和开发方面面临的关键问题以及未来发展趋势.     

圆柱形容器在液体作用下的模态计算及影响规律研究

油底壳、油箱、膨胀水箱等汽车储液容器在设计开发中,结构模态作为关键技术指标,其精确的计算需要考虑液体与结构的双向耦合作用.本文以圆柱形储液容器为研究对象,采用声学单元、薄膜单元、弹簧单元及壳单元建立了可以考虑液体质量、可压缩性和液面晃动的耦合模态计算模型.然后,计算储液容器不同液体高度下的一阶模态频率,与模态试验、虚拟质量法及液体单元法的结果对比显示,本文所采用的建模方法具有更高的准确性.最后,探究了容器厚度、直径及高度对不同液体高度的储液容器的前两阶模态的影响规律,为此类储液容器的设计提供参考.     

深部大理岩真三轴力学特性离散元和有限差分耦合分析

为了研究深部大理岩的动态力学特性,首先基于离散元PFC (particle flow code)和有限差分FLAC (fast Lagrangian analysis of continua)耦合法,对大理岩的细观参数进行标定。接着,对三维分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）冲击模拟中的动态应力平衡条件及均匀性假设进行数值验证。最后,对真三轴应力环境下大理岩的应力-应变响应、破碎特征及能量演化机理等问题进行深入分析。结果表明：基于PFC-FLAC耦合理论的真三轴SHPB试验数值结果满足应力均匀性假设,模拟得到的应力-应变曲线与室内试验数据高度一致。峰值应力、峰值应变随着冲击方向上预压（下称“轴向压力”）的增大呈下降趋势。在轴向压力相同时,试样峰值应力增幅随入射应力的提高逐渐变小;当入射应力固定时,轴向压力对试样峰值应力有削弱作用,垂直于冲击方向的侧压则会提升试样的抗压强度。加载过程中声发射事件爆发期整体上发生在应力峰后段,并在此阶段试样内形成较明显的宏观破碎带。在真三轴动态压缩下,大理岩试样主要以拉伸裂纹居多,在总裂纹数中占比超过80%。试样从加载至破坏的过程伴随有能量的变化,达到应力峰值点时试样的应变储能达到极限,之后转化为以耗散能为主、颗粒动能等为辅的能量形式。     

海上浮式风力机支撑结构的流固耦合动力学研究

海上漂浮式风力机支撑结构动力载荷的确定不仅对于结构设计、施工过程非常重要,对于设施的运维保障同样重要。水动力载荷的计算可归为基于势流理论的理论模型和基于计算流体动力学的数值模型两类方法。本文简述了两类模型各自的基本原理,明确其优劣,为实际工程应用的合理建模提供参考。对于海洋工程,水池物理模型实验发挥着重要作用。本文以某结构型式的浮式支撑结构的物理模型实验为例,阐述了物理模型实验技术的局限性及改进措施,为工程建设提供必要的技术支撑。

     

Fluid-solid coupling model for studying wellbore instability in drilling of gas hydrate bearing sediments

As the oil or gas exploration and development activities in deep and ultra- deep waters become more and more, encountering gas hydrate bearing sediments （HBS） is almost inevitable. The variation in temperature and pressure can destabilize gas hydrate in nearby formation around the borehole, which may reduce the strength of the formation and result in wellbore instability. A non-isothermal, transient, two-phase, and fluid-solid coupling mathematical model is proposed to simulate the complex stability performance of a wellbore drilled in HBS. In the model, the phase transition of hydrate dissociation, the heat exchange between drilling fluid and formation, the change of mechanical and petrophysical properties, the gas-water two-phase seepage, and its interaction with rock deformation are considered. A finite element simulator is developed, and the impact of drilling mud on wellbore instability in HBS is simulated. Results indicate that the re- duction in pressure and the increase in temperature of the drilling fluid can accelerate hydrate decomposition and lead to mechanical properties getting worse tremendously. The cohesion decreases by 25% when the hydrate totally dissociates in HBS. This easily causes the wellbore instability accordingly. In the first two hours after the formation is drilled, the regions of hydrate dissociation and wellbore instability extend quickly. Then, with the soaking time of drilling fluid increasing, the regions enlarge little. Choosing the low temperature drilling fluid and increasing the drilling mud pressure appropriately can benefit the wellbore stability of HBS. The established model turns out to be an efficient tool in numerical studies of the hydrate dissociation behavior and wellbore stability of HBS.     

饱水对煤层顶板砂岩单轴压缩破坏能量影响的分析

为研究饱水对砂岩力学参数和能量特征的影响,利用RMT-150B岩石力学系统对煤层顶板砂岩自然和饱水试样进行单轴压缩试验。试验结果表明:饱水对砂岩试样的强度和变形参数均有不同程度的影响,软化系数为0.79,弹性模量降幅为5.25%,变形模量降幅为5.92%;饱水后砂岩试样峰值前吸收能量、可释放弹性能和耗散能均有不同程度降低,吸收能量降幅36.8%,可释放弹性能降幅为34.4%,耗散能降幅为57.7%;饱水后砂岩储蓄能量的能力有较大减弱,脆性减弱,塑性明显增强;饱水砂岩试样压缩过程中积蓄可释放能难以使试样滑移破坏,仍需要吸收部分能量使试样逐步失稳破坏;饱水对砂岩试样压缩过程吸收能量、可释放能量比例关系的影响较小,而对耗散能比例关系的影响较大;自然状态下砂岩试样峰值前相同应变条件下吸收能量、可释放能均明显高于饱水试样对应能量值;深部巷道位置确定和支护设计时应充分考虑水对巷道围岩弱化的影响,对于完整坚硬围岩采用高压注水软化可有效防止冲击地压发生和减缓灾害程度。     

不同加载条件下含裂隙岩石裂纹扩展特征及能量演化机制试验研究

为对比不同加载条件下含裂隙岩石的破坏模式特征及其与试样能量演化之间的关系,以相同尺寸含裂隙红砂岩为静态、动态加载试验对象,分别采用液压伺服刚性压力机和分离式霍普金森压杆(SHPB)系统进行试样的静态单轴压缩试验以及冲击加载试验,得到相应静态、动态应力-应变曲线,配合摄像系统获得不同加载条件下试样裂纹扩展路径,并对比分析了静态加载、不同强度冲击加载条件下试样的裂纹扩展模式、压缩强度、能量特征。结果表明：裂纹萌生和扩展与预制裂隙角度、应变率关系密切,与静载试样相比,冲击动载试样出现了拉伸-剪切混合裂纹、离层裂纹以及更多的远场裂纹;中应变率范围内,随应变率增加,含预制裂隙岩样出现了由拉伸裂纹为主向X状剪切破坏的转变;试样压缩强度与裂纹扩展模式相关,试样吸收总能量与静态、动态单轴压缩强度近似呈线性关系,不同加载条件下,45°试样压缩强度均最低;静态加载条件下,不同产状预制裂纹的存在使试样储能极限、延脆性特征发生不同程度的改变;动态加载条件下,应变率越大,试样吸能越高,破碎耗能密度、能量耗散率越大,同时试样裂纹角度对破碎耗能密度和能量耗散率的影响越显著;相对静载条件,动载条件下试样破碎耗能密度的主要影响因素更加多样和复杂。     

一种抛物线浅拱线性单元

为研究抛物线浅拱在复杂受力状态下的线性内力及位移,考虑拱的压弯耦合作用,基于力法和浅拱假定,对抛物线拱平衡方程、几何方程和物理方程进行了分析;求得了抛物线拱内力方程通解格式,构建了抛物线浅拱位移形函数。利用最小势能原理,构造了抛物线浅拱单元。算例表明,本文构造的抛物线浅拱单元计算的抛物线拱内力与理论解计算结果符合较好,在划分一个单元时最大相对误差仅为4.03%,可用于抛物线拱分析。     

末端带有刚体的旋转梁运动稳定性分析

在对含有柔性元件的复杂航天器进行稳定性等动力学行为的分析中, 通常采用的离散化方法, 可能会导致\"动力刚化\"等现 象.将梁作为带分布参数的子系统(无限自由度)分析, 基于Rumyancev定理, 通过计算系统相对势能泛函的一阶变分得到了系统的定常运动, 把系统定常运动稳定性的分析归结为系统变势能泛函存在孤立极小值的问题.在分析中不需要建立系统的运动微分方程, 简化了建模过程, 由系统相对势能泛函的二阶变分的正定性得到了使系统定常运动稳定的充分条件, 同时这个条件是使用基于李雅普诺夫直接法思想分析运动稳定性问题得到的最为广泛的充分条件.     

复合纸蜂窝结构的力学性能与吸能特性研究

本文对不同类型、不同组合的Aramid纸蜂窝结构进行了抗压实验,并与单层蜂窝的抗压实验结果进行对比,总结其力学性能和吸能特性。组合的类型包括不带隔板的2个规格相同的蜂窝组合,以及包含铝隔板的相同规格的2个蜂窝组合。结果表明,复合纸蜂窝结构具有一定的应变率效应,并且其吸能特性远优于单层纸蜂窝,加入铝隔板的纸蜂窝吸能特性会进一步提升。为了验证实验结果,基于数值方法建立了合理的分析模型,计算结果与实验结果吻合较好。研究结果表明,含有铝隔板的组合适用于需要较大坍塌应力的防撞结构中,而无隔板组合适用于需减小初始破坏应力的阻尼吸能结构中。     

不同孔隙率及孔径泡沫铝的力学与吸能特性研究

对三种孔径两种孔隙率共六种泡沫铝试件进行了静态压缩试验,发现对于中孔隙率材料,孔隙率对材料力学性能和吸能性能仍有明显影响:孔隙率越大,其吸能能力越强,但是屈服极限越小.孔径对材料吸能能力也有一定影响.同时,试验中还发现,对于孔隙率为55%的材料,当孔径≤1mm时,泡沫铝材料的孔径对其力学性能及吸能性能影响甚小.