一种时域载荷识别数值算法及其不适定性研究

某结构在试验中,经历了持续时间很短的出水过程,试验中获得了该状态下关键位置响应的时间历程,需进行结构试验环境适应性分析。本文将杜哈梅卷积积分离散化,推导了时域内载荷与响应之间的传递函数矩阵;基于该传递矩阵的逆运算发展了一种时域内载荷识别方法,该方法在数值仿真过程中往往出现累计误差过大导致不收敛的现象,研究分析发现这属于反问题中典型的不适定性问题,并采用最速下降法有效克服了该不适定性问题;同时还考察了该算法在不同信噪比下的识别精度。研究结果表明,正弦、随机、半正弦冲击等多种载荷均获得了较准确的识别结果。本文提出的方法便于复杂工程结构有限元模型的应用。     

Influences of aerodynamic loads on hunting stability of high-speed railway vehicles and parameter studies

The influences of steady aerodynamic loads on hunting stability of high-speed railway vehicles were investigated in this study.A mechanism is suggested to explain the change of hunting behavior due to actions of aerodynamic loads：the aerodynamic loads can change the position of vehicle system（consequently the contact relations）,the wheel/rail normal contact forces,the gravitational restoring forces/moments and the creep forces/moments.A mathematical model for hunting stability incorporating such influences was developed.A computer program capable of incorporating the effects of aerodynamic loads based on the model was written,and the critical speeds were calculated using this program.The dependences of linear and nonlinear critical speeds on suspension parameters considering aerodynamic loads were analyzed by using the orthogonal test method,the results were also compared with the situations without aerodynamic loads.It is shown that the most dominant factors a ff ecting linear and nonlinear critical speeds are different whether the aerodynamic loads considered or not.The damping of yaw damper is the most dominant influencing factor for linear critical speeds,while the damping of lateral damper is most dominant for nonlinear ones.When the influences of aerodynamic loads are considered,the linear critical speeds decrease with the rise of cross wind velocity,whereas it is not the case for the nonlinear critical speeds.The variation trends of critical speeds with suspension parameters can be significantly changed by aerodynamic loads.Combined actions of aerodynamic loads and suspension parameters also a ff ect the critical speeds.The effects of such joint action are more obvious for nonlinear critical speeds.     

交通载荷作用下跨海桥梁-电缆组合结构随机振动分析

电缆沿桥跨海铺设是海缆铺设的一种新的形式, 针对由汽车和列车交通载荷诱发的沿跨海桥梁敷设电缆的振动问题, 建立了桥梁-电缆的整体组合结构分析模型, 将汽车和列车的作用载荷简化为移动的随机集中载荷序列, 发展虚拟激励法(pseudo-excitation method, PEM)用于分析移动随机载荷作用下电缆位移和应力响应的标准差及演变功率谱 (power spectral density, PSD), 并研究了汽车和列车运行速度对电缆动力响应标准差的影响. PEM将移动随机载荷问题转化为特定频率简谐移动载荷作用下的动力响应分析, 能够计算得到与Monte Carlo (MC) 方法非常吻合的电缆动力响应标准差, 但所需的时域响应分析次数远少于MC方法. 数值结果表明, 随着汽车和列车运行速度的提升, 电缆位移和应力标准差呈现增大的趋势; 在汽车和列车交通载荷作用下, 铝护套的位移标准差和功率谱的值比缆芯要大, 这可能会使得电缆的疲劳破坏首先发生在铝护套层, 本文工作对电缆沿桥跨海铺设实际工程具有一定的借鉴意义.      

平面叶栅气动试验研究进展与展望

平面叶栅气动试验传统上是验证压气机、涡轮的基元性能的主要手段, 近年来国内外研究人员利用平面叶栅开展了大量的流动测量试验, 以揭示叶栅内部复杂流动现象的本质和规律、探索减小叶栅内流动损失的方法. 本文从试验装置、测试技术和研究内容三个方面, 综述了近年来平面叶栅气动试验研究的进展情况. 首先介绍了平面叶栅试验装置的发展及提高平面叶栅试验段流场品质的措施; 其次介绍了叶栅气动试验采用的部分流场测试技术, 包括叶片表面压力场、叶片表面温度场、内流速度场及流场可视化等测试技术, 分析了这些测试技术的进展和存在的问题; 然后梳理了近年来平面叶栅试验研究的相关科学问题及进展, 包括跨音速叶栅中的激波研究, 叶顶间隙泄漏流动研究, 叶型优化研究, 多尺度非定常旋涡结构研究, 振动环境下叶栅流场研究等; 最后对平面叶栅气动试验研究方向进行了展望. 通过了解叶栅内复杂流动现象及本质, 为进一步探索和提高压气机、涡轮的气动性能提供技术支撑.      

内孤立波作用下潜深对潜体运动响应和载荷特性的影响研究

内孤立波常发生于海洋密度跃层, 因其峰高谷深、携带能量巨大, 在传播过程中会导致跃层上下的海水流动呈现剪切状态, 并引起突发性的强流. 潜体在水下悬停时极有可能会遭遇内孤立波, 由于内孤立波的流场特性, 置于跃层上下的悬浮潜体所产生运动响应和水动力载荷变化不尽相同, 甚者会出现掉深现象. 为探究潜深对波体耦合作用的影响, 基于不可压缩N-S方程和mKdV理论, 采用速度入口造波, 结合重叠网格技术和流固耦合方法, 建立了分层流中内孤立波耦合水下潜体多自由度运动的数值模型, 通过该模型分析了不同潜深下悬浮潜体的运动响应和载荷特性. 结果表明: 在内孤立波作用下, 位于密度跃层上方和跃层中的潜体顺着波的前进方向运动, 先下沉后抬升, 位于跃层下方的潜体则会逆流持续下沉; 潜体与波面的垂向距离越小, 对其纵荡、垂荡和速度的影响越显著, 而位于密度跃层中的潜体在分界面处沿着波形运动, 其运动响应和载荷变化受影响较小; 潜体在跃层上、下流体中所受水平力的方向相反, 水平力峰值小于垂向力峰值, 且位于跃层下方的潜体一直受到低头力矩, 最终导致掉深.      

具有非线性支撑和弹性边界约束的轴向载荷梁结构动力学行为研究

弹性梁结构作为一种基本单元被广泛于建筑、航空、航天、船舶等工程领域. 为有效降低弹性梁结构的振动水平, 深刻理解其振动特性、动力学行为显得尤为重要. 本文建立了具有非线性支撑和弹性边界约束的轴向载荷梁结构动力学分析模型, 并采用伽辽金截断法预报梁结构的动力学响应. 在伽辽金截断法的求解过程中, 选取具有弹性边界约束的轴向载荷梁结构的模态振型函数作为伽辽金截断法的试函数与权函数. 首先, 研究截断数对伽辽金截断法稳定性的影响, 并采用谐波平衡法研究伽辽金截断法的可靠性. 在此基础上, 研究谐波激励扫频方向、非线性支撑参数对具有非线性支撑和弹性边界约束的轴向载荷梁结构动力学响应的影响规律. 研究结果表明, 具有非线性支撑和弹性边界约束的轴向载荷梁结构的动力学响应具有初值敏感性且非线性支撑参数对梁结构动力学响应的影响显著. 相关非线性支撑参数使得梁结构出现复杂动力学行为. 合适的非线性支撑参数能够抑制具有非线性支撑和弹性边界约束的轴向载荷梁结构的复杂动力学行为并对梁结构边界处的减振具有有益效果.      

固液界面的力?电?化学耦合及在电催化体系中的应用

目前许多新型高效金属催化剂在设计制备中都考虑到表面力学因素, 例如层状结构、核壳结构等, 其表面高活性原子受到不同程度的应变作用. 应变可直接改变金属的能带带隙, 对催化剂表面的电化学反应产生显著影响, 是一种有效提升材料催化活性的新思路和制备高性能催化剂的新途径, 因此受到了科研工作者的广泛关注. 传统的材料应变工程手段存在着活性物质层的应变值难以精确定量, 并缺少实时调控以及制备工艺繁琐等难题, 导致应变与电催化活性相关性规律识别方面的理论和实验研究进展缓慢. 相比于传统的材料手段, 交变载荷产生的应变具有幅值和频率的可变性以及连续的调控性, 在实验中可以完全排除噪声、缺陷、空位、基底效应等其他外部或材料本征的影响因素. 该综述从经典固液界面热力学表述出发, 简要介绍了电催化体系中的力?电?化学耦合效应, 归纳总结目前电催化体系中应变施加的实验手段和分析方法, 并基于目前相关研究着重讨论在交变载荷作用下应变对金属表面电催化反应的作用机理, 最后从力学角度展望了表面力学在电催化体系中的研究重点及发展趋势.      

个体水平间距对群组中扑翼气动性能的影响

研究群组中个体之间的非定常流动机理,可以为仿生飞行器集群运动提供理论基础。采用基于有限元的计算流体力学方法,对前飞状态的扑翼群组个体之间水平间距对气动性能的影响进行研究。研究发现,水平间距对扑翼气动性能具有显著影响。在一定的垂直间距下,群组中扑翼可以在较小的水平间距下获得最佳的推力性能,在较大的水平间距下可以获得最佳的升力性能。扑翼气动性能的变化主要与群组中前翼和后翼的脱落涡相互作用密切相关。     

爆炸载荷下脆性颗粒体系破碎特性的数值研究

试验发现,以球形TNT为中心爆源,球形玻璃珠构成的颗粒和球壳中发生破碎的颗粒体积分数随当量比(颗粒球壳的质量与TNT炸药的质量比)的增加呈现指数衰减规律。采用有限元与离散元耦合的连续非连续数值方法,揭示了中心炸药起爆后颗粒环壳内爆炸波的传播衰减和在环壳外界面反射后的稀疏卸载过程。由于爆炸波的短脉冲特性,颗粒内部应力场始终处于应力非均衡状态,采用应力均衡状态下颗粒破碎强度的Weibull分布会得到远高于试验测得的破碎颗粒体积分数。因此采用破坏波传播特征时间内的平均诱导应力而非瞬时诱导应力作为颗粒破碎强度的应力指标,并通过试验结果确定破坏波传播特征时间。考虑了应力传播的非均匀性对于颗粒破碎的影响,得到了平均诱导应力峰值的概率分布随比例距离的变化规律,结合修正后的颗粒破碎强度Weibull分布建立了破碎颗粒体积分数随比例距离的变化模型。     

矩阵摄动和Newmark-β逐步积分相结合的不确定性结构载荷识别

为了反演作用在不确定性结构上的动态激励上下界,在时域内建立了一个矩阵摄动和Newmark-β逐步积分相结合的载荷识别算法。首先依据矩阵摄动理论将动载荷近似表示为中值和摄动量相叠加的一阶泰勒多项式形式,然后引入Newmark-β逐步积分算法对振动学微分方程解耦,推导一个将输入载荷、输出响应和结构特性联系在一起的线性振动离散方程,借助该方程反求出动载荷的中值和摄动量,最终获得动载荷的上下边界。数值算例结果表明,该方法可以高效准确地重建载荷的上下边界,并具有优良的抗噪性能。