刚体运动学的Pio图方法

刚体运动学的Ｐｉｏ图方法刘延柱（上海交通大学工程力学系，上海２０００３０）刚体绕固定点多次转动的姿态和角速度的确定问题是最基本的刚体运动学问题．利用方向余弦矩阵的乘法运算可以程式化地导出结果［４，５］，但随着转动次数的增多，计算过程十分繁琐．１９６４...     

刚体运动学的Pio图方法

刚体运动学的Ｐｉｏ图方法刘延柱（上海交通大学工程力学系，上海２０００３０）刚体绕固定点多次转动的姿态和角速度的确定问题是最基本的刚体运动学问题．利用方向余弦矩阵的乘法运算可以程式化地导出结果［４，５］，但随着转动次数的增多，计算过程十分繁琐．１９６４...     

多孔硅橡胶有限变形的粘弹性行为

针对孔隙度较大（孔隙度大于50％）的硅橡胶材料在有限变形时的粘弹性行为，从建立描述材料粘弹性特征的松驰函数和变形特征的应变能函数出发，提出了适合多孔隙、可压硅橡胶材料的非线性粘弹性力学行为的本构关系，松驰函数和应变能函数可解耦为等容和体积变形两部分，并引入了拟时间的概念来反映变形对材料特征时间的影响，利用硅橡胶材料的单轴压缩松驰实验与材料模型进行了对比，讨论了多孔硅橡胶的等容变形和体积变形对应力松驰的影响。     

弹塑性有限变形的拟流动理论

本文提出一种弹塑性有限变形的拟流动理论。该理论从正交性法则出发，通过引入“拟弹性模量”和模量衰减函数并改进应变率的弹塑性分解，实现了由有限变形Ｐｒａｎｄｔｌ－Ｒｅｕｓｓ流动理论（Ｊ２Ｆ）向基于非正交法则的率形式形变理论（Ｊ２Ｄ）的合理的光滑过渡；并适用于初始及后继各向异性变形分析。在特殊条件下，可退化为Ｊ２Ｆ、Ｊ２Ｄ理论以及由任意各向异性屈服函数描述的流动理论。将该理论用于韧性金属平面应力／应变拉伸失稳与变形局部化的有限元模拟，并与理论分析及实验结果相比较，表明了本文理论的正确性。     

关于几种新的析分解的计算方法

对变形樟度极分解的计算方法进行了分析，给出了极分解计算的四种新方法：（１）增量叠加法；（２）基于伸长张量不变量（近似）计算法；（３）确定主转动轴计算法；（４）坐标变换法。增加叠加极分解计算方法将为建立以伸长张量为变应度量的大变形大转动有限分析方法提供基础。本文还给出了伸长张量物质时间导数的简洁表达式。     

基于神经网络的结构变形估计和形状控制

准确的变形估计是智能结构形状控制的前提。本文基于人工神经网络（ＡＮＮ）方法设计了智能桁架结构的变形估计器和形状控制器，根据结构系统有限数目的测量值可以估计结构变形并用于形状控制。该方法同时适于处理结构非线性问题。算例表明方法的可行性与有效性。     

关于分析力学中约束力的表达问题

本文针对分析力学中约束力表达式是否合理的问题,分析了约束、约束方程、约束力、位移和运动学限制等概念之间的关系并建议了一个新的关系,指出：（１）即使是理想约束,约束力也只能由约束而不是由约束方程统一确定;（２）实现运动学限誓由蝗途径不是唯一的,约束力的乘子表达式不是普遍适用的。给出了对于具体的约束,约束力表达式正确与否的判别原则。示例说明了上述论点。     

冻土的有限变形本构关系的实验研究

根据有限变形理论,给出了冻土三轴蠕变实验数据处理时所需Green应变和Kirchhoff应力的计算公式,并根据冻土三轴蠕变实验结果给出冻土的有限变形本构关系及其蠕变参数。通过对冻土的实验数据对比分析可知:在相同试验条件下,应变较小时,小应变ε1 和Green应变Ez的数值几乎相等,随着应变的增加,两种表征方式的计算结果差别越来越大,可见对于冻土如果不考虑试件变形前后长度的变化,计算得出的应变偏离实际变形情况较大,因此冻土材料的本构关系采用有限变形表征更确切。根据冻土的有限变形本构关系计算得到的冻结壁内侧最大径向位移更接近实测结果,因此冻结壁设计计算依据冻土的有限变形本构关系更为合理。对今后冻结工程的设计具有参考价值。     

形状记忆合金管接头空间轴对称有限元分析

本文采用形状记忆合金（ＳＭＡ）的三维本构方程和有限变形理论，考虑拉、压不同应力状态对相变点移动的规律，编制了ＳＭＡ轴对称大变形的有限元程序，与单向拉伸下解析所得的应力、应变曲线相比，证实程序的正确性．文末计算一ＳＭＡ管接头，并指出按空间轴对称计算的必要性．     

材料三维微结构表征及其晶体塑性有限元模拟

材料的力学性能，尤其是在有限变形下所呈现的宏观各向异性，是材料结构设计和服役寿命考虑的关键因素。由于宏观模型不能较好地反映材料微观结构（晶粒的形貌和取向等）对宏观塑性各向异性的影响，因此，本文建立了能实际反映晶粒形貌的三维Voronoi模型，并基于晶体塑性理论对铝合金在有限变形下的响应进行计算。首先，建立反映材料微结构的代表性体积单元RVE模型进行计算，并与实验结果进行对比验证。然后，以单向拉伸为例，分析了有限变形过程中试件的晶粒形貌和取向分布等微观因素对宏观各向异性演化的影响，并从材料和结构两个层面讨论了微观结构对宏观力学性能的影响。结果表明，本文模型能够反映微观结构对宏观力学性能的影响，为实际生产制造领域构件的力学性能提供可靠的预测。     

垂向冲击下穿戴装备对乘员损伤影响研究

军事人员在战斗中需要穿戴装备,穿戴装备后对车内乘员承受车辆底部爆炸垂向冲击时的损伤有影响。通过垂向冲击试验与仿真模拟的方法,研究了穿戴装备在身上的分布对于乘员损伤的影响。根据AEP55乘员伤害准则,以盆骨z向加速度和腰椎轴向力为乘员损伤的参考目标,首先通过垂向冲击试验的进行,研究了不同穿戴装备质量对于乘员损伤的影响;接着通过有限元模型对试验进行验证和优化,进而研究穿戴装备位置与松紧度对于垂向冲击下乘员损伤的影响。结果表明随着穿戴装备质量的增加,乘员腰椎损伤加重,脊柱损伤概率减小;装备分布在躯干位置越靠近上部,与身体接触松紧度越紧,乘员腰椎与脊柱的负荷越小,越不易受伤。     

基于非线性分析的加肋板肋条位置无网格优化

在加肋板无网格模型中,肋条的位置对各种工况下加肋板受力性能的影响至关重要.文章基于一阶剪切变形和移动最小二乘法理论提出一种考虑非线性影响的加肋板无网格模型,并利用遗传算法优化肋条位置.首先,采用离散节点分别对平板和肋条进行离散,得到加肋板的无网格离散模型;其次,通过冯·卡门大挠度理论得到非矩形板几何非线性问题的弯曲控制方程;再次,通过哈密顿原理得到加肋非矩形板自由振动问题的控制方程;最后引入遗传算法,以肋条的位置为设计变量、非矩形加肋板中心点挠度最小或自振频率最大为目标函数,对肋条位置进行优化.在考虑了几何非线性影响的肋条位置优化过程中,肋条位置改变时只需重新计算位移转换矩阵,避免了网格重构.本文以全局荷载下单肋条菱形板为例与理论解进行对比,进行有效性验证.再以板的中点挠度最小和自振频率最大为优化目标,对局部荷载作用下不同形状、不同肋条布置方式的加肋板进行优化,分析方法的收敛性及稳定性.     

圆管及内充压力介质管道撞击损伤与破坏的研究进展

综述了国内外关于内空圆管及充有压力介质的管道经受局部撞击作用时的大变形与破坏的研究现状,从圆管的侧向撞击凹陷及其对管柱承载能力的影响、管壁的撞击穿透、圆管的斜冲击、内充介质及压力对冲击穿透的影响、分析模型等6个方面介绍了一些重要实验结果和处理该类问题的分析方法与力学模型,讨论并提供了一些在工程应用中有重要指导意义的研究结果.由于内充压力介质管道的冲击穿透破坏涉及内充压力介质与管壁在撞击过程中的相互耦合作用,其变形及破坏机理十分复杂,影响因素除了圆管的几何尺寸、支承形式、材料力学特性、弹体形状及冲击速度等,还包括内充介质密度及内充压力大小等诸多方面.本文对这一问题作了详细评述及讨论,指出了目前的研究结果中的不同结论,同时给出了内充压力介质对临界冲击穿透能量的影响趋势的最新研究结果,最后提出了进一步的研究方向以及采用的相应对策.图2参64     

DYNAMIC RESPONSE OF THE CATENARY RISER IN DEEP-SEA MINING SYSTEMS 1)

基于有限元模型,模拟、分析深海采矿系统悬链线立管在海流和水面船运动约束下的动力响应。结果表明：悬链线立管的最大等效应力和最大位移随时间呈周期性变化,且存在半个周期的相位差;当水面船运动到最高点时,悬链线立管位移达到最大值。悬链线立管最大 等效应力和最大位移随水面船运动位移幅值的增加而增加,随运动周期的增加而减小。进一步对比发现,水面船运动位移和周期对立管等效应力的影响大于对其位移的影响。     

THEORETICAL ANALYSIS OF THE DECREASE OF THE STRENGTH OF REINFORCED SOIL1)

从理论上推导出了加筋土强度的数学表达式,分析了土的黏聚力与土筋界面参数变化对加筋土强度的影响,研究表明,当发生拉断型破坏时,黏聚力的减少比筋材提供的拉力占优势的情况下,加筋土的强度会低于素土的强度;当发生黏着型破坏时,黏聚力的减少比筋材提供的摩阻力占优势的情况下,加筋土的强度也会低于素土的强度。加筋土强度的降低程度与筋材在土中形成的夹层、土筋界面透水性、加筋间距有关。     

自由面对潜艇尾流场流动特性影响研究

潜艇周围绕流场流动特性会影响潜艇的机动性能, 特别是近水面航行时, 自由面的存在会增大潜艇尾流场的复杂程度.为探究潜艇在近水面航行时自由液面对潜艇尾流场流动特性的影响机理,借助大型水下三维粒子图像测速技术开展潜艇尾流场流动特性研究.首先通过美国泰勒水池标准模型实验结果对试验方法准确性进行验证; 随后,用验证后的模型试验方法对潜艇尾流场进行测量,得到不同潜深工况、不同速度下的桨盘面轴向速度以及脉动速度,同时辅以数值模拟对试验无法测得的兴波波系及中纵剖面速度场加以补充,从兴波角度阐述了自由面对潜艇尾流场流动特性影响机理. 研究结果表明:潜艇在近水面航行时, 随着Fr增大,桨盘面处轴向速度云图中上方等值线整体趋于扁平化, 较4D潜深工况,1.5D潜深工况出现局部脉动速度极大值, 且脉动速度结构整体下移; 自由面存在时,艇体与自由面间流场速度明显增大, 特别在桨盘面区域, 流场速度明显提升.随着Fr增大, 桨盘面处的自由液面高度逐渐降低,这就导致了桨盘面位置出现更大的流体速度, 即造成了桨盘面伴流场挤压现象.      

Nonlinear chatter with large amplitude in a cylindrical plunge grinding process

The phenomenon that the stable smooth grinding process coexists with chatter vibrations with large amplitudes in a cylindrical plunge grinding process is investigated in this paper. In the analyzed dynamic model, the workpiece and the grinding wheel involved in the grinding process are regarded as a slender hinged-hinged Euler?CBernoulli beam and a damped spring mass system, respectively, and the contact force between the two is treated as the main factor that affects the dynamic behaviors of the process. Called regenerative force, the contact force represents the interaction with regenerative effects between the workpiece and the wheel. To clarify the relation between the force and the dynamical behaviors in the grinding process, all the effects of the system parameters related to the interaction, such as the grinding stiffness, the rotation speeds of the workpiece and the wheel, on the dynamic motions of the process are studied. To this end, the eigenvalues analysis is firstly carried out to find the chatter-free-region, in which the smooth grinding process is stable and the chatter vibration may be absent. And then the nonlinear chatter vibrations when the values of concerned parameter leave the chatter-free region are predicted numerically. It is interesting that both the supercritical and subcritical Hopf bifurcations are found on the same boundary of the chatter-free region. As we know, there must be a zone in the chatter-free region where the stable smooth grinding process coexists with the chatter vibration when the subcritical one arises and the switching point between the supercritical and the subcritical ones is a Bautin bifurcation point mathematically. Thus, the Bautin bifurcation analysis is performed to scan the subregion in which the smooth grinding process is not unconditional stable anymore.     

剪切增稠液体液舱侵彻实验

为研究剪切增稠液体(shear-thickening fluid, STF)液舱对弹体的防护性能,制备特定规格剪切增稠液体,并开展弹体侵彻剪切增稠液舱实验研究。实验中采用高速相机记录液舱侵彻过程中空泡的演化情况,并测试得到了弹体的剩余弹速以及前后靶板变形数据。实验结果显示,剪切增稠液体可有效抑制液舱侵彻过程中空泡的增长,从而降低液舱结构的损伤程度。结合空泡扩展理论模型,并考虑液体密度以及黏度变化对空泡增长的影响,验证了剪切增稠液体在高速冲击下产生的局部密度增大以及固化现象是抑制空泡扩展的主要原因。此外,剪切增稠液体对弹体速度的衰减作用明显,且相同初始弹速下,剪切增稠液体液舱前后靶板变形明显小于水体液舱。将剪切增稠液体填充于舰船液舱防护结构,可显著提高液舱结构的防护性能。     

A METHOD TO CORRECT CATALOG ORBIT DETERMINATION VELOCITY 1)

对于大批量空间目标,监测资源有限,测轨数据稀疏,导致编目定轨结果误差较大。本文分析了不同轨道类型的编目轨道预报误差演化特性,分析结果表明,轨道预报误差主要分布在沿迹方向,且主要是由于大气阻力摄动模型误差和初始径向速度误差引起的。进一步的理论推导显示,在忽略初始位置误差的假设条件下,轨道初值误差引起的预报位置误差前后具有近似对称特性,利用仿真数据,验证了近似对称特性的正确性。基于上述分析,本文提出了一种校准编目定轨初始速度的方法,即通过减小向前预报的位置与已知位置的偏差来迭代地校准定轨结果的速度,从而提高目标向后预报的轨道精度。利用实际轨道数据的试验结果表明,该方法对于采用稀疏数据的近圆轨道目标定轨结果修正效果明显,可以有效改进自主编目定轨结果的精度,对提高大批量空间目标的编目管理能力具有重要价值。     

高温燃气喷流/主流相互干扰实验研究

报道关于高温燃气自由喷流(热喷流)、燃气喷流/主流干扰流对气动热环境影响的实验研究结果. 其意义在于: 抽象出高超声速飞行器实际飞行时燃气喷流及其干扰流的物理模型, 为高超声速飞行器防热需求提供实验依据. 实验主流由脉冲风洞提供,燃气喷流用氢氧燃烧驱动路德维希管的方式产生. 利用脉冲风洞驱动段压力信号自动控制热气源的产生以保证风洞主流与燃气喷流同步, 利用氢气、氮气和氧气的不同比例实现燃气喷流的热力学相似. 实验技术上完成了高温燃气喷流系统的参数采集与系统状态标定; 实验内容上开展了压缩拐角平板模型的气动热实验研究, 通过实验比较了只有主流流场、只有热喷流流场和既有主流流场又有热喷流流场(即干扰流场)3种工况的热流分布. 实验研究发现,热喷流/主流相互干扰会对压缩拐角平板上某一范围内的气动热环境造成显著影响, 热流峰值较无喷流流场高出一个量级.