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快速优化薄板中各向异性材料分布的等效变形模量算法

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航空学报 2024年第10期45卷 205-224页

作者：许敉毛泽钡王博李桐大连理工大学工程力学系工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室大连116024

各向异性材料广泛存在于各种机械设备的承重构件中。与各向同性材料不同,各向异性材料中不同材料相的分布和方向,可以根据载荷条件调整承重构件的力学性能。本文提出了一种各向异性材料分布的优化方法,即等效变形模量(EDM)算法,以有效... 详细信息

各向异性材料广泛存在于各种机械设备的承重构件中。与各向同性材料不同,各向异性材料中不同材料相的分布和方向,可以根据载荷条件调整承重构件的力学性能。本文提出了一种各向异性材料分布的优化方法,即等效变形模量(EDM)算法,以有效地优化各向异性薄板的承载能力。该算法实现了对薄板抗弯能力的多模态协同优化,解决了传统优化算法中特征值重叠的问题,在航空领域中将起到重要作用。以短纤维增强聚合物薄板的纤维取向优化为例,在不改变薄板质量和形状的前提下,与传统优化算法相比,EDM算法可以将临界屈曲载荷提高28.9%,将计算成本降低98.1%。此外,EDM算法还被应用于机身中形状不规则的承重构件设计中,并使其临界屈曲载荷提高27.2%~30.8%。

关键词：特征值等效变形模量多模态协同优化材料分布屈曲分析

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新工科背景下“板壳力学”课程教学改革探索

教育教学论坛 2024年第19期 61-64页

作者：徐业鹏王磊余天堂河海大学工程力学系江苏南京211100

新工科模式的提出与推进对高等院校的教学改革提出了新要求。“板壳力学”作为河海大学工程力学专业的一门重要课程,须紧跟高等教育的发展形势,进行教学改革。根据这门课的特点及多年教学经验,再结合学校的行业背景和人才培养目标,对“... 详细信息

新工科模式的提出与推进对高等院校的教学改革提出了新要求。“板壳力学”作为河海大学工程力学专业的一门重要课程,须紧跟高等教育的发展形势,进行教学改革。根据这门课的特点及多年教学经验,再结合学校的行业背景和人才培养目标,对“板壳力学”课程的教学内容及教学方式进行了改革探索与实践。教学内容方面,通过挖掘思政元素并润物无声地融入课堂,让课程教学与思想政治理论课同向同行,形成协同效应。教学方式方面,在数学公式推导较烦琐的部分,通过增大板书教学的比重,增强了师生之间的互动,提升了教学过程的感染力,塑造了学生的品质。多年实践证明,改革后的教学效果明显改善,能很好贯彻落实立德树人根本任务。

关键词：新工科板壳力学课程教学改革

无拉力弹性地基上矩形板屈曲/后屈曲问题的辛求解方法

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力学学报 2024年第2期56卷 387-398页

作者：熊斯浚郑新然梁立周超赵岩李锐大连理工大学工程力学系工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室辽宁大连116024 中国工程物理研究院化工材料研究所四川绵阳621999

无拉力弹性地基上矩形薄板的屈曲/后屈曲问题是板壳力学中一类重要课题,在工程中有着大量应用.因涉及接触非线性,目前主要采用数值方法对该类问题进行求解,发展具有重要基准价值的解析方法是当前面临的一项挑战.针对上述问题,本文将板... 详细信息

无拉力弹性地基上矩形薄板的屈曲/后屈曲问题是板壳力学中一类重要课题,在工程中有着大量应用.因涉及接触非线性,目前主要采用数值方法对该类问题进行求解,发展具有重要基准价值的解析方法是当前面临的一项挑战.针对上述问题,本文将板划分为若干包含强制边界条件的板,形成子问题,在辛空间下利用分离变量与辛本征展开对子问题进行解析求解,通过子问题边界处的连续条件确定板与地基的接触状态;通过迭代求解上述过程,获得子问题划分的收敛结果,并得到最终屈曲载荷及模态.结果表明,无拉力弹性地基与Winkler地基上板的屈曲行为存在显著差异,且无拉力弹性地基的刚度对板的屈曲载荷与屈曲模态均有重要影响.在此基础上,结合Koiter摄动法与辛方法,对无拉力弹性地基上矩形板的后屈曲问题进行求解,获得板的后屈曲平衡路径.所得到的屈曲与后屈曲分析结果均与有限元计算结果吻合良好,确认了本文结果的正确性.由于本文方法数学推导严格,求解效率高,因此不仅为研究无拉力弹性地基上矩形薄板的屈曲/后屈曲行为提供了一种有价值的理论工具,更有望拓展至更多复杂板壳力学问题的求解.

关键词：辛方法屈曲后屈曲无拉力弹性地基板

基于冲蚀-动网格耦合的混流式水轮机泥沙磨损演化特性研究

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水动力学研究与进展（A辑） 2024年第2期39卷 234-243页

作者：黄剑峰姚激张蕾蕾北部湾大学建筑工程学院钦州535011 广西海洋工程装备与技术重点实验室钦州535011 昆明理工大学工程力学系昆明650500

含沙水流条件下,水轮机内泥沙颗粒与湍流两相介质相互作用时,泥沙冲蚀动态过程会磨损水轮机过流部件壁面,进而影响水轮机水力性能及运行安全。采用离散相模型(Discrete Phase Model,DPM)中的冲蚀-动网格耦合模型,该文数值模拟了混流式... 详细信息

含沙水流条件下,水轮机内泥沙颗粒与湍流两相介质相互作用时,泥沙冲蚀动态过程会磨损水轮机过流部件壁面,进而影响水轮机水力性能及运行安全。采用离散相模型(Discrete Phase Model,DPM)中的冲蚀-动网格耦合模型,该文数值模拟了混流式水轮机全流道泥沙颗粒冲蚀磨损演化过程,对比了单相及固液两相流工况下的湍流场特性,分析了不同泥沙质量流率与泥沙颗粒形状对于导水机构与转轮的磨损部位、冲蚀变形量以及磨损率随冲蚀时间变化的影响。结果表明:泥沙注入后,尾水管内整体流态有所改善,湍流紊乱程度被明显削弱,相比于清水工况,注入泥沙可减小84%~90%转轮湍动能;座环鼻端及临近固定导叶前缘的上下两端出现的蚀痕以变形磨损为主,活动导叶迎水面头部发生切削磨损,转轮叶片进水边靠近下环处则呈现出明显的冲蚀磨损;活动导叶冲蚀变形量大于固定导叶,转轮叶片工作面磨损率显著高于背面;泥沙质量流率增加,导叶和转轮叶片的冲蚀变形量与磨损率成倍增大,磨损率表现出脉动特性;活动导叶和转轮叶片工作面冲蚀24h后,非球形颗粒冲蚀变形量均大于球形颗粒。该研究可为多泥沙河流中水力机组的维护检修和安全稳定运行提供理论依据和参考。

关键词：混流式水轮机离散相冲蚀-动网格耦合泥沙磨损数值模拟

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近断层地震下连续梁桥随机振动与易损性分析

哈尔滨工程大学学报 2024年第3期45卷 526-534页

作者：周政唐光武高文军陈国海杨迪雄大连理工大学工程力学系工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室辽宁大连116024 招商局重庆交通科研设计院有限公司重庆400067

由于桥梁建设场地难免会靠近地震活动断层,为了评定近断层地震动作用下连续梁桥的地震安全性水平以及提高抗震性能,亟待发展连续梁桥非线性随机地震动力响应与易损性分析的统一、准确方法。考虑到近断层地震动是典型的随机过程激励,本... 详细信息

由于桥梁建设场地难免会靠近地震活动断层,为了评定近断层地震动作用下连续梁桥的地震安全性水平以及提高抗震性能,亟待发展连续梁桥非线性随机地震动力响应与易损性分析的统一、准确方法。考虑到近断层地震动是典型的随机过程激励,本文提出了基于直接概率积分法的连续梁桥结构非线性随机振动响应与地震易损性准确、通用分析的新框架。发展直接概率积分法,准确高效地计算连续梁桥结构的随机振动响应;结合连续梁桥多种失效状态,根据动力可靠度的首次超越破坏准则,利用直接概率积分法对连续梁桥进行了地震易损性分析。最后,展示了近断层随机地震动激励作用下四跨非线性连续梁桥算例结果,验证了直接概率积分法的准确性特点。比较了近断层脉冲型和无脉冲地震动对非线性连续梁桥地震易损性曲线的影响。结果表明:近断层地震动的速度脉冲显著加剧了连续梁桥结构受到的地震破坏,增大了桥梁结构进入不同破坏状态的超越概率。

关键词：连续梁桥近断层地震动随机振动地震易损性分析直接概率积分法速度脉冲多种失效状态动力可靠度

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动力集中动车组车体司机室结构优化设计

机械科学与技术 2024年第2期43卷 312-317页

作者：柳占宇于德壮杨帆李冬园张威张昭中车大连机车车辆有限公司辽宁大连116022 大连理工大学工程力学系辽宁大连116024

动力集中动车组司机室结构对保证司机人员安全有重要作用,在确保结构安全的基础上,设置合理的传力路径进行结构补强,可以实现碰撞工况下的司机室角柱和防撞柱及相关结构的轻量化,对高速重载要求下的动机集中动车组设计有重要意义。采用... 详细信息

动力集中动车组司机室结构对保证司机人员安全有重要作用,在确保结构安全的基础上,设置合理的传力路径进行结构补强,可以实现碰撞工况下的司机室角柱和防撞柱及相关结构的轻量化,对高速重载要求下的动机集中动车组设计有重要意义。采用拓扑优化方法对某型动力集中动车组车体司机室结构进行拓扑优化设计,寻求角柱和防撞柱的最优布局,以此为基础,重构司机室结构并进行尺寸优化。计算结果表明,通过拓扑优化和几何尺寸优化的一体化设计,在满足原始设计结构的设计强度的条件下,基于拓扑构型所设计的司机室结构重量明显减小,其中重构的防撞柱构型和重构的角柱构型总重量相对于初始设计减重67.5%,减重效果明显。

关键词：动力集中动车组拓扑优化尺寸优化防撞柱角柱

仿座头鲸鳍肢前缘单/双凸起翼段失速特性的实验研究

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实验流体力学 2024年

作者：时德伟陈乐天范子椰姜楠左志钢唐湛棋天津大学机械工程学院力学系清华大学能源与动力工程系天津市现代工程力学重点实验室

近年来，相关研究表明仿座头鲸鳍肢前缘凸起可以有效延缓翼段失速或者改善失速后翼段气动性能。为研究仿生前缘凸起翼型的流动分离现象，针对二维平直翼段NACA 634-021以及带有单个和两个前缘凸起的改型翼段开展了粒子图像测速(PIV)实... 详细信息

近年来，相关研究表明仿座头鲸鳍肢前缘凸起可以有效延缓翼段失速或者改善失速后翼段气动性能。为研究仿生前缘凸起翼型的流动分离现象，针对二维平直翼段NACA 634-021以及带有单个和两个前缘凸起的改型翼段开展了粒子图像测速(PIV)实验研究。对比了不同迎角下各翼段吸力面的平均速度、湍动能等统计量的分布，并对实验数据进行了本征正交分解(POD)模态分析，从能量的角度对失速过程中的流动结构进行了研究。研究发现，单、双凸起翼段都具有两步失速特性，当发生单侧失速时，凸峰处存在稳定的附着流动，抑制了失速区向凸起另一侧的扩展，起到了类似于翼刀的作用；相比于单凸起翼段，双凸起翼段在更小的迎角发生失速模式的转换；POD分解的各阶模态的能量大小与翼段所处的失速模式有关，失速模式的切换同时导致流场中流动结构的特征发生变化；单凸起翼段处于单侧失速与双侧失速转换的临界迎角时，流动分离模式具有不稳定性。本研究为仿生前缘凸起翼型的理论研究和工程应用提供了实验参考。

关键词：仿生前缘凸起粒子图像测速本征正交分解流动分离流动结构

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基于渐近分析法的复杂截面梁振动分析

力学学报 2024年第2期56卷 494-505页

作者：宋子文孙直朱一超大连理工大学工程力学系工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室辽宁大连116024 大连理工大学宁波研究院浙江宁波315016

梁结构在工程工业中发挥着重要的作用,梁的自振问题能够体现其本征动力学特性,是梁动力学分析中的基本问题.经典梁理论的提出往往基于不同的假设,文章采用渐近分析的方法,以梁的截面尺寸与长度之比为特征参数,严格地推导了三维梁结构的... 详细信息

梁结构在工程工业中发挥着重要的作用,梁的自振问题能够体现其本征动力学特性,是梁动力学分析中的基本问题.经典梁理论的提出往往基于不同的假设,文章采用渐近分析的方法,以梁的截面尺寸与长度之比为特征参数,严格地推导了三维梁结构的一维等效振动分析模型.基于梁结构几何特征的参数的引入,有助于确定梁结构应力场和位移场等物理量之间的真实量级关系.渐近分析结果表明,纯弯曲变形只是细长梁振动分析中的首阶项,对于复杂截面梁结构仍然可以使用与欧拉梁模型复杂度相似的一维等效梁模型进行振动分析.以精细三维有限元的计算结果为基准,验证了所提出的一维等效梁模型用于振动分析的准确性和有效性.一维等效梁模型可以在商业有限元软件中通过自定义截面等内嵌模块便捷地实现.对比有限元软件中多种梁单元的计算结果发现,在相似的模型复杂度下,等效模型对细长梁自振频率的分析精度与稳定性显著优于在商业有限元软件中直接选择复杂梁截面使用梁单元计算的结果.

关键词：渐近分析法复杂截面欧拉梁自由振动

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柔性锌离子电池水凝胶电解质研究进展

有机化学 2024年第1期44卷 148-158页

作者：章炜夏欢曹昕徐彬瑜李峥沄东南大学材料科学与工程学院南京211102 东南大学机械工程学院南京211102

为了满足多样化的柔性可穿戴电子设备的发展,需要与之相匹配的供能系统.柔性锌离子电池因其安全性高、易组装及能量密度高等特点受到广泛关注,而水凝胶电解质则是柔性锌离子电池中的重要组成部分,因此受到广泛研究.综述了水凝胶电解质... 详细信息

为了满足多样化的柔性可穿戴电子设备的发展,需要与之相匹配的供能系统.柔性锌离子电池因其安全性高、易组装及能量密度高等特点受到广泛关注,而水凝胶电解质则是柔性锌离子电池中的重要组成部分,因此受到广泛研究.综述了水凝胶电解质的可控构筑方法,详细总结了柔性锌离子电池水凝胶电解质的最新研究成果,包括力学增强型、自愈合型、低温型和环境响应型水凝胶电解质.此外,还对高性能水凝胶电解质的未来发展进行了展望.

关键词：水凝胶电解质柔性锌离子电池力学增强自愈合低温环境响应