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践行工程科学思想的体会——工程科学是技术创新与人类认识的源泉

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力学学报 2022年第8期54卷 2332-2342页

作者：李世海张丽中国科学院力学研究所流固耦合系统力学重点实验室北京100190

郑哲敏先生一生积极践行和倡导钱学森先生的工程科学思想,传承和发扬工程科学思想对推动我国技术创新有十分重要的现实意义.本文首先阐述了工程科学的定义、方法论和特点,强调了提出新的解决方案是工程科学的核心内容以及工程科学家对... 详细信息

郑哲敏先生一生积极践行和倡导钱学森先生的工程科学思想,传承和发扬工程科学思想对推动我国技术创新有十分重要的现实意义.本文首先阐述了工程科学的定义、方法论和特点,强调了提出新的解决方案是工程科学的核心内容以及工程科学家对技术创新的作用.其次通过分析水下爆炸处理地基、三峡围堰相关技术等工程案例,诠释了工程科学在技术创新中的作用;讨论了工程计算与数值模拟的理论基础及工程科学属性,选取广义计算变量、构建解的结构是数值模拟中创造性的工作;连续非连续计算方法的核心在于构建了计算过程中时域内可增减的广义计算变量,列举了几个体现工程科学方法论的计算案例;介绍了滑坡灾害防治关键力学问题研究中践行工程科学思想的工作,讨论了监测与数值模拟相结合的可行性及渐进破坏和破裂度概念.最后基于开发高压卸荷矿石粉化技术的认知提出了岩石物理学发展的几个工程科学研究方向.

关键词：工程科学技术创新爆炸力学数值模拟连续非连续

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低雷诺数下钝体三维尾迹中的涡量符号律

物理学报 2020年第3期69卷 188-198页

作者：林黎明中国科学院力学研究所中国科学院流固耦合系统力学重点实验室

钝体是目前各种工程中广泛应用的一种结构.钝体绕流的尾迹涡动力学也是经典的流体力学研究对象之一.本文通过直接数值模拟,针对低雷诺数下各种钝体结构的不可压缩绕流,当形成三维尾迹时,研究具有特定符号的涡量分布特征.通过分析两类钝... 详细信息

钝体是目前各种工程中广泛应用的一种结构.钝体绕流的尾迹涡动力学也是经典的流体力学研究对象之一.本文通过直接数值模拟,针对低雷诺数下各种钝体结构的不可压缩绕流,当形成三维尾迹时,研究具有特定符号的涡量分布特征.通过分析两类钝体结构,基本的直柱体和受到几何扰动的柱体,总结并得到了更为广泛适用的涡量符号律.通过对比并分析这两类钝体结构,结合理论证明的结果,进一步厘清了对产生涡量符号律的这两类钝体结构之间的内在物理关联,即引起自然失稳的小扰动在惯性力作用下产生的表面涡量只能向下游演化发展,而几何扰动则根据扰动位置,产生的表面涡量可以向扰动上游或下游演化发展.从而可以推测所有钝体结构尾迹中的各种型式的涡脱落模态,从涡量符号律的演化角度来看,实际上是一致的,都是起源于壁面产生特定符号组合规律的∏型涡.

关键词：涡量符号律钝体尾迹

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双轮铣槽机铣削过程及截齿入岩顺序优化研究

岩土力学 2022年第4期43卷 981-994页

作者：肖建成周辉卢景景冯春徐福通中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 中国科学院大学北京100049 中国科学院力学研究所流固耦合系统力学重点实验室北京100190

双轮铣槽机(简称“双轮铣”)是地下连续墙的专业施工装备,布齿系统是其核心部件,其参数设计与破岩性能密切相关。基于连续-非连续单元法(CDEM),建立了铣轮铣削岩土体过程的三维仿真模拟方法。在此基础上,考虑自由面与铣削关联性等因素,... 详细信息

双轮铣槽机(简称“双轮铣”)是地下连续墙的专业施工装备,布齿系统是其核心部件,其参数设计与破岩性能密切相关。基于连续-非连续单元法(CDEM),建立了铣轮铣削岩土体过程的三维仿真模拟方法。在此基础上,考虑自由面与铣削关联性等因素,对布齿系统截齿入岩顺序影响破岩性能机制进行了研究,建立了关联铣削条件下以预置相邻自由面数目为主要影响因素的入岩顺序数值概化模型。结果表明:(1)获得的铣轮铣削岩土体的铣削力与铣削深度曲线,验证了此数值模拟方法的正确性;(2)相比于完整岩体,具有单相邻预设自由面与双相邻预设自由面岩样的峰值荷载分别下降了32.5%与68.2%,破岩能耗分别下降了19.8%与56.6%;(3)布齿系统中双相邻预设自由面的截齿占总体截齿数目比值越大,布齿系统整体能耗越低,异构式布齿系统能耗低于顺序式。研究成果为完善双轮铣槽机破岩过程与布齿系统优化提供了基础。

关键词：双轮铣槽机布齿系统优化应用连续-非连续单元法(CDEM)

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含间隙非线性机翼跨声速颤振时滞反馈控制

北京航空航天大学学报 2021年第10期47卷 1980-1988页

作者：聂雪媛郑冠男杨国伟中国科学院力学研究所流固耦合系统力学重点实验室北京100190

颤振主动控制会引入时滞,对气动弹性系统闭环稳定性具有显著影响。针对当前考虑时滞的机翼颤振主动控制多集中在亚、超声速域,采用线性气动力分析的研究现状,结合现代飞机大都以跨声速巡航、控制面偏转为作动器进行主动控制的应用特点,... 详细信息

颤振主动控制会引入时滞,对气动弹性系统闭环稳定性具有显著影响。针对当前考虑时滞的机翼颤振主动控制多集中在亚、超声速域,采用线性气动力分析的研究现状,结合现代飞机大都以跨声速巡航、控制面偏转为作动器进行主动控制的应用特点,发展了考虑结构间隙非线性,基于气动力降阶模型的跨声速颤振时滞反馈主动控制方法。首先,以白噪声为激励信号,辨识得到跨声速下非定常气动力降阶模型,与间隙非线性结构模型耦合,构建被控对象状态空间模型;然后,通过一种含积分项的状态变换将输入信号存在时滞的被控系统转化为无时滞的系统;最后,采用最优控制理论设计最优时滞反馈控制。仿真结果表明:对于含时滞的系统,若施加不考虑时滞影响的控制方法,则无法抑制颤振,所提控制方法的有效性不受时滞大小的影响,可有效抑制颤振的发生。

关键词：颤振抑制时滞系统反馈控制跨声速降阶模型间隙非线性

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冰激振动中的锁频共振分析

力学学报 2021年第3期53卷 693-702页

作者：黄国君中国科学院流固耦合系统力学重点实验室中国科学院力学研究所北京100190

冰激振动(ice-induced vibration, ⅡV)中的锁频共振严重威胁结构安全,恶化人员工作环境,然而对其机理的认识仍然不清.本文基于作者和合作者以前建立的一个冰间歇破坏型ⅡV模型(黄国君和刘鹏飞, 2009)对柔性结构的锁频共振机理进行了理... 详细信息

冰激振动(ice-induced vibration, ⅡV)中的锁频共振严重威胁结构安全,恶化人员工作环境,然而对其机理的认识仍然不清.本文基于作者和合作者以前建立的一个冰间歇破坏型ⅡV模型(黄国君和刘鹏飞, 2009)对柔性结构的锁频共振机理进行了理论研究.应用该模型预报了发生在一个冰速区间内的锁频共振现象,并研究了结构和冰特性参数:结构阻尼和刚度以及冰的压缩刚度和冰破坏的破坏区长度、韧脆转换速度和随机性对ⅡV及锁频共振的影响,在此基础上探索了锁频共振机理.研究表明:在锁频共振冰速区间内,结构响应和冰力主频都锁定在结构固有频率,然而不同冰速下的频谱结构和振动形态各异,从常规单频共振到多频共振、从等幅振动到振幅周期性变化的拍振动,呈现出丰富的动力学特征;结构和冰特性参数可改变锁频共振冰速区间的长度和位置以及结构振幅,冰破坏的随机性和应变率效应发挥着一种竞争作用;锁频共振来源于冰破坏的应变率效应,其力学机制是频率调制和对结构-冰动能传递的非对称性正反馈效应放大的双重作用,本文分析揭示的这一新的锁频共振机理属于耦合振动,与传统的负阻尼自激振动机制有着本质区别.本文分析结果及对锁频共振机理的认识有助于相关实验研究和冰区结构设计以及ⅡV减振技术的研发.

关键词：冰激振动锁频共振冰的破碎强度应变率效应

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变时滞间隙非线性机翼颤振主动控制方法

北京航空航天大学学报 2020年第10期46卷 1899-1906页

作者：聂雪媛郑冠男杨国伟中国科学院力学研究所流固耦合系统力学重点实验室北京100190

针对当前考虑时滞的机翼颤振主动控制研究多集中在只考虑某一通道存在固定时滞的问题,为解决控制回路前向和反馈通道都可能存在不确定时滞的情况,提出了具有时滞补偿功能的控制方法,实现对双向通道不确定时滞的颤振控制。在控制系统回... 详细信息

针对当前考虑时滞的机翼颤振主动控制研究多集中在只考虑某一通道存在固定时滞的问题,为解决控制回路前向和反馈通道都可能存在不确定时滞的情况,提出了具有时滞补偿功能的控制方法,实现对双向通道不确定时滞的颤振控制。在控制系统回路传输的数据中附加"时间戳"标志。在反馈通道,考虑系统状态不完全可测,设计时滞补偿状态预估器;在前向通道,提出了基于状态反馈的时滞补偿预测控制器。分析了使用所提时滞补偿策略构成的闭环控制系统的稳定性。以含间隙非线性的翼型为被控对象,对其发生颤振时前向通道和反馈通道存在不确定时滞的颤振控制进行了研究。讨论了不同通道的时滞大小对颤振控制效果的影响。仿真结果表明:所提时滞补偿控制方法能有效抑制颤振,提高系统的稳定性;在控制性能影响上,基于状态反馈的控制方法,其控制效果受反馈通道时滞的影响更大。

关键词：颤振抑制间隙非线性时滞控制系统状态观测时变时延

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垂直管中双尺寸颗粒群的混合及分离规律研究

力学学报 2023年第7期55卷 1582-1592页

作者：张岩任万龙张旭辉鲁晓兵中国科学院力学研究所流固耦合系统力学重点实验室北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049

深海能源的开发利用近年来受到各国关注,而深海矿石是深海能源的重要组成部分.文章以深海采矿的垂直管水力输送为研究背景,其管道内流的典型特征是颗粒级配宽且颗粒浓度高.宽级配特征下,管道内存在粗细颗粒混合及分离的现象,可能导致颗... 详细信息

深海能源的开发利用近年来受到各国关注,而深海矿石是深海能源的重要组成部分.文章以深海采矿的垂直管水力输送为研究背景,其管道内流的典型特征是颗粒级配宽且颗粒浓度高.宽级配特征下,管道内存在粗细颗粒混合及分离的现象,可能导致颗粒局部浓度增加,危害输送安全.因此,文章研究垂直管内双尺寸颗粒群的混合及分离机理.采用计算流体力学-离散元方法 (CFD-DEM)开展数值模拟,针对粗细颗粒尺寸差异大导致体积浓度计算不准确的问题,提出颗粒群体积浓度计算修正模型以及欧拉场到拉格朗日场的数据映射模型,并进行程序实现及模型验证.研究发现粗细颗粒混合及分离过程会造成颗粒群前后出现间断,并且增加颗粒群局部体积浓度及颗粒碰撞频率.还定义无量纲颗粒碰撞应力和流固相互作用应力,表征颗粒碰撞强度和流固相互作用强度.颗粒群混合到分离过程中颗粒碰撞应力显著增加,因此可通过颗粒碰撞应力曲线确定初始混合到完全分离的时刻.此外,流固相互作用的差异是引起粗细颗粒分离的根本原因.

关键词：垂直管道粗颗粒颗粒分离 CFD-DEM

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高速磁浮列车悬浮间隙仿真预测

同济大学学报（自然科学版） 2023年第3期51卷 351-359页

作者：吴晗刘梦娟曾晓辉中国科学院力学研究所流固耦合系统力学重点实验室北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049

基于长短时记忆(LSTM)神经网络提出了一种可用于高速磁浮列车的电磁铁悬浮间隙预测方法。考虑高速磁浮列车运行过程中受到的气动荷载,建立了列车仿真模型并计算列车的动态响应;通过PyCharm建立LSTM神经网络,并以高速磁浮列车仿真模型计... 详细信息

基于长短时记忆(LSTM)神经网络提出了一种可用于高速磁浮列车的电磁铁悬浮间隙预测方法。考虑高速磁浮列车运行过程中受到的气动荷载,建立了列车仿真模型并计算列车的动态响应;通过PyCharm建立LSTM神经网络,并以高速磁浮列车仿真模型计算结果为样本集,构建了高速磁浮列车电磁铁悬浮间隙预测模型。最后,通过对预测模型计算结果和评价指标进行评判,验证了所提出的电磁铁间隙预测算法的准确性。

关键词：高速磁浮列车长短时记忆(LSTM)神经网络数值仿真动力响应预测

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激光驱动的微弹道冲击

中国科学：物理学、力学、天文学 2024年第5期54卷 129-143页

作者：荆晓晖蔡松林吴先前戴兰宏蒋敏强中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049 中国科学院力学研究所流固耦合系统力学重点实验室北京100190

微颗粒对材料的高速冲击与诸多重要应用领域密切相关,比如航天器的微陨石撞击、雾霾颗粒对发动机叶片的冲击、冷喷涂技术等.激光驱动颗粒冲击实验(Laser-Induced Particle Impact Test,LIPIT)于2010年被提出,是一种新型动态加载技术,能... 详细信息

微颗粒对材料的高速冲击与诸多重要应用领域密切相关,比如航天器的微陨石撞击、雾霾颗粒对发动机叶片的冲击、冷喷涂技术等.激光驱动颗粒冲击实验(Laser-Induced Particle Impact Test,LIPIT)于2010年被提出,是一种新型动态加载技术,能够对不同维度的多种材料进行微弹道冲击.相较于其他的微弹道技术,LIPIT独特的优势在于能够对单个微颗粒进行有效操控,进而实现各类材料(尤其是低维材料)的单颗粒微弹道高速冲击.本文回顾了LIPIT的发展历程,介绍了其系统构成及工作原理,对基于LIPIT技术的不同维度靶材的微弹道冲击研究进行了评述,主要内容包括:基于弹道动力学分析的能量耗散评估、微弹道冲击下的能量耗散机制、微弹道冲击导致的动力学现象及其相关的物理规律(包括反弹幂律、附着机制).最后对发展现状和值得进一步研究的问题进行了简要总结.

关键词： LIPIT 微弹道冲击反弹侵彻能量耗散机制