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基于有限元技术的疲劳裂纹扩展方法研究进展
苏玉昆, 马涛, 赵晓鑫, 张光亮, 朱加雷, 张鹏
, doi: 10.6052/1000-0992-23-049
摘要(80) HTML(7) PDF(39)
摘要:
疲劳裂纹是引起工程结构断裂失效的重要因素之一. 目前疲劳裂纹扩展的有限元仿真商业软件有ANSYS, ABAQUS, FRANC3D、ZENCRACK等, 这些软件对疲劳裂纹扩展过程的研究提供了有力支撑. 本文对目前疲劳裂纹扩展的有限元仿真方法进行了综述. 阐明了疲劳裂纹的定义以及研究疲劳裂纹扩展行为的必要性; 介绍了三种用于模拟疲劳裂纹扩展的有限元方法: 扩展有限元 (XFEM)、内聚力模型 (CZM) 和虚拟裂纹闭合技术 (VCCT); 分别总结了三种方法的基本理论和核心思想, 对三种方法的应用与发展进行了分类归纳; 最后对三种有限元方法进行分析, 指出每种方法各自的优势及目前存在的局限性, 并对疲劳裂纹扩展有限元仿真技术的未来改进方向给出了建议. 疲劳裂纹是引起工程结构断裂失效的重要因素之一. 目前疲劳裂纹扩展的有限元仿真商业软件有ANSYS, ABAQUS, FRANC3D、ZENCRACK等, 这些软件对疲劳裂纹扩展过程的研究提供了有力支撑. 本文对目前疲劳裂纹扩展的有限元仿真方法进行了综述. 阐明了疲劳裂纹的定义以及研究疲劳裂纹扩展行为的必要性; 介绍了三种用于模拟疲劳裂纹扩展的有限元方法: 扩展有限元 (XFEM)、内聚力模型 (CZM) 和虚拟裂纹闭合技术 (VCCT); 分别总结了三种方法的基本理论和核心思想, 对三种方法的应用与发展进行了分类归纳; 最后对三种有限元方法进行分析, 指出每种方法各自的优势及目前存在的局限性, 并对疲劳裂纹扩展有限元仿真技术的未来改进方向给出了建议.
面向EUV光源的实验流体力学研究进展
邓巍巍, 翟天琪, 高立豪, 许晟昊, 赵新彦, 刘艳初
, doi: 10.6052/1000-0992-23-044
摘要(224) HTML(41) PDF(71)
摘要:
EUV(极紫外)光源是EUV光刻机的核心部件, 其原理是基于纳秒脉冲激光轰击锡液滴靶产生的等离子体辐射发光. EUV光源本质是一种流体光源, 涉及丰富而复杂的流体力学基本问题, 跨越从皮秒到毫秒的四个特征时间尺度. 本文综述了面向EUV光源的实验流体力学研究进展. 首先根据靶的类型, 分别介绍了射流、液滴和液膜靶的生成与调控基本原理和技术路线. 之后对三种靶与激光相互作用过程的特征时刻与典型现象进行了梳理, 重点放在各个特征时间尺度内激光轰击液滴靶的研究进展, 总结了不同参数激光脉冲轰击后靶的推进、变形和破碎规律. 最后对EUV光源中值得重点关注的实验流体力学关键问题进行了总结和展望, 提出改善激光等离子体EUV光源稳定性、亮度和寿命需要从以下三方面持续开展研究: 高频率、小直径、长间距液滴靶串的精准生成和调控, 激光辐照产生等离子体的膨胀和辐射规律, 以及液滴靶变形破碎机理和碎屑抑制、收集及清洁技术. EUV(极紫外)光源是EUV光刻机的核心部件, 其原理是基于纳秒脉冲激光轰击锡液滴靶产生的等离子体辐射发光. EUV光源本质是一种流体光源, 涉及丰富而复杂的流体力学基本问题, 跨越从皮秒到毫秒的四个特征时间尺度. 本文综述了面向EUV光源的实验流体力学研究进展. 首先根据靶的类型, 分别介绍了射流、液滴和液膜靶的生成与调控基本原理和技术路线. 之后对三种靶与激光相互作用过程的特征时刻与典型现象进行了梳理, 重点放在各个特征时间尺度内激光轰击液滴靶的研究进展, 总结了不同参数激光脉冲轰击后靶的推进、变形和破碎规律. 最后对EUV光源中值得重点关注的实验流体力学关键问题进行了总结和展望, 提出改善激光等离子体EUV光源稳定性、亮度和寿命需要从以下三方面持续开展研究: 高频率、小直径、长间距液滴靶串的精准生成和调控, 激光辐照产生等离子体的膨胀和辐射规律, 以及液滴靶变形破碎机理和碎屑抑制、收集及清洁技术.
复杂多相流体的介观模拟:耗散粒子动力学方法及应用
潘定一, 胡国辉, 陈硕, Nhan Phan-Thien
摘要(25) PDF(8)
摘要:
悬浮液、乳浊液和泡沫等复杂多相流体由于其内部离散分布着大量的纳米至微米尺度的颗粒、液滴和气泡等,在流动作用下这些离散相物质呈现出复杂的个体或群体运动行为,从而对这些复杂多相流体的宏观的流变和流动行为产生显著影响。开展针对这类流体的介观尺度数值模拟是一种有效且相对经济的研究手段。DPD方法是一种具有代表性的介观尺度数值模拟方法,由于其粒子方法的特质,尤其适用于对上述复杂多相流体内部结构的数值建模和模拟研究。本文对近年来DPD方法在颗粒悬浮液、乳浊液和气泡等复杂多相流体模拟方面的研究进展进行了系统的介绍,讨论了DPD方法在复杂多相流体介观模拟方面的针对性改进以及仍然存在的不足之处,并对方法的研究和应用进行了总结和展望。 悬浮液、乳浊液和泡沫等复杂多相流体由于其内部离散分布着大量的纳米至微米尺度的颗粒、液滴和气泡等,在流动作用下这些离散相物质呈现出复杂的个体或群体运动行为,从而对这些复杂多相流体的宏观的流变和流动行为产生显著影响。开展针对这类流体的介观尺度数值模拟是一种有效且相对经济的研究手段。DPD方法是一种具有代表性的介观尺度数值模拟方法,由于其粒子方法的特质,尤其适用于对上述复杂多相流体内部结构的数值建模和模拟研究。本文对近年来DPD方法在颗粒悬浮液、乳浊液和气泡等复杂多相流体模拟方面的研究进展进行了系统的介绍,讨论了DPD方法在复杂多相流体介观模拟方面的针对性改进以及仍然存在的不足之处,并对方法的研究和应用进行了总结和展望。
3D打印连续纤维复合材料工艺、结构优化研究进展
叶红玲, 董永佳, 毛鹏琪, 肖扬, 解佳琳
摘要(30) PDF(11)
摘要:
连续纤维增强复合材料由于优异的比强度、比刚度、可设计性和轻量化特质,日益受到航空航天等高端装备制造领域的青睐。3D打印技术的发展改变了连续纤维复合材料结构的生产制造流程,使复杂结构的自由成型成为可能,为先进结构材料提供了巨大的设计空间。为充分发挥先进材料性能优势和3D打印成型灵活性,研究人员分别从材料性能和结构设计出发,探索与3D打印连续纤维复合材料相适应的设计制造一体化解决方案,实现产品创新设计和性能提升。本文系统性地回顾了面向连续纤维复合材料性能分析、工艺改进和结构优化的研究工作,结合研究实践对连续纤维复合材料的结构多尺度优化方法进行总结分析,并对未来先进材料结构设计实时化、功能化、智能化的发展趋势进行探讨和展望。 连续纤维增强复合材料由于优异的比强度、比刚度、可设计性和轻量化特质,日益受到航空航天等高端装备制造领域的青睐。3D打印技术的发展改变了连续纤维复合材料结构的生产制造流程,使复杂结构的自由成型成为可能,为先进结构材料提供了巨大的设计空间。为充分发挥先进材料性能优势和3D打印成型灵活性,研究人员分别从材料性能和结构设计出发,探索与3D打印连续纤维复合材料相适应的设计制造一体化解决方案,实现产品创新设计和性能提升。本文系统性地回顾了面向连续纤维复合材料性能分析、工艺改进和结构优化的研究工作,结合研究实践对连续纤维复合材料的结构多尺度优化方法进行总结分析,并对未来先进材料结构设计实时化、功能化、智能化的发展趋势进行探讨和展望。
航天结构空间组装动力学与控制研究进展
吴志刚, 蒋建平, 邬树楠, 李庆军, 王兴, 谭述君, 邓子辰
摘要(843) PDF(125)
摘要:
空间组装是建造空间站、大型卫星天线、大口径空间望远镜、空间太阳能电站等大型和超大型航天结构的重要手段。然而,航天结构组装过程将面临构型增长、参数变化、轨道-姿态-结构耦合、接触碰撞等复杂的动力学与控制问题,给精准、高效、稳定完成组装任务带来挑战。本文介绍了大型航天结构的动力学建模方法、超大型航天结构特殊的动力学现象、航天结构空间组装过程的动力学建模研究现状;综述了航天结构在轨运行阶段的控制方法、空间组装过程的组装序列规划方法、姿态控制与振动抑制方法研究进展;总结了航天结构组装过程动力学与控制地面模拟试验中的重力卸载、缩比模型设计与试验、非线性与不确定性试验等关键技术。最后,面向未来千米量级超大型航天结构空间组装需求,针对组装过程中结构尺寸、质量和力学参数跃变等特性提出了当前研究工作中亟须解决的几类动力学与控制问题。 空间组装是建造空间站、大型卫星天线、大口径空间望远镜、空间太阳能电站等大型和超大型航天结构的重要手段。然而,航天结构组装过程将面临构型增长、参数变化、轨道-姿态-结构耦合、接触碰撞等复杂的动力学与控制问题,给精准、高效、稳定完成组装任务带来挑战。本文介绍了大型航天结构的动力学建模方法、超大型航天结构特殊的动力学现象、航天结构空间组装过程的动力学建模研究现状;综述了航天结构在轨运行阶段的控制方法、空间组装过程的组装序列规划方法、姿态控制与振动抑制方法研究进展;总结了航天结构组装过程动力学与控制地面模拟试验中的重力卸载、缩比模型设计与试验、非线性与不确定性试验等关键技术。最后,面向未来千米量级超大型航天结构空间组装需求,针对组装过程中结构尺寸、质量和力学参数跃变等特性提出了当前研究工作中亟须解决的几类动力学与控制问题。
旋涡空化水动力学特性研究进展与展望
程怀玉, 季斌, 龙新平, 彭晓星
, doi: 10.6052/1000-0992-23-045
摘要(208) HTML(48) PDF(18)
摘要:
涡空化作为一种在推进器叶顶涡心处产生的空化现象, 在推进器原型上往往最早出现, 其一旦发生将会严重影响舰艇的声隐身性能(噪声增加10分贝以上), 在很大程度上限制了舰艇临界航速的进一步提升, 因而长期以来一直是空化水动力学领域研究的重点与难点课题之一. 本文首先简要介绍了旋涡空化流动相较于其他形式空化流动的特点, 并以梢涡空化为主要对象, 系统阐述了旋涡空化初生、发展的演变行为与流动机理研究, 从空化三要素的角度深入讨论了其影响因素与作用机制. 在此基础上, 本文分别对旋涡空化流动中尺度效应、流动控制等关键问题的相关研究进展进行了回顾, 较为系统地梳理了旋涡空化尺度效应的内在原因以及旋涡空化流动控制方法与控制思路. 最后, 本文针对目前旋涡空化研究领域关注的重点与难点问题, 对旋涡空化流动研究中采用的实验测量及数值模拟技术进行了总结与展望. 涡空化作为一种在推进器叶顶涡心处产生的空化现象, 在推进器原型上往往最早出现, 其一旦发生将会严重影响舰艇的声隐身性能(噪声增加10分贝以上), 在很大程度上限制了舰艇临界航速的进一步提升, 因而长期以来一直是空化水动力学领域研究的重点与难点课题之一. 本文首先简要介绍了旋涡空化流动相较于其他形式空化流动的特点, 并以梢涡空化为主要对象, 系统阐述了旋涡空化初生、发展的演变行为与流动机理研究, 从空化三要素的角度深入讨论了其影响因素与作用机制. 在此基础上, 本文分别对旋涡空化流动中尺度效应、流动控制等关键问题的相关研究进展进行了回顾, 较为系统地梳理了旋涡空化尺度效应的内在原因以及旋涡空化流动控制方法与控制思路. 最后, 本文针对目前旋涡空化研究领域关注的重点与难点问题, 对旋涡空化流动研究中采用的实验测量及数值模拟技术进行了总结与展望.
高效合成射流激励器研究进展及展望
陆逸然, 王晋军
, doi: 10.6052/1000-0992-23-038
摘要(164) HTML(78) PDF(37)
摘要:
合成射流作为一种具有优越控制效果的主动流动控制技术, 在提升飞行器气动性能、减振降噪、强化元器件散热等领域具有重要的学术意义和应用价值. 经过30余年的研究, 人们建立了更准确的合成射流数学模型, 合成射流具有高卷吸能力的物理机理也得到不断深化. 进一步优化合成射流激励器, 提高控制效率成为了研究的重点. 本文主要从激励器结构型式、激励器结构参数以及激励信号三个方面, 总结了近年来在提高合成射流控制效果方面取得的研究进展, 并对未来的研究重点进行了展望. 合成射流作为一种具有优越控制效果的主动流动控制技术, 在提升飞行器气动性能、减振降噪、强化元器件散热等领域具有重要的学术意义和应用价值. 经过30余年的研究, 人们建立了更准确的合成射流数学模型, 合成射流具有高卷吸能力的物理机理也得到不断深化. 进一步优化合成射流激励器, 提高控制效率成为了研究的重点. 本文主要从激励器结构型式、激励器结构参数以及激励信号三个方面, 总结了近年来在提高合成射流控制效果方面取得的研究进展, 并对未来的研究重点进行了展望.
深度学习赋能结构拓扑优化设计方法研究
陈小前, 张泽雨, 李昱, 姚雯, 周炜恩
摘要(67) PDF(25)
摘要:
本文综合论述了近年来结构拓扑优化领域与深度学习技术交叉融合发展的相关研究进展。围绕结构拓扑优化设计的核心方法与关键环节,以深度学习赋能的角度系统性梳理了两大类赋能方法。研究指出,基于深度学习技术的结构优化设计全过程代理模型构建方法作为一种直接映射式结构设计方法,因其简单而典型的设计思想目前已被广泛研究,然而全过程代理模型在计算性和泛化性上的局限与不足也尤为明显;融合深度学习技术的结构优化设计局部子环节加速与替代方法是一种更加灵活与多样的局部赋能形式,具有较好的普适性和独特的优越性。文章对智能赋能结构优化未来的发展进行了展望,研究重点在于深度学习与结构设计的有机结合方式,以及数据和知识的混合驱动设计范式。 本文综合论述了近年来结构拓扑优化领域与深度学习技术交叉融合发展的相关研究进展。围绕结构拓扑优化设计的核心方法与关键环节,以深度学习赋能的角度系统性梳理了两大类赋能方法。研究指出,基于深度学习技术的结构优化设计全过程代理模型构建方法作为一种直接映射式结构设计方法,因其简单而典型的设计思想目前已被广泛研究,然而全过程代理模型在计算性和泛化性上的局限与不足也尤为明显;融合深度学习技术的结构优化设计局部子环节加速与替代方法是一种更加灵活与多样的局部赋能形式,具有较好的普适性和独特的优越性。文章对智能赋能结构优化未来的发展进行了展望,研究重点在于深度学习与结构设计的有机结合方式,以及数据和知识的混合驱动设计范式。
中国力学学会2024年学术活动计划表
摘要(22) HTML(142) PDF(19)
摘要:
非厄米力学系统基本原理与研究进展
耿琳琳, 袁锦波, 程文, 胡更开, 周萧明
, doi: 10.6052/1000-0992-23-034
摘要(345) HTML(83) PDF(166)
摘要:
非厄米理论是研究开放系统动力学行为的一种理论框架, 其概念起源于量子力学, 借助该理论可以揭示出奇异点、手性模态转换、拓扑趋肤效应等新奇现象, 为反常波动与振动调控提供了新思路. 本文着重以力学的语言对非厄米系统的基础概念进行介绍, 阐明经典系统与非厄米系统的关联和扩展关系, 并介绍相关前沿研究进展. 首先介绍非厄米力学系统中的奇异点、宇称-时间反演对称性等基本概念, 并介绍奇异点微扰理论及其在高灵敏度传感等领域的应用机理, 之后介绍奇异点附近特征值曲面的拓扑结构, 以及环绕奇异点的模态演化规律, 最后介绍非厄米力学系统中的拓扑波动行为. 非厄米理论是研究开放系统动力学行为的一种理论框架, 其概念起源于量子力学, 借助该理论可以揭示出奇异点、手性模态转换、拓扑趋肤效应等新奇现象, 为反常波动与振动调控提供了新思路. 本文着重以力学的语言对非厄米系统的基础概念进行介绍, 阐明经典系统与非厄米系统的关联和扩展关系, 并介绍相关前沿研究进展. 首先介绍非厄米力学系统中的奇异点、宇称-时间反演对称性等基本概念, 并介绍奇异点微扰理论及其在高灵敏度传感等领域的应用机理, 之后介绍奇异点附近特征值曲面的拓扑结构, 以及环绕奇异点的模态演化规律, 最后介绍非厄米力学系统中的拓扑波动行为.