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力学季刊
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范立础

季刊

0254-0053

021-65983708

200092

上海四平路1239号

力学季刊/Journal Chinese Quarterly of MechanicsCSCD北大核心CSTPCD
正式出版
收录年代

    软体机器人动力学建模与计算研究进展

    黄炜成周帅秦龙辉
    1-18页
    查看更多>>摘要：由刚性结构制成的传统机器人存在灵活性差、环境适应能力低、人机交互不友好等缺点,而近些年受自然界生物启发研制的各类软体机器人则可克服这些缺点,但由于具有无限自由度,软体机器人的优化设计与在线控制尚面临诸多瓶颈.通过力学建模与数值仿真,则能够更好地理解其形变过程,进而指导软体机器人的设计与制造.本文聚焦最新的软体机器人动力学仿真研究,关注结构建模方法和交互仿真方法在理论计算中的应用.在结构建模方法中,从三维实体单元模型出发,介绍有限元方法的基本原理及其在静态模型、可微框架和可微投影动力学等策略中的应用;在板壳模型方面,探讨经典的基尔霍夫-勒夫板壳模型和离散壳模型.接着在结构建模中聚焦简化模型,包括基于一维降阶模型的细长结构仿真,其中涵盖了分段常曲率模型、Cosserat杆模型和绝对节点坐标方法等基本模型理论.通过典型工作的案例,探讨了一维简化模型的优势与缺点,并介绍了质量弹簧阻尼经典模型的操作方法以及最新的相关工作.在交互仿真技术中,围绕动力学仿真,涵盖外部环境交互和外场驱动交互两个方面,探讨了软体机器人动力学仿真中的挑战与应对策略.此项工作旨在为机器人开发者提供全新的动力学仿真思路,实现更逼真的仿真效果,进而为软体机器人的优化设计及在线控制提供理论支撑.

    软体机器人动力学仿真有限元简化模型交互模型

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    蜻蜓扑翼前飞时弯曲褶皱翼气动特性分析

    侯丹谭标仲政
    19-29页
    查看更多>>摘要：蜻蜓翅膀具有独特的褶皱结构,其横截面在扑翼飞行中常呈现弯曲变形.本文设计了具有弯度的褶皱翼型,并综合考虑弯度大小及分布的影响;基于Fluent软件,采用重叠网格方法对其扑翼前飞的气动性能进行分析.首先,与平板褶皱翼相比,正弯度褶皱翼可以显著提高升力,在对弯曲大小和分布的合理设计下,如m=4％,p=0.2时,可实现在扑翼中同时提高升力和推力.其次,弯曲褶皱翼型的升力随着扭转角的增加而增加,但是较大扭转角会降低推力,此时可通过后移最大弯曲位置改善推力.因此,在特定条件下,合适的弯度大小及分布可以较大幅度地改善褶皱翼型的气动力性能.

    蜻蜓翅膀褶皱翼型弯曲翼型计算流体力学

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    基于神经网络的皮瓣供区闭合结果预测方法研究

    孙榕纪小刚李华彬辛嘉铭...
    30-41页
    查看更多>>摘要：针对研究皮瓣切口闭合机制的有限元法存在耗时长、专业性强等不足,本文提出了一种基于神经网络和有限元模拟的供区闭合应力与术后皮肤突起高度的快速预测方法.首先,构建考虑腿部供区组织纵剖面结构的超弹性有限元模型,对不同几何尺寸、不同组织厚度的切口闭合进行力学仿真分析,并建立神经网络数据集;搭建切口闭合模拟试验平台,采用数字图像相关法(Digital Image Correlation,DIC)验证有限元模型的可靠性;接着,以闭合模拟结果为样本的数据集作为输入,对BP(Back Propagation)、RBF(Radial Basis Function)、EBF(Elliptic Basis Function)三种模型进行训练优选,构建切口闭合预测模型;最后,采用预测模型扩充样本数据,结合Sobol灵敏度分析法探求各输入参数对切口闭合的影响.结果表明,EBF神经网络效果最佳,可有效预测切口闭合结果,切口短轴、长轴长度对闭合结果影响最大,皮肤厚度次之,脂肪厚度影响最低.同时,本文分析了各参数变化对闭合效果的影响,为腿部供区缝合手术提供参考依据.

    皮肤缝合神经网络预测模型灵敏度分析

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    收缩管与拉瓦尔管在液体雾化中的对比研究

    苏男梁俊凯朱勇铮赵冲...
    42-57页
    查看更多>>摘要：为探究新型透皮给药方式中不同形状微管对雾化的影响,本文以收缩管和拉瓦尔管为对象展开研究.首先,我们使用相位多普勒粒子分析仪(Phase Doppler Particle Analyzer,PDPA)对经两类微管雾化后的液滴进行速度和粒径分布的测量.然后,为了解管内流动情况,我们利用动态压强传感器对管内气体压强进行了测量,并利用纹影法对管内流动情况进行观察.最后,我们利用高速液滴对皮肤模型进行了喷射试验,其中使用亚甲基蓝和伊文思蓝作为染色试剂,新鲜猪耳作为喷射对象.PDPA实验表明,液滴经拉瓦尔管的雾化比经收缩管的雾化更充分.压强测量结果表明拉瓦尔管内存在激波,进而证明了管内发生过超声速.纹影实验更直观地表明在本研究关注的拉瓦尔管内,气体流动在扩张段形成的不是正激波,而是两道交错的斜激波.皮肤模型喷射实验结果表明雾化后高速液滴穿透了角质层,展示了微喷管在医美行业透皮给药中有潜在的应用价值.该工作为新颖透皮给药方式的进一步研究奠定了基础.

    收缩管拉瓦尔管雾化PDPA纹影法

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    考虑粗糙度的FRP-混凝土单剪试验细观模拟

    陈珍平刘庆辉张雷乔丕忠...
    58-69页
    查看更多>>摘要：将混凝土模拟为由砂浆和骨料构成的二相复合材料,考虑混凝土表面的粗糙度,建立纤维增强树脂(Fiber Reinforced Polymer,FRP)-混凝土单剪试验细观有限元模型.为描述FRP-混凝土单剪试验过程中的损伤失效过程,分别采用塑性损伤模型和线弹性模型模拟混凝土两相材料和FRP的力学行为.为揭示混凝土表面粗糙度对FRP-混凝土单剪试验的影响,生成均方根高度分别为0.4mm和0.8mm的二维随机粗糙表面.研究结果表明,建立的FRP-混凝土细观有限元模型能够有效模拟FRP-混凝土单剪试验中的损伤失效过程,得到的荷载位移曲线和破坏模式均与试验结果有良好的一致性;随着混凝土表面粗糙度的增加,环氧树脂与混凝土上表面机械咬合力增加,FRP-混凝土试样承载力也随之提升.

    FRP-混凝土单剪试验细观模拟随机骨料模型二维随机粗糙表面

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    随机分布非椭球夹杂压电复合材料变分上下界

    王宁谢龙涛
    70-87页
    查看更多>>摘要：压电复合材料因其具有高机电耦合系数和压电常数及低密度和高声阻抗,被广泛应用于水声工程、医学和超声检测的领域.人们通过预测压电复合材料有效模量界限可以更好地优化压电复合材料的结构.目前,对于压电复合材料有效模量上下界的研究普遍集中于包含椭球形夹杂的压电复合材料,而对于非椭球形夹杂的压电复合材料研究甚少.本文在传统的Hashin-Shtrikman变分上下界方法的基础上,利用体现夹杂物分布特性及形状的微结构参数,求解横观各向同性压电复合材料有效模量的上下界.该方法适用于任意形状夹杂.当椭球域与椭球形夹杂形状相同时,该方法与传统的压电复合材料Hashi-Shtrikman上下界方法一致.当椭球域与椭球形夹杂物形状不同且夹杂含量较低时,本方法所得到的部分有效模量的上下界更紧凑.此外,本文计算了横观各向同性的压电基体含正方体夹杂的复合材料有效模量上下界,结果表明材料整体表现为横观各向同性且与椭球形夹杂时的有效模量上下界差异较小.本文建立了考虑夹杂物分布和夹杂物形状的压电复合材料上下界的计算方法,对压电复合材料的研究有一定的参考价值.

    Hashin-Shtrikman上下界压电复合材料Hill张量

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    基于图论的两相渗流排序求解并行算法研究

    张伟峰李春光肖昌昊王晓宏...
    88-98页
    查看更多>>摘要：对于两相渗流顺序求解格式中的饱和度计算,采用排序的方法可以将离散的全局非线性系统分解为一系列局部非线性系统来加速非线性求解过程.运用图论中的广度优先算法(Breadth First Algorithm,BFS)和深度优先搜索(Depth First Search,DFS)来实现饱和度的并行计算.在两相流动方向一致时,基于BFS,使得同时参与计算的网格划分为一组,组与组之间满足拓扑排序的要求.在考虑重力和毛管力引起的两相流动方向不一致情况下,根据势能大小建立关于网格的有向有环图(Directed Cyclic Graph,DCG),利用强连通分量搜索的Tarjan算法找出耦合的网格,将耦合的网格视为一个网格并重新建图,从而得到有向无环图(Directed Acyclic Graph,DAG).最终实现饱和度排序求解的并行化.

    两相流并行计算图论顺序求解格式广度优先Tarjan算法

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    外物冲击损伤对航空发动机风扇叶片影响研究

    孙乐张卓张锴郑百林...
    99-109页
    查看更多>>摘要：为研究外来物对航空发动机风扇叶片造成的损伤特征差异,以6mm、10mm、14mm尺寸的304钢球作为冲击物,某型号退役航空发动机叶片作为靶板,通过轻气炮系统开展不同冲击位置处的外物损伤试验,并基于率相关本构模型构建了有限元模型,将基于仿真模型冲击响应后的FOD(Foreign Object Damage)损伤区域与试验损伤区域进行对比,两者在尺寸以及形状等方面取得了较高的一致性.之后利用构建的模型研究了冲击位置、角度以及小球尺寸对冲击响应过程中速度变化趋势的影响.结果表明,叶片不同位置处的抗冲击能力有很大区别,且小球尺寸对损伤区域具有决定性影响;此外还发现损伤模式不同时,小球剩余速度的变化趋势也不相同.

    轻气炮试验损伤模式FOD冲击载荷仿真

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    变含水量泥流本构及泥流-桥墩冲刷的流固耦合分析

    庞彪董洪晶范文阳谭婕婕...
    110-118页
    查看更多>>摘要：泥石流是山区主要的地质灾害之一,对山区桥梁破坏严重.在流动过程中,泥石流受到含水量的影响较大,其本构模型会发生变化.本文对泥石流的一种特殊形式——泥流的质量含水量进行分析,将含水量引入泥浆的Herschel-Bulkley模型中,提出质量含水量及剪切速率同时变化下的泥流材料本构模型,并与成都黏土泥浆流变实验对比,验证该模型的正确性.而后基于两相流体的Navier-Stokes方程,将该本构模型应用于三维泥流-桥墩立柱冲击的流固耦合分析中,通过与相关规范及文献冲击压力经验公式计算结果对比,证实了模型的实用性.

    泥流本构模型两相流桥墩流固耦合

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    UHPC框架结构的抗车辆冲击性能研究

    和文超邓锷
    119-131页
    查看更多>>摘要：随着我国交通系统的发展及汽车车速的日益提升,坐落于道路两旁的框架建筑承受的车辆碰撞风险也与日俱增.超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,UHPC)由于其超高的材料断裂能以及抗拉能力逐渐被应用于框架结构中以提高其使用性能.UHPC框架结构同样承受较高的车辆撞击风险.本文建立了三维动力非线性的车辆-UHPC三层框架结构碰撞模型并采用Ansys/LS-DYNA进行求解.采用已发表的落锤撞击普通混凝土(Normal Concrete,NC)与超高性能混凝土(UHPC)梁试验对材料参数与接触算法的正确性进行了验证.基于三维动力非线性碰撞模型,从结构损伤、碰撞力特性及结构耗能机理三方面对NC及UHPC框架结构进行了全面对比.主要结论如下:(1)UHPC框架结构的抗车辆冲击性能远高于NC框架结构.UHPC框架结构的损伤仅存在于被撞柱,其他部位混凝土的使用性能几乎不受影响.(2)高车速条件下(80～120 km/h),NC柱的损伤分布为剧烈的冲切损伤并伴有明显的塑性变形,框架节点出现明显的受拉及受剪损伤;UHPC柱的背面始终不出现受拉区域,最终发展成贯通框架柱截面的冲剪破坏.(3)NC柱的混凝土内能均比UHPC柱的混凝土内能高,导致NC柱的损伤程度比UHPC柱严重.(4)当车辆保险杠撞击框架柱时,碰撞力产生第一个峰值;当车辆引擎与框架柱撞击时,碰撞力产生第二个峰值.引擎撞击产生的碰撞力峰值均远高于保险杠撞击.UHPC柱的碰撞力峰值平均比NC柱高22.6％,二者碰撞力峰值最大差异可达32.1％.本文研究结果有助于促进UHPC框架结构的抗冲击合理化设计,并保障其安全健康运营.

    超高性能混凝土框架结构抗冲击性能能量机理

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