Volume 41, Number 1, January 2025
INVITED REVIEW
Some fundamental issues in buoyancy-driven flows with implications for geophysical and astrophysical systems
有关浮力驱动流动的几个基本问题及其对地球物理和天体物理系统的影响
夏克青, 庄启亮, 丁广裕, 张路
https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-24287-x
摘要：由浮力驱动的流动现象广泛存在于地球以及天体物理系统中。本文重点关注了影响浮力驱动流动的动力学特性和输运特性的三个关键因素，以及它们对自然界中的流动所产生的影响。这些因素包括边界条件、旋转以及有限尺寸。其中，边界条件表征了流体如何与不同类型的表面相互作用；旋转，例如地球和其他天体的自转，则会引入科里奥利力和离心力，从而生成涡旋湍流结构以及引起输运特性的变化；有限尺寸则表征了几何约束，不同程度的几何约束也会对湍流结构及其输运规律产生深远影响。本综述文章旨在介绍这些因素之间错综复杂的相互作用，以期从这三个角度出发为更好地理解自然界中相关的复杂流动现象提供新思路。
EXTREME MECHANICS
Phase field modeling of the aspect ratio dependent functional properties of NiTi shape memory alloys with different grain sizes
不同晶粒尺寸的NiTi形状记忆合金长细比相关功能性能的相场模拟
徐波, 黄北海, 王宠, 王清远
https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-23272-x
摘要：众所周知，粗晶的超弹性NiTi形状记忆合金(SMA)会表现出局域而非均匀的马氏体相变，其会受到内部尺寸(晶粒尺寸)或外部尺寸(几何尺寸)的强烈影响。晶粒尺寸和几何尺寸对功能性能的耦合作用尚未得到明确的认识。本文采用相场法研究了不同长细比(工作段的长/宽)和不同晶粒尺寸的多晶NiTi SMAs的超弹性、单程和应力辅助双程形状记忆效应。本工作充分揭示了长细比和晶粒尺寸对功能性能的耦合作用。模拟结果表明，当长细比低于约4:1时，随着长细比的减小，试样工作段的应力双轴性和应力非均质性越来越明显，这对外加应力过程中的微结构演化有显著影响。因此， 相应的功能性能强烈依赖于长细比。随着晶粒尺寸和长细比(小于4:1)的减小，长细比和晶粒尺寸都会影响晶粒内部的马氏体相变或重取向以及晶粒间的交互作用。因此，由于较强的内部约束(即晶界约束)和外部约束(即几何边界约束)，NiTi SMA功能性能的能力逐渐减弱，并强烈依赖于这两个因素。
EXTREME MECHANICS
Surface element design of nanomaterials considering surface curvature dependence
考虑表面曲率依赖的纳米材料表面单元设计
张永超, 王连, 王方鑫, 李彬, 苟晓凡
https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-24096-x
摘要：纳米材料以其显著的表面效应和优异的力学性能而备受关注。由于理论复杂性，以往采用有限元方法对纳米材料表面效应研究常简化为较为简单的二维模型，因此，不能很好地反映纳米材料的力学性能，也不能反映表面效应的实质影响，特别是纳米表面曲率依赖性。本研究应用最小能量原理，利用纳米材料Steigmann-Ogden表面理论，提出了一种综合考虑表面效应的新型有限元表面单，在此基础上分析了四种典型二维和三维纳米材料模型的应力分布和变形特征。通过与已有文献的对比，验证了所提出有限元计算方法的准确性。所得到的有限元计算方法为精确预测纳米材料力学性能提供了一种可靠和令人信服的科学方法。
FLUID MECHANICS
Numerical evaluation of a new high pressure water jet interference method for bridge pier protection against vessel collision
一种新型高压水柱干扰桥船防撞方法的数值评估
陈进财, 魏锡泉, 黄菁菁, 符鼎, 王海波, 周志登
https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-24069-x
摘要：船撞桥事故在全球范围内都时有发生，一旦发生造成的后果经常是灾难性的。为此，本文提出了一种新型高压水柱干扰防撞(HPWJI)方法，与传统的通过防撞装置吸能来减缓船舶对桥梁撞击力的方法不同，该方法主要是通过横向高压水柱冲击来直接或者间接改变船舶的航向，使船舶偏离桥墩而不发生碰撞。本文以中国沙湾河道为流域背景，并运用ANSYS-FLUENT软件，对一艘重约2000吨的船只在HPWJI方法下的航行情况进行了模拟分析。模拟结果表明，HPWJI方法对船只的航行方向有较大的影响，能够让船只偏离桥墩，在理论上用于防止桥船碰撞是可行的；船只的行驶速度越快，船只在行驶一段位移时横向位移和偏转角越小，其中船速小于7米/秒时水流对船舶运动路径产生的影响更为显著；最后本文构建了船只横向位移与航速、纵向位移关系的模型公式，该公式可用于预测不同航速下所选船只的最小安全距离(该距离时船只在HPWJI方法下刚好能偏离桥墩)。
FLUID MECHANICS
The role of energetic flow structures on the aeolian transport of sediment and plastic debris
能量流动结构在风力输送沉积物及塑料废弃物中的作用
Manousos Valyrakis, 赵小虎, Thomas Pähtz, 李振山
https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-24467-x
摘要：研究人员通过风洞实验研究了塑料球体在风中的移动，以理解湍流如何影响风的运动。他们基于能量和湍流事例开发了一个模型以了解自然粗颗粒沉积物如何开始移动。研究结果表明，湍流风阵通过使颗粒沿风向滚动或以较短摇晃动作导致的蠕变与机械分选来对颗粒移动产生至关重要的作用。这项研究强调了沉积物和塑料碎片夹带的概率性质，并增加了对风力运输过程的理解。
FLUID MECHANICS
Numerical investigation on vortex dynamics of flow around a pitching hydrofoil via the finite-domain impulse theory
基于有限域涡量矩理论的绕振荡水翼涡动力学研究
郝会云, 刘韵晴, 吴钦, 刘影
https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-23492-x
摘要：本文通过数值和理论研究了绕振荡水翼的非定常流动结构和水动力特性，采用有限域涡量矩理论获得了在无空化(σ = 8.0)和空化流动(σ = 3.0)条件下水翼的总升力以及典型旋涡结构对瞬态升力的影响。水翼在0°至15°攻角匀速运动，雷诺数为7.5 × 105，频率为0.2 Hz。研究结果表明，初生空化导致层流分离气泡(LSB)从尾缘到前缘的运动延迟，从而导致升力系数拐点滞后。无空化时，LSB“破裂”引发失速，而在空化流动中，前缘LSB不稳定及非定常空穴主导的旋涡结构对流是诱导失速的原因。通过有限域涡量矩理论对升力进一步分解发现，Lamb矢量积分项是非定常升力的主要机制。在动态失速过程中，顺时针前缘涡(−LEV)始终提供正升力，而逆时针尾缘涡(+TEV)提供负升力。特别是当水翼升力达到局部峰值后，尾涡脱落导致TEV区域的负升力显著增强。总体而言，相较无空化流动，空化流动中旋涡结构对瞬时水动力的影响更加显著。
FLUID MECHANICS
Quantum-enriched large-eddy simulation with the incompressible Schrödinger flow
基于不可压缩薛定谔流的量子增强大涡模拟
韩子朔, 杨越
https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-24054-x
摘要：我们提出量子增强大涡模拟用于模拟湍流，作为一种量子-经典混合方法，量子增强大涡模拟结合了大涡模拟的大尺度流动和不可压缩薛定谔流的亚网格流动。不可压缩薛定谔流是一类有望在量子计算机上模拟流体运动的方法，可生成亚网格尺度湍流结构来丰富大涡模拟的流场。量子增强大涡模拟的流场可进一步用于湍流燃烧和多相流的计算，在这些问题中亚网格尺度运动起着重要作用。作为一项概念性的研究，我们在经典计算机上分别实施了大涡模拟和不可压缩薛定谔流模拟，流动设置为衰减均匀各向同性湍流。然后通过时间匹配和谱混合方法得到了量子增强大涡模拟的速度场。相比原大涡模拟，量子增强大涡模拟显著改善了能谱、速度和涡量分量的概率密度函数以及速度结构函数的预测结果，并重建了直接数值模拟中的小尺度拟序涡结构。此外，由于黏性流和不可压缩薛定谔流的本构关系不同，不可压缩薛定谔流中的涡结构比直接数值模拟中的涡结构更短且纠缠度更低，且其中的三阶结构函数幅值小于直接数值模拟中的幅值。
SOLID MECHANICS
Symplectic solutions for orthotropic micropolar plane stress problem
正交各向异性微极平面应力问题的辛求解方法
陈龙, 汤兆飞, 吴穹, 高强
https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-23548-x
摘要：本文采用辛弹性力学方法得到正交各向异性微极平面应力问题的解析解。首先，应用勒让德变换和哈密顿混合能量变分原理得到哈密顿正则方程。然后，利用分离变量法， 导出了相应的齐次哈密顿正则方程的本征问题。最后，推导了三种齐次边界条件下问题的相应本征解。根据本征解的共轭辛正交性和展开定理，正交各向异性微极平面应力问题的解可以表示为这些本征解的级数展开。本文给出了各种边界条件下平面应力问题的数值结果，并用有限元法证明了该方法的收敛性和准确性。同时使用该方法研究了尺寸效应和材料尺度参数之间的关系。并且，在等效微极连续介质近似下， 使用辛方法分析格子结构的力学行为。
SOLID MECHANICS
One-dimensional wave theory analysis of factors and characteristics influencing errors in two-wave method data processing in SHPB
SHPB试验中二波法数据处理误差影响因素与特性的一维波理论分析
马铭辉, 高光发
https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-24169-x
摘要：基于SHPB的平面波假设，一般采用将透射波和反射波的起点对齐的二波法对试件的应力应变曲线进行简化计算， 然而这种处理方法忽略了弹性波在试件中的运动时间. 考虑到弹性波在试件中的运动时间，定量研究了采用理论二波法计算时试件在不同情况下的应力、应变和应变率的误差特征和规律，并和起点对齐二波法的计算结果进行了比较。研究表明：理论二波法所得到的应力时程曲线小于实际应力曲线，但起点对齐二波法反之始终大于实际应力曲线，当无量纲时间大于2.0时应力偏差近似恒值。理论二波法给出的应力应变曲线的起点并非零点，而是应变坐标轴上的一点， 起点对齐二波法给出的应力应变曲线的起点均为零点，但两种方法得到的应力应变曲线的斜率均和材料的真实杨氏模量有所差异，并给出了两种方法的斜率和材料真实杨氏模量的函数关系式。在此基础上,研究了两种方法给出的应力应变曲线的偏差特征。研究SHPB试验的精细化设计与数据的准确处理提供理论参考。
SOLID MECHANICS
Characterization of elastic modulus and hardness of brittle solids by instrumented indentation
利用仪器化压入表征脆性固体的弹性模量和硬度
徐智通, 刘明, 龚江宏
https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-24095-x
摘要：利用纳米压入测试了各种脆性固体(比如: 陶瓷、半导体、玻璃、单晶和激光材料)的缩减弹性模量Er和压入硬度HIT，比较了各种分析方法：一些方法需要压头的面积函数， 比如Oliver & Pharr(OP)方法和基于名义硬度的方法；另外一些方法不需要校准压头，比如基于能量、位移、接触深度和接触硬度的方法。努氏压头下压痕的弹性恢复也被用于评估脆性固体材料的弹性模量。对于脆性固体，HIT/Er与纳米压入无量纲特征量(如弹性功与总功之比、残余位移与最大位移之比)之间的关系是非线性的，而不是线性的。对于脆性固体(传统玻璃除外)，根据Er计算的塑性硬度Hp与Er(HIT)1/2成正比。
DYNAMICS, VIBRATION, AND CONTROL
Aircraft propeller erosion wear and aerodynamic characteristics
飞机螺旋桨冲蚀磨损及气动学特性
郭翔鹰, 臧富瑾, 朱雨男, 曹东兴
https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-24251-x
摘要：本文研究了螺旋桨运输机在沙漠、高原等恶劣环境中飞行时，螺旋桨与沙尘颗粒碰撞和摩擦引起的表面冲蚀磨损。首先，使用商业软件FLUENT分析在不同沙尘颗粒参数下单个螺旋桨叶片的冲蚀行为。随后，通过滑移网格法对整个叶片进行动态模拟，研究在不同工况条件下(包括转速和爬升角度)的冲蚀机理。最后，根据模拟结果，得出冲蚀对螺旋桨气动特性的影响。该研究深入探讨了大型飞机螺旋桨在沙尘环境中运行时的冲蚀规律以及螺旋桨表面冲蚀磨损对气动性能的影响。通过阐明这些现象，本研究为未来优化螺旋桨设计提供了宝贵的意见。
DYNAMICS, VIBRATION, AND CONTROL
An optimal control method of internal resonances for vibration isolation system using an aperiodic isolator
基于非周期隔振器的一种内共振抑制及优化方法
刘玉君, 刘静, 潘光, 黄桥高, 宋保维
https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-23535-x
摘要：隔振器的内共振会明显影响其在中高频段的隔振性能，周期隔振器具有良好的中高频滤波特性，但内共振效应依然存在，尤其是在隔振器阻尼较小的情况下。为了降低周期隔振器的内共振影响，本文提出了一种新型非周期隔振器。首先解释了基于非周期隔振器的内共振控制机理；通过子系统法和传递矩阵法，推导了电机、非周期隔振器和弹性支撑板耦合的动力学模型，采用有限元方法验证了数值模型的准确性，数值分析了隔振器的非周期性和阻尼对内共振的抑制效果。结果表明，在中高频段，周期隔振系统和非周期隔振系统的隔振性能明显优于连续隔振系统。与能带结构中滤波通带周期性存在的周期隔振器相比，非周期隔振器打开了能带结构中的通带带隙。结果表明含阻尼的周期隔振器和非周期隔振器都具有能带结构加宽效应。为了提高内共振的控制效果，提出了一种非周期隔振器参数优化方法，优化后的非周期隔振器在目标频带内的内共振峰值得到了有效的降低。最后，基于实验方法对三种不同的隔振系统的隔振性能进行了测试。
DYNAMICS, VIBRATION, AND CONTROL
Dynamic equivalence conditions for an air-bearing simulator emulating scaled drag-free control dynamics
等效模拟无拖曳卫星动力学的地面气浮装置相似设计方法
陈明伟, 章楚, 贺建武, 杨超, 段俐, 康琦
https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-24026-x
摘要：为了设计无拖曳卫星相关技术演示验证的地面仿真平台，本文基于量纲分析和π理论等方法提出了一种与空间无拖曳卫星平面动力学行为相似的地面模型设计方法。该方法从双检验质量无拖曳卫星动力学模型中分析出相似特征，设计了由倒立摆和平面气浮台组成的地面气浮模拟装置。文中利用欧拉-拉格朗日方法推导了等效于检验质量敏感轴平动和卫星平面运动的模拟器动力学模型，得出地面模型系统等效空间原型系统的动力学等效条件。此外，本文首次提出了等效质量和等效刚度的概念，并在此基础上提出了满足等效条件的相似律设计要求以及倒立摆的设计要求。在物理相似性条件下，本文设计了欠驱动系统的闭环控制策略，推导出相应的控制相似律并应用于数值仿真。最后，等效缩放后仿真结果与原型仿真结果的对比验证了二者动力学行为具有相似性，也证明了本文提出的相似性设计方法的合理性和有效性, 为未来引力波探测计划的无拖曳卫星地面仿真设计提供了更多依据。
BIOMECHANICS
Assessment of bone strength and fracture behavior of degenerative vertebrae through quantifying morphology and density distribution
通过量化形态和密度分布评估退变椎骨的强度及断裂行为
张萌, 宫赫, 张明
https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-24016-x
摘要：腰椎退行性病变可导致椎骨形状和密度分布发生改变， 进而影响其力学性能和行为。本研究旨在通过统计形状模型(SSM)和统计外观模型(SAM)定量描述退变椎骨形状和密度分布的变化，并利用特定主成分模式来评估椎骨的强度和断裂行为。基于75名老年男性L1椎骨建立详细的SSM和SAM，提取其主成分模式来定量描述退变椎骨形状和密度分布特征。根据L1椎骨的退变程度，将所有受试者分为轻度退变组(n=22)、中度退变组(n=29)和重度退变组(n=24)。基于定量CT的有限元分析计算每个椎骨的抗压强度，并利用多元线性回归分析来评估椎骨强度与主成分模式之间的关系。对比分析SSM和SAM第一模式(平均值±3倍标准差)下等效塑性应变(PEEQ)的分布以评估退变椎骨的断裂模式。留一法结果显示所建立的SSM和SAM具有良好的性能，用它们对未知椎骨的形状和密度分布进行重建，其平均绝对误差分别为0.335±0.084 mm和64.610±26.620 mg/cm3。使用4个主成分模式(SSM 1、SAM 1、SAM 4和SAM 5)构建的多元线性回归模型，其强度预测性能良好。此外，与椎骨退变相关的形态变化相比，PEEQ的数值对密度分布的变化更为敏感。椎骨密度分布的变化可能会影响其受力后的变形类型(压缩变形和楔形变形)，进而影响其骨折模式。统计模型可以识别退变椎骨形状和密度分布的变化，并且SSM/SAM模式可以用来评估椎骨的抗压强度和断裂行为。上述研究结果对协助临床医生进行病理诊断、骨折风险评估、植入体的设计和术前规划具有重要意义。
DISTINGUISHED YOUNG SCHOLAR
Machine learning-encoded multiscale modelling and Bayesian optimization framework to design programmable metamaterials
基于机器学习和贝叶斯优化的可编程超材料多尺度设计方法
刘易哲, 李晓雁, 陈玉丽, 丁彬
https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-24061-x
摘要：由非均匀微结构组成的可编程超材料具有优异的性能调节能力，在科学和工程领域引起了研究者们的广泛关注。然而，建立这些材料的构效关系并非易事，尤其是复杂非均匀微结构的存在给传统的解析和计算方法带来了诸多挑战。这里，我们提出了一个新颖的计算方法，集成了基于机器学习的多尺度本构模型和贝叶斯优化算法，分别实现了正向的性能预测和逆向的微结构设计。不同于以往端对端的机器学习方法，本文方法具有载荷无关和几何无关特性，意味着单次的模型训练即可求解多种边界值问题。我们使用椭圆孔微结构和蜂窝微结构证明了所提方法的通用性。结果表明，该方法在保证计算精度的同时，将计算时间缩短两个数量级。在正向加速的基础上，所提方法可以实现超材料的逆向刚度定制和形状定制，且可直接拓展至多目标定制。最后，利用该方法实现了裂尖的应力缓解，将裂尖Mises应力降低了41.2%，并得到了可解释的微结构分布模式。
