透明陶瓷材料冲击响应特性及损伤演化规律研究

韩国庆, 张先锋, 谈梦婷, 包阔, 李逸 — 2023-09-30

韩国庆, 张先锋, 谈梦婷, 包阔, 李逸透明陶瓷兼具有优秀的透光性能和抗冲击破坏性能, 是武器装备透明部分性能优异的防护材料之一, 在军事装备、航天等国防领域具有良好的应用前景. 冲击载荷下材料的加载响应特性对掌握材料破坏机制至关重要, 能为透明复合材料设计提供依据. 文章从透明陶瓷材料的抗冲击响应实验研究, 包括实验技术、应变率效应、裂纹扩展速度、材料破坏特征等方面, 对静、动态加载下透明陶瓷的冲击响应特性研究进行了较为系统地回顾; 同时结合陶瓷材料冲击破坏实验阐明了透明陶瓷材料的冲击破坏机制, 以此为基础阐述透明陶瓷冲击破坏的损伤模型、强度准则及冲击响应动态本构模型; 最后分析了透明陶瓷复合装甲抗冲击响应特性以及数值模拟技术的研究现状, 探讨了陶瓷材料抗冲击响应特性研究的发展趋势. 针对现今透明陶瓷冲击响应研究的不足, 提出了关于未来研究方向的建议. 力学进展. 2023 53(3): 497-560.

高超高焓非平衡流动数值模拟方法研究综述

高振勋, 蒋崇文, 李椿萱 — 2023-09-30

高振勋, 蒋崇文, 李椿萱高性能计算流体力学 (computational fluid dynamic, CFD) 模拟可以与高超飞行试验、高焓地面设备实验研究相互印证, 在热化学非平衡效应研究以及未来高超声速飞行器研制中将发挥更重要的作用. 本文回顾了国内外在热化学非平衡流动CFD研究方面的进展, 概述了相关热化学模型、数值格式研究以及CFD软件研制方面的现状和发展趋势, 最后指出了今后在基础研究、软件开发、模拟应用等方面需要关注的问题. (1) 在热化学模型方面, 常用温度模型并不完全精确, 多振动温度模型具有发展潜力但工程应用受限, 态−态模型更精确但模拟技术尚不成熟, 更为精确的热力学输运模型、有限速率化学反应模型、振动−离解耦合模型以及表面效应模型等是提升热化学非平衡模拟精度的重要物理模型, 值得深入研究; (2) 在数值方法方面, 多物理场耦合模拟是高超热化学非平衡流动CFD研究的热点和趋势, 对CFD方法的鲁棒性和收敛性提出了更高的要求, 值得重点关注和研究, 此外常用数值格式需要针对热化学非平衡流动特征进行适应性改造, RANS方法在热化学非平衡湍流模拟中的计算可靠性仍有待验证; (3) 在数值软件方面, 基于结构/非结构混合网格的数值求解器更加符合工业应用需求, 未来高超数值软件需要具备稳定、鲁棒的多学科、多物理场耦合求解功能, 且能够适应更大网格规模大尺度复杂外形的模拟需求; (4) 可综合应用多种加速技术手段提升热化学非平衡流动数值模拟的计算效率, 计算刚性是热化学非平衡流动数值模拟方法研究的共性基础问题, 刚性消除方法仍需进一步研究和发展. 力学进展. 2023 53(3): 561-591.

介电高弹体的力−电耦合循环变形和疲劳失效行为研究

康国政, 陈义甫, 黄伟洋 — 2023-09-30

康国政, 陈义甫, 黄伟洋介电高弹体的力−电耦合循环变形和疲劳失效行为目前在相关功能器件的设计和寿命评估中得到了越来越多的关注. 因此, 为了促进软体机器人等领域的发展, 文章对介电高弹体的力−电耦合循环变形和疲劳失效行为的实验和理论研究现状进行了较为全面地综述: 首先, 对介电高弹体VHB^TM材料在单一力场和力−电耦合作用下的循环变形行为及其演化特征进行了评述, 重点总结了该材料在循环载荷作用下表现出的循环软化、棘轮行为和疲劳失效行为及其力−电耦合效应; 然后, 对已有的、描述介电高弹体单一力场和力−电耦合变形行为的本构模型进行综述, 评述了已有的超弹性、黏−超弹性和黏−超弹性−塑性本构模型对介电高弹体循环变形行为及其力−电耦合效应的描述能力; 最后, 对介电高弹体的力−电耦合失效行为研究现状进行了评述, 特别关注了介电高弹体在力−电耦合大变形作用下的低周疲劳失效行为. 基于已有研究现状的评述, 文章还对相关领域的未来研究方向进行了展望, 力求促进相关研究领域的发展. 力学进展. 2023 53(3): 592-625.

计算流体力学验证与确认研究进展

陈江涛, 肖维, 赵炜, 张培红, 杨福军, 金韬, 郭勇颜, 吴晓军, 陈坚强, 王瑞利, 李立 — 2023-09-30

陈江涛, 肖维, 赵炜, 张培红, 杨福军, 金韬, 郭勇颜, 吴晓军, 陈坚强, 王瑞利, 李立计算流体力学 (CFD) 在重大工程领域发挥了日益重要的作用, 可信度是制约其进一步大规模工程应用的关键因素. 国内外普遍认同验证与确认是CFD可信度评价和保证的必经途径. 通过系统的验证与确认, 可以有效识别代码中潜在的编程错误, 保证数值求解的可靠性, 客观评价模型在预期用途内的适用性, 在必要时提高模型的预测能力. 本文围绕着什么是验证与确认, 怎么做验证与确认这两个核心问题, 从基本概念、实施流程、主要方法、标模试验和平台工具等角度介绍了国内外在CFD验证与确认领域的研究进展, 重点对误差估计和不确定度量化方法展开介绍. 文章最后对现阶段验证与确认研究解决实际工程问题的不足进行了评述和总结, 对未来重点研究方向进行了展望. 力学进展. 2023 53(3): 626-660.

流体数值模拟网格自适应技术研究进展

唐静, 崔鹏程, 张健, 周乃春, 吴晓军, 龚小权, 张耀冰 — 2023-09-30

唐静, 崔鹏程, 张健, 周乃春, 吴晓军, 龚小权, 张耀冰计算网格是流体数值模拟误差的主要来源之一, 极大地影响着流动模拟结果的精度. 传统网格生成强烈依赖于用户经验, 加大了复杂飞行器网格生成的难度, 增加了气动特性预测数据的不确定度. 网格自适应技术是结合流动特性的计算网格自主优化技术, 可通过迭代优化消除网格因素造成的数值模拟误差, 能有效提高飞行器气动特性预测精度. 近年来在运输机高升力复杂构型的成功应用, 表明了网格自适应技术已发展到了较为成熟的阶段. 本文针对计算流体力学, 首先系统总结了网格自适应涉及的误差估计、网格编辑和物面几何保形三项关键技术的研究进展, 并介绍了相关的主要并行实现技术. 其次, 文中介绍了网格自适应技术在网格相关性分析、流场细节捕捉、气动特性计算和非定常流动模拟中的主要应用情况. 最后, 本文提出了网格自适应技术研究存在的问题及未来研究方向. 力学进展. 2023 53(3): 661-692.

热力学强度理论

王彪 — 2023-09-30

王彪材料结构强度的准确预报是工程结构设计与优化的关键, 也是固体力学的核心问题之一. 传统强度理论主要依赖于经验公式, 虽种类繁多, 但适用的材料和工况有较大的局限性. 为确保安全, 工程结构设计往往采用较大的安全系数, 造成了极大的材料浪费, 且依然无法杜绝恶性事故的发生. 如何从普适的原理出发, 突破传统强度理论的经验桎梏, 发展新的材料结构强度评估理论, 是一个亟待解决的科学与工程难题. 本文简要总结了传统强度理论所存在的问题, 概述了一些基于能量思想预报材料结构失效行为的方法, 并重点介绍了作者提出的热力学强度理论体系. 该理论体系将材料结构视为一个热力学系统, 把材料结构失效强度的预报纳入被广泛认可的热力学框架. 原则上, 该理论对材料结构的失效模式没有限制, 适用于多种失效模式的强度预报. 以几个代表性实例来说明理论的正确性和广泛适用性, 体现了极好的工程应用前景. 力学进展. 2023 53(3): 693-712.