Volume 41, Number 3, March 2025

EXTREME MECHANICS

Dynamic damage response of sing-crystal NiTi alloys induced by shear localization

剪切局域化诱导的单晶NiTi合金动态损伤响应

张玉辰, 杨伟龙, 杨鑫, 王进, 吕超, 张豪, 裴晓阳, 王放

https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-24177-x

摘要：本研究利用非平衡分子动力学模拟方法，从原子尺度探讨了单晶镍钛合金的动态响应。结果表明：当冲击速度小于0.75 km/s时，材料内部没有出现剪切变形带。随着速度增加，剪切变形局域化现象愈发显著，并且这种变形带的平均间距逐渐减小直至没有明显变化。结合剪切应力及粒子速度分布曲线，可以认为剪切变形带的存在与塑性变形紧密相关。此外，团簇在剪切变形带周围的位错以〈100〉部分位错为主：在没有剪切变形带的区域，1/2〈111〉全位错占主导地位。孔洞形核主要发生在剪切变形带上， 随后，孔洞长大促进了剪切变形带分布特征变化。对于没有剪切变形带的情况，孔洞随机形核，此时孔洞增长呈现出不均匀方式。因此，强动载荷下镍钛合金的损伤过程伴随着剪切局域化和孔洞的演化及其相互作用。本工作有助于深入揭示镍钛合金动态损伤的微观机理。

Radiation investigation behind 4.7 km/s shock waves with nitrogen using a square section shock tube

基于方截面激波管的4.7 km/s激波波后氮气辐射特性研究

张森豪, 张宇哲, 许以欣, 白甜瑞, 罗凯, 李仁杰, 汪球, 林鑫, 李飞

https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-24258-x

摘要：热化学非平衡现象对高超声速飞行器设计构成重大挑战。为研究激波波后热化学反应流动，利用激波管测量了可见光波段非平衡辐射。实验工况为激波速度4.7 km/s和20 Pa氮气试验气体。为了解决弱辐射信号的测量难题，使用了边长为380 mm的特种方截面激波管。实验中用高速相机捕捉激波形态，用光谱仪和单色仪测量波后辐射。比较并分析了实验光谱与数值光谱，结果显示两者整体吻合较好；基于实验光谱计算了激波波后非平衡温度，并与数值预测结果进行了比较，研究结果表明：由于模型对非平衡弛豫过程的过度简化，振动温度被高估，振动弛豫时间被低估；此外，还分析了特征波长辐射强度的时变特征。研究数据旨在未来用于优化流场程序和辐射模型，提高模型预测精度。

FLUID MECHANICSANICS

Verification and validation of a numerical wave tank with momentum source wave generation

基于动量源项造波的数值波浪水池验证与确认研究

张后胜, 胡宜静, 黄彪, 赵欣

https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-24127-x

摘要：本文针对一种动量源项造波方法开展了系统的验证和确认(V&V)研究。首先对规则波和随机波数值水池的一些参数进行了优化。之后采用H2-5 V&V方法，包含五套网格，网格细化率为1.225，用于验证规则波的数值波浪水池，主要针对三级(Hs = 0.75 m)和六级(Hs = 5 m)规则波浪的波高和质量守恒对规则波数值水池开展验证研究。此外，还选择了八种不同的海况开展规则波浪的波高、质量守恒和波频确认研究。关于随机波数值波浪水池，选择了五种不同的海况，其有效波高在0.09 m至12.5 m之间，以验证随机波浪的统计特征，包括波浪谱谱形、峰值频率和有效波高。结果表明，在最精细的网格上，3级和6级规则波的波高验证误差分别为−0.018和−0.35，质量守恒验证误差分别是−0.14和−0.17。不确定性分析表明，通过调整网格尺寸，数值误差可以被建模误差部分抵消，从而获得较小的确认误差。不同海况下规则波的波高、质量守恒和频率的确认误差分别不超过7%、8%和2%。对于3级(Hs = 0.75 m)和6级(Hs = 5 m)规则波，分别在安全系数FS ≈ 1和FS ≈ 0.5~1的情况下，对波浪发展段的波高进行了确认。随机波浪的有效波高和峰值频率的确认误差均小于2%。

Hydrodynamic interactions between two self-propelled flapping plates swimming towards each other

两个自推进柔性板相遇时的水动力学相互作用

龚诗娴, 康林林, 范迪夏, 崔维成, 陆夕云

https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-23664-x

摘要：多鱼相遇的水动力学机理是一个有趣的研究课题。本文采用格子玻尔兹曼-浸没边界法，模拟了两个保持一定侧向距离的自主推进柔性板相遇时的水动力学相互作用，并分析了拍动相位和侧向距离对两个柔性板相遇时推进性能的影响规律。研究发现，两板相遇时，如果其前缘相互侧向偏离，推进速度和效率可大幅提升。反之，若两板前缘侧向趋近，推进速度会明显下降，并伴随高能耗。两个板之间的平均侧向距离的增加显著减弱了流固耦合效应，导致板的平均推进速度呈指数下降。为深入揭示两板相互作用机制，本文基于涡动力学理论对相遇时柔性板的受力特性进行了定量分析,发现两个前缘之间的侧向偏离能增强板表面上的涡量产生和边界涡通量所诱导的力，从而增强推力效果并提高推进速度。本研究可为提高机器鱼在复杂环境中的优化控制提供有效参考。

The influences of geometry on the hemodynamics and particle transport in model aorta

几何形状对模型主动脉的血液动力学和颗粒输运的影响

陈文渊, 张韬, 杨延涛

https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-23653-x

摘要：本文研究了主动脉几何形状对血液动力学和物质输运的影响。基于对真实主动脉的观察，对模型主动脉进行了两个几何参数的研究，即主动脉弓角度和降主动脉的直径。针对具有不同主动脉弓和出口直径组合的九个模型主动脉进行了直接数值模拟，结果显示，出口直径对主动脉血液动力学有显著影响。与入口相比，较小的出口直径导致降主动脉段血流加速，影响流动形态，包括涡旋结构，并增加峰值压力梯度和壁面剪切应力。然而，它降低了振荡切应力指数，表明流动更有组织性。分析结果显示，较小的出口直径可加快颗粒输运速度，减少累积停留时间。主动脉弓角度对这些特性的影响较小，只会延迟射血过程中达到最大压力梯度的时间。研究结果表明，主动脉出口的直径对流动结构有更大的影响，而主动脉弓角度的影响相对较小。这些发现为血液动力学与主动脉几何形状之间的关系提供了见解，并具有潜在的临床意义。

VW-PINNs: A volume weighting method for PDE residuals in physics-informed neural networks

VW-PINNs：物理信息神经网络中PDE残差的体积加权方法

宋家豪，曹文博，廖飞，张伟伟

https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-24140-x

摘要：物理信息神经网络(Physics-informed neural networks， PINNs)已经在偏微分方程(Partial differential equations, PDEs)正反问题求解领域展示出广阔前景。该方法通过在一组配置点上计算PDE损失实现了偏微分方程在神经网络中的嵌入，具有无网格、易于自适应采样等优势。然而，当使用非均匀配置点求解方程时，PINNs面临方程残差收敛效率低甚至求解失败的问题。本研究首先分析了非均匀配置点下PINNs中PDE损失函数的病态。然后针对性地定义了体积加权残差的概念，并提出了体积加权的物理信息神经网络(Volume weighting physics-informed neural networks, VW-PINNs)。通过使用配置点在求解区域占据的体积对方程残差进行加权，配置点的空间分布特征被显式地引入PDE损失函数中，保证了方程残差快速充分的收敛。时，考虑到VW-PINNs的无网格特性,我们还基于核函数估计发展了近似算法来计算配置点的体积。我们通过求解PINNs失效的不同来流条件下的圆柱、翼型绕流正问题验证了VW-PINNs的普适性。通过求解Burgers’方程，我们验证了VW-PINNs能够将现有自适应采样方法在正问题上的收敛速度提升三倍，能够将PINNs在反问题上的相对L2误差降低一个数量级以上。

SOLID MECHANICS

Graphical models of dominant topologies of polymer-substrate adhesive-interfacial strength and toughness

聚合物-基底粘接界面强度和韧性主控拓扑的图模型

王新天洋, 廖丽涓, 吴先前, 黄晨光

https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-24181-x

摘要：确定粘接界面力学性能的主控拓扑特征是一项挑战。本文利用图论和分子动力学模拟研究了拓扑特征对高交联度聚合物界面体系强度和韧性的影响。根据粘接体系的微结构，我们提取了主控拓扑特征，包括决定屈服强度的连通度(D)，以及决定孔隙扩展过程中变形能力的平均节点路径(P)和承载能力的基础环比例(R)，这两者共同决定了韧性。此外，还分析了壁面效应对主控拓扑特征的影响。结果表明，界面的屈服强度随着D值的增加而增加，而韧性则随P和R值的增加而增加。壁面效应对D, P和R值有显著的影响。强的壁效应会导致壁面附近氨基的富集现象以及远离壁面区域交联反应不充分的现象, 从而导致较低的D和较小的R值, 即较低的屈服强度以及孔隙扩展过程中较差的承载能力。随着壁面效应的减弱, D值逐渐增加, 然而P和R值呈现出先增加后减少的趋势, 这表明粘接界面韧性存在一个优化的壁面效应。本文揭示了粘接界面强度和韧性的主控拓扑特征, 为调节聚合物粘接界面体系的力学性能提供了一种新方法。

The cross-sectional geometry regulated Poynting effect in ribbed silicone rubber tubes

加肋硅橡胶管中截面几何形状可调的Poynting效应研究

张彦刚, 胡义锋, 薛海斌

https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-24173-x

摘要：随着硅橡胶器件在生物医学领域中的应用越来越广泛和精细化，准确描述和预测这类器件在大变形下的力学行为具有重要意义。本文研究发现，在考虑高阶剪应变对法向应力的影响后, 具有特定横截面形状的硅橡胶加肋圆管中的Poynting效应呈现出新的现象-轴向变形与扭转角之间非单调变化。本文开发了一个非线性有限元程序用于模拟超弹性材料的大变形问题, 并在此基础上研究了受扭硅橡胶加肋圆管中的Poynting效应. 结果表明, 在孔隙率介于12%和40%之间(肋板数在12至26范内)的加肋圆管中出现了Poynting效应的正负转换情况, 即在单调加载过程中, 轴向伸长率呈现出先减小而后快速增大的变化趋势, 说明当截面形状较为复杂时高阶剪应变对法向应力的影响不能忽略. 特别是在孔隙率为20%左右的加肋圆管中, 可以在不到180度的扭转角范围中实现轴向线应变从−0.035%到0.035%的显著变化. 此外, 还研究了高阶剪应变对法向应力的量化影响。这些研究结果为精确控制扭转件的轴向伸缩提供了理论基础, 并表明在一定条件下可以通过设计圆管的截面形状实现Poynting效应的正负转换。

Study on the effect of shape parameters and initiation points of rectangular high explosive on the spatial distribution of blast loads

矩形高爆炸药形状参数和起爆点对爆炸载荷空间分布影响的研究

陈龙奎, 赵红宇, 张永亮, 黄生洪, 李春海

https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-23470-x

摘要：矩形装药通常用于军事或民用爆炸品的运输和储存。关于矩形装药的形状参数和起爆点对爆炸峰值超压和最大冲量的影响尚缺乏全面的研究, 这对防爆结构的设计非常重要。本文以矩形装药的边长比、装药方位和起爆点为控制参数, 通过经过验证的三维数值模型, 研究了它们对在0.63至10.54 m/kg1/3比例距离范围内的爆炸载荷的影响。结果表明, 矩形装药的爆炸载荷在近场空间分布上存在显著差异；如果用等质量球形装药简单地评估矩形装药的爆炸载荷, 则最大峰值超压(最大冲量)将被低估7.46倍(4.84倍)。这必须引起防爆结构设计者的重视。随着比例距离的增大, 当临界比例距离大于6.32(7.38) m/kg1/3时, 装药形状对空间爆炸载荷最大峰值超压(最大冲量)的影响可以忽略。总体而言, 矩形装药在端部引爆对最大峰值超压的影响大于中心引爆, 但对于最大冲量的影响, 则需要注意矩形装药的边长比和端面特定的引爆位置。初步分析了放置在不同方位处的钢板在矩形装药爆炸载荷下的结构响应, 结果表明, 钢板的变形和能量与爆炸荷载的空间分布是一致的。这些分析结果为近场空中爆炸的防爆设计提供参考。

Scheme to increase the ultimate pressure of the China-type cubic press

一种提高国产立方压机极限压强的方案

王胜学, 侯瀚涛, 杨镇泽, 滕宇, 王志文, 赵洪宇, 刘杨, 马红安, 贾晓鹏

https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-24225-x

摘要：国产六面顶压机因为操作简单、成本低廉等优点被广泛地应用在高压领域。但是六面顶压机腔体内部极限压力过低已经限制了其应用。为了提升内部腔体极限压强, 本文对压力传递效率, 碳化钨(WC)顶锤Von Mises应力等方面进行模拟。我们发现改变钢环的角度可以改变WC砧受到的预紧力效果。在钢环角度为1.2°时, WC顶锤受到的预紧力分布最均匀, 对WC砧的支撑效果最好。同时, 本文设计了一种双斜边WC顶锤, 双斜边WC顶锤不仅能提升腔体内部的极限压强, 而且保证了腔体的稳定性和WC砧的耐用程度。本文的设计还可以和一级增压组装进行使用, 以达到更好的增压效果。

DYNAMICS, VIBRATION, AND CONTROL

A study of mechanism-data hybrid-driven method for multibody system via physics-informed neural network

基于物理信息神经网络的多体系统机理数据混合驱动方法研究

宋宁宁, 王传达, 彭海军, 赵剑

https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-24159-x

摘要：数值仿真在多体系统动力学分析中具有重要的作用。随着计算机科学的发展, 数值求解技术得到了进一步的发展. 近年来, 数据驱动方法已经为了一种流行的计算方法。然而, 由于传统基于神经网路网络的纯数据驱动方法缺少必要的机理信息, 求解强非线性系统时, 它的数值精度难以得到保证。因此, 本文基于物理信息神经网络策略, 提出了一种求解强非线性多体系统的机理数据混合驱动方法, 以克服传统数据驱动方法的局限。本文所提出的方法通过引入放缩系数将多体系统的动力学模型引入到神经网络中, 以保证神经网络的训练结果满足多体系统的力学原理, 从而提升数据驱动方法的可靠性。最后, 通过三个典型的多体系统算例, 对所提方法的稳定性、泛化能力以及数值精度展开了讨论与分析, 结果显示所提方法能将多体系统的约束违约控制在10−2~10−4范围内。

Dynamic characteristics of aircraft landing gear retraction mechanism under the coupling effects of extreme conditions

极端工况耦合作用下飞机起落架收放机构的动力学特性

高顺, 范守文, 范帅

https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-24105-x

摘要：极端工况严重制约了飞机起落架收放机构(ALGRM)的动力学特性。本文提出了一种考虑间隙接头、柔性杆和盐雾腐蚀等极端工况耦合效应的ALGRM动力学建模与分析方法。首先, 建立了间隙接头和柔性杆的数学模型，并基于拉格朗日方程建立了考虑间隙接头和柔性杆的ALGRM动力学模型。其次，利用COMSOL仿真软件建立了间隙接头的盐雾腐蚀模型。最后，研究了不同温度和相对湿度对间隙接头腐蚀深度的影响，以及在极端工况耦合作用下ALGRM的动力学特性。研究结果表明，极端工况对系统动力学的影响是不可忽视的。该研究不仅为预测ALGRM在极端工况下的动力学特性提供了理论基础，而且为起落架的优化设计和防腐工作提供了见解。

Introducing and analyzing a periodic pipe-in-pipe model for broadband ultra-low-frequency vibration reduction in fluid-conveying pipes

用于流体输送管道的宽带超低频振动减振周期性管道模型

Mohammad Hajhosseini

https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-24176-x

摘要：文章提出一种适用于周期性结构的新模型并进行分析。该结构由内层流体输送管组成，材料呈周期性排列，外层带有周期性悬臂管阵列。结合Bloch定理，使用广义微分求解积法(GDQR)计算结构的振动带隙。使用GDQR方法获得的受迫振动响应来验证结果。结果表明，通过改变悬臂管的长度，具有周期性材料排列的流体输送管的前两个带隙可以彼此靠近并向低频区域移动。对于高流体速度值，第一个带隙从零频率开始，由于第二个带非常接近第一个带，这种周期性结构可以用来从零频率开始的宽带隙上减少振动。结果显示不需要增加周期性结构的总尺寸，这些周期性悬臂管阵列可以用来创建宽带超低频带隙。最后，GDQR方法的验证表明它可以作为一种精确的数值方法，用于分析流体输送管道和移动皮带等结构的振动。

BIOMECHANICS

Hierarchical F-actin microstructures and multi-passage viscoelasticity evolution in living cancer cells under varying glucose environment

不同糖分环境下活癌细胞肌动蛋白分层级骨架微结构和多代演化黏弹性力学性质

李钟毓, 李智超, 姚松佑, 姜赫, 张潇悦, 郑跃, 朱文鹏

https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-24243-x

摘要：肌动蛋白骨架微结构决定了细胞的黏弹性，已用于鉴定活癌细胞的迁移能力及恶性程度。糖尿病患者在患癌症后面临更高的癌症转移和肿瘤复发风险。然而，对于活癌细胞在不同浓度糖环境下肌动蛋白骨架微结构和黏弹性力学性质分布的长期演化及其之间关系仍缺乏深入研究。本工作采用原子力显微镜的振幅-频率调制和纳米压痕模式，研究了活Huh-7癌细胞从高糖环境转至低糖环境的连续传代培养过程中，多层次肌动蛋白骨架微结构及连续多代黏弹性力学性质演化情况。发现在高糖环境下培养的癌细胞中具有方向高度一致的应力纤维，这些纤维连接着一层较薄的纤维网络。相比之下，在低糖环境下培养的癌细胞中，发现大部分细胞具有由直束状纤维组成的环状肌动蛋白网络，少部分细胞具有交织有极细纤维丝的随机分布肌动蛋白丝。经过将活Huh-7癌细胞转至低糖环境，其细胞核和细胞质的黏弹性展现出超过十代的长期波动。面对糖环境浓度的变化，细胞质比细胞核的黏弹性展现出更剧烈的响应，这主要归因于细胞质内肌动蛋白微结构的重组。本工作从纳米力学角度展示了活癌细胞在不同糖浓度微环境下的微结构迁移和增殖。

Optimized design and biomechanical evaluation of biodegradable magnesium alloy vascular stents

生物可降解镁合金血管支架的优化设计与生物力学评估

张奥华, 范宣泽, 杨政彪, 解玉堂, 武韬, 张萌, 薛艳茹,王艳芹, 赵永旺, 武晓刚, 王永红, 陈维毅

https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-24055-x

摘要：镁合金作为新型血管支架材料，具有良好的力学性能、生物相容性和生物可降解性。但是在相同结构下，镁合金支架相对于传统金属支架力学性能比较弱，因此，如何改善力学性能是可降解镁合金支架发展所面临的关键问题。本研究基于生物可降解支架的典型结构，设计了三种新型支架(即支架A、支架B、支架C)。所做的改变包括改变支撑环的角度和排列方式以创建一个大小角度交替排列的支撑环结构，并且改变连接杆的位置和形状。采用有限元分析的方法，以支架的压缩性能、膨胀性能、弯曲柔韧性、对血管的损伤、血流动力学变化作为评价指标。这些综合评价的结果被用作选择最优支架结构的依据。结果表明，与传统支架相比，支架A、B和C的径向刚度分别提高了16.9%, 15.1%和37.8%；弯曲刚度分别降低27.3%, 7.6%和38.1%；狗骨效应分别下降5.1%, 93.9%和31.3%；低壁面剪切应力区域分别降低50.1%, 43.8%和36.2%。与传统支架相比，支架A和C的径向反冲率分别减少9.3%和7.4%。与传统支架相比，支架A, B和C对血管的损伤略有增加，但是相差不大，影响并不明显。四种支架植入后血管内血流速率的变化基本相同。通过对四种支架的比较可以得到支架A和C的综合力学性能更优，具有较大的临床应用潜力。本研究有助于为临床支架结构设计提供参考。