X MECHANICS

A study on the impact of liquid metal droplets onto metal and elastomer substrates

液态金属在金属和弹性体基底的滴落行为研究

何子露, 肖锐, 曲绍兴

https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-24165-x

摘要：液态金属液滴在撞击过程中的扩散和动态行为对其在3D打印和涂层工艺中的应用具有重要影响. 为了深入理解液态金属液滴的撞击过程, 我们分析了不同初始条件和基底材料对液滴扩展、撞击力及基底弹性波传播的影响. 研究发现, 当液态金属液滴撞击软弹性体基底时, 会出现团聚现象, 而使用金属基底时则不会发生这种现象. 在表面张力主导扩散的情况下, 无论基底材料如何, 液滴的扩展因子与韦伯数成正比. 此外, 液态金属液滴在铜基底上的撞击力具有自相似性, 而在软弹性体基底上则不具备这种特性. 通过平滑粒子流体动力学(SPH)模拟, 可以准确预测金属基底上的液滴时域曲线和峰值. 此外, 通过记录基底上的加速度信号, 我们进一步获得了由弹性波辐射的能量, 从而解释了不同参数下撞击过程中能量转换的机制. 本研究结果为液态金属液滴复杂的撞击行为提供了更深入的理解.

EXTREME MECHANICS

Predicting surface roughness of carbon/phenolic composites in extreme environments using machine learning

利用机器学习预测极端环境下碳/酚醛复合材料的表面粗糙度

尚童, 葛敬冉, 杨晶, 李茂源, 梁军

https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-24155-x

摘要：在热防护结构中, 通过控制和优化碳/酚醛(C/Ph)复合材料的表面粗糙度, 可以显著提高其热防护性能, 从而确保载体在高温环境下的安全运行. 本文介绍了一种机器学习(ML)框架, 通过基于历史实验数据集的ML算法来预测C/Ph复合材料在各种热条件下的表面粗糙度. 首先, 在电弧风洞中进行了烧蚀实验, 并收集了C/Ph复合材料在不同热环境下的表面粗糙度高度数据. 然后, 建立了一种基于脊回归的机器学习模型用于表面粗糙度. 该模型包括结合特征工程来选择最简洁和相关的特征, 以及机器学习模型的开发. 机器学习模型将热环境参数和特征工程筛选的特征作为输入, 将预测地表面高度作为输出. 结果表明, 所建立的机器学习框架有效地预测了各种热环境下的表面形状和相关表面粗糙度参数. 与传统的三维共聚焦显微镜扫描相比, 该方法可以在更短的时间内获得相同区域的表面形貌信息, 从而节省时间和成本.

FLUID MECHANICS

Locomotion of active matter over a circular cylinder in a microchanne

微通道中活性物质绕过圆柱的运动行为

胡箫, 郁龙飞, 林建忠, 聂德明, 朱祖超

https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-24154-x

摘要：本研究通过数值方法, 研究了在受限微通道中活性颗粒绕过圆柱的运动行为. 考虑了圆柱尺寸、游泳雷诺数对三种类型活性颗粒运动特性的影响. 活性颗粒在含有圆柱的微通道中的运动可以分为七种模式. 圆柱直径和游泳雷诺数对中性活性颗粒的运动模式没有影响. 在接近圆柱时, 拉拽型活性颗粒主要在圆柱左侧表现出周期性运动, 推动型活性颗粒主要在圆柱右侧表现出周期性运动. 周期性运动的机制主要由圆柱、通道壁之间的流体动力学相互作用和活性颗粒附近的压力引起. 随着圆柱直径的增加, 推动型活性颗粒更有可能在圆柱表面表现出周期性运动, 而不是拉拽型活性颗粒. 在低游动雷诺数时, 拉拽型活性颗粒无法稳定在圆柱表面, 而在高游动雷诺数时, 它会迁移到圆柱的右侧, 显示出与推动型活性颗粒相反的运动模式. 文本研究结果可以为微流控设备中控制活性物质的运动提供可能的新途径.

FLUID MECHANICS

On Kelvin-Helmholtz instability of particulate two-fluid flow

关于含固体颗粒双流体流动的Kelvin-Helmholtz不稳定性

茹重庆

https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-24143-x

摘要：本文用一个水动力学模型研究两个相对匀速运动的含固体颗粒无黏流体界面的Kelvin-Helmholtz不稳定性. 导出的显式本征方程被用于研究悬浮颗粒对不稳定性增长幅值的影响. 对包含微量重粒子的含尘气体, 本模型导出的最低阶表达式的实部与虚部与基于经典Saffman模型导出的已知结果完全一致. 对经典Saffman模型不能包括的几个具有基本兴趣的情况, 本文结果证明, 取决于固体颗拉的Stokes数和是否颗粒的质量密度重于或轻于主体流体的质量密度, 悬浮颗粒能够增加或减少不稳定性的增长幅值. 特别, 本文结果表明质量密度重于或轻于主体流体的颗粒对不稳定性增长幅值有相反的效果, 质量密度等于主体流体质量密度的颗粒对不稳定性增长幅值的影响可忽略不计.

FLUID MECHANICS

Influence of neck width on transient flow characteristics in saccular intracranial aneurysm models

颅内囊状动脉瘤模型中瘤颈宽度对瞬态血流特性的影响

申峰, 程思源, 杨鑫, 卢新然, 刘赵淼

https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-24196-x

摘要：颅内动脉瘤(IA)是一种常见的脑血管病, 破裂后致死率和致残率高. 颅内动脉瘤的血流动力学受几何参数的影响较大, 直接影响颅内动脉瘤的破裂. 本文重点研究了基于水滴法制作的球囊IA模型的瞬态流动特性, 特别是研究颈宽的影响. 采用粒子图像测速(PIV)技术和数值模拟方法研究了三种IA模型内流动结构的动态演变过程. 结果表明, 颈宽(W)对颈部区域的流动特性有重要影响, 进而影响囊内深部的流动. 在囊内的流动过程中, 观察到三种不同的流动模式: W=2 mm时, 出现了两个涡胞, 然后消失, 平均流速相对较低; W=4 mm时, 高速射流的增强作用导致了周期性的脉动流速分布, 同时保持了涡胞中心位置的稳定; W=6 mm时, 由于涡的尺寸膨胀和强度增加, 流速发生了明显变化. 这些发现表明, 颈宽在影响IA的瞬态流动特性方面起着复杂的作用. 综上所述, 本文研究有助于进一步理解IA中的瞬态流动行为.

FLUID MECHANICS

Efficient implementation of thek-√kLturbulence model with the discontinuous Galerkin method

间断Galerkin框架下k/√kL湍流模型的有效实现方法

姜振华, 闫超, 于剑, 郦垚

https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-24174-x

摘要：本文提出了一种在高阶间断Galerkin框架内实现k/√kL湍流模拟的有效方法. 本文使用间断Galerkin方法求解离散化的雷诺平均Navier-Stokes方程, 通过发展一些有效的技术, 提高方法的鲁棒性, 包括采用HWENO(Hermite weighted essentially non oscillatory)限制策略来稳定湍流模型变量k, 使用保正的辅助变量对模型方程本身进行修改. 通过发展计算von Karman长度尺度所需的速度二阶导数的有效方法, 保持了DG方法的紧凑性. 数值结果表明, 本文发展的方法在稳态和非稳态湍流模拟中都达到了较好的预测精度.

SOLID MECHANICS

An efficient deep learning-based topology optimization method for continuous fiber composite structure

基于深度学习的高效连续纤维复合材料结构拓扑优化方法

李继承, 叶红玲, 董永佳, 柳占立, 孙天峰, 武海生

https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-24207-x

摘要：本文提出了一种基于深度学习的连续纤维增强复合材料结构(CFRCS)拓扑优化设计方法以实现高效的材料布局和纤维方向设计. 该方法主要由三个核心部分组成: (1) 建立基于ResUNet 的生成对抗网络(ResUNet-GAN), 建立从结构设计参数到纤维增强复合材料优化结构的端到端映射, 并提出纤维取向色谱图来表示连续纤维角度; (2) 为避免局部最优问题, 采用考虑改进主应力方向插值连续纤维角优化(PSO-CFAO)策略的独立连续映射法(ICM 方法), 构建CFRCS 拓扑优化数据集; (3) 利用训练良好的ResUNet-GAN 设计最优的结构材料分布以及相应的连续纤维取向. 数值模拟结果表明, 该方法大大提高了连续纤维复合材料结构的设计效率并具有极高的设计精度. 此外, 采用增材制造技术制备了由ResUNet-GAN 设计的CFRCS 拓扑结构. 试件压缩试验表明该方法设计的CFRCS 拓扑构型的结构刚度和峰值载荷均显著提高. 基于深度学习的拓扑优化方法将为连续纤维增强复合材料结构的工程应用提供极大的设计灵活性.

SOLID MECHANICS

An incremental contact model for line contact of elastic rough surfaces

弹性粗糙表面线接触的增量接触模型

王思赫, 袁炜柯, 梁轩铭, 王刚锋

https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-24278-x

摘要：针对平面应变条件下的弹性自仿射分形粗糙表面, 本文建立了一种增量接触模型. 将粗糙表面与刚性平面之间的接触简化为大小一致的线接触的积累, 其中线接触的半宽由不同高度处的截断面积除以接触斑块数量给出. 基于二维平压头的接触刚度, 先估算粗糙表面的总刚度, 再采用增量方法计算法向载荷. 对于各种粗糙表面, 该模型预测的近似线性的载荷-面积关系与有限元模拟结果一致.研究发现, 真实的平均接触压力显著依赖于轮廓特征.

SOLID MECHANICS

On faults induced stress shielding to account for the formation of deep-buried reservoirs

断层对深埋油气藏形成的应力屏蔽

曾霞光, 朱光有, 赵斌, 温济慈

https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-24240-x

摘要：人们通常认为深埋地层中几乎不可能形成油气藏, 因为其地层有巨大的应力压实作用. 尽管如此, 近年塔里木油田的勘探却在超8千米深的地层发现了可观的油气资源. 这些资源和地层的断面和大裂缝间表现出很强相关性, 但其背后精确的力学机制仍不清楚.为阐明断层等促进深埋油气藏存在的机理, 我们考虑了远场压缩作用下非传统孔缝相互作用问题的三种理想情况, 并聚焦长主裂纹对孔洞应力集中的影响. 基于上述简单模型, 我们得到了内外压力作用下的封闭应力解, 它们表明长裂纹显著地减小了孔洞附近的应力.结合有限元分析结果, 我们量化了裂纹角度、摩擦和压力等对孔边最大剪切应力和冯米塞斯应力的减少效应. 该应力屏蔽作用与深埋孔洞常位于碳酸盐岩层的断层和大裂纹处等现有实验观察基本相符. 本研究将有助于未来超深层油气田的勘探.

DYNAMICS, VIBRATION, AND CONTROL

Effect of coupled vibration modes of dual-strip pan head on pantograph-catenary interaction

弓网相互作用对双滑板弓头耦合振动模态的响应规律

张颢辰, 许向红, 吴孟臻, 周睿

https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-24164-x

摘要：受电弓动力学模型与这一复杂机构在服役工况下动力学行为的吻合度, 对弓网相关作用的数值模拟结果至关重要. 本文首先结合实验数据和有限元方法, 建立了框架质量块-弓头归算模型, 以模拟双滑板弓头的侧滚、俯仰等运动特征, 并通过标准算例和线路数据验证了弓网有限元数值模拟的正确性. 然后, 研究了在240~450 km/h速度区间内弓网接触力标准差的变化规律, 从弓网共振的角度解释了接触力标准差出现较大波动的机理. 最后, 研究了弓头自由度和接触力时域信号低通滤波频率对接触力标准差的影响, 给出了三质量块模型及20 Hz滤波的适用速度级.

DYNAMICS, VIBRATION, AND CONTROL

Wave attenuation in a metamaterial beam with time delay control

时滞控制下超材料梁结构的波衰减研究

茅晓晨, 童霞, 张刘飞, 董有恒

https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-24192-x

摘要：本文研究了具有时滞控制的局部共振型超材料梁结构的带隙特性. 利用传递矩阵法得到了色散关系, 借助谱元法给出了频域内的运动控制方程. 通过求解线性代数方程确定了外激励作用下梁的幅频响应. 结果表明, 时滞反馈控制显著影响带隙的位置、宽度和数量. 时滞可改变带隙的移动方向, 并导致多个带隙的产生. 此外, 揭示了不同控制参数组合对带隙特性的影响, 如展宽效应.

DYNAMICS, VIBRATION, AND CONTROL

A step-by-step Chebyshev space-time spectral method for force vibration of functionally graded structures

功能梯度结构受迫振动的步进式Chebyshev时空谱方法

刘海洲, 黄意新, 赵阳

https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-24193-x

摘要：本文提出了一种新的步进式Chebyshev时空谱方法用于分析功能梯度材料结构的受迫振动. 传统时空谱方法可以降低时间低阶有限差分与空间高阶谱离散的精度失配, 但结构振动的高频振荡解会使时间配点激增, 从而导致计算时间激增和计算精度下降. 为了解决这一问题, 我们将步进思想引入到时空谱方法中. 采用Chebyshev多项式与Lagrange方程推导空间离散控制方程, 并采用矩阵投影法将上一步的计算结果转化为后一步的初始条件实现时空谱方法步进求解. 我们进行了系列数值实验, 并通过与传统时空谱方法对比发现，提出的方法在求解高振荡解时可以在更短的时间内达到更高精度.

BIOMECHANICS

Performance test of digital volume correlation on tracking left atrium motion from cardiac CT

基于心脏CT追踪左心房运动的数字相关体性能评估

朱正铎, 王嘉秋, 吴昊, 陈明龙, 王子盾, 方润心, 黄贤爵, 谢胡进, 于涵, 田玉楚, 李志勇

https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-24216-x

摘要：准确评估心脏运动对于诊断心血管疾病至关重要. 在此背景下, 数字体积相关(DVC)方法已成为从心脏计算机断层扫描血管造影(CTA)图像中追踪心脏运动的一种有前景的方法. 本文对使用心脏CTA图像追踪左心房运动的DVC方法进行了全面的性能评估.该研究使用比较实验方法同时对现有DVC算法进行了优化, 并设计了多组受控实验对参数“半径” 和“步长” 进行了定量分析. 结果表明优化后的DVC方法可以在合理的计算时间内提高追踪精度, 这些研究结果有助于理解DVC方法在分析心脏变形方面的有效性和局限性.

BIOMECHANICS

Quantitative biomechanical analysis of ureteral obstruction and peristalsis

输尿管梗阻和蠕动的定量生物力学分析

朱琳, 李侨, 高元明, 王丽珍, 樊瑜波

https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-24136-x

摘要：恶性输尿管梗阻可能导致感染、肾绞痛和肾功能损害. 然而, 梗阻对输尿管蠕动功能的影响尚未得到充分研究, 这一领域亟需进一步的探索. 本研究采用了生物力学理论计算方法对正常输尿管壁的运动特性进行了深入分析, 并成功建立了输尿管壁的径向运动方程. 通过数值求解对运动方程进行了详尽的分析, 揭示了蠕动功能受内外压力差的显著影响. 本研究推导出了梗阻输尿管内压的表达式, 以及梗阻输尿管壁径向位移和环向应力的解析表达式. 特别是在50%梗阻条件下, 输尿管位移和应力分别显著减弱了90.53%和81.10%. 综上, 本研究建立了输尿管的径向运动方程, 模拟了蠕动的存在与消失, 为理解输尿管壁的径向运动特征提供了新的视角. 基于对梗阻输尿管径向位移和应力的分析进一步探讨了输尿管梗阻与蠕动之间的定量关系. 研究结果表明, 随着梗阻程度的增加, 输尿管的蠕动功能逐渐减弱, 甚至可能完全消失. 这些发现为理解梗阻性输尿管疾病的病理机制提供了新的理论基础, 并可能为未来的临床治疗提供指导.

BIOMECHANICS

Development of mechanical equivalent porous structures for 3D-printed artificial femoral heads

3D打印仿真股骨头的力学等效多孔结构研制

刘谟语, 王君, 李钰, 程开源, 郇勇, 李宁

https://www.sciengine.com/AMS/doi/10.1007/s10409-024-24089-x

摘要：现有仿真骨不能精确模拟人体松质骨的非均匀性和各向异性. 针对这个问题, 本文建立了一种个性化设计仿真股骨头松质骨力学等效多孔结构的方法. 首先, 依据来自3名捐献者的21个松质骨样品的微结构和灰度信息, 使用临床CT灰度值(Hounsfield单位)表征了人股骨头部位松质骨的各向异性力学参数. 之后, 以gyroid曲面为基础设计多孔结构, 并通过有限元分析得到其体积分数和各向异性度对宏观各向异性力学参数的影响规律. 进一步的, 通过多孔结构和人体松质骨力学参数的联立求解, 建立CT灰度值与gyroid结构几何参数的映射关系, 从而能够依据患者临床CT影像个性化设计梯度多孔结构. 最后, 通过植入物压入试验来验证所设计多孔结构的力学等效性, 并探究多孔结构的单胞尺寸在骨-植入物相互作用问题中的影响. 试验结果表明, 仿真股骨头与人体股骨头压入刚度与峰值载荷偏差均在单胞尺寸约为植入物直径的20%-30%时达到最小. 压入刚度偏差在15%以下, 峰值载荷偏差在5%以下, 表明了其良好的力学等效性.