粘弹性基底上功能梯度压电纳米梁波传播特性

本文利用非局部应变梯度理论(NSGT)探究了含粘弹性基底的功能梯度压电(FGP)纳米梁的波传播特性.基于NSGT,建立含粘弹性基底的Euler梁波传播模型及考虑剪切效应的Timoshenko梁模型,利用哈密顿原理推导出波传播控制方程;通过引入两种梁变形理论对应的波传播通解方程,对运动方程组进行求解,探讨了剪切效应、尺度参数、粘弹性参数、FG指数等对波传播频率及相速度的影响.研究表明:尺度参数对波传播频率的影响与波数密切相关;电压与梯度指数对两种梁波传播特性影响程度不同;粘弹性基底参数对波传播频率有明显的影响,且其影响程度与波数密切相关.

课程-迁移学习物理信息神经网络用于长时间非线性波传播模拟

由于传统物理信息神经网络(PINN)在长时间模拟时存在计算稳定性差甚至无法获得有效解的难题,文章提出了一种基于课程学习和迁移学习的物理信息神经网络(CTL-PINN),用于长时间非线性波传播模拟.该改进的PINN的主要思想是将原长时间历程问题转化成若干个短时间子问题,其求解过程分为3个阶段;在初始阶段,使用传统PINN来获得初始短期子问题的解;在课程学习阶段,使用包含前一步训练信息的传统PINN以时域扩大的方式逐次求解,在迁移学习阶段,使用包含前一步训练信息的传统PINN以时域迁移的方式逐次求解.这种改进的PINN可以避免传统PINN陷入局部最优解的问题.最后通过几个基准算例验证了本文所提出的CTL-PINN方法在模拟长时间非线性波传播过程的有效性和鲁棒性.

细观非连续介质的应力波传播研究

固体介质,如岩石、混凝土、贝壳和多孔材料等均具有细观非连续、宏观连续的特性,揭示这种细观非连续性对材料动力学响应的影响规律,对于材料设计、安全防护等具有重要意义。从广义Taylor公式出发,推导了分数阶定义下的非连续介质的一维波动方程,引入等效分数阶简化了控制方程。利用有限差分法得到了控制方程的数值解,结果表明:控制方程中的等效分数阶阶数越小,计算得到的波形衰减的程度越大。为了验证方程的可靠性,并进一步研究非连续介质的波传播规律,在考虑多孔材料、岩石等介质的结构特征的基础上,基于ABAQUS软件建立了随机多孔介质模型。分析发现:多孔介质的波传播受到介质细观非连续程度、材料属性和输入波脉宽的影响,但对应的等效分数阶阶数只与介质细观非连续程度相关,因此,其可以作为评价非连续介质动态响应的一个依据。等效分数阶阶数随着孔隙率的增加而减小,孔洞相对数量分布大致相同的情况下,其统计关系近似呈线性关系。研究结果可为研究多孔材料、贝壳等细观非连续介质的波动传播提供新思路。

三维曲边界结构波传播分析的时域谱单元方法

航空航天工程中存在大量具有复杂曲线或曲面边界的结构,采用弹性波对这类结构进行损伤检测时,分析弹性波在结构中的传播行为是其中的重要环节。目前,数值模拟是研究结构中弹性波传播行为的有效手段。现有的数值仿真方法在对曲边界结构进行建模时多采用直边单元,在结构边界处存在较大的几何近似误差,从而影响了弹性波传播仿真的精度。针对这一问题,在时域谱单元方法体系下,推导了一种亚参数27节点曲边谱单元,该单元采用二次插值函数描述单元边界,可以更为准确地描述复杂曲边结构的几何特征,适用于模拟弹性波在此类结构中的传播行为。以薄壁圆筒结构中的波传播问题为例,分别采用曲边谱单元法、直边谱单元法和经典有限元法计算了弹性波在该结构中的传播行为,以验证所提出方法的效率和精度。结果表明:在相同的计算精度下,曲边谱单元法的计算规模远小于有限元法,验证了曲边谱单元法的高效性;在相同的网格规模下,相较于直边谱单元法,曲边谱单元法的计算模型能更好地近似实际结构,从而达到更高的求解精度,并且曲边谱单元法对单元尺寸的变化不敏感,能够以较小的网格规模快速收敛到精确的解。此外,结构的曲率越大,曲边谱单元法相对于直边谱单元法的计算优势越显著。

动静荷载下煤岩体应力波传播与衰减特征

首先,采用霍普金森压杆(SHPB)试验系统对短试样(长度为50 mm)和长试样(长度为300 mm)煤岩开展多种应变率和不同传播距离的冲击试验,并将应变片粘贴在长试件的不同位置;其次,结合自主研发的干耦合式超声波测试系统开展多应力水平和多频率的超声波测试试验;最后,揭示应力波在煤岩传播过程中的能量损失规律以及高频波与低频波的衰减规律。研究结果表明:在冲击试验中,入射、反射及透射应力波峰值均随应变率增加而增大,但由于应变率增加时波频率增加,高频波在穿越微观结构面时更易衰减,透射系数随应变率增加而呈线性减小;透射波在传播距离300 mm以内衰减较快,衰减量达30%,透射波随距离增加大致而呈现指数形式的衰减规律;超声波由于振动幅值小且频率高,在传播过程中距离达到75 mm时迅速衰减,之后的衰减幅度逐渐趋于平缓。高频率更易与煤体的细观结构发生相互作用而被吸收,致使高频波随传播距离衰减更快,频率与波幅值衰减呈线性关系。

颈动脉狭窄病症对脉搏波传播特性的影响分析

目的研究颈动脉狭窄疾病对脉搏波传播特性的影响。方法应用多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics,分别建立了不同狭窄程度与不同材料斑块的颈动脉流-固双向耦合有限元分析模型,研究颈动脉脉搏波传播特性。结果当颈内动脉入口处有粥样硬化斑块附着造成动脉局部狭窄时,对于压力脉搏波,会导致颈总动脉、颈外动脉峰值升高,而颈内动脉峰值降低;对于轴向速度脉搏波,会导致颈总动脉、颈内动脉峰值降低,而颈外动脉峰值升高。在狭窄区域,压力脉搏波和轴向速度脉搏波的传播速度均有所增加,随着狭窄程度的加重,血管内壁的剪切应力呈现出上升趋势。此外,狭窄导致颈内动脉血流量减小,颈外动脉血流量增大。粥样硬化斑块材料的改变对脉搏波峰值影响较小,而对颈动脉狭窄段脉搏波传播速度影响明显,对于压力脉搏波与轴向速度脉搏波,钙化斑块模型下波速最快,纤维材料模型下次之,脂质斑块模型下的波速最慢。结论初步研究结果将对脉搏波的演化规律及其通过脉搏波形进行动脉粥样硬化病症的诊断具有一定的参考价值。

梯度应力对红砂岩应力波传播特性的影响研究

地下工程岩体开挖卸载后,围岩体承受的地应力随空间位置呈梯度形式变化。梯度地应力导致岩石的波阻抗呈梯度形式变化,进而影响应力波传播衰减特性。为研究梯度地应力对岩石应力波传播特性的影响,利用自主研发的具有梯度静应力岩石应力波传播试验系统,对红砂岩长试件进行了9种应力梯度工况下的应力波传播试验。通过分析岩石应力波传播速度、波阻抗随应力梯度的变化规律,构建应力波幅值与传播距离、传播时间和应力梯度之间的经验模型,探索梯度应力影响红砂岩应力波传播衰减的机制。结果表明,相同应力梯度工况下,随传播距离增加,应力波形状变化较小,但幅值逐渐减小。随应力梯度增大,岩石各测点区段内应力波传播速度、波阻抗均增大,但增大速率逐渐减缓,相邻测点区段波阻抗差值比先快速增大,后缓慢减小。随传播距离和传播时间增加,应力波幅值均呈指数形式减小;随应力梯度增大,时空衰减系数均呈先快速增大,后缓慢减小趋势变化。随应力梯度增大,相同测点应力波幅值先快速减小,后缓慢变化,在低应力梯度阶段,距离自由端越远的测点幅值衰减速率越快。

动载作用下全锚锚固体应力波传播及破坏特征

深井巷道受动载扰动变形严重,明晰动载作用下锚固支护体的应力波传播及破坏特征具有重要意义。基于霍普金森杆(SHPB)试验系统,研究了不同冲击气压下锚固体试件的应力波传播规律,基于一维应力波理论计算了锚固体的层裂强度;利用ABAQUS数值模拟软件还原了动载冲击试验,再现了锚固体试件的应力波传播全过程,分析了锚固体轴向不同位置处的应变–时序特征。研究结果表明:①随冲击气压增大,应力波衰减速度越快,空间响应幅值及衰减系数逐渐增大,锚固体试件层裂强度与冲击气压呈正相关关系,0.6 MPa冲击气压下的层裂强度相较于0.4 MPa冲击气压下增加了41%,呈现出明显的应变强化效应;②锚固尾部及中部锚固剂的应力波峰值应变略大于围岩峰值应变,而锚固端部由于净拉应力作用导致围岩峰值应变骤增;③锚杆、锚固剂及围岩3者动力响应具有时序性,锚固围岩与锚固剂率先受到压缩应力波作用,锚杆产生滞后于锚固剂与围岩的拉伸应力波,阻止锚固体试件发生协同破坏;④锚固尾部锚杆、锚固剂及围岩应变起跳时间间隔为0,随着应力波向锚固中部及端部传递,3者应变起跳间隔时间逐渐增加,锚杆峰值应变随之增加,锚固端部锚杆破坏最严重,随冲击气压的增大,3者不协同作用逐渐加剧,锚固体试件加速劣化。

冲击荷载对具有轴向静应力红砂岩应力波传播速度的影响特性

岩体工程爆破开挖时,距爆源不同距离处的围岩体承受不同大小的冲击荷载和地应力。为研究冲击荷载和地应力对岩石应力波传播速度的影响,利用改进SHPB试验装置对红砂岩进行应力波传播试验,设置7个等级的轴向静应力和冲击速度,分别模拟工程中的地应力和冲击荷载大小。基于试验得到入射波和透射波起跳点的时间差,计算岩石的应力波传播速度,得到静应力和冲击速度对应力波传播速度的影响规律。构建岩石应力波传播速度与冲击速度的关系经验模型,探索拟合参数随轴向静应力的变化规律。通过测量冲击试验后岩石的声波波速,得到受载后岩石声波波速随冲击速度的变化规律,探究动载荷对岩石应力波传播速度的影响机理。研究结果表明,具有轴向静应力岩石的应力波传播速度随冲击速度的增加先增大后减小,二者呈高斯函数的变化关系。轴向静应力显著影响应力波传播速度与冲击速度的变化关系,各个拟合参数随着轴向静应力的增大呈现不同的变化趋势。在不同的轴向静应力工况下,受载后岩石的声波波速随着冲击速度的增大呈现“平缓减小—急剧减小”的变化趋势。研究结果有助于分析深部工程岩体爆破开挖应力波的传播规律以及邻近结构的稳定性分析。

弹性波传播对列车撞击动力学特性影响研究

在列车撞击动力学中,简化的刚体模型被广泛应用于研究列车耐撞性,以及进一步优化列车在冲击载荷下的能量分布。然而忽略弹性波传播对列车耐撞性能的影响尚不清楚。为了解决这一问题,本文建立了简化的一维弹性车体模型,并研究了弹性波传播对列车能量耗散以及动力学特性的影响。基于经典的弹性波传播理论,提出了一种密度及弹性模量缩比准则,使一维弹性车体的运动特性与其横截面积无关。讨论了弹性波传播速度对不同冲击速度下三节编组列车在冲击工况下的能量吸收、弹性能储存以及车体最终的等效平衡速度的影响。研究发现,当弹性波的传播速度约为3500 m/s时,一维弹性车体与实际列车模型的一致性最好。在初始冲击速度为10、15和20 m/s时,简化的一维弹性模型吸能量与实际列车模型相比误差仅为2.56%、1.84%和1.45%,而简化的刚性模型能量吸收量比实际列车模型高10.7%、12.4%和14.8%,刚性模型显著高估了列车的能量吸收量。我们的研究结果可以促进列车在碰撞条件下的耐撞性设计和优化。

推进剂质量流量对三维非预混氢氧旋转爆轰波传播模态的影响

为研究非预混喷注结构下的氢氧旋转爆轰波传播模态,通过采用9组分21步的基元化学反应模型,使用密度基求解器求解三维带化学反应的多组分气体Euler方程,对小孔-环缝喷注结构的氢氧旋转爆轰发动机燃烧室进行了三维数值模拟,探究了推进剂总质量流量对燃烧室内爆轰波的传播特性及模态转变的影响。结果表明:爆轰波向喉道方向传播的过程中,在燃烧室扩张段会发生弯折并形成反射激波。随着推进剂总质量流量增加,除了会形成单波、双波同向、四波同向等稳定传播模态,还会形成多波对撞等不稳定传播模态,这是由于燃烧室内多次局部再起爆造成的,在该模态下旋转爆轰波的稳定性最低。推进剂流量的增加导致爆轰波数增加,同时爆轰波强度下降使得速度亏损增加。爆轰波数相同时,推进剂流量的增加会导致爆轰波向燃烧室入口倾斜,使爆轰波沿圆周方向上的速度分量减小,同样会引起速度亏损增加。研究结果对于阐明氢氧旋转爆轰波传播机制具有重要的理论意义。

汽液两相二维压力波传播程序开发及验证

反应堆系统内压力波传播将造成水力学载荷问题,压力波传播的精确模拟对结构载荷分析而言尤为重要。系统分析程序(RELAP5、TRACE等)被广泛应用于反应堆压力波传播模拟,但系统分析程序通常只能处理压力波单向一维传播行为,为应对压力波多向多维传播问题,本文就汽水两相流中存在的压力波二维传播行为,开展了相关模型与算法研究。具体采用了二维轴对称圆柱坐标系,考虑了汽水两相非平衡态相变传热、传质行为,偏微分方程求解使用了时间步分割四步算法,开发了程序代码TPFPWPC-2D。采用典型汽、水两相激波管基准例题开展了程序验证,结果符合较好。为考查程序处理压力波二维传播的能力,对圆柱体空间区域内的压力波传播行为进行了数值模拟,结果显示该程序捕捉到了压力波的二维传播特性,尤其是压力波的反射与叠加特性。

基于EOS压力迭代的压力波传播CFD模型研究

核能系统内压力波传播将造成水力学载荷效应,实现对压力波传播过程的精确模拟对结构载荷、应力分析而言尤为重要。一维系统分析程序(RELAP5、TRACE等)可用于水堆(压水堆、沸水堆)压力波传播模拟、分析。然而,对于一体化池式堆系统,聚变堆液态金属包层出现的压力波传播现象,如铅铋反应堆蒸汽发生器传热管破裂事故引发的压力波传播问题,系统分析程序不够精细,无法揭示复杂结构空间内的压力波传播行为。针对此问题,本文提出了一种基于EOS压力迭代的二维压力波传播CFD模型及相关算法,编制了程序代码。采用一维空气激波管基准例题和二维压力波传播实例进行了程序验证。前者与理论解和ANSYS Fluent对比,后者与ANSYS Fluent对比。验证结果表明本文提出的数值方法、模型可较为合理、准确地模拟单相压力波的二维传播现象。

应力波传播模型及其在木材检测中的应用

木材无损检测技术是充分有效利用木材资源的重要手段之一。依据各向同性和各向异性材料中的机械波传播理论,研究了应力波在木材中的传播过程。分析了直角坐标系下的应力波传播方程,研究了木材中应力波传播的弹性常数之间的关系。在圆柱极坐标下研究了传播模型,对模型的参数进行了分析,用幂级数的形式给出模型的部分解,分析了木材中横向传播速度。最后对两类木材中的应力波传播进行了计算。

HF信道的色散带宽及其对脉冲波传播的影响

电离层是时变色散媒质 ,色散带宽是描述 HF信道色散程度的物理量 ,它完全由电离层的特性决定。文中采用 Lin等人给出的色散带宽的定义 ,将电离层电子浓度剖面进一步推广到球面分层 ,并给出计算球面分层、各向同性的电离层的色散带宽的普遍关系式。以电离层电子浓度剖面为准抛物层为例求解了色散带宽及其同收发间距和发射频率的关系。计算结果表明当收发间距 D>0且发射频率 f<MUF时 ,射线分为高角射线和低角射线 ,对应存在两个色散带宽。对应于每一个 D,存在一个最大可用频率 ( MUF) ,高角射线和低角射线会发生重合 ,色散带宽相等。高角射线穿入电离层较深 ,其色散带宽小于低角射线的色散带宽。提出并通过模拟计算证实了从信号恢复的角度看存在一个最佳的色散带宽 ,即高。

围压对红砂岩应力波传播特性的影响

围压可以改变岩石内部微观结构,导致波阻抗发生变化,进而影响应力波在岩石中的透反射能力。为探索围压对岩石应力波传播特性的影响,通过一维应力波理论推导,得到了岩石应力波透射系数和反射系数随波阻抗值的变化关系。用红砂岩制备短试件和长试件,基于动静组合加载实验系统进行不同围压下的应力波传播试验,分析岩石的纵波波速、波阻抗、反射系数和透射系数与围压的关系。根据岩石波阻抗与围压的经验模型,结合理论分析所得的透射系数与波阻抗的关系,得到不同围压下透射系数的理论值,并与相应的试验值进行对比,证明理论分析结果的正确性。综合分析了岩石的纵波波速、波阻抗、透射系数和反射系数与围压的关系,得到围压对红砂岩应力波传播衰减特性的影响规律。结果表明,岩石短试件和长试件的纵波波速及波阻抗与围压之间均具有正向相关性。随着围压的增加,短试件反射系数的绝对值逐渐减小,透射系数逐渐增大,长试件的透射系数逐渐减小,透射系数和反射系数均与围压呈二次函数关系。纵波波速、波阻抗、透射系数及反射系数与围压的关系都表明,增大围压有利于应力波穿过岩石,减小其幅值的衰减。

钟形地形动力抬升和重力波传播与地形云和降水形成关系研究

地形云和降水过程在区域水循环、水资源、生态环境及气候变化中具有十分重要的作用。本文利用中尺度数值模式WRF数值模拟试验,以及通过引入表示大气层流速度、层结稳定度和地形特征的关系参数——湿Froude数(Fw),研究了北京2009年5月1日湿条件不稳定大气层结下,地形云和降水形成过程与地形动力抬升和地形重力波传播之间的关系及形成机理。研究表明,在地形最大高度2km、半宽10km的条件下,层流速度从2.5m/s逐步增加到25m/s时,对应的湿Fw数从0.19增加到1.81。当Fw≤1时,地形的阻挡起主要作用,由地形抬升形成的地形云主要产生在迎风坡一侧。地形重力波主要产生在迎风坡,并向上游传播,先形成层状云,最后演变为准稳定浅对流波状云。最大降水主要发生在紧靠山顶的迎风坡一侧,但当Fw很小时,地形云不产生降水。当Fw>1时,地形抬升形成的云主要发生在山顶附近,而地形重力波主要形成在背风坡,并向下游方向传播,形成准稳定波状云。最大降水主要产生在紧靠山顶的背风坡一侧。另外,在弱湿条件不稳定大气层流下,地形降水主要由地形动力抬升造成的暖云微物理过程产生,地形重力波形成的波状云几乎不产生降水。

横向各向同性多孔介质中的地震波传播

基于各向异性多孔介质中的广义Ｂｉｏｔ理论，导出了横向各向同性多孔介质中波传播的特征方程．指出在多孔介质中有４种类型的频散和耗散波传播：准纵波ＱＰ１（快纵波）、准纵波ＱＰ２（慢纵波）、准横波ＱＳＶ和横渡ＳＨ．文中给出了４种波速度的解析表达式．数值计算频率曲线和衰减曲线与Ｓｃｈｍｉｔｔ（１９８９）用均值处理得到的结果类似．还给出了波传播过程中３种类型准体波之间的耦合系数（或称转换系数）．

热带西太平洋海温距平与Rossby波传播对1993和1994年东亚夏季风异常影响的差异

利用NCEP／NCAR再分析资料、Hadley中心海温资料与降水资料，分析了1993和1994年东亚夏季风异常的天气气候特征以及大气环流的差异。分析结果表明：1993年东亚夏季风弱，副热带西风急流和副热带高压位置偏南，来自于孟加拉湾和南海的水汽仅输送到35°N以南地区。东亚地区出现低温凉夏天气。1994年东亚夏季风强，副热带西风急流和副热带高压位置偏北，7～8月副高持续偏强并控制日本，水汽可以输送到45°N以北的较高纬度，东亚发生破纪录的热浪干旱。对1993和1994年东亚夏季风异常物理过程差异的研究发现，副热带西风急流中静止Rossby波的传播和热带西太平洋暖池海温距平激发出来的PJ型遥相关波列作用的叠加引起1994和1993年东亚夏季风异常差异。

原木横截面应力波传播时间等值线绘制及影响因素分析

以大青杨原木为试验材料,在原木样本横截面布置离散网格式测点,采用应力波方法,测试横截面内应力波传播时间(SWT),采用Matlab模拟SWT等值线,分析温度和空洞缺陷对SWT等值线的影响。结果表明:应力波在完好原木横截面以圆弧形曲线传播,沿径向传播最快,而沿弦向传播则较慢;空洞和温度对SWT等值线均有显著影响;低温原木中应力波传播更快;与完好样本相比,含空洞原木SWT等值线形状有较大差异;空洞改变了应力波传播路径,促使SWT增加;传播到空洞后面区域的SWT数值与空洞直径正相关,在木材径向这一趋势更显著。