三维双重孔隙-裂隙介质热-水-应力-迁移耦合模型及其有限元分析

建立了一种饱和-非饱和的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力-迁移耦合三维模型,其特点是应力场和温度场是单一的,但具有不同的孔隙渗流场、裂隙渗流场和孔隙浓度场、裂隙浓度场,以及可考虑裂隙的组数、间距、方向、连通率和刚度对本构关系的影响,并研制出相应的三维有限元程序.通过与已有算例的对比,验证了该模型和程序的可靠性.针对一个假定的高放废物地质处置库,就岩体和缓冲层均为非饱和介质和放射性核素泄漏的情况进行了数值分析,考察了岩体中的温度、负孔隙水压力、地下水流速、核素浓度和正应力的状态.结果显示,缓冲层中的温度、负孔隙水压力及核素浓度呈现非线性的变化、分布;尽管裂隙水饱和度平均仅为孔隙水饱和度的1/9,但因裂隙的渗透系数比孔隙的渗透系数大4个数量级,故裂隙中地下水的流速约是孔隙中相应值的6倍;应力分布集中的区域位于缓冲层和处置孔壁交界两侧附近.     

基于多物理场耦合计算的正六边形微通道热沉构形研究

提出了新的微通道正六边形热沉分别在无回流、边缘回流和中心回流3种回流方式下4种通道结构的设计原型,基于热-流-力-应变的多物理场耦合计算,研究了回流方式、微通道分支数和微通道分布演化对正六边形热沉的最大热阻和基于耗散的当量热阻的影响,并进行了热应力和形变分析.数值计算结果表明:以最大热阻最小化和当量热阻最小化为目标, 3种回流方式中的中心回流式为最佳回流方式,中心回流式六分支微通道正六边形热沉按上层微通道沿六边形内切圆半径分布、下层微通道沿六边形外接圆半径分布为最优构形,可使传热性能最优,且最大热应力为0.28 GPa,比硅的屈服强度小1个数量级以上,最大形变为1.4μm.所得结果可为实际微通道热沉提供多学科设计的理论支撑.     

结构的刚-热弹耦合稳定性问题研究

对于刚-热弹耦合动力学这类学科交叉问题,尚无现成的控制方程可以利用.由于变分原理是从总体上把握事物,便于应用功能转化原理和能量守恒定律来研究问题.应用刚-热弹耦合动力学的变分原理,不仅可以建立刚-热弹耦合动力学的控制方程,而且可以为刚-热弹耦合动力学的有限元建模提供方便.本文根据功能转化原理和能量守恒定律,建立刚-热弹耦合动力学变分原理,给出刚-热弹耦合动力学变分原理的驻值条件,得到刚-热弹耦合动力学的控制方程,并且,将以上成果转化为非惯性坐标系中的静力学问题.作为该理论的应用,研究了结构的刚-热弹耦合稳定性问题.在非惯性坐标系中,给出两向应力状态刚-热弹耦合临界应力.最后,讨论了有关问题.     

基于协同与耗散的能质传输理论

本文聚焦热力学流和力的本构关系,揭示能质守恒方程中热流、质流、功流和动量流的扩散机制,协同方程中热力学力的协同机制,以及平衡方程中热力学流的耗散机制.通过考察多物理场的相互作用,建立流体传热、传质、耗功以及动量传输之间的协同关系.通过分析传输过程的能质耗散,表征热、质、功和动能的传输损失和传递效率.最终提出宏观能质输运统一方程组,架构基于协同和耗散的能质传输理论体系.     

瞬态承压热冲击下AP1000反应堆压力容器热应力数值模拟

反应堆压力容器是反应堆系统中最重要的组件之一.在失水事故中通过安注嘴注入的低温冷却水会导致反应堆压力容器发生严重的承压热冲击现象.本文针对AP1000反应堆压力容器承压热冲击现象进行了流体动力学和热-力耦合分析,得到了在冷却水注入瞬态过程中反应堆压力容器内部流场以及壁面温度分布特性,并采用双线性弹塑性模型对反应堆压力容器由于瞬态非均匀温度分布引起的热-力耦合现象进行分析.结果表明,承压热冲击现象会导致反应堆压力容器局部应力过高,在安注嘴区域应力甚至会超过材料的屈服强度,但在安注嘴以外的其他区域结构是安全的并保持在较低的应力状态.本文的数值模拟方法和分析结果可为反应堆的可靠性和安全性评估提供参考.     

降雨入渗过程中土质边坡的固-液-气三相耦合分析

边坡降雨入渗过程伴随着地下水湿润锋面的推进、孔隙气体的迁移和土体的变形,涉及土体固-液-气三相耦合作用.以往对边坡在降雨入渗条件下的非饱和渗流过程及其对边坡稳定性的影响研究大多基于单相流（Richard方程）模型或水-气两相流模型,而较少从固-液-气三相耦合角度分析孔隙气体迁移和土体变形对降雨入渗过程和稳定性变化过程的影响.本文基于连续介质力学原理和混合体理论,建立了边坡土体固-液-气三相耦合数学模型和有限元数值模拟方法.采用Liakopoulos砂柱排水实验成果验证了耦合模型和计算程序的正确性,深入分析了气体边界条件对排水过程的显著影响.在此基础上,采用固-液-气三相耦合模型,研究了土质边坡在降雨入渗过程中的地下水渗流、气体迁移以及变形和稳定性演化过程,揭示了孔隙气体迁移过程和土体变形过程对边坡湿润锋面的推进以及稳定性变化的阻滞和延缓作用.研究成果对于暴雨诱发滑坡机理与防治研究具有一定参考价值.     

基于PCNN捕获-抑制机制的图像分类器设计

针对医学图像识别的重要性,本文提出了一种结合彩色图像特征场和基于脉冲耦合神经网络捕获-抑制机制的图像分类器设计方法.首先,构造符合人类视觉的彩色图像特征场;然后,利用脉冲耦合神经网络设计分类器实现对图像的识别.最后,应用于JAFFE人脸表情数据库和中医舌象的分类识别中,并与ADABOOST方法和SVM方法进行比较.实验结果表明,本文方法可以获得更好的医学图像识别效果.     

气动热-气动弹性双向耦合的高超声速曲面壁板颤振分析方法

建立了气动热、气动弹性双向耦合高超声速二维曲面壁板颤振分析方法．基于柯西霍夫假设和冯卡门非线性应变．位移关系，建立了考虑几何非线性的二维简支曲板的气动．热．弹性分析方程；使用迦辽金方法对方程离散处理，采用四阶龙格．库塔法求解微分方程；三阶活塞理论用于气动力分析；使用参考温度法和平板气动热公式计算气动热．研究中重点考虑：1）气动热与气动弹性双向耦合，既分析气动热对结构刚度的影响，又分析气动弹性对气动热的影响；2）结构温度随飞行时间的积累效应；3）弦向和厚度方向非均匀温度分布的影响；4）曲面壁板的初始变形对壁板颤振发生时刻的影响．通过与传统的只考虑气动热．气动弹性单向耦合的分析结果进行对比，发现基于气动热和气动弹性双向耦合的壁板颤振分析结果更危险，这一点在精确分析中应当予以重视．     

沉箱式防波堤振动-滑移-提离摇摆耦合运动模型及动力设计方法

振动、滑移和提离摇摆是动力荷载作用下沉箱式防波堤的3种基本运动形式, 建立了沉箱式防波堤振动-滑移-提离摇摆耦合运动的动力模型和数值模拟方法, 对近破波冲击作用下沉箱式防波堤的运动过程进行了数值模拟, 计算了振动模型、振动-滑移运动模型、振动-提离摇摆运动模型和振动-滑移-提离摇摆耦合运动模型下沉箱的位移、转角、滑移力和倾覆力矩的响应时程, 研究了沉箱运动模型对防波堤运动特性和稳定性的影响, 分析了近破波冲击作用下允许沉箱式防波堤出现滑移和提离摇摆运动的动力设计概念的可行性.     

输出-阈值耦合神经网络及基于此的最短路问题求解

通过建立神经元输出和与其相邻神经元阈值之间的相互耦合, 提出了一种输出-阈值耦合神经网络, 实现了对在通常脉冲耦合神经网络中所存在的自动波现象的模拟, 并基于它的自动波现象, 提出了一种用输出-阈值耦合神经网络求解最短路问题的方法, 该方法具有所需神经元数目少、神经元和网络的结构简单、大规模并行计算等特点, 可用于求解非对称赋权图单起点多终点的最短路问题, 其所需的计算量(迭代次数)仅正比于最短路的长度, 而与图的复杂程度、所存在的通路总数等无关. 最后给出了最短路求解的例子.     

大型捆绑火箭姿态动力学模型研究

针对大型捆绑运载火箭所呈现出的低频密频模态、纵-横-扭强耦合、复杂局部变形和发动机低频谐振以及多贮箱液体晃动的特点,推导建立了工程实用的姿态动力学模型.基于牛顿-欧拉法建立了刚体质心和绕质心运动方程、液体晃动方程以及发动机振动方程,基于有限元方法建立了火箭弹性振动方程.模型充分反映了发动机摆动、液体晃动等活动质量相对箭体运动时对刚体运动和弹性振动的影响,充分反映了刚-晃-弹以及发动机低频谐振之间的耦合,同时保留了工程上所熟悉的形式.基于坐标变换思想提出了弹性旋转矩阵方法求解复杂弹性变形后外力的大小和作用点,推导过程中严格按照定义求解,避免了错项和漏项,推导原理简明、概念清晰,过程规范,易于设计人员理解.基于ADAMS的虚拟样机仿真结果验证了本文推导模型的正确性.     

太阳能驱动热电子-热辐射耦合器件的优化性能

基于真空热电子和热辐射器件模型,构建一类太阳能驱动热电子-热辐射耦合器件的理论模型.应用有限时间热力学、热电子发射和普朗克辐射理论,导出耦合器件的热平衡方程和能量转换效率表达式.首先,讨论热电子器件短路、热辐射器件开路、两子器件串联时的热学和电学性能,分析系统在最大效率时的参数特性.其次,确定两子器件独立运行时的系统最大效率和优化条件,揭示阳极板功函数、聚光器的聚光因子和光学效率对优化性能的影响.研究结果表明耦合系统在两子器件独立产生电能时的性能最优,可为聚光太阳能驱动热电转换系统的设计提供理论指导.     

基于单元劈裂法的全耦合水力压裂数值模拟

单元劈裂法(element partition method, EPM)是一种裂纹模拟方法,它利用三角单元的几何性质推导了劈裂单元的刚度矩阵.当有裂纹穿过时,三角单元转化为劈裂单元,可自动地将裂纹面之间的相互作用反映到计算模型中.通过这种方式,可以在背景网格中嵌入任意条裂纹而不需要引入额外自由度,避免了节理单元的设置及网格重构.这使得EPM在大规模节理计算方面具有较强的优势.为了更有效地模拟水力压裂,建立了劈裂单元的全耦合水-力方程,可同时考虑劈裂单元内水压对结点力的作用以及结点速度场对渗流场的作用. KGD模型验证结果表明该方法是有效的.该方法可以有效地模拟多裂纹水力扩展及汇合过程,为复杂地层压裂模拟提供了一套简单、有效的计算方法.     

堆积体地层隧道围岩注浆效果水-力耦合分析

根据饱和非饱和渗流理论,结合公路隧道工程实例,通过渗透力与应力耦合的三维有限元模拟,分析了注浆层厚度、围岩与注浆层渗透系数比对堆积体地层隧道涌水量以及对围岩和支护结构的影响.分析结果表明:①注浆层厚度对涌水量影响较小,注浆层渗透系数对涌水量影响很大,控制注浆层渗透系数在1.0E-9 m/s以下可以有效地满足隧道施工和安全运营的需要;②水-力耦合效应使围岩应力、位移、塑性区范围及支护结构应力增大,注浆对其具有明显的改善作用.     

用周期Green函数方法全面提取耦合模式模型参量

结合谐波导纳和周期Green函数概念, 采用Chebyshev多项式拟合电荷分布以便有效表征其指边缘的奇异性, 对周期Green函数作了奇异性分解和渐近近似处理, 从而实现了对周期栅格电极阵下表面波传播的精确、快速求解. 尤其是利用禁带边缘处的驻波场特性获得了耦合反射系数的相位. 由此快速、准确、全面地提取了材料的耦合模式参数.     

高超声速飞行器面向控制一体化迭代设计的参数化模型

针对高超声速飞行器复杂的运行环境以及强耦合的动力学特性,提出了一种适合控制一体化迭代设计的参数化模型.首先,讨论高超声速飞行器控制一体化迭代设计的必要性和研究现状.然后,采用二次曲线和状态类型函数法将典型的高超声速乘波体外形进行几何参数化.接着,基于面元法结合工程估算公式获取高超声速飞行器力和力矩,构建参数化的非线性动力学模型.进而,采用灵敏度分析策略得到力和力矩的解析表达式,将复杂的非线性动力学模型简化成适合迭代设计的仿真模型.最后,通过仿真实例验证了本文所提方法的可行性,结果表明所发展的参数化模型能够满足高超声速飞行器控制一体化迭代设计的需要.     

刚-弹-液耦合动力学的功能型拟变分原理

随着火箭运载能力、卫星工作寿命和深空探测器任务复杂度的不断提高,液体推进剂占航天器总质量的比例也不断增加,充液系统动力学成为理论界关注的课题.本文在以往研究的基础上,应用功能转换原理和能量守恒定律,建立了充液系统刚-弹-液耦合动力学的功能型拟变分原理.通过推导拟驻值条件,建立了刚-弹-液耦合动力学的控制方程.本文对刚-弹-液耦合动力学的功能型拟变分原理在有限元素法中的应用进行了研究,为大规模液固耦合模型建模计算的应用研究提供了理论支持.     

深部岩体传热机理的研究现状与进展

基于国内外深部工程普遍面临的高温状况，探讨了深部高温的形成机制与影响因素。围绕岩体导热性质研究、水热耦合迁移问题和工程环境对传热的影响三个方面阐述了深部岩体传热机理的研究现状，目前的研究成果主要体现在建立了深部工程的热交换理论体系、矿山地热学的理论体系和地下工程制冷降温系统的热力学基础。在总结分析的基础上，确立了深部岩体流固耦合传热问题的研究思路：开展深部工程区域的的渗流场监测和开展岩体的流固耦合传热实验和建立岩体在应力-渗流-温度耦合条件下的传热模型，揭示深部岩体的传热机理。     

前言:祝贺王自强院士80华诞专辑

正王自强先生, 1938年11月生于上海市, 1963年毕业于中国科学技术大学近代力学系,此后长期在中国科学院力学研究所从事固体力学和物理力学等方面的研究工作,取得了具有重要国际影响力的学术成果, 2009年增选为中国科学院院士.在固体力学研究方面,王自强院士在解决疑难固体力学问题、跨尺度力学问题和多场耦合力学问题等方面做出了突出特色的工作.例如:针对弹塑性材料的非线性断裂力学的表征和断裂准则的建立的问题,在国际上率先获得了裂纹尖端高阶渐近解并提出了基于高阶渐近解的断裂准则;在国际上率先给出了弹塑性材     

基于天然气动态模型的电-气耦合网络稳定控制策略研究

随着终端能源系统的快速变革,天然气网络与电力网络的耦合程度日益增加,燃气机组可快速响应可再生能源出力的不确定性,同时也将引起天然气网络状况的巨大波动.因此,本文针对电-气耦合网络的相互作用,提出了有效的模型和方法对其进行动态分析.首先,对偏微分方程模型进行改进,使其能够有效反映天然气管道的端口特性.该线性模型显著地减小了传统模型的复杂度与计算量,更适用于电-气耦合网络的在线分析计算.在此基础上,计及压缩机的动态特性,提出了基于可变压缩比的电-气耦合网络稳定控制方法,保证电-气耦合网络的安全稳定运行.最后通过仿真算例,验证了所提模型的准确性和控制方法的有效性.