時間：2023-06-19 16:15:59
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇力學研究方向，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
一、凝聚態物理的重要性
凝聚態物理主要從兩個方面體現其重要性：一方面體現為與相鄰學科（如粒子物理學）之間在概念、方法、技術等方面的滲透，促進材料科學、能源科學、環境科學等交叉學科的發展，并日益顯現出其強大的發展潛力。另一方面為研發和制備新型材料提供了強有力的理論數據和實驗支持，同時也為開發和拓展新領域提供了極具實用性的科學理論依據。
二、凝聚態物理的主要研究方向
隨著交叉學科的發展和技術需求的提高，凝聚物理的研究范圍更加廣闊，技術要求更加精密。凝聚態物理的主要研究方向有以下幾種。
1.軟物質物理學
軟物質概念于1991年提出，也稱為復雜液體。軟物質一般是由大分子或基團組成的，介于固體和液體之間的物相。一些常?的物質，如液晶、膠體、膜，生命體系物質諸如蛋白質、DNA、細胞等，都屬于軟物質。和由內能驅動的硬物質不同，軟物質的組織結構變化主要由熵驅動，變化過程中內能的變化很微小。
2.宏觀量子態
宏觀量子態是指用量子力學來描述宏觀體系的狀態，如超導中的電子庫珀對。宏觀量子態具有典型的量子力學性質，當前宏觀量子態領域研究的重點為耗散現象和退相干現象。
3.介觀物理與納米結構
介觀是指介于宏觀和微觀之間的體系。介觀物理學所研究的物質大小與納米科技的研究尺度有很大重合，所以這一研究方向也常稱之為“介觀物質和納米科技”。
4.固體電子論中的關聯區
凝聚態物理的前身――固體物理學研究的核心問題，就是固體中的電子行為。固體中的電子行為可根據電子間相互作用的大小分為三個區域，分別是強關聯區、中等關聯區和弱關聯區。現今研究固體電子論的大部分學者研究方向都是強關聯系統。
三、凝聚態物理的主要研究現象及其理論依據
目前凝聚態物理的主要研究現象有超導、光譜、弱相互作用、磁性研究（微磁學、鐵磁學、相圖、磁阻、巨磁阻抗效應等）、多向異性、子晶格、態密度、能隙、強關聯、激發態、量子通信、冷原子、霍爾效應等。
凝聚態物理所用的理論依據主要源于相變與臨界現象的理論，成熟完備的量子力學則是其堅定可靠的理論基石，在這兩種理論之下，凝聚態物理根植于相互作用的多粒子理論。凝聚態物理的前身――固體物理學中的一個重要理論依據是能帶理論。目前來說一些常用的理論方法有很多，比如蒙特?卡洛方法、波爾茨曼模型、分子動力學模擬、伊辛模型、有效場、平均場，等等。
四、目前凝聚態物理研究取得的一些成就
關鍵詞：板料成形 回彈 有限元
板料彎曲成形是指在常溫下靠壓力機和模具對板件施加外力，使之產生塑性變形，從而取得一定形狀和尺寸的零件的加工方法。金屬板料的彎曲過程中同時伴隨著回彈現象，即板料在成形后，由于外力的去除使板材彈性變形的區域發生彈性恢復以及在材料塑性變形區域的彈性部分發生彈性恢復，造成成形件形狀和尺寸與成形前相比都發生變化的現象。研究板料彎曲成形通常有三種方法，即理論分析、實驗研究和數值模擬。
1、理論分析
理論分析主要是對典型的成形件進行適當地力學模型簡化，采用力學分析的方法，以研究板料成形過程中的回彈現象。
1950年前后，英國著名學者Hill[1]提出了平面應變條件下彈塑性彎曲的基本理論，考慮板料橫向剪切應力影響，并認為由于橫向剪切應力的作用，板料彎曲中性層不總位板的中面，而是會隨著彎曲變形逐漸向板內層移動。彎曲中性層曲率半徑如下：。式中和分別為彎曲過程中最內層和最外層彎曲曲率半徑。上個世紀60年代以后，各國學者基于Hill提出的模型，對板料彎曲理論進行了發展和補充。1999年，Jenn-Terng Gau[2]等人基于線性隨動強化、各向同性強化及Mroz多屈服面移動及強化、平面應變假設及實驗，提出了一新的材料強化模型分析板料成形回彈問題。
從以前各位學者的研究結論來看，板料成形回彈的理論分析在過去的幾十年中取得了豐富的理論成果。但理論分析中采用了較多的簡化和假設，比較適合于求解二維簡單沖壓件的成形回彈問題，在求解復雜三維沖壓件的成形回彈問題時，存在一定困難。
2、實驗研究
由于理論分析的存在的缺陷，國內外研究人員采用實驗法對彎曲回彈進行了大量研究，以彌補理論分析的不足。彎曲回彈實驗研究的目的主要有兩方面：一是檢驗通過理論分析和數值模擬計算后得到的回彈結果的準確性和和精確程度；二是能夠以直接取得的實際結構在真實載荷作用和工藝條件下回彈前后的實驗數據進而整理成為經驗公式或圖表，以供模具設和零件生產時參考。
實驗研究的內容重點在于通過系統的實驗來分析各種因素，如材料的力學性質、彎曲角、彎曲半徑、模具形狀和間隙、校正力、摩擦力對回彈的影響。1989年，Jang-Kyo Kim[3]等人通過一系列實驗研究了三類不同的鋼板U型件的回彈情況，分析了一些工藝參數對回彈的影響。2002年，M.V. Inamdar[4]等人采取正交實驗設計分析了材料性質和彎曲見幾何形狀及其相互作用對回彈的影響。
利用實驗法研究板料回彈，可以測量出板料回彈的實際數值，得出經驗公式，為模具設計提供量化依據。但是經驗公式不僅與實驗條件有關，而且受實驗數據處理方法、經驗公式使用條件等方面的影響，只適用于與實際條件相近的加工過程。而且用實驗法研究時間較長，成本較高，代價相對昂貴。
3、數值模擬
板料成形過程可以看作是一個復雜的非線性問題，其中包含著幾何非線性、材料非線性和接觸非線性等，傳統的分析回彈問題的解析法、實驗法對解決一些簡單的彎曲問題有用，但對結構復雜的彎曲零件卻難以奏效。隨著計算機技術的發展，數值模擬技術開始逐漸應用于工業技術中。國內外研究人員在板料成形數值模擬技術的各個方面，如單元類型、材料模型、接觸摩擦處理、求解過程等方面進行了大量研究，取得了一定成果。
1960年，Clough[5]在《 Proceedings American Society of Civil Engineers Conference on Electronic Computation 》雜志中發表了《The finite element method in plane stress analysis》一文，他首次提出了“有限元”這個名詞，奠定了有限元法早期的理論基礎。隨著有限元方法的日益成熟和計算機技術快速進步，板料成形過程的數值模擬迎來了飛速發展時期，國際上開始組織定期召開板料成形數值模擬會議（International Conference and Workshop On Numerical Simulation of 3-DSheet Forming Processes），簡稱NUMISHEET。會議除了發表與板料成形數值模擬前沿技術相關的論文，還提供統一的標準試題，供與會者進行模擬計算，并與實驗結果對比，用以驗證現有的數值模擬算法的模擬能力，有力地推動了板料成形數值模擬技術的研究。
參考文獻
[1] Hil R. The Mathematical Theory of Plasticity [M]. Oxford： Clarendon Press， 1950.
[2] Gau J， Kinzel G L. A new model for springback prediction in which the Bauschinger effect is considered [J]. International Journal of Mechanical Sciences. 2001， 43（8）： 1813-1832.
[3] Kim J， Thomson P F. Springback and side-wall curl of galvanized and galvalume steel sheet [J]. Journal of Mechanical Working Technology. 1989， 19（2）： 223-238.
[4] Inamdar M V， Date P P， Sabnis S V. On the effects of geometric parameters on springback in sheets of five materials subjected to air vee bending [J]. Journal of Materials Processing Technology. 2002， 123（3）： 459-463.
[5] Clough R W. The finite element method in plane stress analysis[J]. 1960.
作者簡介：
鄭山山，男，1988，漢，籍貫：上西平陸，學歷：碩士（在讀），主要研究方向：工程力學
關鍵詞:輪轂電機驅動電動汽車; 電機扭矩分配; 再分配偽逆算法; 層疊廣義逆法; 加權最小二乘法
中圖分類號:U461.6; U469.72
文獻標志碼:A
Simulation and evaluation on torque distribution algorithm of
in-wheel motor of in-wheel drive electric vehicle
XIONG Lu, YU Zhuoping
(College of Automotive Eng., Tongji Univ., Shanghai 201804, China)
Abstract: To control the torque of all in-wheel motors for in-wheel motor drive electric vehicle accurately, and to achieve the better control performance of automotive dynamics, numerical simulation are performed on Redistributed Pseudo-Inverse algorithm(RPI), Cascading Generalized Inverse algorithm(CGI) and Weighted Least-Squares algorithm(WLS), and the calculation speed, iteration times and calculation accuracy of the three algorithms are compared and evaluated. The result shows that WLS has the best comprehensive performance.
Key words: in-wheel motor drive electric vehicle; motor torque distribution; redistributed pseudo-inverse algorithm; cascading generalized inverse algorithm; weighted least-square algorithm
な嶄迦掌:2009-05-05 修回日期:2009-09-16
基金項目: 國家高技術研究發展計劃(“八六三”計劃)(2006AA11A10);同濟大學青年優秀人才培養行動計劃(2007KJ037)
作者簡介: 熊 璐(1978―),男,江西鉛山人,講師,博士,研究方向為汽車系統動力學與控制,(E-mail);
余卓平(1960―),男,江西南昌人,教授,博導,博士,研究方向為汽車系統動力學與控制,(E-mail)0 引 言
電動汽車由于節能環保而成為新能源汽車研究的熱點.又因為輪轂電機驅動電動汽車的各個輪轂電機獨立可控,因此會產生各個電機扭矩的分配問題.┆[1-2]
傳統內燃機汽車以制動器為執行元件,利用制動力進行車輛穩定性控制已經比較成熟.┆[3]輪轂電機驅動既可以輸出驅動力也可以輸出制動力.文獻[4-5]對電動汽車橫擺控制展開初步研究,采用簡單的分配方法,即在一側增加驅動或制動扭矩ΔT,在另一側減小ΔT,改善車輛側向動力學性能.該控制方法沒有考慮各輪的不同狀態以及車輛的約束條件.借鑒飛行控制中的控制分配算法[6],文獻[7]對輪轂電機驅動電動汽車的縱向力控制分配進行仿真研究,并驗證控制分配算法在車輛穩定性控制方面的有效性.
控制分配算法主要有直接分配法、鏈式遞增法、廣義逆法和數學規劃法等.┆[6]
材料工程(專業代碼085204)：接收專業型碩士研究生
化學(專業代碼：070300)：物理化學、無機化學方向接收學術型碩士研究生
二、研究方向
1、能源環保功能晶態材料
本方向以面向能源環保領域的晶態材料為研究對象，以宏觀性質(光、電、能源氣體存儲、太陽燃料(產氫、溫室氣體轉化)光催化材料、光電轉化和污染物去除)與微觀結構、形貌之間的內在關系為主線，開展研究工作，為晶態材料功能導向的結構設計、可控制備和性能調控提供新理論、新方法與新材料體系，重點實現其在新能源利用、環境治理、能源存儲和轉化等領域的應用。
目前主要研究方向有：
1、孔性晶態材料：儲氫、捕獲溫室氣體、污染物去除、氣敏、綠色催化;
發光晶態材料：熒光、化學傳感器、光電轉化;
新型高效催化材料：太陽燃料(分解水、CO2轉化)光催化、電催化等。
聯系人：趙君
聯系方式：13507206810，[email protected]
2、動力與儲能電池材料
本方向長期致力于鋰離子電池等儲能電池新型電極材料結構設計、合成和電化學性能研究。以宜昌地區豐富的磷礦、石墨礦及鐵礦等礦產資源為原料，積極開展高附加值鋰離子電池正/負極材料和超級電容器用復合材料方面的基礎和應用研究。現有博士生導師2人，碩士生導師4人，在讀研究生13人，已畢業研究生均在國內著名能源材料企業或研究機構(如上海杉杉科技、東莞新能源、深圳貝特瑞、億緯鋰能等)從事研發工作。本方向在研國家自然科學基金5項，其它省部級及企業橫向課題6項。研究成果在國際權威刊物上發表SCI論文90余篇，獲得授權發明專利6項，并被評為湖北高校十大科技成果轉化項目提名獎。
聯系人：楊學林
聯系方式：13972604202，[email protected]
網頁：newenergy.ctgu.edu.cn
3、能量轉換材料與器件
本方向長期致力于能量轉換材料與器件的研究，結合國家新材料產業發展規劃以及宜昌市無機功能材料聚集中心的發展目標，以揭示材料設計、合成、制備及器件組裝與性能的依存關系為主線，探索提升材料及器件性能的新工藝和新途徑。本方向主要圍繞Si基及C/Si基薄膜太陽能電池、染料敏化太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池和超級電容器材料的設計、可控合成、器件表面界面調控及性能優化開展系統研究工作。
聯系人：孫盼盼
聯系方式：13618682465
4、光伏材料與器件
光伏材料與器件團隊所在的太陽能研究所實驗室主要致力于各類太陽能電池的研發、超級電容器的制備及光伏發電電力系統相關問題的研究。現有博士生導師1人，碩士生導師4人，在讀研究生14人。本方向主持有國家自然科學基金、湖北省自然科學基金、湖北省教育廳青年基金、湖北省科技廳中小型企業創新基金以及與企業合作橫向項目十余項。實驗室擁有從材料制備、電池組裝到性能分析的整套設備，有研究光伏發電及電力變換想問題的分布式發電系統及基于新能源微電網研究的2011省級協同創新科研平臺。相關研究成果曾獲湖北省自然科學獎二等獎、三等獎各1項，獲國家發明專利12項。
聯系人：譚新玉，肖婷
聯系方式：15872592999，18986817550，[email protected]
5、金屬陶瓷材料
金屬基/陶瓷基復合材料是我校較早開展的研究領域之一，主要研究方向：金屬基復合材料、陶瓷基復合材料、金屬材料。基礎研究以材料熱力學、動力學為理論基礎，結合現代材料制備技術，研究材料成分、組織、性能之間關系;工程應用面向切削刀具、模具耐磨材料、汽車超高強度用鋼、高溫合金和新型建筑材料。實驗室擁有較為完善的材料制備、測試和表征設備。近年來形成了以博士為主體的研究隊伍，現有導師7名，其中教授4人，在讀研究生21名。研究工作先后得到國家自然科學基金委、省部級部門和企業的資助，承擔縱、橫向項目30余項，三大檢索論文150余篇，授權國家發明專利9項，部分科研成果已轉化為工業應用。研究成果獲得湖北省科技進步三等獎3項，市科技進步一等獎2項。
聯系人：豐平，戴雷
聯系方式：13997700627，13197326390
關鍵詞：激光雷達；探測距離；尾流消散；應用趨勢
引言
飛機尾流是飛機在飛行過程中產生的必然現象，與大氣不同，飛機尾流擁有特殊的空氣動力學特性與雷達特性。從空氣動力學的角度來分析，飛機在飛行過程中，尾部產生的氣流更加強烈，而且為不規則變化，因此飛機尾流成為了航空安全的重要影響因素。
1 民航飛機尾流的產生與消散
1.1 尾流的產生
尾流，即翼尖渦流，指的是飛機三維機翼在出現升力情況下，隨著出現誘導阻力的誘因。在飛機三維機翼出現升力情況下，飛機上翼面的壓強將不足機翼面，于兩個飛機翼尖位置氣流便會自下翼面經翼尖流往飛機上翼面，如圖1所示。此外，結合懦可夫斯基升力公式，尾渦強度與尾渦相互有著下述關聯性：
？祝0=Y/pVLv=NyG/pLv
該公式中，Lv=πl/4，Lv表示飛機有效翼展，l表示飛機翼展。
圖1 飛機尾流的產生示意圖
1.2 尾流的消散
尾流的消散機制十分繁雜，飛機尾流的消散步驟、方式受局部大氣環境很大程度影響，包括大氣分層效應、風的速度場、溫度梯度以及大氣絮流度等等[1]。現階段，針對尾流的消散機理尚不十分明確，結合相關研究而言，飛機尾流消散通常存在以下幾種方式：I.經較長一段時間之后，翼尖渦流擴散能夠使得各個漩渦不斷增大，造成尾流與大氣相融合，引發尾流消散；II.即刻的結構變換，能夠片刻使漩渦中心位置加寬，造成漩渦瓦解、破裂，引發尾流消散。
2 民航飛機尾流探傳感器技術特點
2.1 激光雷達探測技術
飛機尾流的激光雷達探測技術屬于一項較為成熟的探測技術。Lockheed Corporation推行SOCRATES項目，通過激光雷達探測技術對飛機尾流進行跟蹤，達到了顯著的機場使用率、機場安全可靠性等改善效果[2]。倫敦希思羅機場開展的激光雷達探測研究發現，飛機尾流組成有著一系列有趣之處。良好的天氣環境下，激光雷達探測性能十分可觀，可確切呈現出尾流空氣動力學相關參數，能夠給予飛機升降以有利的尾流特性依據，性能發揮距離比較遠，然而在濃霧、陰雨等天氣環境下，激光雷達的傳播急劇衰減，性能發揮距離極大地下降，無法符合飛機尾流探測標準；另一方面，激光雷達探測技術還有著成本造價高的不足。
2.2 雷達
相較于激光雷達探測技術，雷達有著天氣環境適應能力佳、成本造價經濟等優勢，并且同樣可以確切呈現出尾流空氣動力學相關參數，符合民航安全對飛機尾流動態預測、檢測的標準。鑒于此，飛機尾流的雷達探測技術愈來愈得到人們的熱點關注。自上世紀八十年代到今天，歐美諸多發達國家開展了一系列飛機尾流探測研究檢測尾流雷達發射率，相關飛機尾流雷達探測研究[3]，如表1所示。自多普勒譜雷達相關研究角度出發，尾流構成成分包括兩個相對旋轉的兩個漩渦，尾流速率能夠視為兩個旋向不同的渦旋重疊，公式為：
v2（r）=v（r-r2）-v（r-r1）
其中，v（r）指的是尾渦剖面切向速率模型，r1、r2指的是渦旋中心，方程經矢量疊加一定地呈現了渦旋的動力學狀態[3]。設定飛機航速為70m/s情況下，通過單位長度尾流之中徑向速率vd所具備的體積呈現多普勒譜S（vd），單位為m3/s，統計手段獲取單渦、雙渦多普勒譜公式與單渦所得結果基本一致，公式均可表示為：
S（vd）≈？祝20/8π3d，v0≤|Vd|≤V1
其中，？祝20指的是尾流渦環值。V0=？祝0/2πBa指的是尾流多普勒最小速率值，經計算，單渦、雙渦標準差均在3m/s范圍。
3 民航飛機尾流探測研究現狀
3.1 尾流雷達探測技術的問題與趨勢
自尾流雷達探測技術研究方向而言，截止目前，它的理論研究仍舊鮮有成果。機尾流探測實驗研究之中，大部分研究集中于光大、雷達等探測技術上，且尾流雷達探測技術愈來愈得到行業的熱點關注。
3.2 尾流探測技術的理論體系
現階段國際上關于尾流探測技術的相關研究所集中在民航領域，故此類研究所研究的主要方向為近程尾流相關探測實驗。相關面向反隱身實踐需要的遠程尾流探測技術的理論體系，國際上還沒有十分明確的研究方向。在我國，相關人員在進行尾流探測、尾流目標特性相關研究的一并時間，首次進行了更進一步的尾流探測技術理論體系研究，初步構建出尾流雷達回波框架，開發出Hough變換、GLRT及LMP等一系列尾流探測技術，同時研究了不同常規天氣環境下的尾流探測距離[5]。這一系列尾流探測技術的理論體系研究，極大地對雷達目標檢測理論進行了豐富，但仍沒有構筑出全面系統的尾流檢測理論體系，還有待進一步展開研究。
4 民航飛機尾流探測技術的應用趨勢
隨著社會經濟的急速進步，為航空運輸也發展創造了有利契機，機場運輸越來越繁忙，客流量越來越大，飛機尾流所引發的飛機安全隱患及尾流對機場吞吐量的制約等問題，愈來愈得到行業專家人士的熱點關注。迄今為止，世界上已存在一些機場已經配備有自身的飛機尾流探測雷達[6]。由此能夠遇見，在不久的將來，各大機場將陸陸續續配備尾流探測設備，尾流探測將成為民航領域的一項十分重要的應用。
5 結束語
綜上所述，飛機尾流探測技術研究是一項十分復雜的系統工程，要花費大量的人力、物力，為了實現飛機尾流探測技術研究的有效性，相關人員要全面認識飛機尾流的特殊目標特性，研制特有的飛機尾流檢測、跟蹤算法，并且應當權衡一系列工藝、實踐應用等需求，積極為人類社會發展做貢獻。
參考文獻
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[3]徐群玉，寧煥生，陳唯實，等.氣象雷達在民航安全中的應用研究[J].電子學報，2010，38（9）：2147-2151.
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[5]Li J B，Wang X S，Wang T. Modeling the dielectric constant distribution of wake voritices[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，2011，47（2）：820-831.
千百年來，流體力學以其廣泛的適用性形成了獨有的科技魅力，隨著時代的不斷發展，科技的不斷進步，在一代又一代流體力學研究者的努力下，流體力學的世界也越發精彩。
執著之樹必結黃金之果
邵傳平，中國計量學院流體檢測與仿真研究所研究員，多年來，由他負責的課題組主要從事鈍體旋渦脫落流動控制研究。
所謂鈍體旋渦脫落流動是指：當流體以一定速度流過固定的鈍物體，如風掠過橋梁、電視塔、電廠冷卻塔、高樓等等固體時，會在物體兩側交替地產生旋渦脫落，旋渦的交替脫落使物體表面的流體壓力發生周期性變化，從而產生作用于物體的交變力。當流體動力的變化頻率與物體結構的固有頻率接近時，會發生共振現象，使結構遭到破壞，除此之外，旋渦脫落還會增大流體阻力，產生噪音。
那么，該如何消減旋渦脫落造成的負面影響呢？這既是海洋、土木、水利、電力、航空等領域關注的問題，也是邵傳平及其課題組一直致力于研究的對象。
自1998年以來，邵傳平課題組先后主持國家自然科學基金項目“法拉第波與鈍體尾流穩定性研究”，“渦激振動控制與減阻減振”、“尾流控制機理與方法研究”，“流向振蕩柱體尾流不穩定性的控制”等的研究，取得了一連串的科研成果。
在靜止鈍體旋渦脫落抑制方面，自1930年代以來，人們針對不同的工程問題，提出了不少控制方法，但是這些方法都有局限性，應用范圍小。在1990年，Strykowski-Sreenivasan提出在二維鈍體下游一定位置放置一個很小的圓柱，可以抑制鈍體后面的旋渦脫落，有很好的減阻和減振效果。雖然在當時，這個四兩撥千斤的方法在業界掀起了波瀾，但是很快，就有研究表明這種方法只有在很低雷諾數（低于一百）流動情況下有效，在工程中缺少應用價值。
邵傳平課題組的研究有望彌補這一不足，他們經過反復研究，選擇用小窄條作為控制件，取代小圓柱，對圓柱及方柱、板（各種攻角）等鈍體的旋渦脫落進行抑制實驗，證明在雷諾數高至十萬時對所有這些鈍體都有很好的抑制效果，并對每種鈍體流動情況找出了有效抑制的控制件位置區域，以便于工程應用。
在強迫振蕩柱體繞流的旋渦脫落抑制方面，邵傳平課題組在國內外尚無研究先例的情況下，另辟蹊徑，分別采用窄條方法、尾部噴射方法和隔離板方法對高雷諾數流向振動柱體尾流進行抑制研究，取得重要進展。研究表明，尾部噴射對非鎖頻和每種鎖頻旋渦都有抑制效果，找出了每種旋渦的有效噴射速度范圍;窄條對非鎖頻和兩種鎖頻旋渦具有抑制效果，最高可減阻30%，減小脈動升力60%以上，找出了各種旋渦脫落下窄條的有效位置區;而隔離板方法對非鎖頻和一種鎖頻旋渦有效果，找出了隔離板的有效位置區。
旋渦抑制機理與旋渦脫落生成理論密切相關。國際上關于靜止鈍體旋渦脫落的生成，經歷了背壓吸引論，到剪切層相互作用論，再到絕對不穩定性和尾流整體失穩論，正從猜測到理論逐步深化;而關于振動柱體旋渦脫落的產生機制，目前還處于探索階段。
對此，邵傳平認為，振蕩柱體繞流存在兩種旋渦脫落產生機制，除了上述的絕對不穩定性機制外，還存在信號放大機制。他們研究了高雷諾數湍流尾流中渦粘性對擾動波信號的影響，定義了擾動波的渦粘系數，并用實驗數據分別求出了未加控制和施加控制以后的渦粘系數在振動柱體湍流尾流中的分布情況。將渦粘系數代入擾動波發展方程（穩定性方程）并求解，得到的結果是：未加控制時擾動放大的頻率區域很寬，產生旋渦脫落的機會很大;而控制以后擾動放大的頻率區域很窄，產生旋渦脫落的機會很小，從而明確了振動柱體旋渦脫落的產生和抑制機理。
上述成果發表在AIAA Journal，Journal of Fluids and Structures， Journal of Fluids Engineering， Journal of Visualization， Acta Mechanica Sinica， 及《中國科學》，《力學學報》，《力學進展》等雜志上，得到國內外同行的認可。
百尺竿頭須進步
十方世界是全身
以往取得的成績非但沒有使邵傳平就此功成身退，這些成果反倒使他對自己的專業產生了更加濃厚的興趣，甚至為了研究工作不受影響，2008年，他離開了中科院力學所，進入了具有新建低速風洞、低速水洞和較好配套實驗儀器的的中國計量學院工作，主要從事流動控制與植物流體力學研究。最近，邵傳平開展了植物空氣動力學仿生方面的研究，主持國家自然科學基金項目“樹葉氣動特性研究”。
近年來，人們越來越意識到風災是對樹木危害最大的非人為因素，遠大于森林火災造成的損失，因此樹木風災以及樹木空氣動力學方面的研究在國際上越來越受到重視。為此，邵傳平把握時代脈搏，申請了國家自然科學基金面上項目“樹葉氣動特性研究”，希望通過研究可以更加的深入的了解多種常見樹葉氣動特性（包括形狀重構）及影響參數，尋找樹葉氣動失穩（突然變形、振動）的臨界條件及產生原因。另一方面，也希望可以了解人造樹葉的氣動特性，探討樹葉氣動仿生的條件。
拿到這一課題，邵傳平靠的不是運氣。翻開他的履歷，碩士期間，他的研究方向為水動力學，從事具有自由表面的粘性繞流研究;博士期間的研究方向為風工程，在導師孫天風教授指導下，從事多鈍體壓力分布，尾流場測量以及流動顯示研究;博士后期間他從事海洋工程與流動穩定性實驗研究;在中科院力學所任副研究員期間，他從事生物流體力學、微重力流體力學，以及流動控制等方面的研究工作，先后完成3個國家自然科學基金面上項目：“法拉第波及鈍體尾流不穩定性的實驗與數值模擬”，“渦致振動控制方法研究”，“尾流控制機理與減阻減振”;2008年，進入中國計量學院后，他主要從事流動控制與植物流體力學研究，主持在研國家自然科學基金項目“流向振蕩柱體尾流不穩定性的控制”。
這些經歷，使他對這一項目研究所需要的風洞實驗設備非常熟悉，積累了豐富的流體實驗研究經驗。項目組自2009年以來，已先期開展了樹葉氣動特性的風洞實驗研究，取得一些新的發現，為本項目的順利進行打下了良好基礎，同時為本項目研究目標指定了方向。
在硬件設施方面，邵傳平所在的中國計量學院全力支持，除標配的風洞實驗設備如熱線風速儀、PIV、激光多普勒測速儀，電子壓力掃描閥之外，學院在今年還購買了數字圖像相關位移測量儀，定做了一臺測量樹枝和樹葉瞬時升阻力的六分力動態天平，為流動控制實驗和樹葉氣動特性測試提供設備。同時，課題組還與一家公司合作研制了煙線發生器、氫氣炮發生器，分別用于風洞和水洞的流動顯示實驗。
在數值模擬方面，中國計量學院流體研究所已訂購最新型的曙光工作站，能夠滿足流固耦合計算需要。
一切準備就緒，科研活動也得以順利展開。
【本刊綜合報道】2016年4月13日，裘槎基金舉行頒獎典禮，頒授“前瞻科研大獎”及“優秀科研者獎”予來自香港中文大學（中大）、香港大學（港大）和香港科技大學（科大）的八位優秀學者，以表揚他們卓越的科研成就。當天的頒獎典禮，由香港醫學教育界的殿堂級人物――楊紫芝教授，GBS，JP主禮。
“裘槎前瞻科研大獎2016”得獎學者簡介
歐陽灝宇博士（香港大學理學院化學系助理教授）：主要研究方向是超分子化學及分子識別，特別是理解分子是如何識別和彼此交互，利用分子間的相互作用作為復雜結構的自組裝手段，K從中創建不同的功能材料。歐陽博士其中一個研究方向，是在復雜的生物環境中，選擇性地識別和檢測有機小分子的新型分子識別系統。其中一項研究重點，是識別出兒茶酚胺（Catecholamine）等有重要作用的有機化學物。兒茶酚胺（例如多巴胺）是人類神經系統中，負責神經細胞之間的信號傳遞的化合物之一。歐陽博士的另外一個研究重點，是探索對於拓撲復雜分子，例如具有多個互鎖大環索烴的不同裝配策略。這些分子環狀結構，與分子存儲器以及微型物質穿透等分子器件和新興有機材料的研究息息相關。不同的環狀裝配策略，對新物料等的研發有著重要的示。
“裘槎前瞻科研大獎2016”得獎學者簡介
崔鶴鳴博士（香港大學工程學院計算機科學系助理教授）：研究領域包括作業系統、程序設計語言、分散式系統以及云計算等等。他此次獲獎的研究項目專注於構建一套新型的軟件系統，旨在大大地提升目前網上服務的可靠性和安全性。網上服務，包括社交網絡系統、電子商務平臺，以及金融交易平臺，已經廣泛地深入人類的生活。然而，這些軟件服務都是運行於計算機之上，而計算機的軟件和硬件故障，無可避免地會傷害這些網上服務的可靠性，從而導致巨大損失。崔博士的研究，有望為問題提供突破性的解決方案。崔博士近期的研究成果包括成功申請數項美國專利、開源軟件項目、以及在世界頂級計算機系統軟件和程序設計語言的國際會議（例如SOSP， OSDI，PLDI， 以及ASPLOS）。
“裘槎優秀科研者獎2016”得獎學者簡介
陳冠華教授（香港大學理學院化學系系主任）：主要從事理論化學和計算科學的研究，專注於研究量子力學中著名的薛丁格方程式（Schr?dinger equation）?ψ=Eψ的數值解法。他在激發態線性標度量子力學方法、開放體系的第一性原理方法、量子力學/電磁學（QM/EM）跨尺度耦合方法、神經網絡方法在量子力學計算的應用等領域都做出了開創性的工作，極大的拓展了量子力學計算方法的應用范圍。近年來，陳冠華教授致力於發展開放體系第一性原理量子力學方法和多尺度量子力學/電磁學耦合方法，實現了對新興納米電子器件及新興電子材料的計算類比與探索。將該方法同工業界現有的簡約模型、電路模型整合，可以實現從原子細節出發預測電路的行為。由於這一系列原創性的工作，陳冠華教授2011年當選為英國皇家化學會會士，2014年當選為美國物理學會會士。陳教授是卓越學科領域《新興電子器件的理論、模型和模擬》項目協調人。
“裘槎優秀科研者獎2016”得獎學者簡介
徐愛民教授（香港大學李嘉誠醫學院內科學系及藥理及藥劑學系教授）：主要從事針對肥胖、糖尿病及相關心血管K發癥的研究及相關醫藥技術開發。他發現了抗糖尿病激素脂聯素的活性體，K率先揭示了脂聯素對脂肪肝及血管疾病的保護作用。在過去十多年，其團隊陸續發現K鑒定了多種與肥胖、糖尿病及心血管代謝綜合癥發病原因有密切關S的脂肪分泌激素，研發成生物標I物及相關檢測產品，用於上述慢性疾病的風險預測、早期分型診斷及治療評估。徐教授目前兼任英國生物化學雜I的副主編，以及多間中國教育部或科技部重點代謝實驗室的科學顧問組成員或副主席。
關鍵詞：節理巖體；各向異性；落石沖擊；模型
中圖分類號：TU45 文獻標識碼：A
1概述
天然巖體在漫長的地質歷史作用過程中，形成了大小不等、方向各異的節理或結構面。由于巖體承受了這些不同時期、不同性質的節理裂隙的切割，使得巖體成為非均質體，其展現出來的力學特性應該是各向異性的。工程實際中，由于巖體各向異性特性認識的復雜性，加之我們對巖體力學的研究還不夠深入，一般是按均質體來考慮的，基本沒有考慮到巖體的各向異性力學特性，但是，在實際的巖石邊坡中，節理巖石隨處可見，節理對邊坡穩定性的研究非常有必要，而且由于節理的發育，經常會發生崩塌落石，這些落石對邊坡的沖擊荷載作用，在室內很難研究，因此，本文主要采用有限元的模擬方法，來分析節理巖石在落石作用下的穩定性問題
2 ANSYS/LS - DYNA的原理
LS-DYNA 是以顯式為主、隱式為輔的通用非線性動力分析有限元程序，適合求解各種二維、三維非線性結構的高速碰撞、爆炸問題。它以Lagrange 算法為主，兼有 ALE 和 Euler 算法；以顯式求解為主，兼有隱式求解功能；以結構分析為主，兼有熱分析、流體-結構耦合；以非線力分析為主，兼有靜力分析。
有限元碰撞過程中運動方程可以表示為：
（1）
式中：[M]為質量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[K]為高度矩陣；{a}為加速度向量；{v}為速度向量；{F}為包括碰撞力在內的外力向量。
崩塌落石的受力機理可以描述為：崩塌巖石與地面碰撞，產生沖擊應力，當巖石撞擊地面時，撞擊產生的應力波為一維應力波，做這樣的簡化便于分析時，不考慮落石形狀對崩塌體本身勢能和動能的影響。波動方程為：
式中：—巖石x方向的位移；—巖石的密度；E—巖石的彈性模量。應力波傳播速度C 為：
由于節理巖體的巖體結構、賦存環境和作用因素的多樣性，在節理巖石的邊坡力學特性就顯得十分復雜，在采用有限元模擬時，需要更多的裂隙模擬單元。另外，考慮到已有崩塌土體，主要是落石的滾動運動對邊坡的影響，巖體邊坡在開挖條件下的安全防護問題也至為重要，以及在開挖時保證卸荷對節理巖體的影響最小化，同時考慮結果面的各向異性問題。因此，需要掌握這些節理巖體邊坡在開挖卸荷條件下，同時預防崩塌滑落的影響進行分析，尤其是節理巖體邊坡的卸荷各向異性非線性力學特性的有限元模擬，困難較大，這里主要采用材料本身的非線性特點進行模擬研究，為巖體邊坡的開挖和落石沖擊下巖體穩定性研究提供更多的參考價值，也是解決工程實際問題的有效途徑。
3節理邊坡沖擊模型
本模型運用ANSYS有限元的LS-DYNA模塊進行非線性結構沖擊動力學三維仿真分析，節理巖石坡體在表1的力學參數下分析結果如下圖（圖1～圖2）所示，數據提取結果如表2所示。
結語
通過本文可知，對于節理巖體，尤其是節理巖體邊坡在發生崩塌落石的情況下，邊坡的穩定性將會受到影響，在邊坡的巖石物理參數不變假定條件下，邊坡的應力及位移的變化隨落石的體積和重量以及加速度決定。要有效的防止落石對路基的破壞作用，可以采取綠化，種草，加強多種植被，另外，探討節理巖體各向異性力學模型，是一個很有價值的研究方向。
參考文獻
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關鍵詞:衛星有效載荷; 有限元分析; 力學特性; 整機; HyperMesh; MSC Nastran
中圖分類號:V423.4;V414.1;TB115文獻標志碼:A
Finite element simulation on mechanics characteristics of
satellite payload
XU Guangzhoua, RUAN Pinga, WANG Hongweia, b, LI Fua
(a. Xi’an Institute of Optics & Precision Mechanics, Xi’an 710119, China;
b. Graduate School Beijing 100039, China, Chinese Academy of Sci.)
Abstract: To ensure the feasibility and precision of satellite payload simulation and improve the simulation efficiency, the response of the payload under the related mechanics environment is predicted, the finite element model of the whole machine is meshed by HyperMesh 8.0, and the overload, frequency response, impact and random vibration are calculated and analyzed by MSC Nastran 2005. The method is important to ensure the feasibility and precision of satellite payload simulation and improve the simulation efficiency. It can effectively predict the mechanics environment response of satellite payload, evaluate design completely, and improve the design.
Key words: satellite payload; finite element analysis; mechanics characteristic; whole machine;HyperMesh;MSC Nastran
收稿日期:2009-[KG*9〗06-[KG*9〗22修回日期:2009-[KG*9〗09-[KG*9〗11
作者簡介: 徐廣州(1980―),男,山東廣饒人,工程師,碩士,研究方向為飛行器有效載荷CAE仿真技術,(E-mail);
阮萍(1967―),女,陜西西安人,研究員,博士,研究方向為空間光學精密儀器研制,(E-mail)0引言
衛星有效載荷(以下簡稱“有效載荷”)是具有機、電、熱、控制和信息處理等綜合性技術的精密儀器,其發射條件和工作工況十分苛刻,除了受到發射和運輸過程中的過載、失重、沖擊振動等力學載荷外,還受到環境溫度變化等熱載荷作用.其中,力學載荷對有效載荷性能有重要影響:良好的強度特性可以保證有效載荷承受外載而不被破壞;良好的剛度特性可以保證有效載荷有效抵抗動、靜態載荷下的變形,使振動、顫振或失穩處于設計范圍之內.所以,對有效載荷力學特性研究在有效載荷的設計、運輸、發射和在軌工作等階段具有重要作用,并且對整個衛星系統也有一定的積極意義.[1]
通常情況下,有效載荷在發射時承受的力學載荷環境最為苛刻,該環境仿真主要包括靜力過載、低頻頻率響應、沖擊和寬帶隨機振動等4類激勵.
基于有限元法的有效載荷力學特性仿真需要將物理模型離散成由有限單元組成的數學模型后進行數值仿真計算,并且有效載荷整機有限元模型的建立對保證仿真精度和提高仿真效率有很大影響.對于目前普遍采用的商業求解器,前處理過程占據的仿真時間較多,所以對有效載荷整機有限元模型建模方法的探討是力學特性仿真的重要組成部分.
1整機有限元建模
有效載荷有限元建模主要是建立整機有限元模型,該過程與單個零件和組件建立有限元模型處理方法稍有不同,其特點為:由多個零件裝配而成,而且裝配形式多樣.故整機CAD模型到CAE模型建立方面要復雜于單個零件和小規模組件的建模,因此裝配關系的有限元建模在整機模型建立過程中顯得尤為重要.根據仿真問題力學環境和仿真目的等不同,在處理裝配關系時有限單元選擇也各異.線性小變形仿真裝配模擬可以選擇RBE2(MSC Patran)或CERIG(ANSYS)等效螺釘裝配關系;若考慮連接局部細節問題,則需要考慮接觸單元模擬裝配連接等.僅考慮質量特性的單元可以使用質量單元進行零部件簡化.另外,單元類型、單元尺寸、部件以及有限元模型簡化策略等也需要規劃.
現在商業前處理器眾多,選擇適合業內使用的前處理器可有效提高有限元模型建模效率,多種前處理器的混合使用在提高建模效率方面也不錯.
2有效載荷力學特性仿真
可將有效載荷仿真力學環境近似等效發射過程力學環境,一般從衛星建造規范或載荷振動試驗大綱上獲得.通常,力學環境主要包括加速度過載、頻率響應、沖擊和隨機振動;它們對應MSC Nastran求解器下的靜力分析、頻率響應分析、瞬態動力學分析或沖擊譜分析和隨機振動分析.通過上述力學環境仿真可以考察有效載荷本身的強度和剛度特性,判斷其是否可以承受發射時的力學載荷,做好設計階段評估工作.
加速度過載分析考察有效載荷發射時對慣性載荷的承受能力,在仿真分析時以慣性載荷方式施加.
作為考察結構激勵的穩態響應,有效載荷頻率響應特性主要考察有效載荷對低頻載荷激勵的響應情況,一般為100 Hz范圍以內的激勵.激勵通常以位移和加速度形式給出,且多為分段頻域函數;仿真設置時可以將各激勵定義為獨立載荷步,后續可1次或分別求解定義載荷步.
有效載荷在發射階段和火箭級間分離等階段會受到沖擊載荷作用,試驗階段對有效載荷的沖擊載荷考察主要為時域瞬態動力學沖擊或頻域沖擊譜沖擊,后者對沖擊試驗的考察覆蓋面更廣.[2-3]在MSC Nastran求解器中對應的仿真類型為瞬態動力學分析和沖擊譜分析.對于半正弦時域沖擊載荷可以方便地在MSC Patran中定義Field實現,然后施加與Field相關的激勵.對沖擊譜仿真的定義可以在獲得模態分析數據文件基礎上,在執行數據段、工況數據段和模型數據段中添加相應卡片完成.
由于隨機振動激勵的不確定性,無法通過確定的函數關系描述各時刻數值,且在測試過程中難以確切控制和預測,激勵和響應都是在某些統計規律性基礎上加以定義的.[4-5]隨機振動激勵通常以功率譜密度加以描述,在MSC Nastran求解器中,隨機振動仿真分析通常作為頻率響應分析的后處理,在得到頻率響應分析結果基礎上,在隨機振動模塊下再引入激勵的功率譜密度進行后處理得到隨機振動的響應. [6]
3有效載荷仿真示例
以某有效載荷為例,說明整機有限元建模過程、力學載荷示例和相應力學載荷下的仿真結果和結論.
3.1整機有限元模型
該有效載荷主要由光學組件、電控箱組件和電子學組件組成.由于其組件和零件數目較少,零件模型相對規則,所以光學鏡筒、鏡片和電控箱使用實體單元,PCB板模型使用殼單元,整機模型未進行零部圖 1整機有限元模型
件數目簡化;模擬螺釘裝配關系使用RBE2單元.整機有限元模型共包括19 424個節點和13 125個單元,見圖1.為保證建模精度,對模型質量、重心位置和相對重心轉動慣量與CAD模型進行校驗:質量誤差為0.21%,重心位置坐標分量最大誤差為5.3%,轉動慣量坐標分量最大誤差為7.4%.有限元模型網格在HyperMesh 8.0下完成,求解器為MSC Nastran 2005,后處理在MSC Patran 2005中進行.
3.2力學特性仿真
3.2.1加速度過載分析
在整機有限元模型單元的相應方向上施加慣性載荷,見表1.
表 1慣性載荷載荷類型大小方向加速度9gx,y,z向
由于篇幅關系只給出在x向過載下的最大位移和應力響應云圖,見圖2和3,其余方向給出仿真結論.
圖 2慣性載荷下x向位移響應云圖
圖3慣性載荷下x向應力響應云圖
由圖2和3可知:x和y向過載時,最大變形發生在遮光罩處,最大應力發生在第1塊電路板與箱體的連接螺釘處;z向過載時,最大變形發生在第2塊PCB板上,最大應力同樣發生在箱體連接螺釘處.3個方向應力值都小于5 MPa,過載應力值遠小于材料許用應力,有效載荷在慣性載荷作用下校核安全.
3.2.2頻率響應分析
低頻載荷見表2.載荷特點為100 Hz以內4個分段頻域函數激勵,激勵包含位移和加速度.在MSC Patran中進行上述頻率響應前處理時,通常需要建立對應4個頻率范圍的4個載荷步,求解時可1次或分別求解4個載荷步.圖4~6給出在表2激勵下,圖1中有限元模型所示測點的加速度響應、位移響應和應力響應曲線.
表 2低頻載荷頻率范圍/Hz振動量級方向10~206.2 mm20~3510g 35~6515g65~1008gz向
圖 4低頻載荷激勵下加速度響應曲線
圖 5低頻載荷激勵下位移響應曲線
圖 6低頻載荷激勵下應力響應曲線
在保證有限元模型精度情況下,對示例有效載荷進行模態分析,得到其基頻為604.83 Hz,基頻較高.由圖4~6可以看出有效載荷表現出的動態效應較小,這可以從加速度響應曲線得到驗證,加速度響應趨勢基本與激勵載荷一致,有效載荷表現出準剛體的特征;位移響應隨激勵的衰減而逐步衰減;應力響應隨測點的不同表現出較大差異,在連接螺釘孔附近應力分布較為集中且較大,測點von Mises應力小于50 MPa,其響應小于材料許用應力;在低頻載荷激勵下有效載荷強度校核安全.
3.2.3瞬態動力學分析
時域沖擊載荷見表3.進行求解時選取加載時間為10 ms,求解時間為50 ms.
表 3時域沖擊載荷沖擊脈沖波形沖擊脈沖加速度脈沖持續時間沖擊方向近似半正弦波50g6~10 msz向
在表3所示激勵下,圖1中有限元模型所示測點的加速度響應和應力響應曲線見圖7和8.
圖 7時域沖擊載荷下加速度響應曲線
圖 8時域沖擊載荷下應力響應曲線
因為此有效載荷基頻較高,由圖7和8也可以看出,示例有效載荷準剛體特性顯著,加速度和應力響應曲線趨勢與激勵吻合;在z向沖擊條件下,后蓋上測點應力較大,求解結果小于1 MPa,小于有效載荷本身材料許用應力,強度校核安全.
3.2.4隨機振動分析
隨機振動載荷,激勵以加速度功率譜密度形式給出,見表4.根據表4數據可以方便計算10 Hz時功率譜密度為3.2E-4 g2/Hz,2 000 Hz加速度功率譜密度為3.97E-2 g2/Hz.將表4中數據定義成Field后,可以在MSC Patran中的隨機振動模塊下方便地引用添加.
表 4加速度功率譜密度頻率區間/Hzz向功率譜密度10~200+6 dB/oct200~1 5000.125 g2/Hz1 500~2 000-12 dB/oct在表4激勵下,圖1中有限元模型所示測點的加速度和位移功率譜密度響應曲線及加速度和位移均方根曲線見圖9~12.
圖 9隨機振動載荷激勵下測點加速度功率譜密度曲線
圖 10隨機振動載荷激勵下測點加速度均方根曲線
圖 11隨機振動載荷激勵下測點z向位移功率譜密度曲線
圖 12測點z向位移均方根曲線
由圖9和11可以看出,加速度響應分布在基頻之前近似呈現遞增,相應地能量分布主要集中在固有頻率附近的頻段內,且不同頻率下響應分布有所波動;由圖10和12得到響應統計分布的有效值,響應數值大小根據測點不同有所差異.位移功率譜密度響應呈下降趨勢,某些測點高頻響應略有波動.位移均方根給出響應統計有效值的大小,數量級為10-5,測點位移響應較小.
4結論
該衛星有效載荷整機有限元模型建立方法可以提高仿真效率,保證仿真計算可行性和仿真精度.較全面的有效載荷力學特性仿真可以有效預測有效載荷在相應力學環境下的響應,對儀器結構形式設計、評估設計合理性和設計定量、定性控制等方面也有積極的指導作用.
參考文獻:
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[4]師漢民. 機械振動系統――分析•測試•建模•對策[M]. 武漢: 華中科技大學出版社, 2006: 150-172.
關鍵詞：履帶車輛；柔性履帶；數值模擬
中圖分類號：TU623+.5 文獻標志碼：B
1 引言
履帶車輛因其具有良好的通過性能在工程機械車輛中有著廣泛的應用。履帶機構一般由主動輪、托帶輪、誘導輪和負重輪組成，通過履帶構成柔性鏈環，其本身就是一個復雜的機械系統。傳統的研究方法是基于經驗公式和大量試驗研究基礎之上的。電子計算機的發展使得數值模擬技術得到了廣泛的應用，將數值模擬技術用于履帶車輛的研究能有效縮短研制周期，提高設計效率和質量[1]。
目前對履帶車輛進行多體動力學數值模擬的軟件主要有DADS、ADAMS和Recurdyna，其中DADS和Recurdyna采用的是相對坐標的遞歸算法，運算速度較快，而ADAMS采用的是絕對坐標系，速度稍慢，這些軟件都能很好地完成履帶車輛的仿真分析。對履帶建模的模型主要有兩種：一種是柔性履帶模型，該模型建模較方便，能在設計早期就對履帶的平順性做出快速預測而得到改進的指導數據；一種是剛體履帶模型，該模型能對每塊履帶板、銷的力學特征進行詳細研究，但該建模方式比較復雜，需要考慮各零件之間的接觸關系，建模過程復雜，同時剛性履帶模型的自由度與柔性履帶模型相比計算量大大增加。本文基于柔性履帶模型對履帶車輛進行建模和數值模擬，通過對履帶車輛的平順性分析，為改進設計提供有效數據。
2 柔性履帶理論模型
在柔性履帶模型中，其履帶被假設為一條具有柔性的連續的帶子，由這條柔性的帶子包裹主動輪、托帶輪、誘導輪和負重輪而構成一條履帶鏈，通過與地面接觸而將地面激勵傳遞到車體。
履帶、負重輪及地面間接觸的相互作用力如圖2，作用在負重輪上的力計算公式：
履帶張力TL和TR可以通過弦垂線方程獲得[2]。
3 履帶車輛平順性模型
平順性反映了車輛行駛的安全性。良好的平順性能減少地面動載荷對底盤及相關連接件的振動，提高零件的疲勞壽命。本文建立某型履帶車輛的平順性模型如圖3。考慮車體質量、質心位置、負重輪數量、質量、位置及尺寸、主動輪和誘導輪尺寸和位置、履帶結構和性能等，運用Bekker提出的地面力學壓力-沉陷關系、設置土壤的剪切特性、土壤的摩擦特性等來計算地面施加于車輛的各種力。
4 仿真分析結果
將上述建立的履帶車模型行駛通過一個高為10cm梯形凸臺障礙來研究其通過平順性，得到其通過凸臺前后的車體的姿態如圖4，車體的質心處的加速度如圖5，以及履帶張力如圖6。
從圖5可以看出履帶車通過凸臺的時候車體質心處加速度值的變化，其仿真結果在4～6s時候加速度波動較大，因加速度值能反映履帶車輛通過梯形凸臺障礙時地面對車體的振動激勵，通過履帶參數的合理設計控制其振動，能有效地衰減來自地面的沖擊載荷，提高各零件的動載荷疲勞壽命；圖6顯示出履帶張力的變化波形，其仿真結果在4～6s時候加速度波動較大，因履帶車正通過凸臺導致履帶張力增加，其張力值能為研究主動輪和履帶之間的磨損提供參考依據。
5 結論
本文基于柔性履帶模型建立了某履帶車輛的三維仿真模型，對其平順性進行了數值模擬研究。該方法建模簡單快捷且求解效率高。相比于傳統的基于經驗公式和大量試驗的方法，所獲取的數據更加豐富，研制周期縮短。用柔性履帶模型方法在早期設計階段就能快速地預測履帶車輛的通過性、車體振動加速度等指標，為改進設計提供有價值的理論數據，通過數據結合最終的實驗驗證，提高履帶車輛的設計水平。
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一、突出特色，提高科研水平
華北水利水電大學是一所行業辦學特色明顯、優勢學科突出的學校，在科研方面具有明顯的特點。一是科研項目的行業性。學校原來隸屬于水利部，所以科研人員把科研目標定位在水利行業發展需求相關的方向上，以爭取各級水利部門科研經費的支持。從科研項目來源的渠道看，其縱向課題主要來源于水利部及其直屬各部委，橫向課題大多來源于水利行業的研究、設計、水利工程施工等有關的單位，科研項目立項具有明顯行業性和區域性的特點。二是科研目標的實用性。從學科建設的角度看，學校依靠科研促進和支撐學科的發展，依靠科研特色培育學科特色，其科學研究緊緊圍繞學科建設的需要，來確立發展思路和方向，開展科研立項，這不僅是學科建設的主線，而且在學科建設中發揮主要功能。
針對上述特點，學校準確制定了科研發展的目標以及切實可行的科研機制和獎勵辦法，多措并舉，以提高學校科研工作的整體水平。
強化對教師科研工作的重視和引導。學校在科研方面采取兩級目標管理體制，二級學院針對各學年的目標，結合本單位專業學科特點，主動采取行之有效的措施，加強對教師科研工作的規劃、組織和引導，充分調動教師的科研工作積極性。
加強科研制度建設，形成了重視科研的風氣。學校一方面加強科研制度建設，建立和完善科研項目管理體制、校院兩級管理機制，建立健全科技創新制度體系，在二級教學科研單位制定了切實可行的獎懲制度，形成了“開放、流動、聯合、競爭”的運行管理體制；另一方面加強了科技信息網絡化建設，加大了科研政策宣傳力度。
學校緊緊圍繞國家和區域重點科研領域，以研究基地、研究院所、重點實驗室和工程研究中心等為平臺，以科研資金作保障，以學科帶頭人為核心，組建并重點扶持了若干結構合理、研究方向明確且有特色、隊伍穩定、優勢互補、具有凝聚力和戰斗力的創新團隊，帶動了教師科研隊伍整體素質的提高，形成了重視科研的良好風氣。
建立健全科研激勵機制，調動教師從事科研工作的積極性。近年，學校建立健全了一系列鼓勵教師積極投身科研工作的各種激勵機制，進一步改革和完善了國家級科研項目資金匹配、高層次科研獎項和高水平論文論著獎勵等政策。學校積極改善和提高教師的科研工作條件和福利待遇，充分調動他們從事科研工作的積極性、創造性。學校充分利用自身的人才資源優勢，積極采取有效措施，吸納長期從事科學研究工作的退休教師，利用他們在科研方面的經驗和優勢，帶領學校引進的大批年輕博士，并主動與的科研人員相結合，通過“內斂”和“外展”，合理組合全校的科技人才資源，逐步建立了穩定的多領域的研究開發隊伍，為科研人才搭建了工作“平臺”，吸引了更多高層次人才進入學校。
從優勢科研方向出發，整合學校的科研資源。學校從優勢科研方向的選擇和重點扶持出發，對學校現有科研力量進行優化與重組，充分利用原有行業的基礎和背景，加強優勢和特色科研領域建設，重點提升了高層次項目的中標率；積極開展產學研聯合和校企橫向合作模式，構建具有特色明顯、優勢突出的專業技術創新平臺，以此推動學校獨具優勢的科研強項的形成，進而帶動學校整體科研實力的提升。
從科研創新團隊建設出發，力促特色科研形成“制高點”。科技創新團隊是科技創新和科研攻關的重要載體。學校在立足現實，統籌規劃，合理配置各方面資源的基礎上，內建科研團隊，外擴科研渠道，充分發揮學校的水利行業特色，瞄準國家戰略發展目標、重大科技專項和學科前沿問題，組建科研團隊爭取并承擔各類國家級和省部級重大科研計劃項目，通過科研項目的研發過程，培育和產生高水平的科研創新團隊，在水利行業上形成了特色科研的“制高點”。
從學科交叉、滲透出發，努力尋求科研發展新的“增長點”。學校積極探索實施學科交叉、綜合集成的有效措施，以水利特色為依托，充分發揮學校的學科綜合優勢，克服資源分散、缺乏有效配置的弱點，促進跨學科集成、多學科合作和新學科開創，推動跨校跨系統的聯合、協作。在研究內容上，深入研究跨學科、跨分支學科、同一學科內部各個研究方向等多方位的交叉與滲透；在研究方法上，既有遞進式的交叉與滲透，又在多學科交叉與滲透的空間方面進行縱向的深入和橫向的拓展，從而提升科研的層次，拓展新的研究領域，培育新的科研特色。
二、認真挖掘成果源，精心培育和遴選優秀科研成果
在“十二五”開局之年，學校提出了“項目培育、項目申報、項目監管、成果培育、成果申報”的五階段分目標管理，每項目標均構建了切實可行的措施以保證其順利實施。“十二五”期間獲獎科技成果已達到450余項，其中省部級以上獲獎超過“十一五”期間總數的50%以上，在國家級科研獎勵方面獲得較大突破。其中獲獎較為集中且特色突出的標志性的成果體現在以下幾個方面。
水工結構工程方向。學校在水工結構工程方面的研究始于建校初期，目前形成了研究方向穩定、研究成果突出、在國內有一定影響的優勢學科。主要開展水工建筑物設計理論及方法研究、水工預應力混凝土設計建造新技術、水工高性能耐久性材料以及特種結構和大跨度復雜結構設計計算理論研究，所取得的多項成果達到國際先進水平，參與完成的“鋼纖維混凝土特定結構計算理論和關鍵技術的研究與應用”科技成果，榮獲2010年國家科技進步獎二等獎。
地質工程方向。地質工程作為學校建校初期設立的專業，主要服務于水利工程建設，長期以來研究團隊主要在邊坡穩定分析及滑坡失穩定時預報、工程巖土體結構穩定性研究等方面開展較廣泛的科學研究和工程實踐，除主持完成國家科技支撐項目、國家自然科學基金項目、水利部公益性項目外，還承接了大量工程生產項目，主要參與完成的“大型礦山排土場安全控制關鍵技術”科技成果，榮獲2011年國家科技進步獎二等獎。
農業水土工程方向。學校圍繞我國北方地區農業用水問題，開展了區域水資源合理利用、水資源優化配置及科學管理、水資源高效利用綜合技術體系研究；針對農業水資源短缺，水生態環境惡化，研究水資源優化配置、節水灌溉理論與技術、農業水資源與水環境承載力及經濟評價。近五年完成了包括國家“863”、自然科學基金、科技支撐計劃、水利部公益性項目、水利部科技推廣項目、水利部重點科技攻關、河南省重大科技攻關、南水北調重大工程項目等100余項。所完成的科研項目獲教育部高校科技進步獎一等獎1項，獲農業節水科技獎一等獎1項，獲省部級科技進步獎19項。
水力學及河流動力學方向。經多年凝練，學校水力學及河流動力學形成了以河流模擬為主要特色的四個優勢研究方向――河流模擬及工程應用、工程水力學、河床演變及河道整治、河流環境及污染水力學等。該學科近三年發表SCI、EI收錄的高水平學術論文70余篇，獲水利部科技進步獎和大禹科學技術進步獎一等獎各1項，獲省級科技進步獎二等獎3項、三等獎2項。
三、積極構建產學研結合的公共研發服務平臺，加快科技成果的轉化和技術的轉移
科研工作是一項對外聯系廣泛且與國家社會經濟發展密切相關的工作，學校主動采取“走出去，請進來”的方法，把搭建外聯科技研究平臺作為一項主要工作，進一步加強學校與科研、設計、企業等單位交流，充分利用科研、設計及企業單位專業性、實踐性、前沿性強的特點，加強高校科技創新平臺建設。近年，學校先后與中國水利水電科學研究院、北京勘測設計研究院、河南省水利勘測設計研究有限公司、許繼電氣股份有限公司、水利部水工結構質量檢測中心等單位簽訂合作協議，通過構建與科研、設計及企業單位的合作平臺，使高校在參與重大水利水電工程橫向科研課題，聯合申報重大科技攻關項目，加快科技成果的轉化和技術轉移等方面更好地發揮了作用。
學校與企業以“產、學、研、用”聯合攻關的方式開展項目的研究工作。學校在合作中相繼承擔了國家“十五”重大技術裝備研制項目、“南水北調大型水利渡槽施工成套技術和裝備的研制”和水利部“948”推廣項目、“重型起吊與搬運機械新技術在水利工程及南水北調工程中的應用”等課題。自2002年起，經過多專業聯合，攻克了架橋機、動力平板運輸車、風電吊機、大型渡槽施工裝備的總體設計理論和動力傳動與操縱控制等關鍵技術，自主開發研制了成套裝備，滿足了國家重大工程的施工需求；首創了大型水利薄壁預制渡槽提、運、架施工的新工藝，研制了世界上第一臺套預制渡槽架設施工裝備，使我國在渡槽施工裝備技術領域居國際領先水平，“大型水利渡槽施工裝備關鍵技術、產品開發及工程應用”項目獲2012年度鄭州市科技進步特等獎、2013年河南省科技進步一等獎；創立了大型動臂吊柔性臂架系統和非柔性臂架系統的設計理論和計算方法，研制出世界首臺輪胎式風力發電安裝專用起重機；在重型成套橋梁施工裝備設計制造方面研制出系列架橋機和大型搬運成套施工裝備，使我國成為繼德國、意大利之后第三個掌握該技術的國家，推動了國內重大工程施工技術水平的提高，為國家南水北調中線工程、京滬高鐵、風電建設等重點工程的順利實施提供了技術保障。
通過“產、學、研、用”合作，鄭州新大方重工科技有限公司極大地提升了公司的自主創新和產業化能力，重型成套橋梁施工裝備已累計完成銷售收入30多億元人民幣，創匯700多萬美元。風電吊機已先后推出4代產品，已實現銷售收入12150萬元，凈利潤1340.4萬元，稅收800萬元。水利渡槽施工裝備已銷售112臺套，實現直接經濟效益2.59億元，利潤4628.26萬元，稅收1697.96萬元。產品在京滬高鐵、京津高鐵、武廣高鐵、南水北調中線控制性工程（沙河、雙洎河和湍河渡槽工程）、江臺灘涂風電場等國家重點工程上進行了推廣應用，確保了國家重點建設工程的順利實施。
打造城市污水處理回用技術集成與推廣體系。近年，學校城市水務研究院圍繞再生水生產技術、污水處理回用技術、城市人工濕地構建技術等國家與省部級科研項目，取得了一批國家發明與實用新型專利技術，技術比較成熟，可以推廣應用，主要專利有：中小型淀粉廠廢水的生化處理方法、污水灌溉土壤重金屬污染大生物量非超富集生態修復方法、除氟裝置及高氟水除氟系統、一種城鎮污水處理復合生物蛭石模塊系統、畜禽養殖場厭氧廢液生態循環處理利用系統等。實用新型專利：浮濾一體化污染水深度處理裝置、組合式城鎮污水處理人工濕地系統；一體化凈水裝置、生活污水無回流脫氮處理裝置等。
關鍵詞：工程流體力學；教學改革；第一次課
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）24-0218-02
工程流體力學課程在我校這一工科院校中，長期以來，本科生在未學習之前，已經從他人那里了解到，這門課很難，不好學，不好過關。學生認為流體力學難學的后果，直接反映在多年來很少有人、甚至無人報考我校工科流體力學方向的碩士和博士，致使我校工程流體力學方向后續人才短缺，學科建設出現重重困難。那么作者希望學生在學習這門課程的過程中，是輕松、主動而有興趣地去學習。為了幫助學生克服畏難情緒，對工程流體力學課程學習產生興趣，輕松學好這門課，作者在十幾年的教學過程當中，積累了一些經驗。開好頭，為課程打好良好的第一印象非常關鍵，所以作者非常重視第一次課的講授內容，以增強學生學習信心和培養學習興趣為主要目的，為順利完成該課程的學習奠定基礎。
一、第一次課的教學內容
在第一次課，首先自我介紹，然后點名相互認識，留下聯系方式，介紹教材和參考書，授課的章節和學時安排等常規內容外，講授內容主要分為兩大塊：（1）上課要求；（2）緒論。
1.上課要求。上課要求主要包括課程學習目的和意義、出席和上課紀律要求、作業和實驗報告要求、考核方法等內容。①學習目的和意義。學習目的和意義按照大綱要求，掌握流體力學的基本知識，及其解決問題的基本方法和基本實驗技能。強調“基本”的含義，因為是首次接觸本課程，系統介紹流體力學知識，對大家的要求是“基本”的，同時也強調僅這些即將學的基本知識也能夠解決一些工程應用的問題，并簡單舉例。②出席和上課紀律要求。出席和上課紀律應該遵守學校規定，但是考慮到學生個體的不同。所以有必要讓學生清楚什么樣的行為是被接受的、允許的，不要出現行為困難的問題。③作業和實驗報告要求。作業和實驗報告會出現抄襲現象，回避是沒有用的，所以上課時直接指出來，希望將抄襲現象弱化。指出要借鑒，而不是抄襲。這樣大大降低了學生不經過理解地抄襲作業現象。④考核方法。將考核方式明確地告訴學生，是平時成績和課程結束后的閉卷考試成績各占一定比例，綜合評出成績。并計算出考核通過的最低考試成績。同時強調不存在不通過比例。這樣可以避免兩種不良現象發生，一是學生會盲目認為很難學，不能過關而放棄學習，二是成績差的學生會因為排名總在后面，而放棄學習。
2.緒論。緒論主要包括工程流體力學研究內容、課程特點、研究方法、解題步驟、學習方法和大學生認知階段，等等方面。重點講前三點涉及的內容。①流體力學研究內容。講述工程流體力學研究內容首先展開講解的是研究對象為流體，此時雖然沒有講流體的定義，但是還是提出請學生舉例哪些物質是流體？讓學生從最簡單的問題開始流體力學知識的學習。學生說對了予以肯定。學生會將多相流和塑性物質列進來，也要說清楚與本課程所學流體的區別和聯系，并將學生想不到的流體補充出來，還告訴學生目前最新研究方向在處理流固相互作用時有提出將固體處理為特殊流體，以簡化流固交界面的處理；還有已有研究表明固體顆粒的高速運動遵循流體力學規律，以及當車流量和人流量很大時，被稱為交通流，猶如流體流動一樣，那么在后續課程講解中可將高密度、大流量的人群流動現象用來形象化的闡述流體的運動規律，幫助學生理解抽象的流體運動規律，使問題直觀。還需要指出，最常見的流體是空氣和水，人類無時無刻不處于空氣和水當中，提醒學生在學習的過程中，可以將所學知識放到自己熟悉的環境中去理解，比如池塘或小河中的水、教室里的空氣，等等。將理論知識與生活結合起來，既能幫助理解所學知識，又能將知識應用起來，提高學習興趣。②流體力學課程特點。流體力學課程的特點主要講三點，一是一門技術（專業）基礎性課程；二是用場的觀點研究問題；三是概念多、公式多。它是一門專業基礎課，從實踐中抽象出來，再應用到實踐中去；所以課程知識可用于解決工程實際問題。用場的觀點研究問題。首先提問，說到“場”大家會想到什么？有的同學很高端大氣上檔次地回答重力場、電場、磁場，那我繼續問還有呢？有的學生開玩笑說操場，好像在說操場不夠檔次、不夠科學。而我肯定“操場”，因為是相同的“場”字嘛，而且還有工場、商場、廣場等。然后引導學生思考，既然用相同的“場”字，其中必有共同點，它是什么？學生想出來了，是某某占據的空間。以此類推，流體占據的空間就是“流場”，概念很容易就被理解了。同時還讓學生意識到科學不是高不可攀的，做科學時不要端起架子，它是很貼近生活的。流場的概念出來了，但是其空間的大小呢？這個問題也必須解釋清楚。首先提出兩個問題讓學生思考：海洋是海水占據的空間，是一個流場嗎？大氣層是空氣占據的空間，是一個流場嗎？其實流場的大小與我們要研究的空間范圍有關。比如，我們現在想知道教室內空氣的溫度分布，那么要分析的流場就是教室內空氣占據的空間；如果要預報中國天氣，那么中國上空的大氣層或者更大范圍就是要研究的流場；如果想了解南海海洋環流、潮汐流動等，南海海水占據的空間就是要求解的流場。將抽象概念與實際結合，在易于理解的同時，引起學習興趣。在此基礎上，進一步與物理量場聯系起來，流場中的物理量，比如速度，是時間和空間函數，被稱為速度場，還有壓力場，等等。場是具有連續無窮維自由度的系統，那么流場的速度場、壓力場，等等具有連續性，與第一章中連續介質假設內容一致，在這里提到，為后面學習埋下伏筆。概念多、公式多的原因是因為在以前的學習過程中鮮有接觸與流體力學有關的知識，導致大量的專業術語集中出現。但是這些概念、公式并不是全新的。比如流體質點的概念與以前物理中所學的質點概念是很一致的；多的公式其實是質量守恒定律、牛頓定律、能量守恒定律、動量定理，等等在流體力學中的表達形式，比如連續性方程是質量守恒定律的表達形式，伯努利方程與能量守恒定律相吻合，歐拉方程、Navier-Stokes方程是牛頓運動定律的表現形式，動量方程是動量定理的表達，把要學到的主要方程名稱在此敘述一遍，目的是讓學生有個初步接觸，為后續學習打下鋪墊。③流體力學研究方法。流體力學研究方法主要有三種：解析方法、實驗方法和數值計算方法。本課程主要介紹解析方法，有一章是專門介紹實驗研究方法的，而數值計算方法本課程幾乎不涉及，由計算流體力學講解。并強調，求解的基本方程是連續性方程、歐拉方程或Navier-Stokes方程，那么為什么基本方程一樣，可以求解出各種不同的流動？于是提出邊界條件和初始條件的概念，使邊界條件和初始條件的重要性一目了然；也為后續學習打下基礎，并引起學生的興趣和重視。
二、結論與展望
通過第一次課，使學生對整個課程的要求、特點、內容有一個整體了解，做到心中有數，克服不良情緒，從不同方面讓學生做好學習的心理準備。第一次課，如果是一個良好開端，并為后續學習做了大量鋪墊，使學生獲得了自信，并激發了其學習的興趣，學生后面的學習將會順利很多。工程流體力學是大部分工程專業的重要基礎課程，作者希望學生靈活掌握流體力學知識，并能夠在工作中活學活用。
參考文獻：
[1]許維德.流體力學[M].北京：國防工業出版社，1979.
[2]張也影.流體力學[M].北京：高等教育出版社，1999.
