本期新文速递是2024年第7期，本期的主题是浮式风机响应、结构风致失稳与材料脆性断裂，简要介绍和讨论六篇期刊论文。第一、二两篇文章对极端风条件现场观测和冷却塔风致局部失稳评估的最新研究进展进行了介绍。其中，第一篇文章利用激光雷达风廓线仪分析了台风在不同过渡阶段和不同风条件下的平均风场特征，并据此提出了一种基于风谱模型的典型脉动风场参数校正方法；第二篇文章系统分析了龙卷风涡流比和冷却塔距龙卷风涡核中心的径向距离对于结构局部稳定性能的影响，并开展了超大型冷却塔弹塑性失效全过程模拟。第三篇文章提出了一类采用Poisson过程估计随机过程极大值过程上穿越率进而估计Gauss随机过程极值的方法，并将其应用于多方向海浪随机过程的模拟中。第四篇文章采用试验和数值结合的方法研究了一类柔性半潜式浮式风机结构的动力响应，详细讨论了偶次谐波力和奇次谐波力对结构响应的影响。第五、六两篇文章对几何非线性关于脆性断裂的影响进行了研究。其中，第五篇文章探讨了非线性弹性失稳对软弹性物质中脆性裂纹成核的影响；第六篇文章探讨了几何非线性对超声速与超剪切裂纹传播的影响。
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—— 第1篇 ——
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https://doi.org/10.1016/j.jweia.2022.105253
利用激光雷达廓线仪观测的沿海台风边界层风特征
台风风场特征信息是开展抗台风研究和实践的基础和前提。尽管在过去几十年中，人们利用各种设备在台风观测领域做出了巨大努力和积极探索，但如何有效获取台风的平均和脉动成分，特别是风暴内部区域大气边界层内风场的平均和脉动成分，仍然是一个挑战。近年来，激光雷达风廓线仪因其探测范围广、采样频率高、操作简便、布局灵活等优点而受到越来越多的关注，并显现出广阔的应用前景。然而，由于遥感探测固有的空间平均性，使用激光雷达风廓线仪测量的脉动风成分往往存在偏差。鉴于此，本文探索利用激光雷达风廓线仪对台风的平均和脉动风场特征进行合理测量。首先，通过在沿海地区灵活部署设备，成功捕获了两个台风经过时内部区域的风场测量数据。根据所获得的数据，研究了台风在不同过渡阶段和不同暴露条件下的平均风场特征，重点研究了内边界层对垂直风速剖面及其关键参数（如表面粗糙度和零面位移）的影响。提出了一种基于风频谱模型来校正脉动风场参数的方法，包括湍流积分长度尺度、湍流强度和阵风因子。这些风场湍流参数在校正前后差异显著，但校正后的结果与现有类似结果吻合度较高，反映了校正工作的必要性和有效性。该结果有助于进一步了解台风边界层中上部的风特性，并有助于发展使用激光雷达廓线仪观测风湍流。关键词：激光雷达风廓线仪；台风边界层；遥感；风湍流
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图：激光雷达风廓线仪工作原理草图
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图：台风“烟花”和“灿都”路径图
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图：激光雷达廓线仪和深圳气象梯度塔在两个高度处的风谱对比：(a) 160 m, (b) 320 m
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图：实测纵向脉动风谱和Von
Kármán模型在53 m和210
m高度处的对比
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图：校正前后湍流强度(a,
b)和阵风因子(c, d)在53 m和210
m高度处的比较
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—— 第2篇 ——
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https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2024.118224
超大型双曲面冷却塔龙卷风致失稳评估
冷却塔是典型的高层薄壁结构，属于双曲旋转壳结构类型，对风荷载非常敏感。风致局部失稳是冷却塔结构线型和壁厚设计的关键控制因素。事实上，这种稳定性分析只是在一系列国家规范的指导下，针对正常气候（如季风等）进行的。为了应对灾害气候条件，本文采用基于屈曲应力状态法（BSS）对龙卷风环境下某超大型冷却塔的局部稳定性能进行了物理和数值研究。此外，还对遭受龙卷风袭击的超大型冷却塔（SLCT）进行了全过程弹塑性倒塌模拟，研究了其破坏机理，并重新评估了已被广泛接受的屈曲应力状态法在结构抗风设计中的合理性。结果表明，相较于良态风，当超大型冷却塔位于龙卷风涡旋核心半径处时，龙卷风对冷却塔结构局部稳定性产生明显的不利影响。超大型冷却塔与龙卷涡旋核心之间的漩涡比和中心距离对超大型冷却塔的局部失稳有显著影响。扩展弹塑性倒塌模拟发现，超大型冷却塔在倒塌过程中第一条裂缝的位置与超大型冷却塔弹性局部稳定性分析的临界位置基本一致，表明在龙卷风条件下，可以在临界位置提前采取加固措施，以改善结构的局部稳定性。此外，超大型冷却塔的扩展弹塑性倒塌数值模拟可作为超大型冷却塔抗风设计中结构线弹性稳定性验算（如屈曲应力状态法）的有效补充。关键词：冷却塔；龙卷风涡旋；局部稳定性；倒塌模拟；失效机理
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图：龙卷风条件下超大型冷却塔的风洞模拟试验
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图：良态风和龙卷风条件下塔筒局部稳定安全系数分布对比
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图：不同径向距离下局部稳定安全系数沿塔筒高度分布
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图：超大型冷却塔倒塌全过程有限元模拟
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—— 第3篇 ——
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https://doi.org/10.1016/j.jsv.2023.118067
高维Gauss向量过程的极值分析
首次超越失效问题的极值分析是经受随机振动的工程系统一个关键考虑因素。大多数文献集中于单变量随机过程，但对于系统可靠性分析，需要考虑多个相关过程的极值。由于问题的复杂性，解析方法很少且仅限于低维问题（维度指随机向量分量过程的数量）。本文提出了一种多元平稳Gauss过程极值分析的解析方法。该方法能够高效解决高维问题，因此应用场景广泛，例如多自由度动力系统的分析问题，或离散化空间域内随机场的时空极值估计等。首先定义了一个最大值过程，表示每个时间点上各分量的最大值。随后推导出最大过程的精确上穿越率，并采用Poisson近似来估计极值分布。由于该方法仅涉及多个一维积分，可以使用Gauss求积法计算，因此具有高效性。此外，提出了一种精确的近似方法，避免了数值积分的需求。最后通过两个算例实现了该方法，分别为一动力系统和多方向海浪，通过计算量大的蒙特卡罗模拟验证了所提方法的准确性和正确性。关键词：极值问题，时空极值，多变量随机过程，随机振动，穿越率
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图：动力系统分量过程及其最大值过程的样本时程
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图： 多向海浪随机过程模拟方法比较：（a）随机过程的上穿越率；（b）失效概率
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—— 第4篇 ——
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https://doi.org/10.1016/j.jsv.2023.118067
柔性半潜式结构的共振响应：试验分析和二阶模拟
通过实验和数值方法研究了一类柔性浮式结构的动力学和非线性波浪力。该浮体的设计匹配典型浮式风机子结构的次谐波刚体固有频率，并增加了柔性弯曲模态。实验在三种海况下进行，使用相位偏移的输入信号以实现测量响应的谐波分离。研究发现，对于最平稳的海况，次谐波刚体运动由偶次谐波差频力驱动，而对于最恶劣的海况则由线性力驱动。分别在软、线性驱动加载以及在较强海况下由二次、三次和四次谐波频率分量驱动的刚性加载下测试了结构的柔性模态。通过对共振响应幅度的分析，提出了一种新的简化分析方法，并与Orszaghova等人的最新方法进行了比较。研究发现，共振的纵摇和纵荡运动主要由偶次谐波势流力驱动，而奇次谐波响应在纵荡方向主要由势流驱动，在纵摇方向则主要由拖曳力驱动。通过使用最新的高效计算方法考虑二阶波浪力和二次阻力荷载，数值重现了测量到的结构响应，包括纵摇和垂荡模态以及柔性模态。深入分析表明，偶次谐波力分量估计的误差可以在奇次谐波载荷计算中得到补偿。关键词：波浪-结构相互作用，表面重力波
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图： 测试水槽中浮式结构的图片
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图：（a）作用于结构上的力及局部坐标系；（b）浮体示意图及局部和全局坐标系
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图：实验观测响应与数值重构信号的对比，按列：时程信号（a-d），功率谱密度（e-h）和超越概率（i-l）；按行：自由表面高程（a，e，i），完整信号（b，f，j），偶次谐波响应（c，g，k）和奇次谐波响应（d，h，l）
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—— 第5篇 ——
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https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.248202
脆性断裂背后的弹性失稳
一般认为，无初始缺陷软弹性固体中脆性裂纹的成核是由非线性弹性不稳定性引起的，通常无法在不考虑有限弹性变形的几何精确描述情况下捕捉到这种不稳定性。作为一个典型问题，我们考虑一个受拉的均质弹性体，并假设其因存在自由表面而被削弱，较弱的自由表面为裂纹成核的位置。我们展示了在这种最大程度简化的条件下，脆性断裂源于一种由软化激活并包括大弹性旋转的对称性破缺弹性失稳。这种均匀弹性平衡的分岔对于非线性弹性来说是极其非常规的，因为它表现出对几何的强烈敏感性，类似于流体中向湍流转化的现象。我们追踪了这种失稳在分岔后的发展(这超出了尺度无关的连续介质弹性理论的范围)，并使用相场方法捕捉了尺度相关的亚连续应变局部化，标志着实际裂纹的形成。关键词：非线性弹性，失稳，有限弹性变形，裂纹成核，断裂相场
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图：在参考构型和当前构型中所考虑的表面失稳示意图与边界条件
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图：H/L=1时归一化轴力与主伸长之间的关系。右侧的云图展示了AB两点在参考构型中的损伤分布情况。相场尺度参数取为0.01H。
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图：H/L=2.5时归一化轴力与主伸长之间的关系。右侧的云图展示了AB两点在参考构型中的损伤分布情况。相场尺度参数取为0.01H。
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—— 第6篇 ——
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https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.226102
几何非线性驱动的超声速与超剪切裂纹传播
线弹性断裂力学理论预测的裂纹扩展速度受Rayleigh波速的限制。尽管许多实验观察和数值模拟支持这一预测，但一些例外情况引发了对其有效性的质疑。这些差异的根本原因和动态裂纹的精确极限速度仍然未知。在此，我们说明了拉伸（I型）裂纹可以超过Rayleigh波速并以超剪切速度传播。我们展示了考虑大多数材料固有的几何非线性就足以实现这种传播模式。这些几何非线性修正了裂纹尖端的奇异性，导致不同的裂纹尖端开口位移、内聚区行为和流向裂纹尖端的能量流。关键词：几何非线性，超声速，超剪切，裂纹传播
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图：模型设置与示例说明。(a) 弹性材料与弱化内聚界面的二维设置;
(b) 模拟中施加伸长为1.125时的界面随时间演化情况，左侧为线弹性材料，右侧为几何非线性材料。蓝色为完好材料，青绿色为内聚区域，黄色为破坏界面。裂纹速度用白线表示，Rayleigh波速用黑色点线表示。
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图：三个不同伸长(1.0875,1.1,1.125)下的裂尖动力学。绿色色卡表示小变形线弹性材料，紫色色卡表示几何非线性材料。红色实线为线弹性断裂力学的裂尖运动方程。
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图：施加伸长为1.125时的能量流动图 (a) 小变形线弹性材料，裂纹传播速度为0.93倍Rayleigh波速；(b) 几何非线性材料，裂纹传播速度为0.93倍Rayleigh波速；(c) 几何非线性材料，裂纹传播速度为1.04倍Rayleigh波速；(d) 施加伸长为1.125时的内聚区域尺寸(用静态内聚区的尺寸归一化) 红色实线表示线弹性断裂力学内聚区尺寸的解析解
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