力学与实践杂志

力学与实践杂志2019年第4期

• 结构优化技术在高速飞行器上的应用与面临的挑战 1)

  全栋梁, 时光辉, 关成启, 王健, 罗俊航, 宋锋, 王博, 高彤, 朱继宏, 张卫红,

  高速飞行器是航空航天领域发展的重要方向,具有重大战略意义和重要经济社会价值。首先,对结构优化技术及其在飞行器零部件和全机结构概念设计中的应用进行综述;然后,根据典型使用环境和设计要求,总结高速飞行器结构设计中存在的主要问题和应用需求,着重介绍近年来在高速飞行器零部件和全机结构概念设计中应用结构优化技术的典型案例;最后,提出近期亟待突破或完善的结构优化技术。结构优化技术与设计经验相结合带来设计理念的变革,将成为先进飞行器设计的必备工具和标准流程。面向重大需求的结构优化理论研究与工程实践对提升我国航空航天核心竞争力具有重要价值。

• 基于记忆衰减滤波的X射线脉冲星自主导航

  胡腾戈, 武迪,

  针对扩展Kalman滤波(Extend Kalman Filter, EKF)在处理X射线脉冲星的自主导航定轨问题上易发散的问题,本文提出了基于记忆衰减滤波的抑制发散自主导航算法。在研究了自主导航滤波中误差变化的特征的基础上,从原理上分析了预报误差随迭代次数增加而增大的原因。针对EKF存在的这一缺陷,本文应用记忆衰减滤波控制误差发散,推迟了误差发散的时间并减小了发散的幅值,使得滤波结果稳定于更精确的结果。本文的结论均通过数值计算的方法验证

• 疏导式热防护在翼前缘中的应用探索

  朱晓军, 李锋, 欧东斌, 陈连忠, 周凯,

  针对高超声速飞行器飞行时翼前缘存在着严重的气动加热问题，为了保证翼前缘的尖锐外形，提出疏导式热防护结构，利用内置高温热管结构为翼前缘提供热防护。采用数值模拟和电弧风洞试验的方法对翼前缘疏导式结构进行了分析，得到翼前缘内置高温热管具有的防热效果。数值模拟结果表明在一定热环境条件下，翼前缘驻点温度下降了304K，尾部最低温度升高了130K，实现了热流从高温区到低温区的疏导，减弱了翼前缘的热载荷，强化了翼前缘的热防护能力。通过电弧风洞试验可以获得相同的热防护结果，并且在一定飞行条件下高温热管可以自适应启动，验证了数值模拟方法的准确性以及翼前缘内置高温热管疏导式热防护结构的可行性。

• 大货车转弯侧翻的影响因素分析

  杨雨杰, 邱信明,

  因重心高、载重大,大货车在弯道行驶时,如果速度过高,很容易发生侧翻。针对货车转弯侧翻这一物理现象,本文利用动静法建立了其动力学模型。引入了描述侧翻的两个物理量——倾斜临界速度和侧翻临界速度,在给定参数下对车的受力和运动进行了数值计算,并分析了车重、车的质心高度和转弯半径等因素对转弯侧翻的影响。并对如何避免大货车转弯侧翻,给出了定性的驾驶指导建议。

• 致密油储层毛细管力自发渗吸模型分析 1)

  杨柳, 赵逸清, 蒋荣敏, 张旭辉, 鲁晓兵,

  部分致密油井压后关井一段时间，压裂液返排率普遍低于30%，但是致密油气井产量反而越高，这与压裂液毛细管力渗吸排驱原油有关。然而，致密油储层致密，物性差，渗流机理复杂，尚没有形成统一的自发渗吸模型。本文基于油水两相非活塞式渗流理论，建立了压后闷井期间压裂液在毛细管力作用下自发渗吸进入致密油储层的数学模型，采用数值差分方法进行求解，并分析了相关影响因素。结果显示渗吸体积、渗吸前缘移动距离与渗吸时间的平方根呈线性正相关关系，与经典Handy渗吸理论模型预测结果一致，说明毛细管力自发渗吸模型可靠性较高。数值计算结果表明毛细管水相扩散系数是致密储层自发渗吸速率的主控参数，毛细管水相扩散系数越高，自发渗吸速率越大。毛细管水相扩散系数随着含水饱和度先增加后减小；随着束缚水饱和度、油相和水相端点相对渗透率增加而增加；随着相渗特征指数、油水黏度比和残余油饱和度增加而减小。该研究有助于深入认识致密油储层压裂液渗吸机理，对优化返排制度、提高致密油井产量具有重要意义。

• 考虑Hansbo渗流的砂井地基大变形固结问题 1)

  时刚, 王宇虓, 李永辉, 刘忠玉,

  基于Gibson大变形固结理论，通过引入Hansbo渗流模型和软黏土非线性变形特性，同时考虑土层的沉积效应，分别建立了以孔隙比e和超孔压u表示的砂井地基大变形固结方程。通过与已有研究成果的对比，验证了本文方法的可靠性和砂井地基大变形固结方程两种描述方式的等效性。通过FlexPDE得到方程的数值解，在此基础上，研究了砂井地基大、小应变固结理论与Barron固结解的差异性，探讨了Hansbo渗流参数m和I_1对砂井地基固结的影响，最后对比分析了砂井地基轴对称固结、径向固结和竖向一维固结的关系。研究结果表明：考虑Hansbo渗流的砂井地基非线性大变形固结模型的固结速率最慢，且在固结后期，Hansbo渗流时大、小应变固结与Barron固结的平均固结度基本趋近；随着Hansbo渗流参数m和I_1的逐渐增大，砂井地基的固结速率逐渐降低；随着砂井影响半径的增大，砂井地基轴对称固结与径向固结的差异性也越来越大，且在固结早期会出现一维竖向固结速率高于轴对称固结和径向固结的现象。

• 压电/压磁层合纳米梁屈曲及自由振动的研究 1)

  刘世伦, 朱炳任,

  针对压电/压磁层合纳米梁屈曲、自由振动问题，基于非局部理论与正弦剪切型变形梁理论，建立了力学模型；利用哈密顿原理推导出层合梁运动方程与边界条件；通过数值解法求得层合梁临界屈曲载荷与自由振动频率。对数值结果分析可知：磁电弹夹层对压电/压磁层合纳米梁屈曲和自由振动的影响不能忽略；磁电弹夹层中压电或压磁材料的体积分数和夹层厚度为主要影响因素；分析得到的影响规律可为此类材料在工程中的应用提供理论参考。

• 嵌入无限大弹性板中圆板的热屈曲分析 1)

  孙云, 董晓龙, 李世荣,

  分析了嵌入无限大弹性板中的圆板在变温时的热屈曲问题。由于圆板的热膨胀系数与无限大弹性板的热膨胀系数不同，温度变化时圆板中会产生压应力。当压应力达到其临界值时，圆板会发生热屈曲。首先，基于弹性力学平面应力问题的基本理论，得到圆板和无限大弹性板的应力和位移；然后建立圆板热屈曲的控制微分方程，求得临界屈曲温度的解析解和数值解，着重讨论圆板和无限大弹性板的材料物性参数的关系对圆板临界屈曲温度的影响。

• 等截面金属弯钩极限承载力计算

  朱天赐, 黎立云, 王宏伟, 卫梦希,

  研究等截面弯钩受力时的应力分布及承载极限问题，本文以弹性力学的曲梁问题为参考，建立了平面应力条件下的金属弯钩的力学模型，得出了弯钩应力分布解，并通过ANSYS数值模拟进行验证，得出其危险截面。基于极限变形原理、弹性极限设计原理与塑性极限设计原理，提出了等截面弯钩失效的三种准则，为工厂生产不同极限载荷下的弯钩提供了理论依据。

• 摩擦力对偏心转子底座运动的影响

  尤明庆,

  偏心转子惯性力引起的底座运动受到地面摩擦的影响，与光滑情形的理论结果存在定性差异。转子逆时针匀速旋转的惯性力若小于构件总重，则底座随摩擦因子增加而出现连续、一次停顿和两次停顿的振动及完全静止的4种状态。因惯性力对正压力及摩擦力的影响，底座在连续及一次停顿的振动时右向位移较大；而底座跳起时如``蛤蟆夯''则整体向左移动。

• 知与用：理科力学的微积分教学再议

  唐少强,

  讨论了力学专业中微积分教学的目的、方法,是计划在北京大学出版社出版的《微积分导引(下册)》的前言。

• 斜面应力公式的适用条件 1)

  胡恒山, 宋永佳,

  斜面应力公式,即一点应力的坐标旋转变换公式,是材料力学和弹性力学里最常用的公式之一,并广泛用于固体力学和工程设计中。一个让学生感觉例外的典型例子是含V 形切口的薄板在切口尖端的应力情况,如果利用斜面应力公式和切口面的自由面条件,就会得出切口尖点处于零应力状态的结果,而这与线弹性断裂力学给出切口处应力趋于无限大的结果不符。为消除这一疑虑,考察了尖端应力的特性,指出：只有在过一点的各个斜面上的应力是单值连续的情况下,斜面应力公式才能适用,此时,该点的全部应力分量组成应力张量。在V形切口的尖端、裂纹尖端,自由面与顺其延伸至介质内侧的面上的应力不同,应力在该面上就不是单值连续的,该点的应力状态就不能用张量表示,斜面应力公式在切口或裂纹尖端就不适用了。

• 从虚功原理来理解卡氏定理的应用

  胡伟平, 孟庆春,

  从虚功原理的角度讨论了在应用卡氏定理时支座反力的处理方法与原理。解释了在静定结构中，支座反力必须视为与外载荷相关的变量，而在静不定问题，多余支座反力既可以视为独立变量，也可以视为与外载荷相关的变量的根本原因。启发教师和学生在进行该部分内容的讲授与练习时，除了能够灵活运用卡氏定理外，还能够从本质上理解卡氏定理。

• 任意复杂截面梁的扭转中心 1)

  路晓明, 曹海, 龚耀清,

  为了计算任意复杂非圆截面梁横截面扭转中心的位置，用节线法将其约束受扭后所有横截面面外变形的形状用一族包含节线未知函数的曲面表示，建立梁约束受扭时的控制方程后，再用常微分方程求解器分别求出单纯扭矩与横向载荷单独作用时节线未知函数的数值解，最后用刚度等效原理导出复杂截面梁横截面扭转中心的位置。算例计算结果表明：该方法是合理的、有效的，是计算任意复杂非圆截面梁横截面扭转中心位置的可靠方法。

• 弹性力学平面问题例说解的唯一性定理

  蒋玉川, 朱钦泉,

  解的唯一性定理是用逆解法或半逆解法求解弹性力学问题的理论依据，在此用应力函数法、应力法、应力和函数法求解弹性力学平面问题，让学生切实、深入地理解解的唯一性定理的内在含义，丰富和扩大弹性力学的解题方法和应用范围。

• 有限元仿真的一堂课——兼说实例驱动型启发式教学法 1)

  杨帆, 王莉华, 赵金峰,

  有限元仿真课程已成为力学等专业新工科人才培养中的重要环节。本文针对该课程的特点，提出了实例驱动型启发式的教学方法。通过对带孔方板受拉问题的教学实例的阐述，详细介绍了实例驱动型教学方法的组成部分和实施要点，讨论了启发式理念在该实例教学中的体现。通过同济大学的教学实践，表明所提方法能显著提高教学效果。

• 刍议大类招生形势下力学专业怎么办？

  楚海建, 宋丽芬,

  在大类招生形势下，不少高校力学专业出现了修读生源减少、生源质量下降的情况，不利于力学学科的整体发展。针对此问题，从力学专业招生面临的形势、力学学科的优势、以及大类分流工作的实践三个方面，探讨如何做好力学专业大类分流工作。

• 材料力学考核评价方式的改革与探索 1)

  吴蒙蒙, 杨少红, 章向明,

  现有考核评价方式侧重期末考试而忽略过程考核，结合材料力学课程，探索一套注重过程考核的评价体系，综合评价学生对本课程的掌握程度，即将期末考试成绩在总评中的占比由70%降低至50%，平时作业、随堂测验、模块测验、实验考核和案例分析成绩各占比10%。新评价方式更加注重对学生学习过程的考核，使学生在整个课程学习过程中保持高度紧张感，提高学习的时效性和目的性，进而提高学生学习材料力学的热情和材料力学课堂教学效果。

• 轻于粉蝶瘦于蜂—漫话蜻蜓的流体力学奥秘

  姜楠, 杨绍琼,

  从鉴赏描写蜻蜓的古代诗词入手,介绍了蜻蜓这种经过亿万年进化昆虫的神奇流体力学特性。重点介绍了蜻蜓的复眼、蜻蜓翅膀消除振颤、蜻蜓表皮的超疏水与鳞片减阻、蜻蜓幼虫的喷水推进等力学特性及其对工程技术发展的重要启示,同时介绍了蜻蜓机器人的发展现状。

• 一张纸最多能对折几次的力学分析 1)

  曾凡林,

  通过将纸张折叠问题简化为矩形截面简支梁在中段集中力作用下的三点弯曲问题,通过最大弯曲挠度和最小折叠载荷讨论了A4打印纸和八开报纸在普通人力作用下的最大对折次数问题。结果表明对于普通A4打印纸,一般成年人只能对折6次,最多也只能对折7 次。对于八开报纸,一般成年人能轻松对折7次,但是基本不可能对折8次。试验测试结果与理论预测结果吻合良好。

• 十年一剑刃锋利,苦寒方得梅花香—全国空间轨道设计竞赛发展历程回顾

  刘俊丽, 高扬,

  全国空间轨道设计竞赛(China Trajectory Optimization Competition, 简称 CTOC)依托中国力学学会,自2009年创办以来,至今已经成功举办了十届。经过十年来的不懈努力,CTOC为国内各高校及研究机构提供了空间轨道设计与优化研究的交流平台,既为我国的空间探索与应用领域选拔和储备了后备人才,又为该领域的工程实践提供了知识储备。本文以时间为主线,回顾了全国空间轨道设计竞赛十年来的发展历程以及所取得的成效,归纳总结了该竞赛的主要特色与创新。

• 银河系移民轨道设计—第十届国际空间轨道设计大赛冠军团队总结

  舒鹏, 罗亚中, 沈红新,

  由美国喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)主办的第十届国际空间轨道设计大赛于2019 年6月落下帷幕,中国队伍首次在该赛事中夺冠。本届比赛在历史上首次以科幻任务为背景,需设计对银河系10万颗恒星的最优移民轨道方案。本文介绍了银河系移民的任务要求、引力模型和飞船机动模型,着重分析了赛题的评价指标。引入了树结构来表示移民方案,并对移民树初始分布的选取方法进行了描述,再对比介绍了正向和反向两种移民树生成策略。同时对竞赛中使用的移民树局部优化和拓扑重构等方法进行了简要说明,并在银河系星图中以树结构展示了冠军方案。对本届竞赛的意义进行了总结,得到了一些有益的启发。