力学与实践杂志

力学与实践杂志2021年第2期

• 3D打印技术在岩石力学中的应用 1)

  田威, 余宸, 张丽,

  3D打印技术是近30年快速发展的先进制造技术,不同于传统成型技术所采用的压制、锻造、铸造等方法,3D打印技术的原理是通过计算机构建三维数字模型后,用极薄的物理层将构件叠加打印出来。本文根据打印材料以及成型工艺的不同,对代表性3D打印技术进行了详细的分类,并阐明了不同种类的3D打印机工作原理,同时总结了3D打印技术的研究现状,并且结合已有的研究成果分类阐述了3D打印技术在岩石力学中的应用,其中包括基于3D打印技术的岩体物理模型研究、3D打印岩体各向异性特征研究、常温下3D打印岩体的力学性能研究、高温下3D打印岩体力学性能研究。最后总结了3D打印技术在岩石力学应用中的主要优势,并结合目前 研究情况提出了3D打印技术在岩石力学中的应用的下一步研究。

• 地球-火星引力辅助下的地-火无动力循环轨道

  臧诗慧, 武迪,

  针对火星探测任务,提出一种地-火无动力循环轨道设计方法。该方法有望实现火星探测的自由返回,并能够多次无动力地火往返。本文首先求解地火之间转移的Lambert问题,考虑地球和火星引力辅助效应,并分别给出以地球和火星为中心的半圈转移轨道。其次,以该轨道作为辅助轨道,设计搜索能够实现无动力循环的发射窗口和转移轨道。最后,本文给出效率较高的几种无动力循环轨道,希望对未来火星探测的任务设计有一定指导意义。

• 复合材料垂尾受热应变激增问题分析

  石海波, 曹景涛,

  为了解决复合材料垂尾在无机动时应变电桥出现应变激增的问题,本文建立了一种采用应变法测量复合材料翼面结构飞行载荷的物理模型,并进行定性验证试验。理论分析和试验结果表明,垂尾单侧翼面受热时,2个弯矩电桥应变急剧变大(应变值分别为175.24和254.15),而2个剪力电桥的变化很小(应变值分别为13.52和3.83),其根本原因是由于复合材料的各向异性,而热导率和组成电桥的两个应变片之间的距离放大了这种热应变。这为后续采用应变法测量热环境下飞机复合材料的载荷提供了一定的理论依据。

• 水平分布三气泡运动特性研究

  黄鑫, 潘益鑫, 吕德磊, 陈韵海, 洪城,

  为研究孔径、间距对三气泡运动特性的影响规律,本文利用高速相机和粒子图像测速仪观察三喷嘴气泡的运动过程,分析间距与孔径对三气泡的轨迹、速度、偏移量的影响,并与单气泡和双气泡进行对比,获得间距与孔径对气泡的影响规律以及流场对气泡的运动影响。实验结果表明,气泡数目的增多会使气泡运动轨迹更加复杂;气泡间距和孔径的增大或减小,对气泡的速度、流场、偏移量和运动轨迹都会产生影响。

• 球对称瞬态非傅里叶热传导分析 1)

  刘承斌, 龚顺风, 王惠明,

  基于非傅里叶热传导理论,分别从频域和时域分析了球对称瞬态热传导问题。频域求解时,采用Laplace变换结合状态空间法以及层合近似模型,过程清晰统一。时域求解时采用了分离变量法和叠加法,能减小数值反变换所带来的误差。数值算例比较了两种方法的计算效果,结果表明时域法可清晰捕捉热波传播过程中的前沿波阵面。

• 基于广义混合元加筋板的振动特性分析 1)

  陈秀涛, 卿光辉,

  在网格较稀疏的情况下,采用位移元分析加筋板的振动特性问题时,模型的刚度偏硬,因而数值结果的误差较大。本文首先提出了考虑结构振动特性的广义混合变分原理,在此基础上建立了六面体非协调广义混合元的无阻尼自由振动特征方程。从理论上讲,非协调广义混合元的刚度矩阵相对于非协调位移元的刚度矩阵较柔, 因此数值结果更加接近实际结构的真实解。数值实例分析表明,在有限元模型相同的情况下,非协调广义混合元模型的固有频率结果更准确。另一方面,非协调广义混合元模型的固有振型与非协调位移元模型的固有振型的一致性进一步证明了本文方法的正确性。

• 基于高阶梁理论的功能梯度材料自由振动分析

  江希, 匡传树, 帅涛, 耿培帅,

  本文基于一种新型的高阶梁理论,研究了功能梯度材料梁的自由振动问题。首先对该新型高阶梁理论进行了介绍,然后对该理论进行了有限元实现,并利用Hamilton原理推导得到了离散的动力学平衡方程,构造了2节点8自由度的C1型高阶梁单元。参照文献作了均质悬臂梁的模态分析,验证了该梁单元的精度。然后利用该单元进行功能梯度梁的模态分析,并构造了一种材料相关性很弱的无量纲固有频率。由该无量纲固有频率引入了功能梯度梁与均质梁固有频率之间的转换关系,并通过算例分析了该转换关系的适用条件。

• 冰脊压剪试验及其对直立结构冰载荷的离散元分析 1)

  朱红日, 季顺迎,

  为更准确地分析冰脊与海洋结构的相互作用,本文提出一种基于粘结球体单元的冰脊离散元方法,其中龙骨与脊帆由不同尺寸的单元随机排列而成,整体呈各向同性。采用该方法模拟了一系列龙骨压剪试验,结果表明此方法能较好地表现龙骨的力学特性,且弹性模量、粘聚强度、内摩擦角等计算参数不仅影响龙骨的压剪强度,还影响其破坏模式。最后计算了冰脊与圆形直立结构的相互作用过程,其结果与ISO 19906规范结果相近,证明了该方法的可靠性。

• 基于Voronoi模型的脆性岩石微观结构数值模拟 1)

  邱鑫, 林缅, 郑思平, 陈天宇,

  基于离散元软件UDEC中的Voronoi模型,构建了致密岩石的标准压缩数值试件;应用FISH语言编译相关程序,监测不同脆性致密岩石的裂纹数量和密度在压缩过程中的变化特征。研究发现,随着岩石脆性指数的增加,岩石的起裂应力逐渐增加,而起裂点裂纹密度逐渐减小,高脆性岩石则是在较高的应力状态和较低的裂纹损伤状态下达到裂纹起裂点。岩石的峰值应力随着脆性指数的增加而增加,峰值点裂纹密度和脆性指数符合一拟合公式,根据该公式可以对峰值应力处岩石的裂纹损伤程度进行估计。可以把脆性指数0.6作为区分页岩脆性的经验值。

• 关于对模态概念的理解

  陈立群,

  通过分析模态的性质并与复模态和非线性模态比较以加强对模态概念的理解。固有模态的基本性质是模态振动的同频性、对初始条件的不变性、模态的正交性和系统响应的叠加性。复模态仍具有模态振动的同频性,但没有对初始条件的不变性,正交性和叠加性仅在状态空间中成立。非线性模态仅保留了同频性或不变性,不具有正交性和叠加性。

• 基于"专家型"竞赛的航天创新人才培养模式与实践 1)

  罗亚中, 李俊峰, 高扬, 李九天,

  围绕国内航天专业创新人才培养的需求,2009年创办全国空间轨道设计竞赛,迄今已成功举办10届,并探索形成了依托这一"专家型"竞赛的研究生"4C"培养模式。阐述了"4C"模式的内涵,以挑战性专业赛题为牵引,提升研究生创新能力、推动专业课程改革和推动产学研军民融合育人。从紧贴国家需求、培养科学精神、灵活的组织形式和举办专门研讨会等4个方面介绍服务"4C模式"的竞赛组织举措。总结了推进"4C"模式的主要做法和人才培养取得的成效。

• 轨道力学问题导向式教学培养轨道设计能力的实践 1)

  杨洪伟, 李爽,

  结合具有航天任务背景的轨道设计问题,开展问题导向式教学,激发学生主动学习热情,让学生在动手实践中学习基于轨道力学理论知识的轨道设计方法,是培养学生轨道设计能力的有效途径。本文介绍了对轨道力学问题导向式教学的措施,以及逐步培养学生轨道设计能力的轨道设计问题案例。选取的轨道设计问题与教学过程中的理论知识紧密联系,循序渐进,适合学生动手编程实践。在初步教学实践中取得了良好的教学效果。

• 面向"新工科"的"一核两翼、双轮驱动"实践教学模式构建 1)————以华东理工大学过程装备与控制工程专业为例

  马新玲,

  "新工科"建设是我国高等教育面对第四次工业革命的主动谋划,在工程教育改革背景下,现阶段本科教育教学过程普遍存在内容陈旧、培养单一、创新不足、跨界融合少等问题。本文以华东理工大学过程装备与控制工程专业为例,提出"一核两翼、双轮驱动"的实践教学模式,以双创为主体(一核),通过教务处统筹兼顾与各学院的纵深拓展(两翼),打造"教学科研-创新实践"一体化优质科创平台。设计"理论授课"与"双创实践"交叉螺旋推进的双轮驱动课程体系,做到"学与做"有机结合、相辅相成,不断提高学生的综合素质和工程实践水平,培养创新引领型精英人才。

• 大类招生背景下能源动力类本科生流体力学跨专业教学的探索与实践 1)

  王学德, 陈少松, 胡常莉, 谭献忠,

  在大类招生的背景下,为了使学生进一步熟悉学科大类下的专业方向,避免专业分流时学生专业选择的盲目性和功利性,本文在能源动力类大学二年级本科生流体力学的课程教学中开展了跨专业教育教学的探索与实践,探索了新的课程教学体系和教学模式,保证流体力学学科知识的系统性和基础性,满足专业分流后学生在后续学习时对流体力学知识的需求。同时,通过流体力学课程的教学体系和教学模式的创新,加强了学科大类下本科生在基础教育阶段的专业教育,期望能够对学生在专业分流时起到一定的引导作用,帮助他们提高对专业的正确认识。课程评价调查问卷的反馈结果和专业分流情况的统计分析,进一步证实了本文的教学实践对于学生了解能源动力类的各专业方向、提高学习兴趣和学习效率具有一定帮助作用。

• 场论视角下的刚体运动学

  张新华,

  基于矢量场的Helmholtz分解定理,重新审视刚体运动学,分析了速度场与加速度场的构成成分。分别导出了速度场与加速度场的梯度、散度与旋度的表达式,并阐述了各自的力学含义。

• 基于Matlab求解时谐复系数弹性波方程的超弱变分方法 1)

  袁龙, 赵茂先,

  众所周知,弹性波方程被用来描述工程应用中的弹性波传输问题。高效数值求解弹性波方程是一个重要的研究课题。提出了基于平面波离散的间断有限元超弱变分法。首先,选取满足剖分单元上齐次偏微分方程和其对偶方程的解析解分别作为检验空间和测试空间,得到等价的间断有限元变分形式;然后分别定义二维空间下的矢量平面波检验离散空间和测试离散空间,进而得到离散变分形式。基于Matlab软件的数值实验验证了新算法具有较高的精度。

• 使用拍照手机的数字图像相关测量系统在实验力学教学中的应用 1)

  俞立平, 潘兵,

  为了加深对力学知识的理解以及激发学生对实验力学的兴趣,本文介绍了基于拍照手机和二维及三维数字图像相关方法相结合的变形测试方法。首先以经典的单向拉伸实验为例,应用拍照手机和二维数字图像相关法测量了铝合金试样的载荷-应变曲线,并引入"补偿法"思想消除手机成像系统的成像误差以实现高精度的应变测量。随后,利用基于单个拍照手机和伪立体视觉成像的三维数字图像相关系统测量了规则圆柱面和非规则曲面的三维形貌,并测量了充气球体在放气过程中形貌变化和三维全场变形。实验结果直观地显示了充气球体表面在放气过程中的变化规律。这种易于获取、低成本且便携性好的数字图像相关测量系统不仅大大减少了系统搭建的硬件投入,更提高了实际测量的便利性和效率,因此有助于在条件有限的高等院校和研究机构中开展实验力学教学。

• Neumann边界条件的半空间调和方程基于广义函数的求解 1)

  赵福垚,

  经典弹性力学中的半空间边值问题可以转化为Neumann边界条件下半空间的调和方程问题。基于广义函数中的狄拉克\delta函数及其相关性质,可以对这一问题的求解给出一个简洁的证明并可分析其相关的工程应用。此证明可以避免一些较复杂的数学工具的使用,有利于弹性力学相关问题的学习和探讨。

• 血管里的"罗宾汉效应" 1)

  乔爱科,

  血液循环系统里有一种类似于经济学术语"罗宾汉效应"的"劫富济贫"或者"劫贫济富"的现象——"盗血"综合征。盗血现象背后蕴含着科学的生物力学机理。本文介绍了盗血现象的确切含义及其生物力学机理,可以启发读者从生物力学的角度来解释医学问题中的科学道理。

• 再谈拔河比赛中的力学分析 1)

  张伟伟, 杜秀丽, 赵子龙,

  本文建立了拔河运动员的受力模型,分析了拉绳倾角、身体倾角、运动员姿态等因素对拔河结果的影响规律。结果表明,抬高拉绳有利于增大我方的最大静摩擦力;较小的身体倾角有利于减小拉绳的拉力矩,但需要综合考虑拉绳倾角的影响;手臂弯曲后可减小拉绳的拉力矩;腿部微弯会同时导致拉力矩和重力矩减少,但通过脚蹬地,可将腿部力量转化为拉力从而增加对抗力量。

• 金属材料的强韧化 1)

  马彦, 袁福平,

  本文主要综述了金属材料的传统强化手段,包括固溶强化、析出强化、相变强化和细晶强化等,但传统强化手段大都以牺牲塑性为代价。非均匀异构金属由于应变梯度效应和背应力硬化能够实现强韧化,成为目前金属结构材料研究的热点。本文对异构金属进行简单的介绍,对金属材料的发展进行了讨论与展望。