力学与实践杂志

力学与实践杂志2021年第3期

• 偏瘫步态分析与仿真研究进展1)

  张清悦, 钱竞光,

  步行是运动的动作基础,对异常步态进行生物力学研究能够有效提高相关患者的诊疗和康复效果。根据现有文献资料,以偏瘫步态为例探讨步态分析的研究进展：从应用影像解析进行运动学定量研究,到应用肌电、测力台和逆向动力学进行动力学定量研究,再发展到运用动力学建模仿真对步行下肢肌力的定量研究,揭示人体动力学与骨骼有限元耦联建模的研究新动向,并提出异常步态动力学数据常模研究的重要性与不足。

• 纤维悬浮液在离心泵中的流动及减阻特性1)

  张启华, 康顺, 谢之昂, 张为栋, 闫召旭, 匡世波,

  在进行开式叶轮离心泵(额定转速n = 1450 r/min,流量Q = 26.8 m^3/h)的性能测试时,发现纤维悬浮液的存在使泵产生减阻特性。采用粒子图像测速法对叶轮流道进行拍摄,研究纤维粒子对流场的影响。结果发现,在质量浓度0.1%\sim0.2%范围,流量0.4Q\sim1.4Q范围,随着纤维浓度的增加,悬浮液的流动损失随之减小。通过高速摄影拍摄纤维粒子分布,发现流量较低时,纤维取向主要沿着圆周方向。而在额定流量和较大流量下,纤维取向倾向于随机分布。随着纤维浓度增加,流道内纤维之间的相互作用进一步增加,有利于减少流动损失。随机分布时的减阻效果明显高于圆周分布,随机分布导致相对速度更大的提升是主要原因。在整个实验过程中,没有产生纤维粒子导致的沉淀和堵塞现象。

• 用给定转角分步实现刚体任意有限转动的研究

  巩浩然, 武迪, 龚胜平, 李俊峰,

  刚体的任意有限转动可以分解为3次绕指定转轴的定轴转动,但在实际应用中,可能出现难以绕某轴实现连续任意角度旋转的情况。本文探究的问题是,刚体的任意有限转动是否可以分解为几次旋转角大小给定、转轴方向任意的定轴转动,以及如何实现这种分解。本文以姿态四元数为主要工具,构造性地证明了上述分解的可行性,并给出了具体的分解方法。

• 直升机舱门不均匀分布气动载荷加载方法研究

  李玉莲, 袁胜弢,

  针对直升机舱门结构强度有限元力学分析中,不均匀分布气动载荷难以施加的问题,提出基于数学分析,采用最小二乘法,对直升机机身局部结构的气动压力点的压力值进行压力分布曲面拟合,快速得到所有有限元节点的压力值,并通过Patran分析软件前处理中的Field (域)功能实现对有限元节点快速加载。该方法对某型机舱门的不均匀分布气动载荷加载进行验证,结果表明该方法精度高,可快速实现不均匀分布载荷的施加,有效解决有限元仿真分析前处理中不均匀载荷的加载问题。

• 驾驶室热舒适性仿真与优化1)

  王勇, 陈振雷, 石凡, 刘攀勇, 石永康,

  针对驾驶室热舒适性评估与优化的问题,采用基于Fluent二次开发的用户自定义函数对驾驶室热舒适性进行仿真分析。结合国际热舒适性通用指标预计平均热感觉指数和预计不满意率对驾驶室的热舒适性进行了定量分析,并探究了送风方式和送风温度对驾驶室环境热舒适性的影响规律。结果表明：顶部送风相比于前部送风可以更好地改善驾驶室环境的热舒适性,而且保证人体各部位及驾驶室整体热舒适感分布均匀,送风温度相较于送风方式对驾驶室热舒适性的影响更为显著。

• 基于拉断的Mohr--Coulomb破坏准则的钢筋混凝土框架柱倒塌失效模式研究1)

  吴楷文, 罗嗣海, 周旭光, 查支祥,

  为研究钢筋混凝土框架柱塑性铰区的具体破坏形式,本文基于拉断的Mohr--Coulomb破坏准则提出了水平与竖向载荷共同作用下钢筋混凝土框架柱的五种倒塌失效模式,通过高宽比、轴压比等结构参数作为主要影响因素推导、界定了其中三种典型失效模式的发生条件、分布情况,并得知失效模式b是钢筋混凝土框架柱最常见的倒塌失效模式,最后通过文献试验结果验证了上述理论成果,为地震作用下钢筋混凝土框架柱侧移计算以及抗倒塌设计提供进一步的理论基础。

• 考虑邻近建筑物影响的基坑支护结构受力响应分析1)

  赵世永,

  为了深入了解临近建筑物对基坑支护结构受力响应的影响,通过学习前人的研究成果和基于自身经验采用三参数地基弹性梁模型,来考虑临近建筑物与支护结构间有限宽土压力、基底应力等的影响,根据支护结构受力特点,得到一种考虑临近建筑影响的支护结构计算分析模型;采用桩身离散的方法创建了支护结构的内力及其变形计算的矩阵表达式,得到一种半解析解答的方法;并根据工程实例对该方法进行计算验证,对建筑基底应力、距支护结构距离的影响规律进行了分析,验证了本方法的可行性,可为城镇建筑密集区域的基坑工程类似支护设计提供参考。

• TKA术后一种假体周围骨折的力学原因分析1)

  刘岩, 张恒岩, 王君, 张嘉, 郇勇,

  全膝关节置换(total knee arthroplasty,TKA)术后,股骨远端易发生由外侧下方至内侧上方的骨折。通过人体站立、屈膝、行走等工况的模拟,分析股骨远端塑性应变及应力的分布情况,揭示该种骨折发生的原因。股骨髁部位塑性应变在三种工况下均出现在髁间窝及假体边缘线附近。行走时,塑性应变主要出现在股骨髁外侧,向内侧上方扩展,与骨折线走向吻合,是引发股骨远端外侧下方至内侧上方骨折的重要原因。并且,股骨干外侧应力明显大于内侧,且大应力区集中的外侧靠近股骨髁部位,这是导致该种骨折发生的另一个重要原因。

• 真实牙根管冲洗过程的数值模拟1)

  黄正秋, 于明州, 周娜, 金晗辉,

  采用计算流体力学方法研究在真实人体牙根管的清洗过程中的根管内部流场特性,针对重建后的真实人体根管模型和 30 g 平头针,评估了冲洗液不同冲洗流速和针头不同工作深度对根管内流动形态、速度、壁面剪切应力和顶端压力的影响。结果表明：在真实人体根管中,持续增加冲洗液流速并不能对冲洗效果产生显著的提升效果,却会大幅提高顶端压力提升造成的挤压风险。工作深度与冲洗置换能力不是线性关系,适当的工作深度不仅具有最好的冲洗液置换效果,而且能降低顶端平均压力;而过大的工作深度对根管冲洗效果有着负面影响。

• 基于神经网络和平直节理接触模型的细观参数标定方法1)

  李新平, 黄明智, 王刚, 徐坤, 刘婷婷,

  近年来,颗粒流程序离散元分析方法在岩石工程领域广泛应用,它从细观角度最大限度地还原了岩石等材料力学行为的本源,但颗粒流模型的细观参数与岩石材料的宏观参数并不相同,其标定过程复杂、耗时。为此,基于平直节理接触模型,以单轴压缩、直接拉伸和双轴压缩等数值模拟试验测试岩石材料宏观力学参数;对模型细观参数进行正交设计,并通过多因素方差分析研究宏细观参数之间的关系;采用BP (back propagation)神经网络建模对细观参数进行标定并校核标定结果,校核结果表明细观参数标定精度普遍高于90%,且总体误差较小,证明了标定方法的可行性。结合花岗岩在室内常规试验下的应力-应变曲线和破坏特征,验证了神经网络的反演方法在标定岩石材料细观力学参数工作中的有效性。

• 网格生长动力学模型的建立和求解及其混合黏性网格生成中的应用1)

  任一鹏, 刘枫, 林其, 胡华伟,

  真实飞行器外形复杂,涉及的流动结构和现象对数值模拟中所需的网格提出了较高的要求。本文首先研究了各向异性黏性网格的生成方法,提出了网格生长动力学模型,并建立了松弛算法求解该模型,从而得到合理的层状网格;提出并建立了各向同性四面体网格的阵面推进Delaunay网格细化算法。最后通过数个算例对所建立的混合黏性网格生成方法的适用性和可靠性进行考察。结果表明,本文建立的混合黏性网格生成方法适用于复杂飞行器的网格生成,具有较高的可靠性。

• 材料力学中小变形假设辨析

  李敏, 李依伦,

  本文展示了小变形假设在材料力学教学内容中的作用,辨析了小变形假设成立的原则。

• 考虑摩擦时刚性直杆倾倒的运动分析1)

  李浩隆, 冯维明,

  为了探究考虑摩擦时均质刚性直杆倾倒的全过程,利用理论分析和数值计算的方法,详细分析了在不同摩擦因数下刚性直杆倾倒的三种运动过程,得到了倾倒时的动力学方程及其解答,并推导了杆触地端位移的表达式,通过数值计算的方法绘出了杆触地端最终位移与摩擦因数的关系曲线,并通过实验验证了部分结论。

• 平面杆件体系几何组成分析的运动学方法1)

  舒开鸥, 郭子涛, 陈彬, 张雷, 樊耀星,

  平面杆件体系的几何组成分析是结构力学重要的基础内容,教材介绍的两刚片规则、三刚片规则及零载法等分析方法在处理一些构造复杂的体系时,往往无能为力。本文基于两个关于虚铰和无穷远虚铰的运动学特征定理,建立了一种理论上能分析任意平面杆件体系几何组成的运动学方法,并给出了三个应用实例。

• 多自由度固有振动广义特征值问题的复分析证明1)——工科教育中的理论思维能力培养一例

  王怀磊,

  在振动理论中,"线性系统固有振动的广义特征值问题仅具有非负实特征值"是一个基本的事实,然而现有教材对这一结论的证明一般都是基于矩阵分解理论,这对于绝大多数大学本科生而言属于超前的数学知识,因此会造成学习上的一定困难。本文针对该结论给出了一种基于复分析的较为初等的证明方法,该方法仅利用复数的基本概念和简单的矩阵代数运算而不涉及矩阵分解理论,从而既能保证理论体系的严密性,又降低了该问题的数学论证难度。

• 浅谈三根火柴杆悬挂重物的平衡原理1)

  余为, 梁希,

  介绍了一个利用三根火柴杆悬挂重物的有趣力学试验,分析了其平衡的原理是火柴在桌面边缘处发生了自锁现象,通过理论力学的平衡方程及梁的弯曲变形理论求得了其所能悬挂的最大重量与火柴抗弯刚度、火柴与桌面摩擦系数、火柴外伸尺寸及火柴布局等因素的关系。通过几个算例讨论了摩擦系数、棉线与桌面距离对悬挂极限载荷的影响。

• 有限元软件中通用梁单元的统一形成方法1)

  陈璞, 杜晖, 孙树立, 傅向荣,

  本文根据作者参与多个有限元软件开发的经验,讨论并给出了满足多种工程需求的通用梁单元的刚度矩阵及其单元载荷向量形成方法,特别是基于柔度法的Euler梁单元、Timoshenko梁单元和变截面梁单元的统一形成方式,以及不同梁端条件下的单元刚度矩阵与载荷向量的统一形成方式,便于工程有限元软件开发人员参考借鉴,并希望能对有限元方法的教学实践有所帮助。

• 飞机结构设计课程教学目标探讨1)

  程小全,

  飞机结构设计是飞行器设计与工程专业本科核心专业课程,对飞行器结构设计人才的培养具有重要作用。基于飞机结构设计技术水平的划分,分析了我国现在和未来飞机结构设计的技术水平,总结出飞机结构设计人员的4项基本素质,提出了新的飞机结构设计课程教学目标。根据新的教学目标,形成了相应的教学方法,并进行了教学实践。结果表明,在教学过程中,通过采用多种教学方式,能够有针对性地解决学生基本素质问题,提高学生结构设计的能力,有效地贯彻新的教学目标。

• 面向专业人才培养目标的材料力学一流课程建设1)

  祝捷, 周宏伟, 左建平, 王宏伟, 刘德军, 薛东杰, 李明耀,

  在深入分析课程建设面临教育教学理念、专业培养目标、学生学习动力等挑战的基础上,中国矿业大学(北京)材料力学教学团队贯彻成果导向教育理念,"反向设计、正向支撑",将专业人才培养目标分解落实到课程中,夯实课程教学与毕业要求指标点的支撑关系;探索实践了以学生为中心的双闭环教学模式,强化课内外教学互动。结合多元化质量评价,教师动态分析学情、持续改进教学,切实保障了专业培养目标的达成和个性化学习成果的产出。

• 基于科教融合、以赛促学的精益化人才培养探索与实践1)

  马新玲,

  世界百年未有之大变局为中国发展提供了新机遇与新动力,培养卓越工程人才是重中之重。本文从关键品质、专业技能和工程能力三个维度,总结出"新工科"背景下人才的核心素养要求,并提出基于科教融合、以赛促学的精益化人才培养模式。从培养思路、运行框架和实施环节三个层面阐述了该模式精准、精益、精简的设计构思。并以大学生创新创业训练计划项目实施为例,介绍该培养模式对学生综合工程能力的培养与提升效果。

• 含刚性段复合压杆的稳定性分析1)

  冯侃,

  压杆稳定性实验是材料力学中一个重要实验内容。然而,压杆稳定性实验中压杆两端的约束往往需要附加刚性的夹持件来实现。为了讨论压杆端部夹持件对测试结果的影响,本文基于弹性系统的稳定性理论,采用欧拉方法,分析了两端包含刚性段的复合压杆的稳定性,并通过数值求解讨论了刚性段不同占比情形下压杆的临界载荷。同时,采用有限元数值模拟方法验证了理论分析的结果。本文结论将为压杆稳定性实验教学提供参考。

• 浅析"嫦娥五号"回家之路

  王柏懿,

  从科普角度,浅析"嫦娥五号"的跳跃式再入轨道,说明再入地球大气层期间遭遇的"热障"和"黑障"问题及解决途径。

• 银枪刺喉表演的力学原理浅析1)

  张桂民, 董纪伟, 罗宁,

  基于银枪受力状态,分别构建了细长压杆和简支梁模型,给出了枪杆弯曲变形与表演者喉部受力的关系,建议了几种表演技巧。主要结论包括：(1) 压杆失稳型表演,即使枪杆产生了大变形,表演者喉部受力亦不大。增大杆长,减小杆细,采用更为柔软的藤棍和更钝的枪头,以及使枪杆尽快弯曲,均可减小表演者喉部受力。(2)简支梁型表演并非"真正的银枪刺喉",枪杆弯曲变形取决于辅助人员用力,表演者喉咙所受的刺向力并不大。

• 《振动力学——研究性教程》评介

  陈立群,

  本文评介胡海岩著《振动力学——研究性教程》。概览了该书基础性前两章和专题性后5章的主要内容。分析了该书的突出特点,即教学和研究的融合,工程和科学的统一,继承与创新的互补。