力学与实践杂志

力学与实践杂志2021年第4期

• 静电纺丝装置及其力学机理研究进展1)

  尹静, 高璐璐, 徐岚,

  纳米纤维具有高比表面积,在能源、环境和航天等领域具有巨大应用前景。静电纺丝是生产纳米纤维最方便、最直接和最经济的方法之一,其力学机理的研究作为解决静电纺纳米纤维瓶颈问题的关键一直受到各相关领域的关注。本文详细介绍了各类静电纺丝装置及其机理研究的进展,重点介绍了纺丝过程中射流的力学机理研究及需要解决的瓶颈问题,总结了纺丝过程中射流力学模型的发展现状及其数值模拟研究,展望了数值方法在静电纺丝 领域的发展前景。

• 球形颗粒对固体壁面附近激光诱导空化泡射流行为影响的实验研究1)

  张湘晴, 张宇宁,

  依托高速摄影系统,本文探析了固体壁面和单个球形颗粒附近激光诱导空化泡溃灭过程中的射流行为。在实验过程中,主要对空化泡与颗粒间的无量纲距离以及空化泡与固体壁面间的无量纲距离进行了精确控制。基于高速相机所捕捉到空化泡完整动力学 过程的图片和数据,发现无量纲数\alpha (空化泡\!-\!颗粒无量纲距离与空化泡\!-\!固体壁面无量纲距离间的比值,表征空化泡在固体壁面与颗粒附近的相对位置)对实验结果有着较为显著的影响,并基于此对实验结果进行了定性和定量分析。分析结果表明：(1)与无颗粒的情况进行对比,颗粒的存在使空化泡溃灭时的射流方向产生偏移,且\alpha越小,其所对应的射流方向的偏移程度越大。(2)当\alpha较小时,空化泡沿颗粒表面向壁面方向发生显著移动。

• 风力机气动特性的浸入边界法模拟1)

  李燕玲, 胡进, 周锟,

  风力发电机的空气动力学性能是决定风力机安全与效率的最重要因素之一。但由于影响风力机气动性能的参数众多,更加高效精确地模拟风力机气动特性一直是风力机的重要发展方向。本文提出了基于浸入边界法的风力机建模,网格离散,以及数值模拟的统一性框架。利用同伦变形来生成光滑的叶片模型,并且使用仿射变换来处理叶片的渐缩与扭转问题。首先,针对二维翼型的升阻力,检验了算法的数值精度。表明此方法对于阻力的模拟具有非常严格的一阶精度,进而提出采用理查森外推法来精确高效修正升阻力模拟结果。同时,模拟研究了拱曲度以及厚度对二维翼型升阻力的影响。随后,模拟研究了单风力机(包含塔架)在不同尖速比下的功率系数,并对塔架与叶片间的相互气动作用进行了初步分析。最后,模拟研究了双风力机在风场中不同前后间隔距离下的气动干涉问题。本文主要意义在于验证建模,离散,与数值模拟的一体化框架的有效可行性,进而为后续研究(给定约束下风力机自动优化选型)提供坚实基础。

• 舰载机缩比落震动载荷预计及试验技术1)

  金鑫, 刘宇, 唐长红, 张玉杰, 张建刚,

  舰载飞机全机落震试验是考核机体结构、起落架以及机载设备承受舰动态冲击载荷能力的整机级试验,但作为大型动态试验,其试验规模大、准备周期长,一般承制单位难以实施。本文提出了一种舰载机缩比落震动载荷预计及试验方法,该方法在保证动力学相似的前提下,将原型机按照等比原则进行缩放;同时,设计了一套全机落震试验方法,经过动力学相似理论的推导,可将缩比模型落震试验结果还原到原型机载荷。该方法以较低成本预测了原型机全机落震试验结果,经过原型机试验验证,满足试验预计精度,在一定程度上可对舰面动载荷进行提前预计与分析。

• 新型轻质阻尼基座设计与隔振性能研究

  刘瑞霞, 裴东亮, 王育人,

  为了减少船体振动与辐射噪声,采用声子玻璃和弧形衔接结构设计了一种新型轻质阻尼基座。然后用加速度振级落差表征其隔振性能,开展了水泵电机激励下的基座隔振性能试验研究, 结果表明阻尼基座在20\sim10 000 Hz的频率范围具有显著的隔振效果,相较于同尺寸钢制基座,其振动落差总级可达12.93dB。研究结果充分验证了本文设计的轻质阻尼基座具备高强度、高阻尼、宽频隔振的特点,在舰船机械设备等减振降噪领域具有广泛的潜在应用价值。

• 弹性地基中含孔隙的功能梯度圆锥壳的振动分析1)

  黄小林, 刘思奇, 肖薇薇, 吴迪,

  为研究弹性地基中多孔功能梯度材料圆锥壳的振动特性,基于经典薄壳理论建立了弹性地基中含均匀和非均匀分布孔隙的功能梯度材料圆锥薄壳的振动方程,并用伽辽金法求得了自由振动和动力响应的解。通过参数分析讨论了孔隙、弹性地基参数、半锥角等因素对功能梯度圆锥壳自由振动和动力响应的影响。结果表明,弹性地基的压缩和剪切刚度的增大提高了圆锥壳的振动频率而显著减小了动力响应;当半锥角增大时,圆锥壳的动力响应显著增大。与非均匀分布孔隙壳体相比,均匀分布孔隙壳体的自振频率和动力响应随孔隙率的变化更为敏感。

• 基于非线性级联系统的弹性关节空间机器人新型滑模控制1)

  梁捷, 秦开宇, 陈力,

  研究了双臂弹性关节空间机器人的改进型非线性干扰观测器(nonlinear disturbance observer, NDO)设计、新型自适应动态终端滑模控制和弹性振动抑制问题。首先,考虑空间机器人的关节弹性,基于非线性级联系统的结构建立弹性关节空间机器人模型,分为外环机械臂动力学和内环关节动力学,具有渐近稳定性。针对外环机械臂动力学模型,设计基于改进型NDO的新型自适应动态终端滑模控制算法。针对内环关节动力学模型,设计力矩反馈控制算法来抑制弹性关节振动。本文提出的基于非线性级联系统的自适应动态终端滑模控制算法具有良好的动态特性及较强的鲁棒性,可在关节柔性刚度较小情况下,快速完成弹性关节振动抑制,实现空间机器人轨迹的精确跟踪。系统仿真试验证明了本文控制算法的正确性。

• 层状弹性体系力学及其应用

  王凯,

  层状弹性体系力学是弹性力学的一个分支。首先介绍层状弹性体系力学的发展历史。其次介绍N层弹性体系的力学分析与计算,内容包括基本假定、应力和位移分量的表达式、定解条件、根据定解条件建立求解积分常数的线性代数方程组、由线性代数方程组求解积分常数、贝塞尔函数的计算、积分计算公式、数值积分、后续的力学计算以及计算算例。最后介绍层状弹性体系力学在科学研究和工程设计中的应用。

• 混合能量原理求解矩形板在静水压力作用下的弯曲

  陈英杰, 阙春发, 郭敦,

  本文从能量原理出发,以混合变量的最小势能原理为理论指导,对其进行进一步的研究。求解出了静水压力作用下三边简支一边固定、两邻边固定两邻边简支、三边固定一边简支三种不同边界条件下矩形板弹性阶段的挠曲面方程,并通过应用数值分析软件对方程组求解,将所求得的数值解与有限元的模拟值进行数值分析。对于矩形板在静水压力作用下的弯曲问题已经有很多相关研究,但本文方法是一个新的方法。结果表明：本文研究方法对于工程实际中各种相关问题拥有良好的实用性,计算方法为工程实际问题提供了一个新的途径。

• 工字形薄壁梁翼缘弯曲切应力的进一步分析1)

  马志敏, 黄昆涛, 黄志强, 胡毕华,

  本文通过梁相邻两横截面间轴向的平衡条件,进一步推导了工字形薄壁梁翼缘与腹板交接区域垂直于剪力的切应力和翼缘上平行于剪力的切应力计算公式。结果表明,所得公式完全满足横截面对称性条件和应力边界条件。在此基础上,绘制了工字形薄壁梁横截面上新的切应力分布图。本文的研究成果可作为学生全面学习工字形薄壁梁上弯曲切应力的重要补充。

• 尾矿颗粒沉降和分选规律研究1)

  侯永莉, 郝喆,

  开展了尾矿颗粒在流体中沉降和分选规律研究。首先,对尾矿颗粒在流体中受力特征和各种力作用效果进行分析;其次,对牛顿流体中尾矿颗粒沉降和分选进行研究;再次,对宾汉浆液中尾矿颗粒沉降和分选进行研究;最后,对理论公式进行了讨论和结果验证。论文确定了尾矿颗粒在不同流体中的沉降特点,提出在浆体流动中不沉的最大粒径,推导出球形颗粒的沉降微分方程,推导出颗粒最终沉速和沉降距离,求得了颗粒水平运移距离,结果讨论验证了理论公式的正确性。

• 高阶思维训练的课程内容设计—以材料力学典型例题为例

  李敏, 李芷菡, 陈伟民,

  培养学生“高阶性”思维模式是一流课程建设的目的,具有一定“挑战度”的课程内容设计是该项工作的重点与难点。本文通过实例说明该工作的特征,为相关课程建设的实施提供参考。

• 飞机结构设计中载荷安全系数的工程意义1)

  程小全, 张纪奎, 郦正能,

  飞机结构设计课程中将安全系数作为外载荷的内容进行阐述,而材料力学中安全系数属于材料强度方面的内容,初学者很难区分两者的不同,容易对安全系数的内涵产生误解。为此,本文首先对两个安全系数的定义进行对比,分析两者内涵的差别,进而阐述飞机结构设计中载荷安全系数的工程意义,并从复合材料结构设计值及安全系数的确定方法与金属结构的对比分析,加深对载荷安全系数工程意义的理解,以期帮助初学者尽快掌握安全系数的概念。

• 带棱角物体于斜面上静止释放瞬时将如何运动?1)

  瞿立建, 任晴晴,

  本文研究的问题是斜面上物体的运动,物体以一个棱角与斜面接触,且初始时刻物体处于静止状态。物体有滑动和转动(即物体发生倾倒)两个基本运动类型,总共有九个组合,本文预言了可以出现的运动形式,并给出了对应的发生条件。本问题分析的关键在于摩擦力和质量分布。物体质心如果处于支持力作用线靠近斜面顶部一侧,只能发生向上和向下无滑倾倒(即绕接触点的纯转动)、下滑上倾和下滑下倾运动。物体质心如果处于支持力作用线靠近斜面底部一侧,只能发生向下无滑倾倒、下滑下倾和下滑上倾运动。本问题在教学上很有价值,能给学生带来对科学研究的初步体验

• 相对平衡液体铅直作用力的简便计算方法1)

  顾磊, 倪福生,

  采用积分方法求解相对平衡液体对壁面的铅直分力较为复杂,尤其是涉及抛物面方程时极易出错。教学中探讨发现,在求解静止液体作用力时提出的压力体几何作图方法,同样适用于相对平衡液体,其计算的理论基础和基本方法可与静止液体统一起来。这将积分计算转化为几何体积求解,在相对平衡液体的计算中更能发挥该方法的简便性优势。

• 含刚性斜杆的平面有侧移刚架内力计算1)

  吴耀鹏, 邓远航, 郭昕,

  在结构分析中,为简化计算常假定结构体系中某些杆件或杆件沿某个方向为无限刚性,含刚性杆结构的内力分析是结构力学的教学难点。在位移法教学中常涉及有侧移刚架,若刚架中含斜杆和刚性杆件,杆端位移将受到限制,结构体系中必有非独立结点位移出现。本文通过引入刚架中刚性约束的约束方程,获得约束方程的系数矩阵,根据系数矩阵秩的计算确定结构体系的基本未知量。并根据约束方程确定结构体系非独立结点位移与独立结点位移间 的关系式,应用位移法分析刚架内力。

• 基于新型光弹性实验技术的力学实验教学方法探索1)

  黄兴, 毛霜霜, 冯捷敏, 吴凤琳, 吴鸿, 张东升,

  为了解决传统光弹性实验教学中数据处理过于复杂、时间过长的问题,将新型光弹性实验技术探索性地运用于力学实验教学。本文在简要介绍该技术基本方法的基础上,以教学实例的形式着重阐述了其在实验教学中的运用。该技术在实验教学中的运用不仅使光弹性实验教学测量由定性判断过渡到定量测量,而且能够拓展学生的视野、培养学生的创新思维能力。

• “互联网+”背景下新工科多循环镶嵌式“工”型人才的培养模式1)

  马新玲,

  “互联网+”和制造技术的融合,驱动着产业迅速发展。在“新工科”背景下,本文总结提炼出了“工”型人才概念,提出多循环嵌套式的教育 理念,培养兼具专业素质技能、创新探究能力、责任与时代担当的卓越工程人才。并在实践与不断优化中形成了“课堂—实验—科研”三位一 体的教学模式。致力于为国家建设提供专业素质技能过硬、创新探究能力突出、富有责任与时代担当的工程技术人才保障。

• 基于项目管理模式的材料力学实验教学改革1)

  王义平, 于化龙, 历长云, 姚彦博,

  材料力学作为高校工科学生重要的专业基础课,实验部分在培养学生“理论与实践相结合”能力方面具有不可替代的作用。在应用型人才培养目标下,高校材料力学实验教学普遍存在与培养要求不协调的问题,文章基于项目管理模式对实验教学内容、教学方法、教学组织进行改革,在锻炼学生动手能力基础上,培养学生解决工程实际问题的能力。

• 数值模拟软件在振动力学教学中的应用1)

  冯文杰, 李海艳,

  振动力学课程教学过程偏重理论知识的讲解,教学中涉及大量的公式推导,学生理解起来有一定难度。本文将数值模拟软件引入振动力学教学过程,首先分析了振动力学教学过程中存在的主要问题,然后列举了多个典型振动力学数值模拟实例,将振动力学中的现象、概念等通过软件直观地模拟出来。通过问卷调查及应用前后成绩分布分析发现,振动力学教学结合数值模拟可提高学生对振动力学问题的直观认识,有效激发 学生的学习热情,提高自主学习能力,培养学生的数值建模及利用数值手段分析并解决实际问题的能力。

• 科学玩具“记忆合金发动机”的动力学分析

  李灿, 熊举峰,

  定量分析了科学玩具“记忆合金发动机”的动力学参数。通过弹性体的弯曲原理构建物理模型,计算出了“记忆合金发动机”的有效转动力矩;并由带传动原理得出了其工作时的角速度、线速度、功率与记忆合金丝的半径、主动轮半径、拨动角度以及倾斜角度所存在的关系。分析了一定的有效转动力矩是“发动机”转动的首要条件。