力学与实践杂志

力学与实践杂志2021年第5期

• 生物质热化学转化的CFD模拟研究1)

  库晓珂, 王金, 陈涛, 张润辉,

  从颗粒多相流计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)建模的视角分析了生物质热化学转化过程。首先在欧拉-拉格朗日框架内给出了颗粒相和流体相的演化方程。接着,针对常见的生物质气流床和流化床转化过程(如热解、气化等),概述了文献中特别是本课题组在CFD模拟方面的研究进展。最后,针对生物质颗粒偏大的特性,综述了热厚模型的发展现状并介绍了课题组建立的一维和多维热厚模型。

• 小行星2016 HO3表面动力学环境分析及采样挑战1)

  张永隆, 闫翛然, 李俊峰, 曾祥远,

  小行星探测是当前深空探测领域热点问题之一,对于小行星的采样返回、表面巡视等探测任务需要小行星表面动力学研究作为基础。目前小行星表面动力学仍是一个重大难题。本文从小行星表面物体自由运动趋势及能否产生自发运动两方面对小行星表面动力学环境进行分析。以小行星2016 HO3为研究对象进行数值仿真计算,给出小行星2016 HO3表面动力学环境特点。最后根据这些特点,从小行星表面动力学环境入手,论述了我国未来针对小行星2016 HO3采样任务与国际上其余小行星采样任务相比所面临的更多困难与挑战。

• 大型低轨星座自适应绝对站位保持法

  孙俞, 曹静, 伍升钢, 何雨帆,

  针对大型低轨星座的长期维持控制,提出了一种自适应绝对站位保持法。利用卫星受大气阻力影响引起平半长轴衰减进而使得相位产生漂移的原理,推导了半长轴维持控制量计算公式,给出了星上自主计算维持控制量的流程。利用该算法分析了不同面质比卫星在太阳活动低年和高年的维持控制规律,结果表明使用该算法能够有效使卫星相位保持在维持区间。使用两行轨道根数分析了星链卫星的维持控制规律,采用该算法对其维持情况做出了改进,有效降低了维持控制次数。

• 基于三维重构的冻融岩石细观损伤研究1)

  张慧梅, 慕娜娜,

  为了研究冻融作用下岩石的细观损伤劣化机理,以冻融岩石CT扫描试验为基础,红砂岩CT图像为研究对象,借助三维重构技术和分形理论,获取表征岩石细观结构特征的孔隙率和分形维数,定义用分形维数表征的冻融岩石损伤变量,分析冻融环境下红砂岩的细观损伤演化规律。结果表明：通过图像处理和三维重构技术能够获得表征岩石宏观损伤劣化以及细观孔隙结构发育情况的三维数字化模型;损伤演化方式对应着岩体内部孔隙发育情况,随着冻融次数的增加,红砂岩的孔隙率逐渐增大,分形维数则逐渐降低;基于细观孔隙与裂纹扩展形态的分形特征定义的冻融岩石损伤变量,与宏观建立的损伤变量具有较好的一致性,能够很好地从细观结构变化的角度说明岩石的冻融破坏过程。

• 低加载应变率下页岩力学特性试验研究1)

  徐恒威, 尹彬瑞, 李军润, 刘俊新, 唐伟, 张可,

  利用室内三轴试验获取页岩破坏的典型应力应变曲线。试验结果表明：在所设定的应变率范围内,低围压条件下(10 MPa,30 MPa),峰值强度随应变率升高呈增大的趋势;在高围压的条件下(50 MPa),页岩的应变率效应减弱甚至丧失;随着加载的应变率减小和围压增加,页岩破坏模式由脆性劈裂--剪切破坏向单一剪切破坏转变,页岩的脆性特征被弱化。通过试验结果分析,研究了应变率对页岩内部能量转化、损伤演化的影响规律,可为我国页岩气的大规模开采提供一定的指导理论与方法。

• 新型输电导线内嵌式接续管振动疲劳响应特性及试验分析1)

  张仁奇, 祝贺, 张义钊, 邢宏超, 袁鸣, 廖汉梁, 朱金福,

  为了研究新型输电导线内嵌式接续管振动疲劳寿命各种压接影响因素以及风振疲劳失效响应,在建立风振作用下钢芯铝绞线接续管疲劳响应数学模型的基础上,结合塑性流动法和强度因子法,使用COMSOL软件对不同压接对边尺寸下的钢芯铝绞线接续管的疲劳响应进行仿真和试验。研究结果验证了新型输电导线内嵌式接续管的可行性,与传统的接续管相比,新型输电导线内嵌式接续管能够提高压接的稳定性,有效降低接续管疲劳源区在微风振动作用下形成的动弯应力,减小导线的疲劳损伤。

• 基于理想弹塑性假定的滚石冲击力计算方法研究1)

  黄连芬, 李瑞园,

  通过常规方法所得的滚石冲击力计算结果远大于实际工况,为提升工程设计的经济性,以悬臂梁和简支梁两种结构为代表,推导了考虑材料弹塑性特性的冲击力计算方法。采用能量守恒定律将滚石冲击-结构受荷的能量转换过程按阶段进行了分解,计算了结构受荷后的最大压入变形,并推导出滚石最大冲击力,最后引入工程实例,与LS-DYNA数值计算结果对比,发现：与Hertz弹性接触理论、《规范》推荐的计算方法相比,弹塑性修正解更接近实际工况。

• 加肋箱型长杆极限承载力实验研究1)

  王永宝, 贾靖垚, 张翛, 高阳, 占玉林,

  为研究加肋箱型空心长杆的力学性能,采用竹皮和竹条制作了147个长度、截面形式和制作方法不同的杆件,测试了承载力和荷质比。结果表明：杆长在250 \sim 350 mm杆件破坏载荷介于受压和失稳破坏之间;无论荷质比还是承载力,双层杆件优于单层杆件;在制作杆件时,应对竹皮缺陷、杆件棱角进行补强。本文源自大学生结构设计竞赛中的桥梁结构模型,对培养大学生将力学与实践相结合的创新能力有所助益。

• 变截面连续箱梁桥剪力滞效应的有限梁段法分析1)

  赵志, 张鹏飞, 张元海,

  为了分析变截面连续箱梁桥的剪力滞效应,提出一个4自由度的箱梁梁段单元,根据剪力滞附加挠度控制微分方程的齐次解,推导了箱梁梁段单元的刚度矩阵和等效节点力列阵,并用FORTRAN语言编写了相应计算程序。利用所编程序对已有文献中简支箱梁算例进行验算,并计算了某三跨变截面连续箱梁桥在主跨作用车道载荷时的剪力滞效应。结果表明：主跨作用车道载荷下,主跨跨中截面和中支点截面剪力滞系数分别达到1.176和1.148,在反弯点处发生正负剪力滞转变现象。

• 柱状颗粒在线性剪切流场中运动的数值模拟研究1)

  郑乐梅, 王彦入, 沈家鑫, 尹招琴, 包福兵,

  柱状颗粒是自然界和工业过程中一种普遍的颗粒形状,它在流场中的运动与球状颗粒有显著区别。论文基于直接力浸入边界法数值模拟了柱状颗粒在线性剪切流中的运动;分析了柱状颗粒周围流场参数分布,获得了作用在颗粒上的力矩变化,明确了由流体曳力和颗粒惯性力相互作用导致颗粒运动的速度和角速度的变化规律,同时考虑了颗粒雷诺数对颗粒运动的影响。

• 主应力及其方向余弦和极值切应力方向余弦计算的补遗

  王凯,

  对原已发表的有关主应力及其方向余弦和极值切应力方向余弦计算的文章中的不完善之处进行了补遗。

• 论教书育人与课程思政之关系1)

  叶志明, 王骞, 陈伶俐,

  本文从教书育人内涵与课程思政之初心使命出发,阐述了教书育人与课程思政之关系,同时指出教书育人与课程思政的关键在教师。

• 工字型截面弯曲切应力分布辨析1)

  李敏, 李芷菡, 陈伟民,

  工字型截面是材料力学薄壁结构的典型代表,部分教材与教学PPT素材在弯曲切应力分布部分存在问题与争议,本文利用简化模型与力平衡条件给出理论分析结果,同时给出了有限元分析结果作为研讨性教学素材。

• Matlab求解理论力学问题系列(四)乒乓球的滚动

  高云峰,

  本文讨论了乒乓球运动的理论解和数值解。在考虑摩擦、滚动摩阻、空气阻力等条件的一般情况下,只能获得部分解析解,而采用数值计算的方法可获得系统所有的运动规律。文章介绍了如何利用Matlab处理分段函数问题,包括求解微分代数方程、利用积分中断条件确定分段的时间点,以及利用部分解析解验证数值计算的准确性等,最后通过大量计算获得乒乓球向前运动及向后运动的分界线,以及乒乓球正好回到出发位置的条件。

• 增材制造技术发展对飞机结构设计教学的影响1)

  张纪奎, 秦韶成, 程小全, 郦正能,

  增材制造技术突破传统制造约束,带来飞机结构设计理念和方法的转变,成为提升飞机结构性能、降低成本的重要支撑。飞机结构设计是飞行器设计专业本科核心专业课程,培养面向增材制造的飞机结构设计人才是提高航空装备设计水平的必要内容。创新结构设计理念和多学科协同设计方法是面向增材制造结构设计人员的必备素质。北京航空航天大学飞机结构设计课程通过案例和实物教学引入基于增材制造的新结构型式、拓扑优化方法、设计/制造一体化理念、新结构考核验证等教学内容,重点培养学生的创新设计理念,同时为学生利用增材制造技术实现创新结构设计做必要的知识储备和工具支撑。

• 三线摆测刚体转动惯量：实验改进与教学体会

  李华锋, 商宏学, 王永,

  三线摆测量刚体转动惯量是工科大类基础力学实验教学中的重要一环。尽管该实验已经过多年的教学实践和改进,但学生的实验结果常不尽如人意,这极大地挫伤了其学习积极性。本文介绍浙江大学力学实验教学中心实验团队近年来对三线摆实验所做的诸多改进及教学体会,以期能起到抛砖引玉之功。

• 基于图像分析的质心和转动惯量测量方法1)

  李凯, 周璟成,

  提出了一种基于图像分析的质心和转动惯量测量方法,该方法将图像分析和悬挂法以及复摆法结合起来,通过图像分析提取试件的悬挂线以及试件做复摆运动的周期,从而实现对试件的质心和转动惯量的测量。本方法为实验教学提供了一种方便的手段,能够有效促进理论力学课程的教学。

• 实时三维数字图像相关方法在材料力学教学中的应用1)

  邵新星, 陈捷, 马沁巍, 何小元,

  实验教学是理工科院校极为重要的教学环节,为使学生深刻理解理论知识,将现代光测力学方法用于实验教学具有重要意义。本文以铝合金拉伸实验和梁模型的三点弯实验为例,采用自主研制的实时三维数字图像相关方法进行教学内容展示。该方法可实时测量物体表面的三维形貌及变形,更直观地揭示材料力学中的变形规律和力学原理。实践表明,课堂演示易于调动学生的积极性,将理论与实验相结合,有助于增强学生分析问题的能力,相比传统电测方法具有无可比拟的优势。

• 固-液界面摩擦阻力测量方法研究

  李晨阳, 徐献忠,

  基于对现阶段固-液界面摩擦阻力测量方法总结分析,本文结合传感器直接测量法和流动压差实验法设计固-液界面摩擦阻力测量装置,并使用该装置进行亚克力表面、荷叶表面摩擦阻力测量实验。结果表明：该装置流动压差法与传感器直接测量法得出的数据基本吻合,且两者测得样品表面摩擦阻力结果误差均小于2%,从而验证该装置具有较高的可行性;同时,试验测得贴有荷叶槽道表面摩擦阻力始终小于亚克力槽道表面的摩擦阻力,验证了荷叶表面具有一定的减阻效果。

• 欧拉弹性线问题的Maple数值模拟1)

  李银山, 孙博华,

  基于现代信息技术与教学手段,在材料力学的课程教学中,开展了课程育人的探索与实践。通常的材料力学只讲小挠度梁的变形,本文对于弹性梁的欧拉方程,采用Maple编程求解了这个数学模型,并对集中载荷作用下大挠度悬臂梁的挠曲线形状进行了计算机仿真。分析计算了自由端转角,挠度和水平位移与载荷的力学特征,并与精确解进行了比较。拓宽了材料力学的教学范围。

• 土木类专业流体力学课程教学改革与实践

  梅真,

  流体力学是土木类专业本科生一门必修的专业基础课。这门课程抽象概念较多、公式推导复杂、数学和力学基础要求较高,是公认难教、难学的课程之一。本文结合作者多年的流体力学教学实践,从教学内容、教学方法、教学手段、教学环节等方面探讨该课程的教学改革。文中的教学改革措施可为其他讲授流体力学课程的教师提供参考。

• 由一张A4纸引发的思考1)

  黄可, 郭昱均, 郝泱, 李栋栋, 范钦珊,

  为了从力学角度解释"一张打印纸平着立不起来,而弯曲一定弧度后就可以"这一现象,本文通过数学手段对两种状态下横截面几何性质进行演算,得到了截面形心主惯性矩的计算公式,并结合计算机分析进行验证,证明了公式的适用性。通过对纸张稳定性的讨论,把该问题抽象为自重状态下的压杆稳定性分析,发现弯曲弧度对于稳定性影响很大,当弧度为2.52时,圆柱面状A4纸均布轴向载荷的临界值约为平面状A4纸的3.7\times 10^5倍。

• 探索微纳米世界的手——原子力显微镜1)

  李航宇, 聂鹏程, 关东石,

  显微镜的发展让人类看到了真实的微纳米世界,原子力显微镜的出现则让我们进一步直接接触并感知其中的力学相互作用。借助这只微纳尺度的手,原子力显微镜技术越来越多地帮助我们探索和理解微纳米世界,甚至是生命世界。本文介绍了显微镜的发展,原子力显微镜的力学测量原理,以及在活细胞力学研究中的应用。

• 陈耀松教授的办刊之道

  刘志远, 陈岩,

  通过介绍北京大学陈耀松教授创办《水动力学研究与进展》《非线性科学与数值模拟通讯》及《实用计算流体力学》的经过,总结其办刊经验：办刊要符合科技发展方向和市场需要,才能借到东风、顺势起飞;办刊要注重团队建设、整合资源,才能让刊物有大发展;办刊需要付出持续而巨大的努力,唯有知难不退、顶住压力,才能成功。