力学与实践杂志

力学与实践杂志2021年第6期

• 梁中性轴的若干研究进展1)

  张浩淼, 任九生, 张能辉,

  基于新材料和微梁结构的最新进展,本文对梁中性轴的概念及其定位方法进行了回顾。通过比较梁结构应变场的描述方法,展示复杂加载条件下中性轴的偏离和零应力轴的不唯一性,发现弹性均质梁的中性轴必然通过截面形心,但非线性弹性梁、双模量梁、弹塑性梁、叠合梁、层合梁等结构的中性轴可偏离截面形心。对梁中性轴问题的正确认识有助于合理而有效地解决工程中相关问题。

• 尖楔前体飞行器FADS系统测压孔故障对算法精度的影响

  王鹏, 金鑫,

  测压孔故障是嵌入式大气数据传感(flush air data sensing, FADS)系统实际工程应用中不可避免的工程问题之一,针对尖楔前体飞行器用FADS系统测压孔故障对算法精度的影响进行研究。基于人工神经网络建模技术建立了某型尖楔前体飞行器FADS系统的模型及解算方法,并分析了驻点压力对算法精度的影响。通过人为设置故障测压孔的方法对不同测压孔故障对FADS系统解算精度的影响进行了评估;最终结合实现精度需求给出了某型FADS系统在保证精度要求下的对各个测压孔的误差限需求。结果表明,驻点压力及位于迎风面的测压孔对尖楔前体类FADS系统解算精度影响显著;通过采用相邻的位于同一迎风面或背风面的测压孔替换故障测压孔能够显著降低故障对算法精度的影响;同时表明合理的冗余配置算法会显著提高FADS系统的鲁棒性,使得FADS系统适用性显著增强。

• 基于螺旋卷绕型人工肌肉驱动的机械手指设计及其运动分析1)

  甘辩, 李骞, 李梦天, 余河清, 刘磊, 刘大彪,

  螺旋卷绕型聚合物人工肌肉作为一种新型致动器,因具有较高的柔韧性、通用性和功率密度,在柔性驱动领域具有广阔的应用前景。本文设计了一种螺旋卷绕型人工肌肉驱动的多自由度机械手指模型,建立了热驱动型人工肌肉的物理模型,实现了对机械手指多关节偏转的控制和运动分析。结果表明,人工肌肉的收缩量随温度的增加呈非线性增加;机械手指的关节偏转角随温度或肌肉收缩量的增大而增大。提出的人工肌肉驱动的多自由度手指模型,为实现其在机械手领域中的应用奠定了基础。

• 作旋转运动功能梯度材料矩形Mindlin板的刚柔耦合动力学建模1)

  杜超凡, 郑燕龙, 周晓婷, 章定国,

  研究了作大范围运动功能梯度材料矩形板的刚柔耦合动力学问题。从连续介质力学理论出发,基于Mindlin板理论,采用无网格径向基点插值法(radial point interpolation method,RPIM)对矩形板变形场进行离散,考虑柔性板变形位移中二阶非线性耦合变形量,即横向弯曲引起的纵向缩短量,运用第二类拉格朗日方程推导了大范围运动功能梯度材料板的刚柔耦合动力学方程。分别采用一次近似耦合模型和传统零次近似耦合模型对不同转速下的功能梯度悬臂板进行了仿真,结果说明随着转速的提高,传统零次模型将发散,而一次近似模型依然收敛。将仿真结果与假设模态法和有限元法对比,验证了本文基于RPIM建立的动力学模型的正确性及在同等计算条件下的优越性。研究了功能梯度指数对作旋转运动的功能梯度矩形板动力学特性的影响。结果表明,随着功能梯度指数的增大,板的横向变形增大,且固有频率随之减小,说明功能梯度指数的增大会使系统柔性增加。同时,对中心刚体-功能梯度悬臂板的自由振动频率转向现象进行了讨论。

• 岩石圆环试样对径压缩破坏的数值模拟研究1)

  辛宏举, 范宝明, 张海娜, 徐鑫洋, 郭浩森, 万明,

  采用二维颗粒流法,构建岩石圆环数值模型,分析圆环内外径比对应力-应变曲线响应、微裂纹演化行为及破坏模式的影响规律。结果表明：(1)随内外径比\eta增加,应力-应变曲线由单峰特征转变为具有平坦区间的曲线;(2)圆环的抗拉强度随内外径比增加而呈现指数衰减形式;(3)破坏模式随内外径比\eta的增加由径向劈裂向"四扇形"破坏模式演化;(4)数值试验所得到的破裂模式与室内试验结果表现出较好的一致性。模拟结果可为研究者加深理解圆环试样的破坏机理提供参考。

• 高能管系中管段长度比与最大热应力的关系

  贺亚太, 李余德, 武智愚, 钱公, 郝瑞强, 辛长春, 张志明,

  通过分析实际设计过程及高温管道中各应力分量的影响因素,发现管系的热应力大小主要由管系的走向和各管段的实际长度决定。由此,提出了管系管段长度比的概念。通过力法对管段长度和热应力进行分析发现：(1)管系相邻管段长度比越大,各种排布方式中最大的热应力越大;(2)以目前常用的P91管道为例,给定管系的实际尺寸和运行参数,得出了管系所允许的最小管段长度;(3)在管系最小管段长度确定的前提下,进一步得出管系所允许的最大管段长度比;(4)随着管段数目的增加,管系允许的最短管长趋近于某个确定值;(5)在管系最小管段长度确定的前提下,管系允许的最大管段长度比随着管段数目的增加有一个趋近值。

• 裂隙影响基质渗流的数值模拟1)

  乔继延, 鲁晓兵, 张旭辉,

  建立含裂隙均匀基质中的稳态渗流模型,通过数值模拟得到渗流速度和压力分布,分析不同分布型式的平行和交叉裂隙对基质渗流的影响,并结合油气开采和驱替评价不同裂隙可能带来的后果。研究发现,在裂隙端部压力发生突变,相应的渗流速度也出现急剧变化;对于基质而言,裂隙入口端等同于汇,而开口端等同于源。平行对称分布的裂隙导致周围基质中流速降低,裂隙流量占截面流量的主要部分,而不对称分布的平行裂隙有利于基质中的流动。

• 白噪声激励下非线性声学超材料的随机响应1)

  王晓敏, 冯进钤, 陈越超,

  声学超材料在吸声领域得到了广泛的应用。本文研究含有噪声激励的单稳态吸声器模型的随机响应。首先,基于伊万诺夫变换,得到了具有非光滑函数的近似等效系统。然后,采用能量包线随机平均法来近似该等效系统的平稳响应。借助非平滑逆变换得到了原系统的近似概率响应函数。为了验证所得结果的正确性,对原系统进行了相应的数值模拟,结果表明了该近似方法的有效性。此外,本文还讨论了系统阻尼和噪声幅值对随机响应的影响。结果表明,噪声可以影响吸声器的吸声效率。

• 含阻尼多裂纹Euler-Bernoulli曲梁强迫振动的Green函数解1)

  赵翔, 李思谊, 李映辉,

  本文运用Green函数法求解了多裂纹Euler-Bernoulli曲梁(Euler-Bernoulli curved beam, ECB)强迫振动下的解析解,并且考虑了阻尼效应。采用分离变量法、Laplace变换法和矩阵传递法得到了两端简支的多裂纹Euler-Bernoulli曲梁的Green函数解。通过研究表明,将半径R设置为无穷大,可以简化为Euler-Bernoulli直梁(Euler-Bernoulli beam, EB)振动模型。数值计算中,通过与已有文献中的解析解做对比,验证了解的有效性,而且进一步分析了几何物理参数对振动响应的影响以及裂纹之间的相互作用。

• 蒸汽管网的动力学建模与迭代方法1)

  王安然, 曾波, 张勍, 杨荣超, 张凯, 赵瑶, 张明, 赵晓东, 宿彬, 李祎萍, 张鹏飞,

  热电联产过程中的蒸汽输送过程难以监测,流量和压力变化比较复杂,管网运维依赖人员经验,容易造成能源浪费。本文建立了蒸汽供热管网的动态仿真模型,模型将蒸汽管网假设为单相可压缩流体网络,由节点和管路组成。使用管网质量方程、动量方程和能量方程建立管网物理模型,并采用隐式欧拉算法、稀疏矩阵算法求解由物理模型所得的非线性微分方程组。此外,本文建立了简单管网,并结合Fluent仿真对算法进行了验证。最后,建立了实际管网模型,与某企业蒸汽管网实际运行数据进行对比,结果表明所提出的模型不仅具有计算准确性,而且有实际工程应用价值。

• 变速移动载荷作用下黏弹性地基梁动力响应1)

  彭伯伦, 江杰, 任浩熙, 陈思达,

  利用振型叠加法和Duhamel积分推导得到了在变速移动载荷作用下黏弹性地基梁的动力响应解析解。然后采用Gauss-Legendre求积公式对积分表达式进行计算,研究了移动载荷的初速度、加速度和地基参数对梁挠度的影响。结果表明：梁的挠度随着载荷初速度和加速度的增大而明显减小;此外计算发现增大地基剪切力、地基阻尼和弹性模量可以有效减小梁的挠度,并且梁动力响应的滞后现象还与地基阻尼有关,阻尼越大滞后现象越明显。

• 基于有限元遗址土应力-应变关系的方法研究1)

  岳建伟, 黄轩嘉, 赵丽敏, 孔庆梅, 陈颖, 王自法,

  遗址土作为一种物质成分和内部结构特征复杂的多组分材料,其劣化机理和力学性能备受关注。本文基于材料类比思想和广义相似理论,探索了细观尺度下 遗址土颗粒间胶结物的力学性能的确定方法;依据 遗址土电镜图及少量的力学测试结果,构建了颗粒、胶结物和孔隙三部分组成的细观模型并推导得出不同含水率 遗址土的应力-应变关系公式,数值分析结果与宏观试验结果具有很好的一致性,表明本文关于 遗址土的研究思路和研究方法是可行的。

• 从空间到时间——张量的协变微分学及协变性思想的拓展1)

  殷雅俊,

  本文聚焦于张量分析学中两类对称性破缺现象。一是基础性概念的对称性破缺：我们有张量对坐标的协变微分(简称空间协变微分),然而,没有明确定义过如下概念——张量对时间的协变微分(简称时间协变微分)。二是基本理论的对称性破缺：我们有空间域上张量的协变微分学,但没有时间域上张量的协变微分学。本文致力于弥补破缺的对称性。基于近年来的研究进展,回顾协变性思想的拓展历史,展示张量的时间协变微分概念的抽象过程,综述时间域上张量的协变微分学的构建历程,揭示空间域上的协变微分学与时间域上的协变微分学之间的对称性。

• 量级估计在材料力学简化分析中的作用

  李敏, 张雪松, 李依伦, 陈伟民,

  问题的简化分析往往基于假设条件,说明假设的合理性不仅是结论适用范围的基础,也是培养学生解决复杂系统工程问题的必要环节,本文采用量级估计的方式,说明材料力学基本变形量之间的关系以及常见简化假设的基础,为教学活动中解释相关问题提供参考。

• 基础力学课程教学与课程思政的协同建设与实践1)

  杨庆生, 叶红玲, 杜家政, 刘夏,

  本文阐述了基础力学课程教学与课程思政建设相互支撑和相互促进的基本特征与相应举措,特别提出了基础力学课程思政建设的难点与重点。通过两个课程思政建设案例分析了课程教学与课程思政协同建设与不断深化的实践过程和效果。

• 材料力学课程思政教学实践1)——以"压杆稳定"为例

  曲淑英, 卢龙玉, 宋良, 费迎红,

  针对力学基础课程开展课程思政建设的案例设计与实践,在教育部力学基础课程教学指导分委员会的指导下,本文介绍了烟台大学工程力学国家级虚拟仿真实验教学中心教学团队在材料力学课程思政教学中的方法和举措。以材料力学中"压杆稳定"的一次示范课为例,在欧拉公式推导和应用分析过程中,深入挖掘和融入思政元素,解读其中蕴藏的辩证法原理,阐释可贵的科学家精神,体现课程设计"两性一度"和"思政育人"目标,探讨了具有普适性的力学基础课程思政理念,以期促进交流,提高力学基础课程的协同育人效果。

• 从受拉杆变形浅析弹性力学中的最小势能原理

  吴枝根, 李孝宝, 孟增, 詹春晓,

  最小势能原理是弹性力学中较难理解的知识点。本文通过对弹性杆轴向受拉时的弹性势能、外力势能和总势能的变分分析,得出总势能变分是位移变分或应变变分的二阶无穷小量,并在位移变分或应变变分为零时,总势能取得极小值。弹性杆轴向受力变形的分析应验了最小势能原理,有助于对一般情况下最小势能原理的深刻理解。

• 伯努利方程教学设计中的若干问题1)

  易文彬, 孟庆昌, 邓辉, 王冲, 张志宏, 顾建农,

  针对流体力学课程中伯努利方程内容的教学设计,分析了伯努利方程演示实验中的常见误解,提供了伯努利方程的不同推导方法,讨论了方程中压强项的物理意义,并将伯努利方程进一步联系拓展,以加深学生的理解认识,建立科学严谨的分析方法。伯努利方程的推导是我们认识该方程最基本的出发点,在运用伯努利方程对演示实验解释时一定要注意伯努利方程的适用条件,且综合考虑流体黏性、卷吸等因素的影响。大多数中文教材和英文教材关于伯努利方程中压强项的物理意义解读不同,由伯努利方程推导过程可知,方程中的压强项具有势能的特性,这一特性仅对流体成立。通过建立伯努利方程与其他知识点的联系,对比了可压缩和不可压缩伯努利方程的形式,加深了学生对伯努利方程的理解认识。

• 均质圆盘热传导问题的新解法1)

  李翔宇, 袁江宏, 沈火明, 李映辉,

  本文旨在利用泊松公式发展均质圆盘稳态热传导问题的一种新解法。这种简单而优雅的解法可由复变函数中解析函数所满足的柯西-黎曼方程结合圆域中泊松公式直接获得。所得的积分形式解与经典的傅里叶级数解完全一致。这项工作搭建了级数解和积分解之间的桥梁,丰富了数学物理方法的教学素材,并为相关数学等式赋予了物理解释。

• 基于运动学的静定结构平衡问题的虚位移原理分析1)

  舒开鸥, 郭子涛, 杨忠, 陈彬, 郭钊,

  与平衡方程法相比,虚位移原理分析静定结构平衡问题的优势在于,可仅用一个虚功原理方程求出目标未知力,既不用先计算支座反力等其他未知力,也不用求解由多个方程联立组成的方程组。但虚位移原理分析静定结构平衡问题的难点在于虚位移的计算。根据基点法、速度瞬心法和速度投影定理等运动学基本理论,虚铰和无穷远虚铰的运动学特征,以及虚功的换算技巧,提出了方便简化的虚位移计算,进而能简化静定结构受力分析的方法。最后,给出了两个简单静定结构和一个复杂静定结构受力分析的算例。

• 塑性力学洛德应力参数高阶性研究与实践1)

  彭惠芬, 李春龙, 陈淑艳, 刘港华,

  为培养学生解决复杂问题的综合能力和高阶思维,推进课堂高阶性教学改革,本文以工程力学专业本科课程塑性力学教学难点——洛德应力参数为例,构建"三位一体"的高阶性课堂教学体系,以洛德应力参数为核心内容,遵循课前、课中和课后围绕其相关性、拓展分析和工程应用三方面开展高阶性研究,将教与学有机结合,拓展分析了洛德应力参数与应力偏张量三个不变量变化规律,给出了工程中9种应力状态相对应的塑性变形,可为课堂高阶性改革提供新思路。

• 3D-DIC技术在材料力学弯曲梁实验中的拓展应用1)

  王斐斐, 周建华, 魏虎安, 仝昊睿, 卢英杰,

  三维数字图像相关法(three-dimensional digital image correlation method,3D-DIC)是光测实验力学领域的新型测试技术,具有非接触、全场性的测量优势。将3D-DIC方法引入纯弯曲梁应力电测实验,采用动态电阻应变仪和3D-DIC非接触测量系统进行同步测量,直观呈现了弯曲梁表面选定区域的应变场以及弯曲梁应变的分布规律,从实验内容和实验技术两方面对传统材料力学弯曲梁实验进行了拓展。该拓展实验已应用于本校大学生第二课堂创新实验,取得了良好效果。

• "三个和尚没水喝"问题的心结与新解

  张悦, 乐永琪, 周艳国,

  针对"三个和尚没水喝"这一有趣的问题,运用结构力学的知识,分析其中所包含的有趣力学问题。对此问题进行简化抽象,将问题中公平性的基本依据简化为三个和尚需承受相同的载荷。文中采用从组成结构体系的各个主要部分进行修改的思路,以获得新的结构方案,之后根据各个改造后的结构方案分析结果,探讨达到三个和尚抬水喝时公平性所需采取的理论措施。

• 自平衡独轮滑板车的动力学分析

  刘延柱,

  本文讨论自平衡独轮滑板车的动力学原理。将滑板车简化为由带骑手的车架和车轮组成的双刚体系统。基于动量矩定理列写车轮纯滚动条件下的动力学方程。对滑板车加速减速和转弯的动力学过程,以及骑手的直立稳定性给出理论解释。导出由控制系统保证的滑板车自平衡过程的稳定性条件。

• 潮平两岸阔——潮汐助力苏伊士运河搁浅货轮脱困

  常皓, 杨绍琼, 姜楠,

  通过赏析著名诗人杜荀鹤的《泾溪》、韦应物的《滁州西涧》及王湾的《次北固山下》,对2021年3月23日发生于埃及苏伊士运河的"长赐"号货轮搁浅及其堵塞河道事件可能的原因进行分析,探究货轮搁浅及其上浮脱困的科学原理,认为"长赐"号货轮或突遇强风,因"岸壁效应"搁浅,因"舟自横"引发运河堵塞,最终借力"潮汐"脱困。

• 简议塔科马大桥坍塌的原因与启示1)

  赵慧明, 张伟伟, 赵玉成, 罗宁,

  塔科马大桥建成仅4个月就坍塌毁掉了。坍塌的主要原因是风致颤振,此外,还有许多其他形式的解释。本文从设计、建设、坍塌过程、事故调查、科学家针对大桥的各种研究等方面对大桥坍塌的原因进行了简明的介绍,并总结了事故对之后大桥设计与建造的启示。

• 第十一届国际空间轨道设计大赛赛题与结果排名1)

  罗亚中, 朱阅訸, 沈红新,

  由国防科技大学与西安卫星测控中心联合主办的第十一届国际空间轨道设计大赛于2021年11月落下帷幕,这是中国队伍首次主办该赛事。本届赛题借鉴了著名物理学家弗里曼·戴森于1960年提出的"戴森球"概念,提出了100年后的人类利用先进推进技术,进行小行星捕获与转移,建造初级戴森球的任务场景。全球共有94支队伍参加本次竞赛,经过激烈的四周比拼,最终清华大学联队、欧洲航天局联队、奥克兰大学联队位列前三名。本文简要总结了竞赛题目和结果排名情况。