力学与实践杂志

力学与实践杂志2022年第5期

• 深海矿物资源开发系统关键力学问题及技术挑战

  沈义俊, 陈敏芳, 杜燕连, 李萌,

  海底矿产资源丰富，但环境复杂恶劣，对深海矿物资源开发系统构成极大的危害。本文简述了国内外深海矿物资源开采系统的发展进程及几种典型的深海资源开采系统，基于复杂多变的海况，提出了深海矿物资源开采系统所涉及到的关键力学问题及技术挑战，从矿物资源开采系统的总体设计及集成控制、采矿车采集动态性能控制、立管输送系统动态特性、环境监测与评价等主要关键部分概括了目前采矿系统所面临的技术挑战。

• 基于欧拉–欧拉方法的气液两相流数值模型发展综述

  高一博, 耿琳琳, 王振, 张振楠, 张德胜,

  深海油气多相混输系统内部油气混输本质上是一种高压高含气率的气液两相流问题。现如今多采用欧拉–欧拉方法对该问题进行数值研究，然而该方法的准确性依赖于相间力模型与群体平衡子模型的构建与选择。因此，本文对现有的相间力模型进行了总结，主要包括曳力、升力、壁面润滑力、湍流扩散力、虚拟质量力，并对相关模型的理论与发展进行了阐述，总结了压力以及高含气率下泡群对相间力模型的修正方法。此外，考虑到高含气率工况下气泡与气泡之间的相互作用，针对气泡群体平衡模型进行介绍，对气泡的破碎与聚并模型进行了梳理，总结了高压情况下群体平衡模型的修正思路。以期对深海高压高含气率环境下的气液混输模拟计算提供借鉴。

• 关井状态下油气混输立管的自然频率分析

  王振, 韩佳琦, 李媛媛, 王芳, 张德胜, 张振楠,

  针对海上油气井关井状态下，柔性立管内油气在重力作用下分层导致立管张力分布不均匀问题，本文将其简化为两段张力和质量分布不同的连接索，建立了分段海洋立管横向振动的简化数学模型。基于变量分离法和Bessel函数解析求解了模型，给出了关井状态下立管横向振动的自然频率和对应的模态函数的表达式。分析了油气占比、密度、顶张力对振动的自然频率和模态函数的影响，结果表明：当柔性立管内含气段立管长度逐渐增大时，立管横向振动的自然频率逐渐增大，并且模态函数最大腹点向深水方向移动；和工作状态相比，关井状态下分层后立管的自然振动频率变小；当柔性立管内液体密度增加或海上平台提供的顶张力增加时，立管横向振动的自然频率逐渐增加。

• 被动式轴向旋流除气装置性能研究

  张彦欢, 刘硕, 杨猛, 许晶禹,

  针对海上油田低含气率采出液除气作业需求，本文提出了一种被动式轴向旋流除气装置。据此设计了原理样机，接入自循环流动系统中开展了除气特性测试工作。重点考察内部流场气相分布，考察分流比、除气率、处理后液体含气率和压降之间的关系。研究表明，通过合理调整分流比，该装置可将液体含气率降低至0.1%。同时，入口–溢流口相对压降与分流比之间存在线性关系。研究成果有利于进一步降低管式分离系统的空间和重量需求。

• 深海多工况载荷作用下软管连接器结构强度分析

  刘孔忠, 刘统亮, 何恩, 魏行超, 戚蒿, 薛大智,

  在深海复杂特殊的环境下，海底软管连接器受多种载荷工况作用，会对海底管道安全运营以及整个水下生产系统的可靠性产生影响，从而对连接器的结构安全性能提出了更高的要求。基于此，以南海某气田软管鹅脖连接器深海安装工程为例，介绍了所应用的鹅脖连接器的工作原理和基本参数，分析了鹅脖连接器相较于传统立式连接器的优势。利用实验设计优化技术，针对鹅脖连接器在软管平铺阶段、连接器测漏和静水压测试三种深海工况进行了极限载荷计算研究，并在此基础上开展有限元模拟仿真计算分析和强度校核。结果表明：在不同载荷工况下对鹅脖连接器进行完整载荷工况检查，各工况条件下鹅脖连接器法兰上施加的所有载荷均满足要求；鹅脖连接器在各工况下整体应力均小于许用应力，整体结构综合强度足够，满足安全规范；各工况最大应力均集中在90°弯头处，对其进行强度校核，满足美国机械工程师协会 (American Society of Mechanical Engineers，ASME）标准使用要求。本文分析结果可为水下软管连接器的结构优化设计和深海安装提供理论基础和技术参考。

• FLNG低温软管内衬波纹管多目标优化设计

  曹慧鑫, 英玺蓬, 耿东岭, 阎军,

  低温柔性管道是海上浮式液化天然气生产储卸装置系统中输送液化天然气的核心装备之一。U型波纹管作为低温柔性管道最内层结构，直接影响低温管道的安全性。本文选取波径和环板长度作为独立结构设计参数进行结构分析，解决了在传统的U型波纹管灵敏度分析中，波高会随波距的改变而改变的耦合计算问题。构建了径向基函数神经网络代理模型，采用遗传算法对U型波纹管结构开展了多目标优化，获得以拉伸刚度最大和弯曲刚度最小为优化目标时的帕累托最优解集，为U型波纹管在实际工程应用中提供有益的设计参考。

• 锚胫侧倾角对拖曳锚在砂土中的下潜性能大变形数值分析

  于龙, 郭岩岩, 李书兆,

  拖曳锚作为一种造价低、结构简单的系泊基础，在深海资源开发中得到了广泛的应用。拖曳锚的安装下潜性能与锚的自重、锚板厚度、锚胫与锚板夹角、土层条件等因素相关，锚胫对拖曳锚下潜性能的影响研究还不深入。提出了一种通过调整锚胫侧倾角来提高拖曳锚下潜性能的方法，并采用大变形有限元分析进行了验证。以MK5拖曳锚在砂土中的安装过程为例，分析了不同锚胫前倾角、锚胫侧倾角、拖曳锚密度、锚–土界面摩擦特性等因素对拖曳锚下潜深度的影响。结果表明，相较于传统的锚胫内倾的拖曳锚，拖曳锚锚胫直立以及向外侧倾斜时其嵌入深度有明显提高。

• 圆矩形吸力式深水防波堤的循环承载力的高效计算方法

  肖忠, 章嘉晨,

  针对箱筒型基础防波堤的主要问题，提出了圆矩形新型吸力式深水防波堤。根据天津海积软土不排水循环三轴试验数据推导出了其循环强度计算公式，并将循环强度概念与承载力的破坏面理论相结合，建立了圆矩形吸力式防波堤的循环承载力的高效计算方法，得出其循环承载力的破坏包络面大小随着基础深径比的增大而逐渐扩大；随着竖向载荷的增大先扩大再收缩，在竖向载荷较小时，考虑软土循环弱化效应的承载力破坏包络面比循环前大幅缩小。

• 海上浮式风力机支撑结构的流固耦合动力学研究

  张景新, 赵永生, 樊翔, 何炎平, 邹望,

  海上漂浮式风力机支撑结构动力载荷的确定不仅对于结构设计、施工过程非常重要，对于设施的运维保障同样重要。水动力载荷的计算可归为基于势流理论的理论模型和基于计算流体动力学的数值模型两类方法。本文简述了两类模型各自的基本原理，明确其优劣，为实际工程应用的合理建模提供参考。对于海洋工程，水池物理模型实验发挥着重要作用。本文以某结构型式的浮式支撑结构的物理模型实验为例，阐述了物理模型实验技术的局限性及改进措施，为工程建设提供必要的技术支撑。

• 天然气水合物热分解引起多场响应的特征时间分析

  张旭辉, 鲁晓兵,

  天然气水合物是我国的战略能源，而要实现商业化开采，必须首先回答如何避免引发地质灾害与环境问题。开采过程涉及传热、水合物相变、渗流、地层软化与应力重分布的多场响应，进而可能引起地层破坏，甚至大尺度塌陷、滑坡、甲烷喷发泄漏等灾害。本文针对天然气水合物热分解引起多场响应的问题，通过量纲分析得到传热、水合物相变、渗流、地层应力重分布的特征时间，进一步比较分析发现，它们的时间尺度之间相差2个数量级以上，从而提出解耦分析方法，该方法已在系列模型实验设计与理论分析中得到应用。

• 密实度对含水合物土体力学特性的影响

  于鸿飞, 杨德欢, 颜荣涛, 魏厚振, 陆地,

  利用项目团队搭建的含天然气水合物土水–力特性联合测试装置，通过富气法制备含天然气水合物沉积物试样，采用三轴压缩试验研究了密实度对含水合物土体的力学特性的影响规律。试验结果表明，密实度对含水合物土体的应力–应变曲线、刚度和强度存在显著影响；在低净围压下，高密实度含水合物土会出现应变软化现象，而中、低密实度含水合物土出现应变硬化现象，并且剪缩程度随着密实度的增加而降低；含水合物土体的刚度会随着密实度的增大而增强，这种增强效应会随着净围压的增加逐渐减弱；在密实度越高的情况下，胶结赋存模式的水合物越多，但剪切行为也会破碎更多的水合物，这两者行为共同影响了含水合物土体的强度。因此，含水合物土体在中密实度情况下的强度最高。

• 考虑强度垂向非均质性的三维深水陆坡井场稳定性分析

  孙金, 王大伟,

  针对深水陆坡海底失稳问题，建立了深水陆坡井场海底稳定性评价流程，以琼东南陆坡区陵水X井场为例，构建了深水井场三维海底实体模型，基于土工实验和海床静力触探，得到了考虑垂向非均质性的海底土不排水抗剪强度，利用有限元强度折减法计算了三维海底边坡安全系数，分析了井场潜在滑坡体位置及可能滑动方向。结果表明：（1）海底土不排水抗剪强度与埋深呈分段线性关系，压实作用是导致海底土强度随深度增大的主要原因，滑塌、沉积环境可引起海底土强度突变；（2）最大剪应变增量和速度矢量可分别指示井场潜在滑坡体和滑动方向，预定井位不在潜在滑坡体内和滑动路径上，最小安全系数为1.23，滑坡风险较小。

• 周培源湍流理论概述

  林建忠,

  2022年是周培源先生（1902年8月28日—1993年11月24日）诞辰120周年，为怀念一代宗师，本文对周先生长达半个多世纪的湍流研究历程以及建立的湍流理论进行了概述，内容包括湍流“前模式理论”，涡旋结构的湍流统计理论，相似性理论和逐级逼近方法，最后就周先生对湍流研究做出的贡献进行了总结。

• 不同长桁截面复合材料加筋板轴压屈曲分析

  高伟, 刘存, 张文军, 许求迪,

  基于轴向压缩载荷工况，加筋板重量相同、长桁轴线间距相等、长桁截面占比相当的前提，采用试验和数值计算方法研究“I”形加筋板和“J”形加筋板屈曲特性及其失效模式。研究结果表明：“I”形加筋板与“J”形加筋板抗屈曲承载能力相当，后屈曲承载能力较“J”形加筋板提高约19.8%；特征值屈曲法计算值较试验值误差约11%，究其主要原因是特征值理论不考虑加载过程中长桁刚度对蒙皮支持变弱的影响，故其计算值较试验值偏大；考虑就地效应及横向应力分量对基体剪切强度的影响，构建加筋板失效模型，计算值与试验值误差约8%，且预测的失效模式与试验破坏模式一致性较好。

• 初始几何缺陷的功能梯度梁振动特性分析

  田婷婷, 王忠民, 王清波,

  对于初始几何缺陷的功能梯度梁的振动问题，基于功能梯度材料的细观结构模型，采用幂函数模拟材料组分沿梁厚度方向的变化规律；基于Euler–Bernoulli梁理论，从几何方程和Marguerre应变得到了轴向应变的表达式，利用Hamilton原理推导了初始几何缺陷的功能梯度梁的运动微分方程，并进行无量纲化；运用微分求积法对无量纲振型微分方程以及边界条件进行离散，得到了特征方程；最后，分析了初始几何缺陷的功能梯度梁的梯度指标、初始的几何曲率、边界约束对其无量纲固有频率和振型的影响。

• 外部圆形裂纹轴对称结构弹性分析的多神经网络联合训练方法

  贺云, 杜娟, 李海滨,

  轴对称结构裂纹弹性力学分析是工程实践中重要而基础的问题，相比传统有限单元法，提出一种新的数值求解方法，从而提高计算精度和效率，得到了学者们的广泛关注。本文对于具有应力边界的规则外部圆形裂纹轴对称结构，根据弹性理论，归结为求解具有边界条件的相容方程。将应力函数假设为统一的神经网络形式，根据相容方程及边界条件与应力函数的微分关系分别构造应力函数表示的相容方程及应力边界条件的神经网络结构。通过多神经网络联合训练，提取网络参数，从而实现应力分量的求解。在本文中，针对轴对称结构裂纹给出了极坐标系下的神经网络求解方法。数值算例表明，相比传统有限单元法，本文方法在计算精度和效率上都有其优越性。

• 倾斜管道内圆柱状颗粒运动的数值模拟

  李亮, 刘炳瑞, 张润辉, 张斌,

  本文采用计算流体力学–离散单元法对倾斜管道内圆柱颗粒在气体中的运动进行数值模拟，分别分析了颗粒密度、颗粒长径比、吸入速度、管道倾角、管道长径比等因素对颗粒输运效率的影响。结果表明，颗粒密度越大，颗粒的输运效率越低；输运效率随着颗粒长径比的增大而减小；输运效率随着进口速度的增大而增大。管道的倾角对输运效率存在影响，但二者不是单调关系；颗粒输运效率与管道长径比成反比。

• 关于模态综合法的注记

  赵楚楚, 陈立群,

  本文以两端固定直角梁为例，探讨模态综合法应用于计算高阶固有频率。单纯使用前2阶约束振型为假设振型时，可能出现频率遗漏而不能计算第2阶固有频率。假设振型同时取前2阶模态振型和前2阶约束振型，可以计算前3阶固有频率；假设振型取前4阶模态振型和前4阶约束振型，可以计算前5阶固有频率，相对误差小于5%。

• 如何在教学中培养学生的思维和能力（3） 系统与模型

  高云峰,

  系统是人为界定的由一些有关联的物体或成份组成的有序整体。模型是经过处理的简化系统，但能体现原系统的本质特征，是描述和理解系统的有效工具。真实问题很复杂，但可以用简化的模型来描述。本文介绍了琴弦振动问题、雨滴下落问题和生物竞争问题，这些问题涉及到质点动力学、变质量以及跨学科领域中更广泛的“力”与“运动”，展示了如何简化实际问题并建立模型的过程，根据模型得出的结论能很好地解释所关心的现象，甚至与实际情况十分接近，有利于让学生了解一种处理问题的方法和思维模式。

• 关于薄壁曲梁与直梁解析解的进一步讨论

  赵迎港, 杨宇威, 赵颖涛, 高阳, 王敏中,

  薄壁曲梁的受力问题通常利用弹性力学平面问题的极坐标解法求解，其解法与直角坐标系下直梁受力问题的求解有着异曲同工之处。结果表明，当曲梁的曲率半径趋近于无限大时，可以得到直梁问题的解，从而展示了曲梁与直梁受力问题的内在联系。

• 混合长度理论教学中的拓展性讨论

  贾攀,

  本文针对流体力学中混合长度理论的教学现状，以壁面剪切流动为对象，提出了对该理论进行拓展性讨论的教学方案，包括近壁面黏性和流向压强梯度效应，壁面粗糙度效应，以及波纹型壁面效应三个方面。通过拓展性的讨论，以期帮助学生建立对混合长度理论全面深刻的理解，使之具备准确选用该理论分析实际流动的能力。

• 滑移线教学中粗糙平冲头压入半无限体的非Prandtl解探讨

  梅瑞斌, 包立, 刘相华,

  针对经典教材滑移线理论教学中光滑平冲头和粗糙平冲头压入半无限体计算结果相同问题，构建了粗糙平冲头压入半无限体的非Prandtl滑移线场。与Prandtl场解相比，摩擦的存在使单位接触压力和应力状态影响系数增加了11%，与光滑平冲头压入半无限体计算结果相比，x方向的应力增加约82%，计算结果更能准确反映摩擦使变形力增加的塑性理论，有助于学生理解滑移线法以及滑移线理论的研究和应用。

• 基础力学课程教学中非标准化考核模式的探索与实践

  叶红玲, 杨庆生, 杜家政, 刘夏, 尚军军,

  非标准化考核能够更加真实全面地反映学生学习掌握知识、灵活应用知识以及知识建构的能力，更加有利于培养学生的创新能力、科学思维和质疑精神。本文针对基础力学课程教学进行了非标准化考核模式的探索与实践，以学生的学习成效为导向，以“师生协同、知行合一、育教一体”为教学理念，设计建立了线上线下混合式多元化全过程的考核评价机制，加强学生课堂内外、线上线下学习的评价，提升课程学习的深度、广度和难度。实践表明，非标准化考核模式的实施为基础力学课程教学提供了更加全面合理的课程评价体系。本文考核模式与方法可为基础力学教师提供一些严把质量关的教育教学改革借鉴思路，同时也为学习基础力学的学生提高学业学习水平起到积极的引导作用。

• 融合力学思维能力培养的实践选题训练教学设计与实施 以理论力学中自由刚体运动知识拓展为例

  李英杰, 刘杰, 左建平, 祝捷, 薛东杰, 刘庆,

  力学思维培养是力学专业培养目标的“高阶性”定位，实践选题训练将理论知识应用于解决实际问题有利于思维能力培养。为达成高阶性教学培养目标，力学基础理论课的实践选题训练教学设计和实施需进一步思考。本文以工程力学专业理论力学课程中自由刚体运动为例，通过多层次构建知识点关联性结构框架，多角度设计实践选题训练实施方案，探索工程力学专业本科学生力学思维能力培养的实践选题训练教学方法。

• 周培源先生的湍流理论研究

  时德伟, 唐湛棋, 姜楠,

  简要介绍了周培源先生在湍流理论研究领域的成果与贡献，谨以此文纪念周培源先生诞辰120周年。

• 评《分岔问题及其计算方法》

  宁建国,

  本文评述了武际可教授和黄克服教授的著作《分岔问题及其计算方法》。该书从生活中常见的分岔问题出发，概述了各类分岔问题及其研究进展；该书的突出特点是以等价类定义分岔，由此对动力系统的稳定性、局部和全局分岔、静分岔与霍普夫分岔等问题进行了深入的论述，并详细介绍了弧长方法为代表的数值计算方法在求解分岔问题方面的有效性。该书是一本非常值得相关科研工作者学习的参考书。