力学与实践杂志

力学与实践杂志2023年第2期

• 掺氢天然气长距离管道输送安全关键技术与进展

  李凤, 董绍华, 陈林, 朱喜平, 韩子从,

  利用天然气管输系统混输氢气，能实现氢气大规模、低成本、长距离输送，但掺氢混输带来更严峻的安全、技术挑战。本文围绕输送工艺及关键设备、管材相容性与寿命预测、泄漏监测检与风险评估、标准体系建设几项关键技术，探讨掺氢天然气长距离管道输送的安全问题。建议统筹规划输送网络，改进关键管输工艺与设备，建立输运协同应急与智慧决策大数据平台，制定掺氢天然气管道输送规范标准，逐步开展掺氢天然气输送技术应用示范。

• 掺氢天然气管道完整性评价技术的进展与挑战

  刘啸奔, 张东, 武学健, 艾红倪, 陈朋超, 闫锋, 欧阳欣, 王昊, 张宏,

  “双碳目标”背景下，我国积极推进掺氢天然气管道发展，本文总结了国内外掺氢天然气管道完整性评价方面的研究进展与挑战，得到主要结论如下。（1）现有金属材料相容性试验结论不明确，亟需制定国际统一的金属材料掺氢相容性试验标准；掺氢后管材、焊缝性能劣化规律不清晰，需系统地开展相关试验，揭示其氢损伤机理。（2）天然气管道非金属密封材料在氢环境中的密封性能及力学性能尚不明确，亟需开展相关试验以探索其性能规律；工程上缺乏高性能的非金属输氢管道，需研发低渗透耐侵蚀的输氢管材。（3）现有无损检测技术对掺氢后天然气管道的适用性研究不足，需改进或研发更高精度的无损检测工具以满足掺氢条件下对缺陷检测精度的要求。（4）掺氢天然气管道缺陷适用性评价方法研究仍处于初级阶段，需要以丰富的试验数据为基础开展耦合考虑氢介质与应力状态的管材微观损伤本构研究，完善掺氢天然气管道缺陷适用性评价方法。本文可为掺氢天然气管道安全保障相关研究提供参考。

• 基于PSO–GPR含缺陷管道失效应力预测

  冯超, 贾澳银, 李陈涛, 夏成宇, 钱利勤,

  传统对含缺陷管道失效应力的预测方法存在误差偏大的问题。针对该问题，利用MATLAB软件建立基于PSO–GPR（particle swarm optimization–Gaussian process regression）含缺陷管道失效应力预测模型。通过对60组含缺陷管道的试验数据进行测试，发现预测结果与实测结果均在95%置信区间内，表明可以将均值作为预测结果。对预测结果进行分析表明：高斯过程回归的预测结果与实测结果的最小相对误差为0.003%，最大相对误差为1.205%，平均相对误差为0.319%，基于预测结果和实测结果的散点均落在曲线y = x的 ±1.3%误差带中，验证了高斯过程回归预测模型的准确性，为管道的工程实际应用与维修提供较为精准的判断依据。

• 长输氢气管道失效分析与定量风险评价

  周立国, 张苏, 石磊, 王晓霖, 王雨新, 杨静,

  长输氢气管道是一种解决大规模输氢的有效方式，但其失效机理和泄漏扩散规律不同于常规油气管道，因此为提高氢气长距离管输的风险应对能力，本文分析了包括氢损伤在内的6类风险致因，辨识了氢气管道泄漏典型事故场景，研究了失效概率预测和潜在生命损失计算模型，从而构建了一种量化风险评价方法。通过案例分析表明：该方法解决国内缺少失效统计数据前提下的失效概率分析问题，多场景泄漏事故计算为最大限度评估后果严重性提供保障。

• 基于层次分析和FAD图的管道环焊缝适用性评价方法

  耿丽媛, 张家禄, 董绍华, 唐善华, 费凡,

  焊缝缺陷是导致管道失效的主要原因之一，因此在役长输管道在进行升压前或复产前，应对管道全线环焊缝进行适用性评价，以排除管道隐患并确定合适的压力范围。由于管道的敷设位置大多位于地下，焊缝处的载荷参数难以准确获取，现有的环焊缝适用性评价多是仅仅基于管道内压进行评价，忽略附加载荷的影响，导致评价结果不准确。针对上述情况，本文以某天然气长输管道环焊缝开挖后的无损检测结果为基础数据，建立待评价焊缝处附加载荷的层次分析风险因素模型，改进了API 579中失效评估图（failure assessment diagram，FAD）传统评价方法，实现管道环焊缝的精准适用性评价，为管道安全提供决策支持。该方法与准则对在役长输管道全线路环焊缝适用性评价工程实践具有借鉴意义。

• 含氢气体环境中管线钢材料氢相容性评价的力学性能关键指标研究

  王修云, 吴进贤, 王德强, 杨志文, 冯敏, 邢云颖, 张雷,

  本文在不同分压氢气环境中对材料为X42，X52，X60，X70和X80的管线钢材料进行慢应变速率拉伸、断裂韧性和疲劳裂纹扩展测试，研究了含氢气体对管线钢强度、塑性、断裂韧性和疲劳裂纹扩展速率等性能的影响，讨论了氢分压对管线钢材料氢环境相容性的影响，提出了适于管线钢氢环境相容性量化评价的关键力学性能指标和相应的指标测试方法，以便科学评估管线钢材料对氢环境的适应性。

• 2%氢气含量对X80管线钢断裂韧性和缺陷容限的影响

  王智, 崔瑞雪, 张千昌, 宋卫臣,

  氢气的存在会劣化金属材料的力学性能，导致材料发生氢脆断裂，严重影响含氢天然气输送管线的安全输送，为此本文开展X80 管线钢在含氢环境中的断裂韧性试验，通过对比无氢环境，评定氢气的存在对X80管线钢断裂韧性和缺陷容限的影响规律，利用扫描电镜对断口进行观察分析，判断其在不同条件下的断裂模式。结果表明，在12 MPa的输送压力环境中掺入2% H2，X80管线钢的断裂韧性比氮气环境有一定程度的下降，X80管线钢在氮气中的裂纹尖端张开位移 (crack tip opening displacement, CTOD)值为0.42 mm，在氢气中的值为0.33 mm，2% H2使X80的断裂韧性下降21.42%，相应地氢气降低了管线钢允许的缺陷尺寸。从断口的形貌来看，氢气并没有改变材料的断裂模式，仍表现出明显的韧性断裂的特征，但局部有少量微裂纹存在。

• 铁素体/珠光体组织对管线钢中氢扩散行为的影响

  王晓霖, 程光, 李世瀚, 杨静,

  长距离管道输送是氢气输送的重要发展方向之一。氢在管线钢的扩散和局部聚集导致材料力学性能下降，在外界作用下引发脆性失效。因此，氢在管线钢材中的扩散和富集是评价管线钢相容性与判断管道升级可行性的重要参考依据。以三种不同等级的管线钢（X52，X65，X70）共22种材料为研究对象，结合图像处理技术与基于材料内铁素体/珠光体组织结构的连续介质数值计算，推算长期服役后结构内部氢的扩散和富集。考虑到铁素体和珠光体组织中的氢扩散速率与晶界的扩散阻碍作用，通过对比量化不同铁素体/珠光体的结构分布和组织取向下氢质量浓度和扩散通量的差异，分析铁素体/珠光体组织对管线钢中氢的扩散和富集作用，为长距离输氢管道材料选用提供技术参考。

• 基于FLUENT模拟的储罐掺氢装置掺混过程及掺氢比对管道运行参数影响研究

  许彤, 吴浩志, 陈林, 董绍华, 郭宝玲, 李夏喜, 孙恒,

  由于天然气与氢气的物性差异，氢气掺入天然气管网后会改变管线内气体物性条件，掺混均匀程度以及掺氢比均会对管道、设备的性能带来不同程度的影响。储罐是输气管线中最常见的组件，本文以储罐为基础提出了单管分级掺氢、多管多汇单次掺氢两种掺氢方案，并采用FLUENT软件建立储罐模型进行动态掺混仿真，结果表明单管分级掺混方案相较于多管多汇单次掺混方案能取得更好的掺混效果。为了探究不同掺氢比气体通过单管单汇方案储罐和以上两种掺氢方案对管道运行的影响，本文采用HYSYS软件分别建立对应工艺流程模型进行工艺模拟，结果表明，三种方案的储罐内压力排序为：多管多汇单次掺氢>单管单汇储罐>单管分级掺氢；此外，随掺氢比增加，管道压力和温度增大，而压降、温降减小。总体而言，本文提出的基于储罐的掺氢方案具有结构简单、加工方便、成本低、掺混效果和掺氢比适应性相对较好等优点，此外不同掺氢比下HYSYS工艺模拟结果对于掺氢管线的运行分析也有参考意义。

• 基于STAMP模型的掺氢输送放空系统风险分析

  胡瑾秋, 李馨怡, 董绍华,

  随着掺氢运输迅猛发展，原有的放空系统又产生了新的安全隐患和风险因素。为了保障掺氢管道放空作业时设备和人员的安全，本文基于事故分析模型，通过分析掺氢管道的放空流程，确定放空系统失效事故的安全约束条件，建立放空作业控制与反馈模型，识别控制模型中潜在的不安全控制行为，确定不同的不安全控制行为产生的风险及对应的安全约束，对掺氢管道的风险性进行分析研究，提高掺氢管道放空作业的安全性。

• 超声波流量计对掺氢天然气管路结构的适应性研究

  冀守虎, 孙晨, 安永伟, 闫双杰, 贾冠伟, 许未晴, 刘伟, 李明昕, 蔡茂林,

  氢气作为全球脱碳目标的重要载体，输送量是限制其大规模应用的主要瓶颈。掺氢天然气是实现大流量输送氢气的一种重要途径。氢气的掺入导致流速畸变，降低超声波流量计的性能。以掺入氢气的甲烷为主要工质，对8种类型掺混管路内部的气体流动状态进行模拟仿真研究，分析流场内气体速度和氢气浓度的分布状态；并对超声波流量计的适应性进行分析，确定其推荐安装位置。在超声流量计的适应性分析中，三匝螺旋管时仅需15D；对于单螺旋结合变径管的适应性影响更大，最小需要96D。通过比较，掺混管路C为最佳模型，掺混均匀时的氢气摩尔分数约为3.9%。可为超声波流量计在掺氢天然气准确计量方面提供参考。

• 掺氢可燃气体燃爆特性研究进展

  陈洪强, 李俊磊, 张成龙, 张永海,

  随着全球新能源产业的快速发展，氢能因其高效、无污染、可持续的特点而备受关注，但由于氢气的固有特性很难保持其安全性，因此安全问题一直是氢能利用的重中之重。本文以氢气的安全利用为背景对掺氢可燃气体燃爆特性的研究进展进行了系统总结，首先介绍了掺氢可燃气体的燃爆机理，然后讨论其最小点火能、燃爆极限及其火焰行为特性，最后强调了掺氢可燃气体在能源利用中的重要意义及未来的发展方向。

• 不同注入介质对泥岩层滑移的影响研究

  段永伟, 何慧, 于雪盟, 刘洪霞, 索彧, 冯福平, 呼布钦, 苏显蘅,

  在注CO2与注水两种开发方式下，均会出现泥岩层段的套管剪切损坏加剧的现象。为了明确不同注入介质对泥岩层滑移的影响，将室内实验所得储层岩石物理力学参数与现场实际区块的井网资料相结合，建立了泥岩层剪切滑移流固耦合数值模型，通过有限元方法进行求解，分析了不同注入介质在一定注入速度条件下生产3年过程中的孔隙压力、油层变形量和泥岩层滑移量的分布与变化情况。根据计算结果可知，由于水和CO2黏度与密度的差异，导致开发初期注CO2井周围孔隙压力高于注水井。随着开发时间的延长，注CO2井孔隙压力降低速率大于注水井，在生产3年后，注CO2油层整体孔隙压力高于注水油层，使注CO2油层整体均匀上抬，但注水油层高低差更大，导致油层变形更加集中。油层变形量的不同引起了泥岩层滑移量的差异，注CO2泥岩层滑移量小于注水泥岩层滑移量。基于不同注入介质对泥岩层滑移量的影响分析，给出了合理的注入方案，为防治油田套损提供了理论支撑。

• 含单个Ⅰ型裂纹的高温超导块材应力强度因子修正及计算

  王楚斐,

  高温超导块材在外磁场下降过程中会受到拉伸应力的作用，可能导致其断裂，且其在受到拉伸应力作用时裂纹尖端产生小范围屈服，此时用线弹性理论计算应力强度因子将不准确。本文通过统一强度理论对裂纹尖端塑性区的应力强度因子计算公式进行修正。随后基于Bean模型分别讨论了外磁场变化速率和外磁场大小对应力强度因子的影响。结果表明高温超导块材充磁过程中，外磁场以较小速率下降时主要考虑外磁场下降速率对裂纹扩展的影响，当外磁场较大时，主要考虑外磁场大小对裂纹扩展的影响。本文结果对高温超导块材充磁过程中的裂纹扩展和应力强度因子的计算具有一定的参考价值。

• 基于动力XFEM的结构内多缺陷三步反演法

  沈学港, 江守燕, 储冬冬,

  论文进行缺陷反演时，利用损伤指标法，确定缺陷数目，针对损伤指标法中缺陷取值范围存在人为性，推导了缺陷搜索范围的合理取值并进一步缩减了搜索范围；同时提出了一种考虑非线性因子的改进型人工蜂群算法，加速了多缺陷反演时目标函数最小化迭代过程。最后，通过三个算例验证了该方法对结构内规则和不规则缺陷的反演均具有较好的识别效果。

• H形钢梁考虑有限翘曲约束刚度的扭转效应分析

  陈东亮, 张元海,

  为考虑半刚性连接对H形钢梁翘曲变形的有限约束，引入翘曲约束刚度的概念，提出介于简单支承和固定支承之间的半刚性连接H形钢梁约束扭转计算方法。结合数值算例，验证本文方法的正确性，详细分析翘曲约束刚度变化对翘曲正应力和二次剪应力的影响。研究结果表明：翘曲约束刚度引起的双力矩沿跨度呈线性变化，翘曲正应力随翘曲约束刚度的增大而减小，二次剪应力随翘曲约束刚度的增大而增大。

• 考虑几何非线性的柔性光伏支架变形与刚度分析

  尚仁杰, 蒋方新, 孙悦, 王国辉,

  柔性光伏支架采用了小垂跨比（小于1/30）的悬索结构，具有很强的几何非线性。本文以直线状态索拉力为初始条件，给出了均布载荷下跨中垂度的三次方程和垂度显式解析解，求出考虑大变形几何非线性的索力高精度近似解；通过对平衡方程和垂度方程微分，得到了平衡状态的竖向切线刚度；通过对工程算例进行分析，并与非线性有限元计算结果进行对比，跨中垂度、索拉力误差均不超过0.5%。本文所得到的静力计算公式简单、准确，平衡状态竖向切线刚度物理意义明确，可为柔性光伏支架静力分析和结构设计提供参考。

• 三轮车侧向稳定性力学分析及仿真研究

  金石磊, 何烈云, 王腾煜, 叶紫东,

  为研究影响三轮车侧向稳定性的因素，根据三轮车的结构特点，将三轮车简化视为三棱柱刚体，利用非共点力系对轴之矩的平衡原理，推导出了临界侧倾速度和最大侧倾稳定角理论计算模型。并结合实际车型，采用PC-Crash模拟仿真试验方法，得到了在不同工况时，三轮车临界侧倾速度和最大侧倾稳定角仿真试验值。运用MATLAB数值分析方法将理论计算结果与仿真试验值进行对比分析，验证了理论计算模型的可行性。研究表明，相对于四轮汽车，三轮车的侧向稳定性除了与车辆重心高度有关，还与重心纵向分布有关；三轮车侧翻事故预防可以从人、车、路三方面采取措施。

• 声门下喉气管狭窄分度的数值模拟分析

  王春燕, 辛成运, 潘俊, 李腾,

  根据真实人体喉气管CT影像数据构建了声门下喉气管狭窄的气道模型，并对这些模型进行了吸气条件下的计算流体力学仿真。分析比较了不同狭窄分度模型内的流场特征、不同喉气管部段的阻力特性以及喉气管壁面的压力与切应力分布，并对这些特性与临床病患表象的关联性进行了讨论。分析表明声门下喉气管狭窄分度与狭窄导致的呼吸道阻力变化具有良好的关联性，此外，喉气管狭窄处压力及剪应力效应对病程的影响也需要关注。

• 欧美理科经典力学教材的现代化(二)——传统教学内容的更新

  陈立群,

  本文是研究欧美理科经典力学教材内容更新系列论文的第2篇，阐述经典力学教学内容改革的动因，并通过3部教材最新版的分析研究传统教学内容的更新。在19世纪70年代，经典力学的代数结构、几何描述和混沌运动的研究受到广泛关注，经典力学重新成为蓬勃发展的学科。这使得经典力学教材内容有必要进行更新。教材内容更新的一种途径是修订时补充新的内容。3部广泛采用的经典力学教材的最新修订都引入了混沌动力学的内容。代数结构的内容只整合进入适用于高级力学课程的教材，而整体微分几何的应用还没有进入经典力学教材。

• 如何在教学中培养学生的思维和能力（5）——直觉与猜测

  高云峰,

  直觉思维是不借助于逻辑推理而综合运用已有知识和经验，以高度省略、简化、浓缩的方式洞察事物的实质，并迅速作出猜测、设想或突然领悟的思维。直觉或猜测不一定准确，但是在特定条件下可能是正确的，或者能反映正确答案的部分特征，通过适当的修正有可能获得正确的结论。文章从直觉的角度，介绍了点的复合运动中加速度合成公式的猜测及修正、利用特例猜测一般结果的运动学案例，以及对太阳系行星轨道特点的猜测。这些案例为复杂问题的处理提供了一种思路。

• 理论力学研究性教学新探索——质点系变分原理与弹性介质(结构)变分原理

  郭铁丁, 康厚军,

  本文从理论力学研究性教学角度探讨质点系经典变分原理与连续介质/结构变分原理之间的理论联系。弹性介质/结构属于空间连续分布的相互作用质点系，通过将质点之间的弹性相互作用力视作特殊的主动力（有势力），从而准确构造弹性相互作用所做的内力功，实现将质点系变分原理过渡到弹性介质/结构力学的变分原理。论文通过对比分析，将详细说明质点系变分原理与弹性介质/结构变分原理的理论对应关系，并强调在基础力学研究性教学中展示这一理论联系的必要性。

• 追本溯源理念在本科固体力学专业教学中的应用与实践

  王宏伟, 姜品伊, 祝捷,

  为了提高本科固体力学专业的课堂教学效果，更好地帮助学生夯实基础知识，构建专业知识逻辑体系，追寻伟大先驱的治学足迹，培养学生的文化自信以及爱国情怀，探索知识为人类服务的路径，笔者提出了追本溯源的教学理念，剖析了教学目标的历史起点，追踪了知识体系的建立初衷和过程，探讨了课程讲授的逻辑思路。追本溯源的教学理念通过知识体系的本源归集、课堂教学的基础讲授、知识体系的逻辑整理和课堂教学的人文拓展，实现了本科教育教学中传授知识和答疑解惑的本质目标和初衷，落实了基础教学和以学生为本的教学理念。

• 新工科背景下的材料力学虚拟实验仿真范例库建设

  郝鹏, 王博, 姜田田, 张越一,

  面向新工科创新拔尖人才培养，建设了材料力学课程专属的虚拟实验仿真范例库，尤其融入了火箭筒壳轴压稳定性分析与设计、冬奥滑雪头盔变刚度抗冲击设计等工程案例，构建了问题导引、交互、体验、反思为一体的信息化混合式学习场域，完善了材料力学科教融合工程化教学资源体系。该范例库基于Python语言建立了一系列标准构件及工程实例的建模与有限元分析参数化脚本，可实现典型工程结构的强度、刚度和稳定性有限元分析的自动实施与演示。在此基础上，本文还提出了材料力学课程全学习周期多元形成性评价体系，实现对学生新形势下学习状态与能力的诊断性评价，以促使学生合理制订学习规划并自主开展学习，使得虚拟实验技术的实际教学效果最大化。教学实践表明，该虚拟实验仿真范例库有利于培养学生工程创新能力，激发学生力学报国情怀，成为材料力学课程思政的重要载体。

• 数值仿真在岩石力学教学中的应用

  范立峰, 丁昊, 王梦,

  岩石力学作为一个重要的力学分支，是土木工程、水利水电、采矿工程等应用型学科的重要基础。本文首先调研了岩石力学教学中存在的难点，分析了数值仿真技术在教学中的优势。随后，以岩石单轴压缩实验为例，采用图像采集与颗粒流模拟相结合的数值仿真技术，演示了岩石瞬态破坏过程，揭示了岩石在受到外力时的破坏方式和破坏机理。表明了数值仿真技术在岩石力学教学中具有“全尺度、全维度、全时程”等优点。展示了数值仿真技术在描述岩石破坏过程中形象、直观的教学效果。

• 交会与拦截动力学内涵探讨

  王伟林, 张雅声, 黎克波, 宋旭民, 李安迪,

  交会与拦截是动力学中的两个典型应用场景，都是研究空间中两个运动质点的精确相对运动的问题。传统的课程教学忽视了两者的内在联系，教学内容存在交叉重复、不统一等问题，本文以理论力学中点的复合运动为基础，从动力学模型与制导律两个维度对交会和拦截的内涵关系进行深度挖掘和阐释，打通两类相对运动之间的壁垒，建立起教学内容的有效链接，探索了航天动力学教学的新框架，有助于提升教学效率。

• 论连续性方程的推导及几种形式转换的方法

  刘欣怡, 付小莉,

  连续性方程是流体力学中的一个重要基本方程，在教学过程中往往侧重于其在工程中的应用而忽视了基本概念和物理意义。本文提出了一种系统性的教学方法，对连续性方程的相关基本概念进行串联整合，将雷诺输运定理应用到不同的流动模型来推导出四种不同形式的连续性方程，并通过演算证明它们可以相互转换，本质上是同一个方程。该教学方法能帮助学生加深对流体动力学基本公式物理意义的理解，构建起研究流体力学的基本思路。

• 中国力学史与方法论研究二十年回顾 纪念中国力学学会力学史与方法论专业委员会成立20周年

  刘俊丽, 朱涛,

  中国力学学会力学史与方法论专业委员会成立于2003年8月，它是我国以力学史与方法论研究为主旨的学术团体。时值该专业委员会成立20周年之际，本文回顾了其创建及20年来的发展历程，对历届专业委员会的组成、主办的系列学术会议情况，以及其在学会活动、学科建设和人才培养方面所发挥的作用进行了阐述。