力学与实践杂志

力学与实践杂志2023年第3期

• 海工混凝土环境损伤力学研究进展

  陈建康, 杨敏,

  海工混凝土结构的安全性与耐久性是值得力学学科关注的重要问题。钢筋混凝土是由素混凝土基体和加强钢筋组成的复合材料。在海水中的氯离子腐蚀下钢筋会发生锈蚀，而在海洋环境的各种化学因素和物理因素作用下会导致素混凝土基体中的微裂纹成核与长大。腐蚀损伤会导致氯离子扩散系数增加，钢筋锈蚀加速，最终导致混凝土结构的安全性与耐久性降低。海工混凝土的损伤由化学因素和物理因素所诱发，化学因素包括碳化和侵蚀性离子（氯离子、硫酸根离子和镁离子）的攻击，而物理因素包括温度、湿度、波浪冲蚀和紫外辐射等。本文介绍了海工混凝土环境损伤力学的研究进展，首先讨论了环境损伤的诱发机理，然后介绍了环境损伤力学的理论模型，包括钢筋坑蚀的概率模型、硫酸盐腐蚀下混凝土损伤演化的模型和断裂韧性演化模型、波浪冲蚀模型等。腐蚀损伤对氯离子扩散的耦合作用也进行了评述，强调了如果不考虑腐蚀损伤的影响，关于氯离子在混凝土中扩散的分析结果有可能是错误的。最后，提出了几个未来需要解决的重要问题。

• 改进漏斗式喷气静电纺丝装置及其批量制备有序纳米纤维机理研究

  高璐璐, 徐岚, 张楠,

  提出了一种改进的漏斗式喷气静电纺丝装置，其由一个钛合金锥形喷嘴、一个上壁面具有多个凹槽的钛合金储液池和一个用作收集器的铜丝滚筒组成，可以获得更高产量的有序纳米纤维。为了研究改进的漏斗式喷气静电纺丝装置批量制备纳米纤维的机理，分别模拟了其与原有的漏斗式喷气静电纺丝装置的电场分布，并通过理论和实验分析了储液池结构和纺丝电压对纳米纤维形貌和产量的影响，实验数据与模拟结果相一致，表明改进的漏斗式喷气静电纺丝装置纺丝性能更好，可获得更高质量和产量的有序纳米纤维，且45 kV为最优纺丝电压。

• 功能梯度材料梁自由振动的线性与非线性振动

  陈琦, 马连生, 郭章新,

  基于数值模拟和理论分析两种方法，研究了功能梯度材料(functional gradient materials，FGM) 梁自由振动下的线性与非线性振动问题。通过解析法求解了FGM梁在经典理论下以及一阶剪切理论下的力学行为，得到了FGM梁在简支和固端约束下的固有频率。理论分析了不同边界条件、不同梁理论下、梯度指数、长细比等因素对于FGM梁固有频率的影响；不论经典梁理论还是一阶剪切理论，随着梯度指数的增加，FGM梁的固有频率都随之减小。通过ABAQUS 仿真模拟，得到FGM梁数值模拟下的非线性固有频率。将理论解与数值解进行对比，完善力学模型。在多种理论下，利用解析法和数值模拟的方法，给出FGM梁结构振动响应的线性与非线性解。

• 岩石强度准则的主应力显式表达式几何推导及应用

  付自国, 李化, 王佳信, 邓建辉, 陈菲,

  主应力是岩石强度准则的基本量，然而，给定应力张量求解主应力的三次特征方程通常难以求解。本文通过几何关系将主应力的三次代数方程转化为三元一次方程组的求解，最终建立了三个主应力关于应力张量不变量的显式表达式，并着重推演了其在静水压力效应的刻画、三维强度准则的推导和空间屈服面的绘制中的应用。可为岩石真三轴试验数据可视化提供参考，同时丰富了弹塑性力学教学内容。

• 高温后套筒灌浆连接大变形反复拉压力学性能研究

  刘良林,

  套筒灌浆连接是预制混凝土结构当前钢筋连接的主要方式之一。基于套筒受力状态不明的问题，考虑高温作用的影响以及抗震需要，开展高温后（最高温度600℃）套筒灌浆连接试件的大变形反复拉压试验研究，探讨套筒应力分布与连接力学性能发展规律。当套筒灌浆料抗压强度为61.3 MPa时，试验结果表明：套筒环向处于弹性状态，但其中部的纵向将进入弹塑性受力状态；套筒灌浆连接试件失效模式由套筒外钢筋断裂转向钢筋与套筒灌浆料界面粘结滑移失效的关键温度为400℃；相对常温值，高温后试件的峰值载荷与峰值位移分别下降约为12%与17%。

• 基于滑移边界的饼干面团双辊挤压成型的数值模拟

  田文马, 戴晨龙, 杜继芸, 袁方洋,

  饼干是广受欢迎的零食之一，饼干面团的量化生产要求各个面团的挤出重量保持稳定性和一致性。饼干面团属于非牛顿流体，采用Polyflow软件对饼干面团在双辊挤压成型过程进行数值模拟，分析滑移系数和辊子转速之间的关系以及饼干面团挤出流量的均匀性。结果表明：面团出口流量具有不均匀性，五个孔道出口流量呈现中间大两边小的分布。滑移系数和辊子转速呈线性正相关，数值模拟可预测出口平均质量流量，且预测精度不会随转速的增加而降低。

• 中央肋对接平尾结构非对称载荷测量技术

  高腾龙, 孟敏, 何发东, 蒋献, 陈致名,

  针对中央肋对接平尾结构，使用直接测量法和提出的唯象拟合法对其非对称弯矩载荷进行测量。通过先后开展虚拟试验和地面载荷校准试验，分别建立了两种测量方法的非对称载荷模型，并对其适用性和准确性进行研究。地面试验和飞行试验结果显示，唯象拟合法能够有效地完成平尾结构的非对称载荷测量，地面试验验模误差最大值为1.57%；直接测量法由于中央对称面附近连接有对接肋和平尾接头等导致局部传力比较复杂，测量精度较差，地面试验验模误差达到8.11%。

• 基于FLOW-3D的砂性尾矿浆自然冲积分选计算

  杨锦, 苏伟强, 李斌华,

  上游式尾矿库滩面的运行坡度与颗粒分区影响防洪安全与坝体稳定。为了准确量化滩面的尾矿颗粒沉积特征，针对粗颗粒砂性尾矿，提出了基于FLOW-3D泥沙冲积理论的计算方法。经尾矿浆自由沉降算例与试验验证，计算方法具有很好的可靠性，计算精度满足工程要求。设定流槽计算系统模拟滩面运行，计算不同入库浓度下滩面的沉积分选特征。结果表明：尾矿库干滩面的几何形态和颗粒沉积特征，与尾矿的级配、排放浓度密切相关。入库浓度越大，滩面形态越复杂，越易形成陡坎深坑，颗粒物沉积范围越小，分选性越差。

• 基于T 型平尾结构的抖振载荷测量技术研究

  高通锋, 张海涛,

  抖振载荷是飞机在进行高速、大机动飞行过程中经常遇到的一种载荷形式。针对T型平尾布局飞机，充分考虑结构的传力形式，采用应变法进行抖振载荷测量。基于抖振载荷特殊性，在工况设计时充分考虑了非对称载荷工况，建立的非对称载荷方程相比对称载荷方程精度有所提高，通过飞行试验分别计算了飞机在进行水平失速与30° 转弯失速过程中结构抖振载荷，平尾根部最大剪力达到结构限制载荷的76.1%，弯矩达到限制载荷的61.6%，中央翼盒滚转力矩达到限制载荷的13.26%，获取的载荷数据不仅保证了飞机在进行大机动飞行科目时的飞行安全，同时为飞机结构设计提供了数据支持，此种方法同样满足于其他类似结构抖振载荷测量。

• 螺栓连接的梁–弹簧模型及各齿承载分布

  张铮, 王小阳, 王依兵,

  螺栓各齿承载分布严重不均，内外螺纹啮合的第一齿承载较大且齿根存在应力集中，易造成螺栓杆横断失效。本文通过对螺栓连接的受力变形分析，建立梁–弹簧模型，推导了理论模型的力学方程组，并基于此模型编程计算，求解得到螺栓连接件在使用过程中各齿承载的分布情况和齿根应力集中系数。最后进行有限元仿真，对比理论模型和有限元的结果，两者误差在工程可接受范围之内。研究表明，螺栓连接的组合梁–弹簧模型是合理有效的。

• 直剪试验过程中剪切面上法向应力变化规律分析

  雷胜友, 惠会清,

  首先推导出不同剪切位移下试样截面惯性矩表达式，然后计算得到试样剪切面上归一化最大、最小法向应力随剪切位移变化的关系曲线，发现两法向应力及其差值随剪切位移的增大而增大，随试样剪切面直径或剪切边长的增大而减小。当试样剪切面直径和边长相同时，圆形试样剪切面上的法向应力要比方形上均匀些。当试样剪切面为矩形，沿矩形长边方向剪切时，其上法向应力的分布要比沿短边方向剪切时均匀些。建议尽量使用剪切面为圆形的大样进行直剪试验。

• 绳索取心满眼管柱的力学模型优化与应用

  潘德元, 贺前平, 蔡隽, 王杰, 方国庆, 曾昊,

  为了解决常规绳索取心钻具结构防斜能力低、钻孔轨迹控制差的问题，本文基于经典管柱力学的纵横弯曲连续梁理论，优化了孔底钻具的力学模型：将取心钻头与下扩孔器间视为钻头整体，而不作为第一跨；将稳定器间距小于切点跨距的管柱视为刚体。在此基础上提出了提高钻具防斜和钻孔轨迹控制的管柱结构模型，并通过钻探施工验证得出，管柱结构模型的理论防斜效果和实际钻孔轨迹变化情况相吻合，这为提高绳索取心钻孔质量提供了有效的理论指导。

• 一种适用于回字形截面梁的新型翘曲形状函数

  马维力, 崔辉如, 商泽进, 王慧, 李道奎, 李显方, 王诗琦, 苗鹤洋,

  回字形截面梁是本科力学课程教学中常见的一种梁结构，本文提出一种适用于回字形截面的翘曲形状函数，基于此，建立了适用于回字形截面梁的高阶剪切变形梁模型。所提理论同时考虑了横截面剪切变形和转动惯量的影响，且不需引入剪切修正系数，对于回字形截面梁的动静态力学行为计算精度高。同时，计算过程简单，易于工程应用，可以作为材料力学、弹性力学和有限元法课程教学实例，也可基于所提理论发展新的一维高精度有限元梁模型。

• 大斜度长水平井油管下入性力学分析

  冯超, 黄剑, 夏成宇, 钱利勤,

  大斜度长水平井眼中，水平井段的长度较一般井眼要长，随着油管与井壁的接触面积不断增大，摩擦阻力也逐渐增大，从而导致油管产生“自锁”现象，使得油管难以下入到预定井深，严重地限制了油气井的开发效率。针对这个问题，本文充分考虑井眼几何参数、油管几何参数、油管刚度以及屈曲问题，对不同屈曲状态下的油管进行受力分析，分别建立三种屈曲状态下油管的力学模型，采用安全系数法结合第四强度理论对油管的下入性进行研究。利用MATLAB分析软件，研究管径、摩擦系数与油管下入性的关系，研究结果表明2\dfrac78 外加厚油管在摩擦系数为0.2时能够下入到指定井深。引用安全系数法并结合第四强度理论对油管的应力进行校核，数值计算结果与分析结果一致。

• 基于模态振型的载荷转换计算方法

  邱智勇, 王轲,

  在航空领域，将翼面载荷准确施加到结构有限元模型上是有限元响应计算的必要步骤之一，但计算流体力学 (computational fluid dynamics，CFD) 得到的气动载荷通常无法直接施加至有限元模型。目前翼面载荷的转换计算方法依然存在计算效率不高的问题。由于翼面载荷分布具有连续、光滑的特点，理论上可用合理的基函数加权叠加进行拟合。本文试用模态振型作为基函数拟合载荷，先针对气动与结构两种网格构建同一翼面的两个结构模型，这两个结构模型理论上具有相同的模态。再用气动网格构建的翼面模型的模态振型作为基函数，并基于模态截断理论近似拟合CFD端的翼面载荷，得到拟合函数的权系数。最后，利用该权系数并根据结构网格构建的翼面模型的模态振型，拟合得到气动性能计算和有限元法（finite element method，FEM）端的翼面载荷。通过一个算例进行计算验证，以合力与压心来评价载荷转换的精度，结果表明，此法具有较高的计算精度与速度。

• 成桩后黏性土中超孔压和有效应力试验研究

  张智慧, 朱文文, 刘洋义, 刘坚, 马天,

  针对预制桩沉桩挤土效应问题，采用现场原位试验和数值模拟方法，分析了桩土界面超孔压和竖向有效应力随时间的变化规律，并应用水力压裂理论、孔穴扩张理论和修正剑桥(modified Cam-clay, MCC) 模型，揭示了成桩后桩周土体固结过程的超孔压沿桩长的分布形式。结果表明：桩周超孔压大小同孔压与传感器入土深度成正比；在外载荷作用下，黏性土中超孔压和竖向有效应力分别随时间呈“增–减–平”和“平–增–平”的三段式变化趋势；成桩后约25天，超孔压基本消散完毕，竖向有效应力趋于稳定最大值；基于修正理论公式的数值模型得出，不同载荷下，桩侧中下部出现负超孔压，距桩的水平距离和距桩端竖向距离越小，超孔压越大。可为同类静压沉桩挤土效应问题提供参考依据。

• 基于连续支承压杆模型的轴心受压柱局部屈曲分析

  文颖, 周志伟, 何文杰,

  轴心受压柱局部屈曲分析，一般根据薄板理论建立板件屈曲微分方程，构造满足边界条件的位移场，获得屈曲临界载荷解析解，不仅推导繁琐且不便直观地揭示受压板件屈曲特征及控制参数。本文建立单位宽度受压板条的连续支承压杆模型，将二维板件屈曲问题转化为学生较熟悉的一维压杆屈曲分析。基于连续支承压杆临界载荷的解析解，方便识别典型非加载边约束下板件屈曲半波数。本文旨在深化理解受压板件屈曲性能。

• 基于数据驱动的薄板结构多裂纹反演方法

  江守燕, 万晨, 储冬冬,

  采用比例边界有限元法 (scaled boundary finite element methods，SBFEM) 模拟薄板结构内Lamb波的传播过程，将SBFEM和最大信息系数相结合，研究了缺陷参数与观测点位置的相关性，为缺陷反演时传感器布置位置的选取提供了依据。在此基础上建立了基于SBFEM数据集和深度学习的结构内部多裂纹反演方法，将多裂纹反演归类为分类和回归预测问题，可在未知裂纹数量的情况下反演出裂纹的数量、位置和大小，并通过数值算例验证了该方法能够较好地进行裂纹状缺陷数量和参数的反演。

• 三跨点阵桁架夹芯梁结构主动振动控制

  郭振坤, 温佳琦, 董挺, 孙彦飞,

  利用压电作动器/传感器，对三跨沙漏型点阵桁架夹芯梁进行主动振动控制。基于哈密顿原理建立三跨点阵夹芯梁理论模型，采用假设模态法和标准特征值法完成夹芯梁的动力学分析；并利用有限元法建立仿真模型，验证理论结果的有效性和正确性。此外，用压电材料研究主动振动控制方法对多跨夹芯梁的有效性，其中传感器和作动器分别粘贴在夹芯梁上下表面处。该方法对多跨夹芯梁结构的振动控制有一定指导意义。

• 欧美理科经典力学教材的现代化(三)——现代教学内容的发展

  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3篇，分析6部经典力学现代教材的理念、内容和特点。这些教材更重视运动微分方程解的定性和定量特性，更重视定性分析方法和数值求解方法。所有教材都增加了混沌的内容。高级力学课程教材还增加了Lagrange力学和Hamilton力学的几何描述，同时包括了必要的整体微分几何基础知识。有些高级力学课程教材包括了经典力学代数结构的基本知识。中级力学课程教材没有代数结构和几何描述的内容。

• 理论力学研究性教学新探索−变质量系统动力学与连续介质Reynolds输运定理

  郭铁丁, 康厚军,

  本文探讨理论力学中变质量系统动力学与连续介质Reynolds输运定理的联系。Reynolds输运定理是连续介质(例如流体)质量/动量/能量输运规律的共同基础，因而具有基本的理论重要性。本文通过详细对比分析说明：在理论力学中，基于一般质点系模型的变质量系统动力学与连续介质力学的输运规律，本质上具有相同的理论框架和分析工具。如果在任意质点系模型的基础上引入质点空间连续分布的假设，则可以将变质量离散体系的力学结论拓展至连续介质的基本输运规律(包括质量/动量/能量)。

• 一种计算梁的挠度和转角的新方法

  吴泽艳, 田东方, 郑保敬, 彭辉, 叶永,

  梁的挠曲线方程一般是分段多项式的形式，如果通过某种方法确定了多项式的系数，那么挠曲线方程完全确定。本文利用该思想提出了一种计算梁的挠度和转角的新方法。首先将梁划分为若干区间，然后将每一区间映射到标准区间，在标准区间上以若干点的挠度和转角为待定系数构造梁的挠曲线方程，用配点法得到若干代数方程，最后联合求解所有的代数方程即得到问题的解。新方法计算过程简单，可供教学参考。

• 锥形杆轴向拉伸的材料力学解答

  唐振家, 陈英杰, 范钦珊, 李栋栋,

  对于锥形杆受轴向均匀载荷拉伸的模型，本文基于横截面上轴向正应力均匀分布的假设，给出了其应力及截面变形的材料力学解答。结合ANSYS有限元分析结果及弹性力学精确解进行对比。发现锥角较小时，对于工程实际，材料力学解的误差可以接受。而锥角较大时，需要对轴向正应力公式作修正以使得材料力学解仍然适用。

• 定积分法求解弯曲变形问题

  刘荣刚, 郝志伟, 边文凤,

  本文采用定积分方法求解梁的弯曲变形问题。该方法不需要采用边界条件来确定积分常数，有效地简化了问题的求解过程；该方法以梁的转角微元为逻辑起点，清晰地刻画了梁弯曲变形的累加过程，便于深刻理解载荷作用下梁的变形历程。

• 几何构造分析中关于定向支座的四个辅助规则

  刘永军,

  几何构造分析是结构力学课程的重要基础内容。通常，几何构造分析要采用三个基本规则和一些辅助规则来进行。考虑到定向支座(双链杆支座)是结构力学中的一种常见支座，因此，本文提出四个与定向支座相关的辅助规则。在这四个辅助规则配合下，很多含有定向支座结构的几何构造分析过程变得清晰、简捷。文中给出五个算例，证明关于定向支座的四个辅助规则易懂、有效。

• 计算流体力学线上线下混合式课程改革的探讨

  胡箫, 林培锋,

  针对新冠疫情的特殊时期需求，以及数字化发展之大趋势，线上线下混合式课程改革与实践受到越来越多的关注。本文主要探讨了计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）的线上线下混合式课程改革与实践方法，提出线下理论教学、线上案例教学、线上线下混合式课堂的改革方法。同时，引入课程思政元素，潜移默化地激发学生爱国热情和民族精神，鼓励学生利用CFD解决卡脖子难题，实现专业知识、工程应用、国家发展的统一。

• 巧用体力与面力的变换求解非常体力弹性力学问题

  杨振宇, 卢子兴,

  在弹性力学问题的求解中，考虑体力的计算比考虑面力的计算要复杂很多，而且在力学实验中模拟体力的载荷条件通常也比较困难。因此，将体力转化为面力，可以简化弹性力学问题的求解，并且对于实验设计，也可提供极大的方便。本文以两个典型平面问题为例，分别探讨了在直角坐标系和极坐标系下对非常体力的处理方法，为实验的设计提供了新的思路，有助于学生灵活运用弹性力学理论解决实际工程问题，具有一定的工程应用价值和教学实践意义。

• 泰勒提出湍涡的故事

  王振东,

  根据历史文献说明英国剑桥大学泰勒教授1915 年提出涡旋概念的历史。

• 第十三届全国周培源大学生力学竞赛“理论设计与操作”团体赛的设计方案与经验总结

  吴弋航, 刘龙波, 邓鹤轩, 高芳清,

  本文主要介绍第十三届全国周培源大学生力学竞赛“理论设计与操作”团体赛竞赛题目，西南交通大学代表队在比赛中的解题思路、装置设计和原理介绍，并简要总结此次参赛获得第一名的经验，以供参考。

• 第十三届全国周培源大学生力学竞赛“基础力学实验”团体赛命题和竞赛总结

  陈建中, 黄莉, 张红旗, 吕泳, 王珍, 周令, 刘立胜,

  对第十三届全国周培源大学生力学竞赛“基础力学实验”团体赛的命题过程、命题原则与思路、竞赛过程与结果等进行了分析和总结，并提出了相关意见与建议。