力学与实践杂志

力学与实践杂志2023年第4期

• 浅谈飞行器与桥梁的颤振问题

  余秋阳, 尹亚鹏,

  颤振属于气动弹性动不稳定现象，常见于飞行器机翼和尾翼、桥梁等弹性结构，一旦发生，可能会引发结构的毁灭性破坏。本文首先介绍颤振的基本概念和特征，以及工程领域中常用的颤振研究方法，以展弦比为16的NACA0012弹性平直机翼为例介绍颤振速度和颤振频率；然后对结构发生颤振的原因进行讨论，并详细阐述基于流动降阶模型的稳定性分析方法在层流分离颤振诱发机理研究中的应用；最后对防止和规避颤振的控制措施进行介绍。

• 高速磁浮车–轨耦合实验平台的开发及应用

  张伟为, 吴晗, 曾晓辉,

  车辆和导轨的耦合振动问题是影响磁悬浮列车安全性和舒适性的重要问题之一。为解决车辆高速运行时面临的稳定性难题，开发并建设了一套高速磁浮车–轨耦合实验平台。平台围绕常导磁浮车的电磁铁模块进行展开设计，其中轨道模块外接激励器，可以模拟各种速度和不平顺下的轨道条件。控制系统基于实车的控制器、斩波器和传感器进行改造，应用DSPACE快速控制原型技术，实现对嵌入式算法的实时监控和在线修改的功能。建立了柔性轨道多体动力学联合仿真模型，便于快速模拟不同控制算法和力学环境下电磁铁的悬浮稳定性。最后，依托实验平台和联合仿真模型，测试了中低速和高速阶段下电磁铁模块的实际悬浮性能。实验表明本平台具有开展高速车–轨–控制器耦合测试和控制算法快速设计的能力，为高速车–轨耦合振动研究、悬浮控制算法优化提供了可靠的设备基础。

• 基于经验模态分解和改进小波软阈值降噪法的电站信号降噪研究

  罗鹏, 陈嘉翊, 郭丽江, 杨航, 卢孟宇, 张宇宁,

  在对电站各类信号进行故障诊断时，由于其所处的复杂工作环境，采集设备得到的信号中经常包含背景中强噪声干扰，导致在后续信号关键特征的识别和处理时会出现较大困难。为降低噪声的影响，本文将经验模态分解与改进小波软阈值降噪法相结合进行电站信号的处理并进行了方法有效性验证。该方法的主要流程如下：首先，将信号进行经验模态分解，分离出若干个本征模态分量和残差。其次，对其与原始信号进行互相关分析，识别有用信号主导的分量和噪声主导的分量，并将噪声信号主导的分量进行改进小波软阈值降噪法处理后，将其与有用信号分量和残差进行重构。最后，将经验模态分解和改进小波软阈值降噪法降噪处理后的信号与传统只采用小波阈值降噪法处理后的信号进行评价，结果表明本文方法的信噪比更高、均方根误差更小、相关系数更高、平滑度更好，可有效消除背景噪声的影响。

• 基于GDEM–GAVA的白羊城沟泥石流成灾风险数值分析

  徐兴全, 王心泉, 冯春, 丁桂伶, 刘新明, 王晓亮,

  降雨型泥石流是一个降雨–洪水–泥沙输运–推移质运动的多过程耦合过程。本文借助颗粒碎屑流仿真系统（GDEM–GAVA），对白羊城沟泥石流的成灾风险进行了分析。首先通过历史灾情数据反分析出了沟道物源的力学参数，而后基于该参数分析了不同降雨强度下该泥石流的成灾临界降雨时长。计算结果表明，白羊城沟泥石流物源的饱和黏聚力为0.5～1 kPa，饱和内摩擦角为5°～10°；降雨强度为65 mm/h时，沟道形成泥石流的时间为3.6 h；降雨强度为78 mm/h时，沟道形成泥石流的时间为2.8 h；降雨强度为88 mm/h时，沟道形成泥石流的时间为2.3 h。上述泥石流成灾风险的分析结果可为白羊城沟泥石流的科学预警提供必要的依据。

• 板壳式换热器波纹倾角对换热和阻力性能影响

  吴鹏飞, 刘新宇, 鲁博辉, 张理, 朱健华, 王科,

  研究了波纹倾角（α=45°，60°，75°）对板壳式换热器单流道内单相流动与换热过程的影响，分析了波纹流道内的速度分布、湍动能分布、压力分布和温度分布；基于范宁摩擦阻力因子f和Nu与Re的关系，提出了板壳式换热器不同波纹倾角下换热特性和流动阻力特性的预测关联式；通过计算不同波纹倾角下的综合性能评价指标（performance evaluation criteria，PEC）和面积质量因子（j/f）综合评价了流动与换热性能。结果表明：波纹倾角是影响圆形板间流体流动形态的因素之一，随着波纹倾角增大，会出现“十字交叉流”向“曲折流”转变；所提出的关联式能够很好地预测板壳式换热器内阻力与换热性能，阻力特性偏差在±14%范围内，换热特性偏差在±7%范围内；α为45° 时，j/f较大，流道内阻力相对小；α为60° 时，PEC较大，流道内换热性能相对强。

• 青岛胶东国际机场人工挖孔桩载荷试验数据分析与探讨

  张军舰, 隋倩倩, 郭幔, 殷坤宇,

  考虑人工挖孔桩施工过程演化影响和护壁与桩芯作为竖向叠合受力构件，依据青岛胶东国际机场人工挖孔桩载荷试验数据，分析探讨了大直径嵌岩桩竖向载荷传递特性。分析表明，桩孔开挖卸土对上部填土、全风化岩扰动明显，而对下部强风化岩、中风化岩扰动较小。护壁与桩芯为竖向受力叠合构件，桩在较大竖向载荷下，上部护壁在分节处会开裂。在护壁端下继续开挖，会对护壁端及周边岩体产生扰动，进行护壁未至桩底的“悬挂式”护壁端阻力计算时应考虑实际开挖的影响。同时桩嵌岩深度为1.92D~3.15D（D为桩直径）时，桩端阻力占比为10.5%~31.5%，表现出摩擦桩特性。桩嵌岩深度调至1.0D~1.5D，桩端阻力占加载量比例可至38.2%~76.1%，使桩受力更为合理。

• 水下井口连接器力学特性分析与实验研究

  张建龙, 张红, 刘书杰, 张崇, 冯定,

  基于密封性能对水下井口连接器的力学特性进行分析和试验验证。以高压介质作用下密封性能的判定准则为依据，根据赫兹接触理论得到了接触宽度、最大接触压力与接触面倾角之间的定量关系，确定了密封面倾角满足密封性能的合理范围。在小变形假设下利用弹性理论分析了在锁紧情况下密封圈各点处的应力分量变化规律，利用有限元软件分析了密封圈各点的应力变化规律，并且根据水下采油树标准设计试验进行了密封性能的验证。

• 结构模态耦合试验稳定性裕度研究及应用

  戴亚光, 沈恩楠, 苍峰, 胡家亮, 王标,

  针对某型验证机纵向伺服弹性稳定性裕度不足的问题，建立了基于结构模态耦合试验和仿真的分析方法。通过比较原型机与验证机之间传感器幅值裕度和响应曲线，初步判定传感器安装结构响应过大为此次裕度不足的主要原因。通过控制律仿真环节和机体动力学仿真环节建立了结构模态耦合仿真模型，模拟试验输入信号，获得传感器响应数据。通过结构模态耦合仿真，验证了倍频现象是导致传感器安装结构响应过大的原因，进而导致纵向稳定性裕度不足。提出了一种传感器支持系统可调频率动态控制装置，可有效提升结构模态耦合试验稳定性裕度。

• 面向主给水系统的流动调整器整流性能数值研究

  李英杰, 陈丽华, 钱敏, 陈贵才,

  针对某核电站主给水系统低负荷时文丘里流量计测值虚高所提出的流场改善需求，利用计算流体力学方法结合SST k–ω湍流模型，研究安装流动调整器时的流场特征和整流性能。首先分别对流场未安装和安装栅格（AMCA）调整器及不同结构参数的孔板调整器进行三维建模和计算，获得不同调整器对流场速度、压力、流场均匀度及流量计流出系数的影响，对比不同调整器对旁路支管所致流速畸变的整流性能，并确定选用孔板调整器的构型。其次改变调整器安装位置，对比安装位置对流场速度分布、阻力损失、均匀度改善及流量计流出系数的影响。三是针对满负荷大流量工况，将调整器与不同开度的主调节阀耦合建模，计算调整器所致额外压力损失，分析阀门开度与整流器压力损失的关系。获得的调整器构型和安装位置等参数的影响规律可为核电站主给水系统解决同类问题时的流动调整器选型和安装提供参考。

• 基于蒙特卡洛物质点法的土质滑坡全过程风险定量评估

  吴锐, 孙政, 岳臣龙, 何静怡, 周晓敏,

  针对土体参数空间变异性问题，提出了一种定量评估滑坡全过程风险的数值方法：蒙特卡洛物质点法。基于滑动时间、滑动动能、滑动质量比和滑动距离等四种定量评估参数，对土体黏聚力和内摩擦角在不同概率分布下滑坡全过程风险进行了定量评估。结果表明：相较确定性分析，考虑土体变异性后能更准确地评估滑坡全过程风险；模拟结果在正态分布和对数正态分布下较为接近，而在三角形分布和均匀分布下差异较大。当黏聚力服从对数正态分布、内摩擦角服从正态分布时，蒙特卡洛物质点法可以有效开展滑坡全过程风险定量评估。

• 与温度相关的非均质圆筒的非线性耦合广义热弹性分析

  韦杰, 吴枝根, 鲁文,

  基于能量守恒方程和L–S广义热弹性理论，借助状态空间技术和Newmark法求解了材料性质沿径向任意梯度分布同时又与温度相关的非均质圆筒非线性耦合广义热弹性问题。通过对材料性质与温度无关和相关功能梯度圆筒的算例分析，给出了在线性和非线性耦合下圆筒内温度和应力沿径向和随时间的变化关系，验证了本文解的正确性和有效性。数值结果表明，考虑材料性质是否与温度相关，能量守恒方程中耦合项是线性还是非线性，得到的温度与应力均存在不同程度的差异。本文解可方便地应用于不同边界条件和初始条件下圆筒的广义热弹性分析。

• 基于流体质点追踪的山区泄漏原油扩散规律研究

  张萌, 彭景, 白天阳, 张来斌, 王科,

  中缅油气管道是第一条长距离跨山区输油管道，途经我国地形地貌复杂、地质灾害频发的西南山区。严峻的自然地理环境使得原油管道的运行风险极大。输油管道破裂后，泄漏的油品将导致土壤变质和大面积水体污染等环境污染问题，快速预测原油的泄漏影响范围对于泄漏抢险工作具有重要意义。本文基于数字高程模型构建真实山体地形，通过流体质点追踪法描绘泄漏路径与扩散范围，提出了一种快速泄漏预测方法。使用该方法对山地管道泄漏的各种工况进行计算，研究了各种地形下泄漏路径、范围的不同特征，得到了各种影响因素对泄漏的作用。可为山地区域输油管道泄漏的抢险工作提供有效的参考。

• 基于SSA–LSTM框架的花岗岩失稳破坏前兆细观组分分析

  王振义, 王亚磊, 靳晓亮,

  以花岗岩为例，使用阈值分割技术识别了岩石的细观组分，分析了单轴压缩条件下岩石破坏前兆的细观组分特征，使用麻雀搜索算法（sparrow search algorithm, SSA）对长短期记忆（long short-term memory, LSTM）进行了改进，基于改进的LSTM对岩石破坏细观组分前兆进行了预测。结果表明，裂隙面积第二次激增、石英或长石面积第二次陡降可作为岩石的破坏前兆；基于细观组分的岩石破坏前兆时间比肉眼观察到岩石破坏时间提前了约4 s；改进LSTM对岩石破坏石英前兆的预测能力最强，长石次之，对裂隙预测能力最差。

• 基于光学数据的地球同步轨道目标定初轨方法

  崔文, 郭超, 陈建荣, 王啸臻,

  初轨确定的目的主要有两个，一是为空间目标精密轨道计算提供初值，二是为空间目标轨道测量数据相互关联提供初值，其重要性不言而喻。根据地球同步轨道目标的轨道运行特征，在观测弧段内相对测站几乎保持相对静止。由于光学测角数据中缺乏测距的约束，在基于短弧段的光学测角数据采用传统的Laplace方法计算其初始轨道时，由于观测条件的病态性，迭代过程大多发散，难以得到收敛的初轨结果。鉴于上述原因，本文采用遍历搜索轨道半长轴的方法，提出了基于给定半长轴引入伪测距的初轨确定方法，经过仿真数据检验，该方法初轨确定成功率优于95%，有效地解决了地球同步轨道带近圆轨道目标初轨确定过程中迭代难以收敛的问题。

• 含腐蚀缺陷弯管爆破压力分析

  王慧杰, 陈占锋,

  弯管是管道系统的关键部分，容易受到腐蚀。现有的理论方法对腐蚀缺陷进行了过度简化，难以准确预测含腐蚀缺陷弯管的爆破压力。为了解决这一问题，本文首先建立有限元模型进行含腐蚀缺陷弯管爆破压力有限元分析。然后，基于Goodall方程和有限元分析结果，提出新的含腐蚀缺陷弯管爆破压力的预测方程。最后，通过有限元分析和实验，对该预测方程的准确性进行验证。

• 基于假设模态加权的全局模态提取方法及其应用

  曹登庆, 张笑云, 王逸龙,

  假设模态法在单一梁、杆、索、板等柔性结构动力学建模中有广泛应用，但在处理组合结构振动问题时，常常因无法反映各部件之间的耦合作用使其应用受限。通过假设模态建立组合结构的近似动力学模型，利用近似模型求得系统的固有频率和相应的特征向量，据此可以有效地获得系统的全局模态。本文以跨中带有多个弹性支撑的简支梁为例，通过假设模态加权来提取系统的全局模态，从而建立系统的动力学模型。对系统进行固有特性分析的结果表明，通过假设模态加权可以方便地获得系统的全局模态；对系统动态响应分析的结果表明，采用本文提出的全局模态建立的非线性动力学模型可以有效地反映系统的非线性动力学特性。

• 无人机入水发射流场仿真及冲击特性分析

  姜涛, 陈尚成, 冯文正, 关玉明,

  跨介质航行是近年来无人机应用领域的重要研究内容。本文通过数值模拟方法，对某型号飞翼式无人机在不同工况下发射入水过程流场演变及运动姿态进行对比分析，同时对其入水冲击响应进行了数值仿真研究，得到不同发射工况下无人机的入水冲击载荷响应情况。结果表明：该型号无人机入水过程的姿态变化同时受水面条件及发射工况影响，静水工况下以25°入水角、4 m/s的条件发射无人机入水时，可实现最优的姿态恢复时间及入水冲击载荷响应值。

• 运动学中点的合成运动分析方法

  孙毅, 陈立群,

  本文就运动学中点的合成运动分析方法进行了梳理与研讨。采用广义坐标方法推导了动参考系作一般运动下点的速度与加速度合成公式，并与教材中的表达式进行了对比。此外还采用本文提出的基于牵连点运动的分析方法，对点的合成运动进行了详细的研究，并重点讨论了两种分析方法的特点与应用。

• 阶梯梁的位移计算方法对比

  魏鹏云, 李林,

  为了加深学生对位移法及阶梯梁位移计算的理解，以阶梯式简支梁为例，分别利用积分法、常规图乘法、刚度叠加法及位移法求解了阶梯式简支梁的位移。计算结果表明：利用位移法求解阶梯式简支梁的位移具有独特的优势，可显著减少计算工作量并提高计算准确率，值得在教学过程中推广。

• 细长压杆屈曲实验平台设计及其在实验教学中的应用

  董康兴, 孟博, 姜民政, 常思远, 程天才,

  实验教学是培养工科大学生实践和创新能力的重要手段，如何在有限的实验条件下开展丰富的教学实验、关联更多的理论知识点是力学实验亟需解决的问题。本文以材料力学中常见的压杆屈曲问题为例，构建了压杆屈曲实验平台，主要包括压杆屈曲实验和力学仿真两个模块，通过压杆屈曲实验案例展示了该平台用于开展教学实验的过程。结果表明，该实验装置可操作性强，学生能够直观地观察到压杆由稳定到正弦屈曲再到螺旋屈曲的全过程，同时能够测试压杆径向位移、应变等多个参数，仿真实验能够在不受时空、设备限制下更直观地实现实验过程的再现和拓展。本实验具有一定的趣味性和专业性，利用教学实验能够激发学生对材料力学的学习兴趣，加强学生对多个关联知识的理解，也能够锻炼学生的动手实践能力。

• 基于力等价结构的复杂超静定结构求解新方法研究

  汪大洋, 孙静, 梁颖晶, 刘东滢, 蔡长青, 朱勇,

  超静定结构内力计算是结构力学课程学习的重点和难点，当超静定次数较多时，采用传统方法计算时难度极大且不易理解。本文总结提出了力等价结构思想，力等价结构与原结构在内力、变形上完全等价，基于该思想提出了复杂超静定结构内力计算的新方法，并将其应用到位移法、混合法求解多次超静定的复杂结构算例中。通过与传统方法对比，验证了所提力等价结构思想的可行性。所提方法可大大降低复杂超静定结构基本未知量的数目，简化计算过程，提高求解效率。

• 基于互联网+思维导图的材料力学e-作业及时反馈的探索与实践

  张彤, 罗媛, 赵卓阳, 陈玉丽,

  大学生完成作业时，经常会遇到一些难以克服或者困惑的问题。如果教师能够及时答疑解惑，则可以有效地提升教学效果。为此，本文提出基于互联网+思维导图形式的e-作业及时反馈模式并开展了教学实践。该模式打破传统教学中的作业模式，实现了作业的在线批改和反复反馈。作为混合式教学的一种延伸和拓展，它能够有效实现课内教学与课外作业之间的无缝连接，开创以学生为中心、以求解问题为导向的新型教学模式。

• 点的速度和加速度合成定理的简便证明

  张劲夫,

  从动点的绝对矢径与动系上任意一点的绝对矢径之间的关系出发，通过对时间的求导运算，并结合点的速度和加速度的定义式，分别推导出动点的绝对速度与动系上任意一点的绝对速度之间的关系式以及动点的绝对加速度与动系上任意一点的绝对加速度之间的关系式，在此基础上，分别应用这两个关系式，推引出点的速度合成定理和点的加速度合成定理。定理的整个证明过程简单明了，逻辑性强，非常便于教学。

• CFD/NHT教学中若干易混淆概念的综合辨析教学方法

  宇波, 禹国军, 王艺, 李敬法, 陈宇杰, 孙东亮,

  《计算流体力学》及《数值传热学》系列课程知识体系复杂、概念抽象且分散、易混淆概念较多；若教学方法不当，学生学完课程内容后往往对一些重要的概念似懂非懂，对概念相互之间的区别与联系亦是云里雾里，甚至对一些重要概念理解错误，导致面对数值仿真关键难题时不得要领。立足于此系列课程的特点，本文提出了一种综合辨析教学方法：通过典型案例引出概念，化抽象为具体，通过对照式、综合式、追根溯源式等辨析方法对概念进行综合辨析教学。该方法有助于学生辨析易混淆知识点，明晰零散概念间的区别与内在联系，从而实现对知识点的融会贯通和灵活运用，起到了拨云见日、升华理解的作用。文中以误差、稳定性和收敛性三方面相关易混淆概念的教学为例，介绍了该综合辨析教学方法的实施要点。该教学方法可为《计算流体力学》和《数值传热学》系列课程的教学或自学提供参考。

• 新媒体创作在工科基础课程教学中的应用——以理论力学课程为例

  谌霞, 李昇,

  随着我国高等教育迈向深化改革的新发展阶段，传统工科教学也面临理论结合实践、基础结合创新、传统结合多元的改革新目标和新要求。本研究以理论力学课程教学为例，提出了一种以学生为主体的短视频创作在工科基础课程教学中的应用模式，有效提升了学生学习效率和知识掌握程度，对开拓学生学习能力和创新思维具有显著促进作用。该模式为工科多元教学提供了新的思路，对与时俱进优化工科教学改革具有重要参考价值。

• 鞭梢效应在“明日环”魔术的应用

  黎熠哲, 巩伟杰, 张伟伟, 尹玲, 宋加雷,

  “明日环”魔术也称魔结，或“喜结良缘”。当环自由下落时，套在其中间的闭合链条会迅速打结将环紧紧扣住。“明日环”魔术由于打结过程迅速，只有不到80 ms，背后隐藏的有趣力学原理很少被大家熟知。本文利用由4台高速相机组成的高速相机阵列实验平台，拍摄并重建了“明日环”魔术中链条打结这一关键过程。对环的运动和链条运动的定量分析发现，链条在魔术过程中存在鞭梢效应，使其能够在肉眼无法分辨的速度下完成打结，鞭梢效应是魔术成功的关键力学原理。

• 高铁座椅靠背压坏笔记本显示屏谁之过

  张桂民, 张昊, 张营营, 陈培见, 李福林, 赵慧明,

  乘坐高铁时，时有发生在小桌板上使用笔记本电脑时被前排座椅靠背压坏的事故，给双方乘客均造成了不必要的经济损失。本文首先介绍了一起发生在2022年3月4日的典型案例，然后利用力学理论分析了小桌板上笔记本显示屏被压破坏的原因，最后给出了高铁座椅和小桌板的优化设计建议，为避免类似事故再次发生提供了重要的借鉴。

• 冯·诺依曼，计算机和力学

  王振东,

  电子计算机是20世纪最先进的科学技术发明之一，是力学计算的主要工具。介绍了冯·诺依曼与世界第一台电子计算机的故事。