力学与实践杂志

力学与实践杂志2023年第6期

• 增量数字图像相关方法的误差分析及应用考量

  池宇希, 杨昊天, 潘兵,

  增量数字图像相关方法（digital image correlation, DIC）常应用于变形后图像中被测物体出现大变形、环境光变化剧烈以及采用激光散斑追踪变形等容易发生图像退相关的场景。增量DIC充分利用局部图像序列的相关性，通过更新参考图像计算增量变形，再进行累加以获得整体变形，可解决采用固定参考图像的传统DIC方法在出现图像退相关时计算失效的问题。但是，由于DIC计算变形时存在系统误差，在增量计算以累加增量位移的过程中会导致误差累积。为实现更准确高效的增量DIC分析，需明确这一误差的累积规律并提出抑制误差的方法。本文通过模拟和真实实验研究了采用不同增量策略的增量DIC方法在不同场景下的误差累积规律。结果显示：为减少参考图像更新带来的累积误差，应采用条件增量计算策略以尽量减少参考图像的更新次数；同时，自适应参考图像子区平移策略和图像高斯低通预滤波方法可以显著降低插值带来的系统误差，应与增量DIC方法配合使用。

• 透明试样受集中载荷的应力应变同步测量方法

  黄力文, 高飞, 邵新星,

  本文提出了一种结合数字梯度敏感（digital gradient sensing, DGS）方法和数字图像相关（digital image correlation, DIC）方法，可实现平面应力状态下透明试样受集中载荷的应力应变同步测量方法。分别在透明试样和散斑板表面制备蓝色和红色的荧光散斑，然后利用3CCD相机分离试样和散斑板上特定光谱的荧光散斑，从而实现前后两个散斑图像的独立成像。分别计算可得到透明试样的应变和应力梯度场。通过展开半平面集中力加载实验，进行实验结果与解析值的对比，验证了此方法的可行性。

• 基于光学原理的二维/三维温度场测量技术

  封伟, 黄文丹, 郝策, 张宏业, 刘战伟,

  基于光学原理的二维/三维温度场测量是利用介质的折射率变化、辐射信息和光谱信息，通过分析物体的透射特性、热辐射或粒子特性来推断其温度。传统的接触式温度测量方法存在诸多限制，而光学测温技术通过非接触式测量提供了一种可行的解决方案。现有的研究表明，光学测温技术已经取得了显著的进展。干涉法测温、辐射测温和激光光谱诊断测温等方法被广泛应用于各个领域。这些方法在测温精度、测量范围、时间响应性、设备尺寸和便携性等方面不断改进。在三维温度场测量方面，研究者们通过改进和优化测量技术与设备，对实现复杂热传导、燃烧过程和材料性能等的全面了解和优化提供了重要的实验手段。同时，光学测温技术在工业生产、医疗诊断等领域得到了广泛应用，为实现更高效、准确、智能的温度测量和监测提供了新的发展机遇。

• 一种新的红外脉冲热成像后处理方法

  王逸凡, 吴丹, 苗志飞, 吴成浩,

  脉冲热成像技术作为一种新兴的无损检测技术已被广泛应用于红外领域，然而由于试样表面加热不均匀及表面发射率低导致的红外图像对比度低、噪声大等问题给缺陷的检测带来困难。本文基于长脉冲热成像技术对碳纤维增强塑料(carbon fiber reinforced polymer，CFRP)板和304不锈钢进行了无损检测研究，提出了比温度的图像后处理方法。该方法对温度序列图像的每一帧图像与前一帧图像进行作商的后处理操作，得到比温度的图像序列。从比温度序列中获取信噪比最大的图像，以进行缺陷识别和缺陷定量。结果表明，与此前的方法相比，该方法显著提高了图像的信噪比，更有利于检测更深、更小的缺陷，相比原始图像，信噪比提高了近98.46%。将该方法与半高全宽法相结合，对试样的尺寸进行定量检测。通过仿真和实验验证，该方法具有良好的鲁棒性，显著降低了缺陷尺寸定量的误差，该方法可作为一种有效的红外图像后处理及缺陷尺寸定量方法。

• 典型卫星产品单轴和多轴随机振动试验振动效应对比研究

  刘沫, 冯咬齐, 杨江, 徐在峰, 陈勉, 杜晨,

  卫星产品振动试验是一种地面试验，用来考核产品经受实际振动环境的能力。多轴振动试验因其能更真实地模拟振动环境，是动力学环境试验技术的发展趋势之一。传统的单轴振动试验与多轴振动试验在振动效应的差异未有明确结论，这给卫星产品多轴振动试验技术的推广和应用带来了阻力。本文通过选取典型卫星产品用试验的方法从振动响应的角度对单/多轴随机振动的振动效应和不同条件下的多轴随机振动的振动效应进行了比较研究，并对典型卫星产品单/多轴随机振动的振动效应和不同条件下多轴随机振动的振动效应存在的差异进行了总结并得出了相应结论。

• 根系表皮形态对根–土拉拔力学行为的影响

  陈壁坤, 戴北冰, 谢兴国, 郑籽盈,

  研究选取小叶榕和大叶伞两种植物来开展室内根–土拉拔试验，分析根系的表皮形态及其基本拉伸力学特性对根–土相互作用的影响规律和机理。试验结果表明：两种植物根系拉拔力–位移曲线均呈现3个变化阶段，根–土界面最大摩擦力随根径和法向载荷的增大而增大，根皮粗糙度较大的根系其界面摩擦力较大；随着土颗粒对根皮表面挤压力的增大，表皮粗糙度和拉伸弹性模量共同影响根–土界面的最大摩擦力。相关研究成果可为生态护坡提供科学支撑。

• 哈氏合金X和C-276的力学性能及其在氢燃料电池双极板的应用研究

  柳梓萌, 钟嘉城, 张檬, 侯蓓蕊, 张文敏, 赵春旺,

  双极板是氢燃料电池的核心部件，由于其工作环境具有腐蚀性，要求双极板材料既具有良好力学性能，又具有良好耐腐蚀性能。本研究主要对两种典型哈氏合金Hastelloy X和Hastelloy C-276的力学性能及其作为氢燃料双极板材料的耐腐蚀性能进行测试，作为参照，也对典型不锈钢材料304 SS进行相同测试。力学性能测试结果表明，Hastelloy X，Hastelloy C-276和304 SS这3种合金材料均展现良好的延展性、较高的强度和硬度，其中Hastelloy C-276的均匀伸长率可达51.6%、硬度可达361.2 HV，Hastelloy X 的屈服强度高达444.8 MPa；耐腐蚀性能测试结果表明，Hastelloy C-276在模拟的氢燃料电池腐蚀溶液（0.5 mol/L H2SO4 + 2 mg/L HF，80℃）中呈现出良好的耐腐蚀性。综合来看，Hastelloy C-276的服役性能明显高于Hastelloy X和304 SS，是最有潜力的氢燃料电池金属双极板材料。

• 多层岩土环境的溶洞智能识别方法研究

  巴泽群, 周玉锋, 周其勋, 周立成, 刘逸平, 刘泽佳, 汤立群,

  提出了一种基于双向长短期记忆(bidirectional long short-term memory, BiLSTM) 神经网络的多层岩土环境溶洞三维定量智能识别方法。首先，借鉴浅层地震反射波法原理，建立含有单个无填充球形孔洞的多层岩土结构模型，并计算桩锤激振下地表的加速度响应信号；其次，针对不同溶洞工况大量建模，以获取不同工况下的响应信号作为数据集；最后，基于BiLSTM设计了双数据通道分离架构网络模型，实现了对多层岩土环境下不同溶洞工况的定量识别。研究表明，本文所提出方法能够对不同岩土体结构下溶洞的三维位置和直径进行定量识别，且在3 m容差范围内的识别准确率达到了98%以上。

• 地下隧道开挖中饱水围岩的力学特性研究

  高启程, 魏姗, 丁明磊, 王晓睿,

  为探究不同开挖方式对应的卸荷速率对饱水围岩的影响，对饱水砂岩开展了常规三轴压缩试验和轴向位移不变的卸围压（速率为0.1~5 MPa/s）试验。结果表明：在卸围压试验中环向变形是破坏的主要原因；随着卸围压速率的增加，破坏点的围压和轴向主应力增加且位于常规三轴压缩包络线外，环向能、总能和耗散能的变化量呈V形变化，试样的破坏模式由共轭剪切破坏转化为张应变 + 共轭剪切混合破坏，试样的剪胀角随着塑性剪切应变的增加先降低后增加。

• 人体皮肤摩擦行为的研究进展及其挑战

  韦慧心, 王世斌, 李林安, 王志勇, 李传崴,

  日常生活中，人体皮肤不可避免与各种物体产生接触，由此产生的皮肤摩擦学问题受到包括纺织、美容、医疗、触觉传感器以及机器人等众多领域的关注。围绕人体皮肤的摩擦行为，本文从理论模型、实验方法以及典型数值仿真出发系统地探讨了皮肤摩擦研究的方法论，概述了皮肤解剖结构、摩擦行为研究方法及其影响因素3个方面的研究进展。基于此，总结了目前人体皮肤摩擦行为研究中存在的诸多问题和挑战。

• 电子背散射衍射技术及其在微观力学行为研究中的应用

  刘飞, 马晓桐, 刘战伟, 谢惠民,

  电子背散射衍射（electron backscatter diffraction, EBSD）技术不仅能表征材料微观组织，还能定性分析测试区域的弹性应变和塑性应变，目前该技术已被广泛用于晶体材料微结构的表征。考虑到服役过程中材料微结构及其应力状态可能会发生变化，因此，研究不同服役环境下晶体微观组织与应变场演化之间的内在联系对于研究材料的失效行为和机理有重要意义。本文介绍了EBSD技术的基本原理、常用制样方法及其主要功能，给出了基于EBSD技术在材料科学领域的应用实例，探讨了使用EBSD不同成像数据研究材料微结构及其微观力学行为的分析方法。

• 高静水压力下Mohr–Coulomb准则的拓展研究

  王宏伟, 李宗洋, 秦舒, 陶志刚, 杨柳,

  深部开采时极端环境下的岩体高应力和高地压是影响工程安全的主要因素。本文指出了Mohr–Coulomb准则（简称M–C准则）在高静水压力下无法判断岩石材料发生屈服破坏的问题，开展了岩样在高应力下的三轴压缩实验，观察了高静水压力下岩石材料的破坏现象，推导了高静水压力条件下M–C准则的拓展方程。研究结果显示，与现有M–C准则不同的是，材料剪切强度随轴压和围压之差增大到某一峰值时将逐渐减小，岩样在高静水压力下也可发生屈服破坏，M–C准则拓展方程与实验结果基本吻合。同时，本文探讨了低静水压力下M–C屈服面的下限和高静水压力下M–C屈服面的上限。研究成果可为深部工程的安全高效开展提供理论参考。

• 基于高速摄影的直角壁面附近柱形空泡动力学行为研究

  吴冠豪, 苏泓臣, 王笑语, 张宇宁, 李惊涛,

  本文基于高速摄影实验，对直角壁面附近的柱形空泡动力学行为进行了研究。空泡由激光聚焦诱导产生，形成于具有较小间距的两片平行玻璃板之间的液体环境中，从而具有了较为明显的柱形特征。通过改变柱形空泡距离直角壁面顶点的无量纲距离l*和位置角度θ，分别探究了对称和非对称处柱形空泡的完整溃灭行为及变化趋势，并揭示了柱形空泡与直角壁面的相对位置对柱形空泡泡壁变形、形心移动距离及方向等泡动力学特性的影响。研究发现：在第一周期溃灭过程中，柱形空泡远离直角壁面一侧的泡壁将会出现凹陷，并且逐渐发展直至将柱形空泡分为两部分；当空泡位于对称位置时，随着无量纲距离l*的逐渐增大，柱形空泡表面凹陷程度逐渐减弱，且空泡在溃灭阶段的形心移动距离逐渐减小；当空泡位于非对称位置时，随着空泡位置角度θ的减小（对θ < 45°的情况而言），柱形空泡形心的移动方向由指向壁面顶点逐渐变为指向下壁面。

• 基于BESO算法的涡轮盘拓扑优化

  孟子皓, 丁超, 任毅如, 米栋, 钱正明, 张立章,

  涡轮盘作为航空发动机的核心部件之一，其轻量化设计对航空发动机效率提升至关重要。基于双向渐进结构优化算法（bidirectional evolutionary structural optimization, BESO）拓扑优化模型，使用灵敏度过滤的方法抑制棋盘格现象，用ANSYS的参数化设计语言（ANSYS parametric design language, APDL）编写拓扑优化程序，对离心载荷作用下的涡轮盘进行结构优化，并通过施加叶片等效载荷的方式，考虑叶片对于优化结果的影响。结果表明，使用编写的算法进行拓扑优化迭代步数减少，显著提升优化效率，在减重26%的条件下，拓扑出的新的结构模型结构总应变能降低48%，结构刚度提升，最大等效应力降低25%且应变能和应力分布更均匀合理。

• 基于被动敲击扫描式检测方法的工程桥梁损伤检测

  林萍, 胡祝友, 郭河, 乔磊, 向志海,

  损伤检测技术对于桥梁健康评估和管理至关重要。近年来，基于移动车辆的桥梁损伤检测方法因其简单易行的优点已引起广泛关注。其中，敲击扫描式检测方法通过在敏感频率上施加激励，可以大大提高车辆加速度对桥梁局部刚度变化的灵敏度，而且由于敏感频率远离环境噪声频段，可以保证足够高的信噪比。如果采用车轮激励这种被动方式来产生敲击力，还可以进一步简化检测车的硬件系统，便于现场实施。本文报导了采用被动式敲击扫描检测车对两座在役桥梁的现场试验结果。实测数据表明，该方法不但可以定量地给出桥梁主梁刚度变化率的定量评估指标，还可以发现支座脱空类损伤。这些发现验证了被动敲击扫描式检测方法的实用性，展示了它在桥梁快速损伤检测方面的工程应用价值。

• 爆炸载荷下顺层台阶边坡渐进破坏规律数值分析

  姚作强, 冯春, 刘天苹,

  在连续–非连续单元方法（continuum−discontinuum element method，CDEM）框架中引入了岩体损伤破裂模型及爆生气体绝热膨胀模型，开展了爆炸载荷下顺层台阶边坡渐进破坏过程的数值分析，探讨了爆破距离、结构面产状、结构面强度等因素对边坡顺层结构面破坏特征的影响规律。结果表明，爆破作用下，顺层结构面将发生拉剪复合型破坏，结构面倾角越大、结构面强度越低、爆破距离越小，顺层边坡越容易出现失稳破坏。相较于爆破距离，结构面强度对结构面破裂面积的影响更大，随着结构面强度的增大，破裂面积迅速减小。

• 氮气在微米管中的微尺度流动端面效应

  方欣, 廖海婴, 岳湘安,

  在压力为5~20 MPa、温度为25~60℃范围内，开展了氮气在直径31~100 μm管中的流动实验。提出了用于量化微尺度流动端面效应附加压差Δpend的双管长压差计算法。利用该方法，基于实验结果发现：Δpend与管径d负相关，而与流速v正相关。在低流速条件下压力对Δpend的影响不明显，而在高流速条件下Δpend随压力的升高而增大；在本文实验条件内，温度对Δpend的影响不明显。据此，建立了综合表征Δpend与d和v关系的微尺度流动端面附加压差的经验模型。

• 振动力学基础课程中的非线性振动

  陈立群,

  本文总结在振动力学基础课程教学中对非线性振动的处理。教学目的是了解最基本的非线性振动近似分析方法和典型非线性振动现象。主要内容包括谐波平衡法、非线性受迫振动中的跳跃现象、自激振动、内共振中的饱和和双跳跃、整星缩比模型的非线性能量汇减振和圆环的非线性隔振。结合实例说明建模和分析过程中的简化、力学的应用性和力学与数学的密切关系。

• 成果导向教育的教材建设初探——以《最优控制》为例

  曾祥远, 温童歌, 李俊峰,

  我国新工科建设和工程教育改革，突出了学生中心、成果导向和持续改进三大理念，为课程建设与课程改革指明了方向。教材建设是课程建设或改革中非常重要但容易被忽视的方面，是人才培养的重要依托。本文以工科最优控制课程为例，探讨成果导向教育（outcome-based education, OBE）理念的教材建设。在简介300年来最优控制发展历程和近60年来教材建设情况基础上，详细介绍新教材的建设思路与教材特点，为未来OBE教材建设提供参考。

• 点的复合运动中任意相切型问题速度分析的一种特殊解法

  占旺龙, 方燕飞,

  对于相切型问题，实际作定轴转动刚体外形可能为任意封闭曲线，传统利用圆心到接触点距离保持不变特性选择动点的方法无法求解。针对这类问题，在教学中采用瞬时运动学分析方法，即找一特殊动点。该瞬时相对速度为零，从而得到所需要求解的运动学量，方法简单且直观。本文首先证明该特殊动点的存在性和唯一性，然后给出特殊动点的确定方法，最后给出3个求解实例。该方法在本校理论力学教学中得以实践，学生反映容易掌握和理解。

• 相对运动中一类质点运动方程的同伦摄动解

  姜文安, 刘若冰, 顾叶彤, 李浚超,

  相对运动中质点的运动方程大多数是非线性的，其精确显式求解是一个难点。本文基于同伦摄动分析方法，研究了相对运动中一类质点运动非线性微分方程的近似显式解。先构造了系统的同伦方程，再结合Lindstedt–Poincare方法和系统的初始条件，推导了系统自由振动的固有频率，求解了系统的位移近似响应，并通过数值仿真验证了理论分析解的正确性，为相对运动的质点运动方程求解提供了一种新的求解方法。

• 黏弹性理论中广义Maxwell模型的教学法及其在非晶态固体中的应用

  乔吉超, 邢光辉, 郝奇,

  黏弹性力学是固体力学研究的重要组成部分，如何开展黏弹性力学教学对于学生理解相关知识至关重要。本文以黏弹性力学最为经典的Maxwell模型为例展示整个教学过程：首先从基本黏弹性元件出发，推导Maxwell 模型及其广义表达式，然后结合非晶固体应力松弛实验曲线，从变形单元激活特征时间角度出发，将经典Maxwell模型应用于非晶固体变形，结合实际案例和计算练习来加深学生对于该模型的理解和应用。相比于传统黏弹性力学课程，本文考虑广义Maxwell模型中多个并联单元特征时间在对数时间尺度的Gauss分布形式，这对于非晶态固体的变形研究以及黏弹性理论的课程教学过程具有重要借鉴价值。

• 由结构力学的平面问题例说最小势能原理

  纳新刚,

  最小势能原理作为结构力学的提高部分，很少在该课程中看到关于它的完整介绍。本文以等刚度连续梁为研究对象，在只考虑弯曲变形的情况下，讨论了位移法典型方程的适用条件。在此基础上，分析了势能法和位移法之间的对偶关系。得出：等刚度连续梁在平面载荷与支座反力构成的平衡力系作用下，可能的小位移状态由虚力方程控制。若真实位移还能利用叠加原理进行求解，则可能位移状态下的总势能在真实位移处取极小值。等刚度连续梁弯曲变形的分析验证了最小势能原理，有助于对一般情况下最小势能原理的深刻认识。

• 多结点力矩分配法精确计算研究

  吴昊,

  针对多结点力矩分配法轮流放松结点只能获得渐近解的不足，提出了一种将分配结点分层并按顺序放松、相邻结点不同时放松、放松后不重新固定的放松策略，即从远端只与基础相连的结点开始将其划分为若干层，按照同层相邻分配结点逐个或间隔放松的原则由外层向内层逐层移除结点约束，引入弹性支座模拟相邻杆件的转动约束作用，通过推导远端转动弹性支承等直杆弯矩形常数，确保结点放松时转动刚度和传递系数已知或可计算，结果表明，按顺序逐层移除约束的放松约束方式一方面各分配弯矩能够直接或通过已放松结点向支座传递，其中，向放松结点传递的弯矩通过结点协调变形依次向远端传递直至支座，而不产生新的不平衡力矩，从而快速消除结点不平衡力矩，结果精确；另一方面各分配结点只经历一轮完整力矩分配与连续传递过程即恢复至最终变形位置，计算量小。

• 工程教育专业认证背景下地方应用型高校多元混合式一流课程建设——以“材料力学”为例

  徐锋, 倪君辉, 方淳, 许晨光,

  从工程教育专业认证的视角来看，课程教学已经不再以“内容为本”，教学内容、资源、手段和组织形式等需要围绕实现课程教学目标和达成学生预期学习成果而展开。将金课的“两性一度”、工程教育专业认证的“三大理念”和BOPPPS（bridge-in, objective, pre-assessment, participatory learning, post-assessment, summary）教学模型的“六个模块”相结合，探索了一种“导入有创新、目标较高阶、前测有挑战、以学生为中心的交互、以产出为导向的后测和持续改进的总结”的教学模式。以“材料力学”课程为例，探索在一流课程建设过程中，教师应该“如何教、教什么”才能让学生“乐于学、学的到”，逐步形成了以“课程目标—资源建设—组织实施—综合评价—持续改进”的集知识传授、能力培养和价值塑造为一体的课程教学闭环。

• 赤子之光　昭明宣哲——深切缅怀著名力学家朱照宣先生

  刘俊丽,

  朱照宣先生（1930—2022）是我国著名的力学家、教育家。本文简要介绍了朱照宣先生的生平，回顾了朱先生为《力学与实践》所做的一些代表性的工作，以及先生对笔者在编辑工作、科普写作等方面的指导与帮助。再通过对朱照宣先生自1977年来工作笔记的介绍，辅以丰富的事例，阐明朱先生为学术期刊的发展、力学人才的培养及《中国大百科全书.力学》编著等方面所付出的心血和做出的贡献。

• 丹心照汗青——郭永怀在1968

  李波,

  郭永怀先生是23位“两弹一星”元勋中唯一一位在核弹、导弹和人造地球卫星3个领域都作出突出贡献且以身殉国的科学家。他无私奉献、以身许国的家国情怀感动着每一位国人。本文最大限度还原了郭永怀先生1968年的人生历程，再现了他对亲属、对家庭深沉的爱，和对工作、对国家的奉献精神，特别是对他壮烈牺牲的经过以及飞机失事的原因做了深入地探究。