力学与实践杂志

力学与实践杂志2024年第1期

• 能量吸收研究60年——来自何处？走向何方？

  余同希,

  本文论述能量吸收这个研究领域的诞生背景、简要历史和发展方向。第二次世界大战之后，以防护结构和运载工具的耐撞性为工程背景，加上塑性力学和结构冲击动力学学科发展的内生动力，结构和材料的能量吸收作为一个新兴研究领域在1960年代初萌生，到1970年代已经基本成形。在期刊和会议平台的支持下，这个新领域的研究在1980年代迎来了第一波热潮，聚焦于薄壁管件塑性大变形时的能量吸收机理。随着蜂窝、泡沫、格栅等多胞材料的兴起，研究和开发它们在能量吸收领域的应用，激发起2000年后的第二波热潮。其间不但揭示出了各种多胞材料的能量吸收机理，而且迅速地同电动车的电池组和新型防护结构等场景的应用结合起来。受生物启发的概念成为设计和开发新型超材料的灵感的源泉。增材制造、结构智能化，以及环保节能的概念，正在深度融入能量吸收系统的原理、设计和优化之中。

• 纯氢管道输氢技术发展现状与分析

  曹权, 王洪建, 秦业美, 王敏,

  利用管道输送氢气，能够实现氢气低成本、大规模、长距离输送，但纯氢管道的发展面临技术与经济方面的挑战。本文给出了管道输氢评价指标，总结了国内外纯氢管道的发展现状，探讨了管道输氢面临的技术挑战与经济性影响因素。纯氢管道大规模发展具备技术可行性，建设与运行成本也将大幅下降。随着氢能产业的快速发展，管道输氢将成为最高效、最经济的氢气输送方式。建议结合我国实际情况，统筹规划纯氢管网布局，制定管道输氢标准规范，建立安全监管与应急决策平台，搭建运营管理体系，逐步推动管道输氢产业化发展。

• 椭球体绕流阻力数值模拟研究

  周锟, 张权,

  颗粒在无界均匀流场中的阻力是颗粒多相流领域最基本的问题之一。在相关的工程应用与科学研究中，颗粒基本都是非球形。早期基本以相同体积的圆球阻力来近似非球颗粒的实际阻力，近来则提出了多种基于实验数值拟合的非球颗粒阻力经验公式。本文通过高精度的计算方法，系统模拟了从扁平到细长的回转椭球颗粒，在常见的颗粒雷诺数范围内（0.1~1000），对于各种来流攻角条件下的阻力，数值模拟结果得到了已知理论解的充分验证。在不存在理论解的大多数条件下，将数值结果与多种流行的经验公式结果进行了系统比较。一般而言，当颗粒以最大迎风面积置于来流中时，其所受阻力最大。但是数值模拟发现了特例，在流动进入牛顿阻力区时（雷诺数1000），扁平的椭球在回转轴与流向一致时（此时具有最大迎风面积），其阻力反而小于倾斜置于流场中的结果。对流动结构的分析表明，这是因为在非轴对称条件（颗粒倾斜）下，流动更容易失稳，造成紊乱的尾流，使得压差阻力上升。综合分析表明，对于给定的颗粒形状，数值模拟相对于通过各种实验数据拟合得到的适用于一般非球颗粒的经验公式具有更高的精度。累积更大量的高精度数值模拟结果，有望给出具有更高精度、更具适应性的阻力公式。

• 大型浓密机两相流动与沉砂规律数值模拟研究

  杨科迪, 黄宝兴, 李泽茂, 兰谁, 刘青泉, 王晓亮,

  大型浓密机的复杂结构和系统参数识别是制约认识固液两相流动和沉砂规律的关键问题。本文按照沉砂机制，给出了一套大型浓密机模糊系统运行参数识别方法。建立了车河选矿厂30 m浓密机的数值模型，依次识别出进料流速、进料级配和进料体积分数，通过大量数值模拟指出车河选矿厂30 m大型浓密机进料井特征结构使其自然稀释功能较好，但动能耗散性能较差，进料井结构还存在较大的改进空间，并给出了各粒径颗粒的沉降规律。

• 考虑流固耦合的香炉山隧道围岩稳定性分析

  徐淑亮,

  根据香炉山隧道实际围岩支护和含水条件建立了隧道开挖支护模型，考虑水压和初期支护的影响，对Ⅳ级围岩、Ⅴ级围岩和Ⅴ级围岩富水区的隧道开挖收敛位移进行了模拟计算，并和现场监测所得隧道最终位移数据进行了对比分析，验证了数值模拟方法的准确性。之后分析了隧道围岩水压、埋深、侧压力系数以及开挖方式对隧道开挖最终收敛位移的影响。结果表明，随着围岩水压的增长，隧道最终收敛位移开始呈线性增长，之后增长速率变大至隧道破坏；随着开挖隧道埋深的增加，隧道拱顶沉降和水平收敛的最终位移呈线性增长；随着围岩侧压系数的增加，隧道水平收敛的最终位移呈线性增长，拱顶沉降的最终位移小幅度减小；相比台阶法开挖，中隔壁墙法和环形开挖预留核心土法对于隧道的位移收敛具有更好的控制效果。

• 交通载荷作用下埋地含缺陷玻璃钢管道力学行为研究

  李振林, 张笑影, 刘彤, 于晓, 张行, 董绍华,

  为分析含缺陷玻璃钢管道在交通载荷作用下的力学行为，基于ABAQUS有限元软件建立了含不同形状缺陷管道模型和不同埋深管土模型，研究了不同埋深、不同载荷及缺陷深度对管道不同层中截面沿环向应力分布规律的影响。结果表明，无缺陷管道各层应力分布均匀，含缺陷管道内区域层应力沿管材缠绕方向集中于缺陷对称角处；管道仅含轴向缺陷时管体应力峰值与应力突变幅度最大；缺陷相对深度对管道应力峰值影响较大。

• 基于形状改变能密度的岩石强度准则研究

  王晓健, 彭立志, 张亮亮,

  分析砂岩在常规三轴压缩试验过程中弹性应变能密度、体积改变能密度和形状改变能密度的演化规律，根据峰值形状改变能密度与围压的线性变化关系建立形状改变能密度岩石强度准则。结果表明：（1）体积改变能密度与形状改变能密度，在峰前阶段逐渐增加，峰后急剧下降；（2）形状改变能密度强度准则参数物理意义明确，且可通过参数变换转化为经典的Hoek-Brown准则；（3）形状改变能密度强度准则计算结果与8种不同类型岩石的常规三轴压缩试验结果基本一致，验证了准则的精确性和适用性。

• 山区机场高填方边坡稳定性分析

  冯兴, 姚仰平, 张健, 张献民, 黄信,

  针对山区机场建设中的高填方边坡稳定性问题，本文解决了考虑含石量的统一硬化（unified hardening，UH）模型有限元强度折减法的关键问题：强度折减参数确定、安全稳定系数判断和初始地应力平衡方法确定。应用Mohr-Coulomb模型和考虑含石量的UH模型对山区机场高填方边坡稳定性进行了有限元分析，比较分析了应用两种模型计算的边坡安全稳定系数、位移和应变，得出了机场高填方边坡的稳定性规律，说明了应用考虑含石量的UH模型进行机场高填方边坡稳定性分析的有效性。

• 深埋圆形隧道衬砌-锚杆支护结构弹塑性解答

  徐锋, 卢明轩, 许红飞, 上官伟, 王刚, 胡立强, 管辉, 郑程程,

  文章采用等效材料法，基于Drucker-Prager屈服准则推导了具有衬砌-锚杆支护深埋隧道在不同施工阶段下的弹塑性解答，并进行FLAC3D数值模拟验证。结果表明：塑性区位于衬砌内部，锚杆的锚固作用对其塑性区扩展响应不明显，塑性区扩展到锚固区，软岩中锚杆锚固作用对抑制塑性扩展的响应较好；塑性区扩展到锚固区时，塑性区半径与锚杆的弹性模量呈负相关趋势，塑性区半径与锚杆的支护角度呈正相关趋势，软岩中锚杆锚固作用对抑制塑性区扩展的效果更为明显。

• 岩石变形局部化智能识别的DSCM-CNN方法

  张鹏, 利铭, 姚海波, 张军徽, 马少军, 高峰,

  岩石变形局部化的识别对于岩石破坏机理、岩土工程灾害预测预警有着重要的意义。本文将数字散斑相关方法（digital speckle correlation methods，DSCM）与卷积神经网络（convolutional neural networks，CNN）相结合，提出了一种用于岩石变形局部化智能识别的DSCM-CNN模型。通过DSCM获取岩石试件在单轴压缩实验过程中的最大剪应变场云图，根据变形局部化带位置进行标注，完成数据集的构建；利用训练数据集对DSCM-CNN智能识别模型进行训练。通过红砂岩单轴压缩实验对该方法进行验证，结果表明：DSCM-CNN模型可以实现岩石变形局部化带位置的自动识别，子集准确率、精确度、召回率等指标分别达到94.19%，97.21%和96.41%，证明了岩石变形局部化智能识别的DSCM-CNN模型的可行性，为岩石变形局部化智能监测提供了一种新的思路。

• 双线有轨电车浅埋路基板地基临界载荷计算分析

  方文恒, 王浩然, 董竞允, 俞剑, 黄茂松,

  通过推导双线近邻路基板塑性区深度开展至1/4板宽的临界载荷，调查基础之间距离、埋深、土体重度、内摩擦角和黏聚力对临界载荷的影响。将临界载荷与有限元得到的极限承载力对比，说明国内外路基板地基承载力容许设计值的差异。对某西部城市有轨电车工程的路基板开展设计分析，结果表明，采用单线浅基础临界载荷会高估地基容许设计值，致使设计偏于危险。

• 振动压路机的滑膜控制研究

  商祥志, 刘景旭, 路永婕, 王建西,

  振动压实中的跳振现象在压实过程中时有发生，跳振现象将造成路基压实质量难以保证，也会对振动压路机操作人员的身心健康产生不利影响。因此，本文从控制“振动压路机-土”系统动力学模型的减振系统阻尼力的角度进行分析，通过研究模糊PID控制和滑模控制对振动控制产生的影响，得到相较于模糊比例积分微分（proportional integral differential，PID）控制，滑模控制可消除系统抖振的影响，更有利于保证路基压实过程中的振动控制，为振动压实的施工作业提供理论支持。

• 考虑材料参数空间变异性的SBFEM开裂模拟

  林安邦, 江守燕, 孙立国, 杜成斌,

  论文建立了基于比例边界有限元法（scaled boundary finite element methods, SBFEM）框架的非局部宏微观损伤模型，考虑材料细观物理参数的空间变异性，探讨了材料参数的空间变异性对结构开裂过程的影响。结果表明：考虑材料参数空间变异性后，裂纹扩展路径具有不确定性，建议的模型能够很好地反应材料内在的随机性；随着结构受力情况的复杂化和结构本体缺陷的增多，裂纹开裂模式的变异性也会增大。自相关长度和参数变异系数对结构开裂分析结果有重要影响。

• 动压相似对缩比飞行的影响

  邵元培, 钱炜祺, 程艳青, 周铸, 何开锋,

  模型飞行试验作为空气动力学研究的重要手段之一，正逐步成为新型飞机研发中一种有效和低风险的技术途径。目前低速飞行试验技术已经相对成熟，而高速飞行试验尚存在许多困难。本文分析结果显示，来流动压对缩比飞行试验具有显著影响。动压相似保证缩比飞机与原型机表现出相似的动力学特性，但同时也限制了缩比飞机的飞行性能。研究发现，对于本文中的高升阻比飞机，通过飞行方案设计，缩比飞机能够克服动压相似带来的约束，获得与原型机相仿甚至超过原型机的飞行性能，对后续开展其他缩比模型飞行试验具有一定的借鉴意义，同时可为我国低成本高性能靶标系统建设提供技术支持。

• 关于负泊松比的材料力学课程教学拓展与探索

  韦凯, 方棋洪,

  泊松比是材料力学课程教学中的重要力学概念与材料弹性常数之一。本文对现有材料力学课程中泊松比教学内容进行了拓展和补充，引入了负泊松比效应概念，并介绍了常见的负泊松比材料及其力学性能优势。重点基于内凹蜂窝超材料，详细介绍了实现负泊松比效应的超材料力学理论分析及其教学实践；并借鉴虚拟仿真实验概念，应用有限元数值分析方法，对超材料的负泊松比效应进行仿真分析与讨论，直观地展示了超材料的力学变形模式及其负泊松比效应。从而以此为切入点，加深学生对弯曲内力、挠度、应变和泊松比等重点知识的理解与实践运用。

• 欧拉-伯努利直梁弯曲振动内力解的一种新形式

  郝志伟, 刘荣刚, 陈再现,

  针对欧拉-伯努利直梁受简谐载荷作用下的弯曲振动问题，在得到响应后再次采用达朗贝尔原理，给出了一种新形式的弯曲振动内力解，该解直观显示了简谐力和惯性力对弯曲振动内力的贡献。基于傅里叶级数严格证明了其与教材中利用梁挠曲线近似微分方程和弯曲内力微分关系求出的内力完全等价，为加深理解及应用傅里叶级数、静力学理论、达朗贝尔原理和梁弯曲理论提供了一个综合性较高的案例，期望能助力提升基础力学教学效果。

• 傅科摆摆平面转动的平行移动解释

  吴葛一,

  傅科摆摆平面的转动可以通过牛顿力学或矢量的平行移动解释，但后者要求深入理解微分几何，对力学读者不够友好。本文从几何直观出发，解释曲面上矢量平行移动的数学定义，建立起平行移动与纯滚动的关联。再用动量定理证明摆锤整摆动周期时刻的速度矢量沿球面上的纬线圆平行移动。最后通过图像解释、数学计算两种方法，求解摆平面的转动角速度。读者只需了解矢量运算和动量定理，即可深入理解傅科摆，建立力学和几何的关联。

• 注重基础、立足工程、强化实践、融入模拟、激励创新——材料力学教学改革探索

  李霄琳, 周立明, 于莉, 朱珊, 彭帅英, 张晓皖,

  材料力学是机械类、土木类和力学类等工科类专业的核心课程，课程秉承“强基础、重实践、融模拟、促创新”的理念；构建“融工程、融前沿、融思政”的教学资源与内容，夯实学生的力学理论知识，培养学生利用力学理论解决实际工程问题的能力，同时帮助学生塑造正确的世界观、人生观、价值观和职业观；将抽象的力学概念与三阶递进的课程实践融会贯通，培养学生的动手实践能力、探索精神和创新能力；将数值模拟技术引入课堂，初步培养学生利用数值模拟软件解决力学问题的能力。建立以传授知识为中心，以解决工程问题为导向，以创新实践为特点，以数值模拟软件为工具，以立德树人为根本的课堂。

• 数字孪生虚拟仿真平台在土力学实践教学中的应用初探

  王宇, 谷艳昌, 陈从建, 钱声源, 仲青,

  实践教学是土力学教学中必不可少的环节，高校现有条件和外部环境难以满足日趋多元化的实践需求。利用虚拟仿真与物理模型相结合、线上教学与现场教学相结合、理论学习与工程实践相结合的教学方法，开发构建数字孪生虚拟仿真实验平台，并对土力学实践教学模式进行了有益的探索。以矿区地表变形监测为例，直观展现地表变形、仪器布设、变形监测及数据处理全过程。研究成果表明，数字孪生虚拟仿真平台有助于培养学生创新精神及实践能力，符合现代岩土工程实验技术的发展方向。

• 管内充分发展流动与传热数值模拟的教学方法探讨

  毛宇飞, 上官燕琴, 肖洪,

  由于缺乏数值计算的基础理论知识，工科本科生在学习流体流动与传热过程的数值模拟方法并进行程序设计时，往往觉得难度较大。本文围绕圆管内不可压缩流体充分发展流动与传热，采用边界层积分法，推导出无量纲控制方程组；针对层流工况和湍流工况，开发出相应的数值方法。基于该方法的程序代码易于理解，且计算结果表明该方法具有预测精度高、收敛速度快的优点。本文的工作可以为计算流体力学、数值传热学及热工计算等系列课程的本科教学提供参考。

• 线黏弹性材料数字图像相关实验教学探索

  苏昂, 张大鹏, 张文沁, 关棒磊, 李璋,

  线黏弹性理论是固体力学原理课程的重要内容，目前实验教学一般采用电子万能试验机对线黏弹性材料进行单轴拉伸实验，实验结果不够直观。数字图像相关方法是一种高精度全场应变测量方法，近年来在实验力学领域应用广泛。本文以固体推进剂这种线黏弹性材料为例，采用数字图像相关方法设计了线黏弹性材料单轴拉伸实验，实现了全场变形测量并且实验结果可视化更直观，有助于调动学生积极性。实验发现，数字图像相关方法与国标规定的固体推进剂单向拉伸法测量的材料应变有明显差异，针对该问题设计了实验教学研讨环节，引导学生深入分析，有助于加深对线黏弹性理论的理解。

• “基础力学教学的基本问题研修班”的教学特色与理论力学科学性探讨

  贾悦,

  以“基础力学教学的基本问题研修班（第3期）”为背景，探讨了理论力学的教学方法和科学性。文章由3部分组成：第一部分概述了研修班的课程设置和亮点，包括名师示范课、知识串讲和力学竞赛漫谈。第二部分探究了理论力学的科学严谨性，以及力与力学的起源。第三部分阐述研修班课程试讲环节的教学设计，采用BOPPPS模式，即bridge-in （引入）、objective（目标）、pre-assessment（前测）、participatory learning（参与式学习）、post-assessment（后测）和 summary（总结），并评价了BOPPPS模式在理论力学教学中的优势和效果。文章旨在为理论力学的教育教学提供一些有益的启示和参考。

• 神秘“海底怪圈”背后的流体力学智慧

  陈怡纯, 金梓谦, 姜楠, 田海平,

  神秘“海底怪圈”是白斑窄额鲀为求偶、繁衍而在海底创作的异常精美的鱼类巢穴。文章介绍了“海底怪圈”的结构特点及形成过程，结合其他鱼类巢穴，对比探讨了其背后的流动奥秘，并进一步畅谈了该结构形貌可能的工程应用场景。

• 第十二届全国（中国）空间轨道设计竞赛：地月空间助力火星移民和近地小行星探测

  何胜茂, 彭超, 高扬,

  本文首先简要介绍了全国（中国）空间轨道设计竞赛的发展概况和第十二届全国（中国）空间轨道设计竞赛题目的研究背景。然后介绍并解读了“可重复使用地火运输空间站火星移民”“可重复使用探测器飞越探测近地小行星”两组竞赛题目，回顾了竞赛组织历程，分析了竞赛最终提交结果。最后简要陈述了赛后交流和研讨情况以及总结和展望。此外，文中各章节对本竞赛区别于其他学科竞赛的若干特色也进行了简要陈述。