力学与实践杂志

力学与实践杂志2024年第2期

• 航天任务分析与设计工业软件发展战略分析

  罗亚中, 周建平,

  航天工业设计软件是我国航天事业当前亟需重点攻克的“卡脖子”技术领域。航天任务分析与设计软件是航天任务全寿命周期的关键软件，是航天工业设计软件体系中主根系软件。本文首先对其中最具代表性的软件产品——美国STK的发展历程、主要功能特点进行总结剖析；在此基础上从模型算法创新、软件协作开发和数字化发展趋势等方面概括STK的发展启示；进一步通过该类软件的特点分析，结合探索实践历程，对国产软件替代的可行性进行分析研判；最后提出了我国自主软件的发展思考和对策建议，包含软件研发模式、软件推广与应用、国家政策支持等方面。

• 激光修复中的若干关键问题及常用检测技术

  石文雄, 王新峰, 郭峰, 莫斯睿, 肖博古, 谢惠民, 何巍,

  作为金属增材制造的重要分支，激光修复技术是装备再制造等战略性新兴产业的核心技术之一，已在航空航天、国防装备等关键领域获得推广应用。研究结果表明应力、应变场的演化与成型后修复体的缺陷分布、几何形貌等紧密相关，是决定修复质量的关键因素之一。相关参量的在线测量与表征是工业界和学术界广泛关注的重要问题，然而激光修复过程复杂、测量环境恶劣，传统检测方法和技术难以直接应用，迫切需要发展适用于激光修复工程的检测新技术。目前，与激光修复过程相匹配的原位监测手段仍然较为匮乏，对此本文调研分析了激光修复中的关键问题、常用检测技术的优点和所面临的挑战，并进行了展望，可为激光修复工艺研究提供有益借鉴。

• 波浪滑翔器声通机椭圆导流罩减阻性能分析

  吴娜, 马程议, 李灿, 孙秀军,

  针对波浪滑翔器声通机载荷减阻问题，设计水声通信机导流罩，并采用流体力学软件分析确定其设计参数；在直航状态下，仿真得到椭圆导流罩最优轴长比；然后在虚拟锚泊状态下优化其前缘长度；最后通过海上试验验证仿真可靠性。结果表明：相比于圆柱形外形，本文提出的导流罩的截面轴长比为3时，导流罩具有最佳减阻效果；在直线和虚拟锚泊运动时分别减阻82.2%和54%。该研究可为低速（雷诺数为3×105）水声通信机导流罩设计和优化提供参考和借鉴。

• 民用飞机开环和闭环情况突风载荷对比研究

  刘晓晨, 杜云龙,

  以某民用飞机为研究对象，建立了飞机的突风计算模型，并搭建引入了相应的控制律模型，分别对开环和闭环情况下的离散突风载荷进行了计算对比，同时研究了不同计算输入下主要升力面突风增量载荷的差异和原因。研究表明，载荷设计中考虑控制律之后会对飞机不同部件的突风载荷产生一定的影响，具体计算结果与控制律设计逻辑相关。同时，不同计算输入情况下的计算结果差异较大且存在一定规律，通过及早进行变参数分析可以很好地提升突风载荷设计和评估效率。

• 大型飞机货舱地板下部结构吸能特性研究

  王伟俊, 牟浩蕾, 孙滨, 孙金波, 刘秀芝, 王晓红,

  为了研究大型客机货舱地板下部结构吸能特性，在已开展的3框两跨货舱地板下部结构落重冲击试验基础上，建立了结构的细节有限元模型，开展了坠撞动力学仿真分析。与试验结果对比分析了货舱地板下部结构的变形模式、关键点位移及落重速度变化情况等，并得到了各部件能量吸收情况。研究结果表明：货舱地板下部结构有限元模型总体刚度与试验件基本相同，验证了有限元模型和材料模型的准确性。建立了货舱地板下部结构垂直坠撞工况模型，验证了货舱地板下部结构垂直坠撞与落重冲击工况的等效性。同时建立货舱地板下部结构垂直坠撞俯仰（3°，5°，7° 和9°）与滚转（3°，5°，7° 和9°）模型，通过变形模式及吸能分析对比，进行了俯仰、滚转对货舱地板下部结构适坠性的影响分析。结果显示，货舱地板下部结构俯仰及滚转对框组件、立柱及横梁变形和吸能有较大的影响。货舱地板下部结构适坠性研究可以为客舱地板下部结构适坠性设计和分析研究提供技术支持。

• 基于集合经验模态分解和指数能量法的水泵水轮机尾水管压力脉动信号特征提取

  田毓龙, 郑祥豪, 李浩, 张宇宁, 李金伟,

  提取水泵水轮机尾水管压力脉动信号中的动态特征信息，准确识别涡带强度，是近年来水泵水轮机工程领域的研究重点。本文基于集合经验模态分解（ensemble empirical mode decomposition, EEMD）和模态指数能量法，对某水泵水轮机发电工况不同负荷下的尾水管压力脉动信号进行特征提取，得到如下结论。首先，基于EEMD的模态指数能量能够有效地反映信号中的能量分布规律。其次，在涡带增强过程中，基于EEMD的最大模态指数能量不断升高，表明尾水管内的流动状况变得更加复杂，涡带特征信息也更加丰富。最后，使用最大与平均指数能量构建的特征向量能够准确反映不同的尾水管涡带强度，并且能够作为智能分类器的输入特征向量，有利于后续进一步的识别与诊断，具有重要的工程意义。

• 大埋深引水隧洞穿越断裂带围岩变形规律研究

  荀其迅,

  断裂带是深埋隧洞开挖过程中常见的不良地质现象。以滇中引水工程香炉山隧洞为工程背景，通过建立隧洞穿越断裂带的开挖数值模型，研究了隧洞拱顶、拱底、拱腰两侧的围岩变形规律，进一步分析了隧洞在穿越不同断裂带宽度、倾角、走向以及不同隧洞埋深工况下对围岩变形的影响。研究表明，由于断裂带区域的存在，围岩的垂直位移和水平位移发生了明显的改变，越靠近断裂带核心区域，隧洞拱顶、拱底和拱腰两侧围岩的变形越大，在断裂带中心区域附近围岩的变形达到最大值；围岩的垂直位移和水平位移随着断裂带宽度和隧洞埋深的增大而增大，随着断裂带倾角的增大而减小；断裂带走向的变化对围岩的垂直位移和水平位移影响较小。对于拱顶沉降，其综合因素影响程度从小到大依次为断裂带走向、断裂带倾角、断裂带宽度、隧洞埋深。

• 江苏大丰海域海洋土HSS模型主要参数试验研究

  王晓武, 顾晓强, 刘航宇, 赖怀远, 吴彩虹,

  小应变硬化土（hardening soil with small strain stiffness, HSS）模型能反映土体在小应变范围内的非线性，广泛应用于土工变形分析。海上风电基础对变形控制要求高，需考虑土体的小应变特性。通过固结试验、三轴固结排水试验、三轴固结排水加卸载试验与共振柱试验，获得了江苏大丰海域海洋土HSS模型主要参数，并建立了HSS模型相关模量参数与土体物理参数之间的关系。试验成果可为海洋土HSS模型分析及参数取值提供重要参考，具有一定的工程价值。

• 盐岩地下新能源储备库高频注采热力耦合效应对围岩长期变形的影响

  张宁, 王赐佳, 邓树新,

  盐岩因其致密性被公认为地下储能的良好介质，随着我国双碳战略的提出，利用盐岩进行地下新能源存储备受关注。盐岩新能源储备库运营过程中的高频注采造成了盐岩溶腔温度和应力场的高频往复。本文对高频注采效应下盐岩新能源储库的长期形变进行了热力耦合计算，并与传统能源储库的变形过程进行了对比。结果表明：新能源储库在考虑热力耦合情况下围岩最大位移增大7.8%，相较于传统能源储库，热效应对新能源储备库的影响更为显著，在新能源储库的稳定性评估中应充分考虑热效应的影响。

• 基于压缩特性曲线的密封结构简化计算方法

  柯金霖, 韩波,

  飞机舱门以及机身口盖的密封结构对于气动外形以及机舱的气密性非常重要，然而不恰当的密封结构设计，会引起密封性欠缺或者气动表面齐平度不佳的问题。由于常用的密封结构变形分析方法涉及到材料非线性以及接触计算，导致分析过程需要消耗巨大的计算成本。通过对密封件的压缩特性曲线拟合，并依据最小位能原理，可以构建出带有密封件加载特性的简化单元。利用商业软件以及简化单元分别对密封结构案例进行分析，结果表明简化单元在提高密封结构变形计算效率的同时，计算结果具有较好的精度，且计算精度与曲线的拟合优度相关，可以应用于舱门结构有限元分析，具有一定的工程应用价值。

• 基于和声搜索遗传算法的桁架结构拓扑优化

  谢军, 张华帅, 林书钦, 赵国帆, 李亚枫,

  为改善传统设计理念和遗传算法优化不足，促进桁架结构离散变量拓扑优化发展与创新，将遗传算法与和声搜索算法混合，同时对遗传交叉和变异分3种情况进行自适应改进，建立了用于桁架结构拓扑优化的新型混合遗传算法——和声搜索遗传算法，利用该方法分别对平面桁架和空间桁架结构进行拓扑优化分析，并与改进遗传算法、拟满应力遗传算法、相对差商法、复合形遗传算法和改进蚁群算法比较，证明了此方法是有效、可行的。

• 个性化髋关节假体设计及其生物力学性能研究

  宜亚丽, 陈涛, 杨泽宇, 侯硕, 柴立平, 金贺荣,

  通用型髋关节假体和个人股骨匹配度不足，易导致应力遮挡率过大。为制备与个人股骨相匹配的髋关节假体，基于人体下肢电子计算机断层扫描（computed tomography，CT）数据，通过逆向工程技术建立股骨实体模型，利用提取的关键特征参数逆向建模，建立个性化髋关节假体模型，采用步态试验确定股骨受力情况，进行有限元分析和电测实验研究其生物力学性能。结果显示，在站立中期的步态载荷下个性化髋关节假体的应力遮挡率在7.64%～38.71%之间，通用型髋关节假体应力遮挡率在16.66%～49.32%之间。个性化髋关节假体可以减小应力遮挡率，可为髋关节假体研究人员提供参考。

• 脱硫废水旋转雾化蒸发塔的流场特性模拟研究

  叶兴联,

  为分析脱硫废水旋转雾化蒸发塔内部的流场特性，基于CFD仿真软件建立了数值模型，并通过热态实验验证了数值模型的可靠性。在此基础上，以某600 MW燃煤机组旋转雾化蒸发塔为研究对象，模拟研究了塔径、塔高、导向锥等结构对塔内流场的影响。结果表明，随着轴向距离的增大，雾滴的蒸发速率会逐渐降低，径向上的分布范围会逐渐变广，最大粒径和中值粒径会逐步减小；塔体直筒中下部碰壁概率大于上部，且靠近灰斗的区域增幅明显，是相对易结垢区域；设计范围内，塔径和塔高对雾滴的蒸发过程影响较小，适当降低塔径和塔高可以降低产物碰壁概率；无导向锥时，导流装置易出现结垢，导向锥体的存在对烟气起到聚拢作用，但过高的导向锥会增加较大的阻力。

• 双曲面球型减隔震支座与普通支座在成昆铁路典型桥梁上的抗震性能对比分析

  缪庆华, 宋晓东, 谢海清,

  以成昆铁路典型桥梁为研究背景，讨论了双曲面球形减隔震支座的抗震性能，对比分析了不同桥型对减隔震效果的影响。进一步地，讨论了桥墩的高度、形式以及位置对减隔震效率的影响。结果表明，双曲面球形减隔震支座对于简支T梁桥、简支桁架梁桥以及连续梁桥均有良好的减隔震效果。整体而言，双曲面球形减隔震支座对墩顶的载荷优化大于墩底，对弯矩的优化大于剪力；桥墩墩高、桥墩位置以及桥墩形式都会影响抗震支座的减隔震率。

• 拟静力法在基坑抗震中的应用探讨

  陶连金, 任育杰, 贾志波,

  基坑工程作为项目建设的重要环节，其稳定性关系城市安全。随着地下枢纽、立体交通等理念的提出，部分基坑呈现规模大、周期长、周边环境复杂等特点。此时，不能简单将其视为一种临时结构，需要考虑地震等偶发灾害的影响。为了计算地震工况下的安全性，将拟静力法引入到基坑的稳定性分析中。汇总归纳了现有规范中的拟静力法，基于各规范的特点讨论了折减系数和放大系数取值原则。通过时程分析法，从剪力、弯矩和位移等方面进行验证。结果表明：在应用拟静力法时，应该考虑基坑工程的特点。区别于边坡工程，基坑工程加速度小于或接近地表设计地震。因此，加速度放大系数可取为1。 折减系数取0.25时，拟静力法计算结果略大于时程分析法，可以达到包络设计的目的。

• 基于竞赛输电塔结构模型的减隔振装置

  章庆军, 陈少庆, 卢国光,

  以浙江省第十八届大学生结构设计竞赛“输电塔结构设计与模型制作”赛题为背景，研究输电塔结构在断线动力载荷下的受力和结构选型。方案阶段对比分析了不同结构选型的优劣；融入减隔振理念进行设计：头部与主体脱开并巧妙设置圆形压槽轨道作为减隔振装置，通过头部沿轨道转动摩擦耗能减振，独具创新性。经试验验证，并结合解析计算与SAP2000软件电算分析，得到圆形轨道减隔振装置可有效减少结构的断线动力效应、提高主体结构的安全储备的结论；旨在为类似竞赛模型和相关实际工程提供实践和理论意义上的经验指导。

• 流体力学教学中的创新与探索课程设计项目

  贾永霞, 彭杰, 黄伟希,

  流体力学课程是航空航天工程、机械工程、能源与动力工程、土木工程等众多工科专业的核心课程。除了学习基础理论，课程实践在流体力学教学中扮演着至关重要的角色，对于培养学生的工程实践能力和创新思维具有重要意义。本文旨在基于过去几年流体力学课程教学与实践中所积累的经验，探讨创新与探索课程设计项目在流体力学理论教学与课程实践中的重要性以及对学生能力提升的意义。

• 列车轮对简化模型重力刚度与滚动半径的计算方法

  谢建华,

  在建立列车轮对简化模型动力学方程中， 如果假设侧移和摇头角是微小量，及质心高度保持不变，可以较简便地求出重力刚度和滚动半径等量的近似表达式。本文用几何方法给出了轮对质心高度和滚动半径与侧向位移之间的函数关系，从而可以获得这些量的解析表达式；另外还通过运动学方法，证明了重力刚度和滚动半径等量的简便计算方法是正确的。

• 复振型的物理意义——以两自由度陀螺系统为例

  杨晓东, 商林源,

  在传统振动力学教学中，复振型主要用于振动方程解耦的数学操作，对其物理意义阐述不清楚。本文从简单的旋转框架下两自由度线性系统入手，阐述了模态振动中复振型表征各振子位移与速度组合的比例关系，而非实振型所表征的位移比例关系。本文明确了复振型振动的非同时性及伴随性，引导振动力学的初学者深刻理解复振型的直观物理意义。

• 轴对称粗糙圆杆的扭转变形

  李志浩, 李翔宇, 朱志武, 李鹏, 龚晖, 李映辉,

  本文旨在研究轴对称表面粗糙圆杆的扭转变形。通过微元法，推导了轴对称表面粗糙圆杆的控制微分方程。结合摄动法和离散傅里叶变换，获得了粗糙圆杆的扭转角摄动解。对比典型粗糙圆杆的材料力学解析解或有限元解，验证了本文摄动解的有效性。通过系统计算，探究了粗糙面的统计参数对于扭转角的影响规律并建立了经验公式。本文的研究成果拓展了材料力学中扭转问题解的范围，并为数学物理方法提供了具体的力学实践。

• 基于卡氏第二定理求解细长螺旋杆件的位移

  雍华东,

  由于具有较为优异的力学性能，螺旋结构的细长杆件在工程中得到了广泛的应用。在拉伸及弯曲载荷作用下，螺旋杆件自身较为特殊的结构导致其变形规律较为复杂。本文基于螺旋杆件的应变能及材料力学的卡氏第二定理，得到了拉伸及横向载荷作用下螺旋杆件的位移，所得解析结果与有限元结果一致。螺旋杆件位移的求解可以作为材料力学基本内容的拓展，加强学生对相关知识点的理解和掌握。

• 基于CiteSpace知识图谱的材料力学课程研究可视化分析

  张锴, 付昆昆, 汤可可, 王华宁, 郑百林,

  利用知识图谱技术，借助可视化计量分析平台CiteSpace，对中国知网数据库中有关材料力学课程研究的相关文献进行了分析，通过对研究者合作关系、研究机构合作关系以及研究关键词的关联、聚类和演变分析，揭示我国材料力学教学研究现状，展望未来的发展趋势。通过可视化分析，得出结论：材料力学教学研究呈现出部分集中、整体分散的态势，基于互联网技术的虚拟教研室有望打破机构间的合作壁垒；研究热点关键词的演化规律符合时代特征，从早期的教材建设和知识点的讲授，到近期的新工科、课程思政和虚拟仿真；结合人工智能技术的辅助教学方法是未来的发展趋势。

• 支架，放还是不放？这是个生物力学问题

  乔爱科,

  血管支架用于扩张血管狭窄病变部位，以达到血流通畅的目的。但什么样的狭窄血管需要放支架？这是个生物力学问题。本文从血管狭窄的功能学评价指标来分析血管狭窄、心肌缺血和支架治疗之间的逻辑关系，用农田灌溉这样形象的比喻来阐明冠脉支架介入术的生物力学机理，启发读者思考临床医学背后的基础工程科学原理。