力学与实践杂志

力学与实践杂志2024年第3期

• 随机波浪及平台运动下控压钻井隔水管端部轴向位置预测方法

  朱焕刚, 燕修良, 畅元江, 许磊, 王超,

  控压钻井（managed pressure drilling，MPD）技术是深水钻探时解决泥浆密度窗口较窄问题的重要技术。MPD隔水管端部为旋转控制头（rotating control device，RCD），其轴向位置的变化会直接影响井底压力。目前关于深水MPD隔水管端部轴向位置预测方法的文献较少。本文基于欧拉-伯努利梁理论，考虑管内高压和钻井液流速的影响，采用直接刚度矩阵法建立MPD隔水管系统动力学理论模型，采用Newmark- \beta 积分法对MPD隔水管系统的动力学方程进行求解，并进一步开展随机波浪及平台运动下隔水管端部轴向位置的动态预测研究。以南海某1600 m水深隔水管为例进行分析，算例表明，一年一遇随机海况、管内高压为12 MPa，钻井液流速为2 m/s，钻井液密度为1600 kg/m3时，隔水管端部轴向位置改变量在0.5～0.6 m之间波动；当进一步考虑平台慢漂运动时，隔水管端部轴向位置改变量在0.2～0.7 m之间波动。据此可计算得到井底压力的波动范围，从而可为控压钻井作业时井底压力的精确调控提供参考。

• 波浪载荷下探井隔水导管力学特性研究

  杨宇翔, 杨进, 张龙, 倪浩乘,

  隔水导管是自升式平台进行海上作业的基础结构。然而，循环的波浪载荷会使隔水导管产生过大的横向位移和弯矩，进而导致其失效。本文结合Morison方程以及美国石油学会(American Petroleum Institute, API) 规范中的p-y曲线，建立了井口到海底的隔水导管的分段力学模型，创新性地提出了将隔水导管简化为两端简支梁的多点边值问题的求解方法，将控制方程转化为一阶微分方程组，然后通过MATLAB求解计算，验证了本文理论推导和求解的正确性，最后对影响隔水导管力学性能的关键参数进行了分析研究。所得结论进一步提高了隔水导管理论模型的计算精度和对工程设计的有效指导作用。

• 水动力段塞流激发的混合立管振动响应

  朱红钧, 李威, 高岳, 胡洁, 李扬, 许兵,

  海洋立管是输送海上油气至生产平台的关键装备，面临油气两相流诱导振动的风险。本文通过建立气液两相循环系统，开展了不同气液比水动力段塞流作用下的混合立管流致振动响应实验研究，采用高速摄像同步捕捉了管道振动位移及管内气液两相流动特征。实验发现：柔性跳接管平面内振幅及管内液塞长度随气液比的增大而增大，模态切换更为频繁。柔性跳接管的主导振动频率与长液塞流动频率和压力波动频率吻合。刚性立管的摆动频率也参与了柔性跳接管的振动，但其影响沿管轴方向不断衰减，且随气液比的增大而减弱。

• 基于LSTM的海上LNG转驳系统泄漏事故预测方法研究

  邓陈辉, 张纪涵,

  在海上液化天然气（liquefied natural gas，LNG）转驳系统中，一旦发生泄漏事故，其后果将极其严重，可能引发火灾、爆炸、中毒等危害。液化天然气泄漏事故发生速度迅猛，因此如何快速进行泄漏扩散的预测对于应对突发事件下的人员疏散和设备保护至关重要。本研究构建了一种基于长短期记忆神经网络（long short-term memory，LSTM）的海上液化天然气转驳系统泄漏扩散预测模型，利用流体动力学仿真计算，获取了大量的基础数据集，然后通过训练，能够有效地对气体扩散浓度进行准确预测，所得结果的均方差和平均绝对误差均低于门控循环单元（gated recurrent unit，GRU)神经网络模型和反向传播神经网络模型。

• LNG螺旋骨架复合耐超低温柔性管道拉伸性能分析研究

  阎军, 步宇峰, 郭峰, 赵春雨, 杨志勋, 宁永庆, 尹原超,

  LNG螺旋骨架复合耐超低温柔性管道采用了以螺旋骨架支撑，多层复合材料缠绕的非粘接结构形式，这类结构的力学性能分析中涉及到几何大变形、超低温环境、复杂层间接触等难题。传统的柔性管道拉伸理论模型不再适用于这类结构形式。本文针对12英寸（1英寸=0.0254 m）口径的低温柔性管道开展了常、低温拉伸性能实验研究，建立了低温柔性管道的精细数值模型，并通过实验进行了模型修正。基于所建立的数值模型开展了温度、支撑层参数对管道拉伸性能的敏感性分析。结果表明，低温环境下管道的抗拉伸性能提高了12.69%，支撑层螺距增大50%将导致管道的抗拉伸性能降低52.36%。本文的研究为LNG螺旋骨架复合耐超低温柔性管道的设计和优化提供了一定的参考和指导。

• 海洋LCO2漂浮软管的力学性能分析研究

  张飞凡, 张玉, 姚爽, 褚为朋,

  海洋封存二氧化碳是实现我国“双碳”战略目标的有效措施。采用海上平台注入液态二氧化碳（liquid CO2，LCO2）的方式进行封存作业，在LCO2 输送环节可采用漂浮式软管作为输送管道。本文依据现行标准和输送作业需求提出了一种LCO2漂浮软管的复合结构形式，建立了其有限元模型，评估了软管在内压、拉伸和弯曲载荷作用下的损伤状态，得到了增强钢丝和增强帘线的损伤状态随载荷变化的规律，研究了增强钢丝的螺旋角度对软管力学性能的影响规律，对增强钢丝的螺旋角度进行了优化。该研究可为漂浮式LCO2输送软管的设计和选用提供技术参考。

• 深海采矿柔性管力学性能及加工工艺研究综述

  徐万海, 沙沐, 王莹莹, 马烨璇,

  海洋蕴藏着储量丰富的矿产资源，深海矿产资源开发逐渐成为学术界和工程界的研究热点。管道提升式开采方案是目前公认的最具商业前景的海洋矿产开发方案。矿产输运管道作为连接海底中继舱和海上采矿平台的纽带，需要承受恶劣的风、浪、流环境载荷和复杂作业工况的工作载荷，其设计制造和力学性能分析一直备受关注。相比于刚性管道，柔性管道的弯曲刚度小、便于安装与回收、使用寿命较长。然而，柔性管道的结构复杂，各层之间相互影响，金属柔性管道由于自身结构的限制，在深海采矿行业中难以广泛应用，人们开始把目光放在非金属柔性管的设计与应用上。本文回顾了柔性管的发展历程，总结阐述了柔性管设计及加工制造中的力学性能分析方法和力学特性，并对柔性管设计制造的未来发展提供力所能及的展望。

• 气力提升系统气液两相流流动特性研究

  朱井育, 杜燕连, 符孟帝, 韩雨彤, 甘羽星, 沈义俊,

  以空气-水作为介质，探究气举泵气液两相流的压力和流量特性，并基于压力信号的时域、功率谱密度函数(power spectral density，PSD)和概率密度函数(probability density function，PDF)分析鉴别流型。结果表明：除了进气喷嘴附近外，其他位置的局部平均压力随气体流速的增大逐渐上升达到峰值后减小，峰值随着浸没比的减小而向右移动且上升速度增大；液体流速随着气体流速增大急剧上升达到峰值后几乎保持不变，最大提升效率约为49%，与最大液体流速并不发生在同一个气体流速下；在不同的气流量下，观测到气泡流、帽弹流、弹状流、搅拌流和环状流的出现，不同流型可通过PSD和PDF估计量进行识别；特别是，浸没比越小越有利于形成大气塞。目前，关于气举泵的研究非常有限，本研究结果可为气液固三相流和气液两相流的研究提供数据和技术支撑。

• 深海全通透耐压壳蠕变分析

  何志豪, 王芳, 李友洁,

  有机玻璃 (polymethyl methacrylate, PMMA) 是一种透明高分子化合物，具有透明性好、耐腐蚀、重量轻、机械强度优异等优点，可作为全通透潜水器耐压壳体材料的候选材料。PMMA是一种黏弹性材料，当经受长时间的外界高压作用时，由PMMA制成的耐压结构可能发生蠕变，导致其承载能力下降。本文对PMMA耐压壳体进行了有限元分析，基于温度相关的时间硬化蠕变模型，获得了壳体的蠕变变形，并研究了不同类型无开孔和有开孔的耐压壳体的蠕变特性，分析了不同压力和温度下PMMA耐压壳体的应变-时间曲线和位移曲线。分析结果将为大深度载人潜水器全通透耐压舱的设计提供理论参考。

• 复合材料修复内壁减薄柱壳承载能力试验与数值研究

  滕赟, 展铭, 吴文伟, 张建, 许凯玮,

  为解决水下由于腐蚀导致内壁减薄柱壳易失稳的问题，开展复合材料修复内壁减薄柱壳承载能力试验及数值研究。本研究通过制作初始柱壳和不同减薄程度的修复柱壳模型，进行静水压力试验，并利用非线性数值分析方法研究修复柱壳的屈曲机理以及修复参数对修复柱壳承载能力的影响规律。结果表明：经复合材料修复后的减薄柱壳能有效恢复承载能力，且修复厚度对性能提升具有显著影响。但当修复参数达到一定阈值时，承载能力趋于稳定。该研究结果对于指导和推动复合材料修复水下设备的应用研究有重要的参考价值。

• 波浪滑翔器航向控制方法与实验研究

  孙秀军, 陈重喆, 周莹,

  波浪滑翔器是一种典型的非线性、强耦合、欠驱动系统。传统比例-积分-微分(proportion integral derivative, PID)控制器在复杂多变的海洋环境下难以满足高精度的航向控制要求且存在参数整定困难、无法在线调整等缺点。针对此问题提出一种基于改进粒子群优化(improved particle swarm optimization, IPSO)算法的反向传播(back propagation, BP)神经网络PID控制方法，首先建立波浪滑翔器数学模型，其次利用BP神经网络的自学习能力自适应调整PID参数。同时针对BP神经网络存在对初始权值敏感、反向传播易陷入局部极值等缺点，引入IPSO算法对网络初始权值进行优化，确保BP-PID网络能够获取全局最优解。基于仿真进行海试验证，结果表明所提算法能够显著提高航向控制性能，验证了所提算法的有效性和真实性。

• 考虑指数渗流的砂井地基弹黏塑性固结分析

  杨强,

  为深入探究饱和黏土地区砂井地基的固结机制，在Barron自由应变假定下，引入考虑时间效应的统一硬化（unified hardening，UH）模型描述土骨架的变形非线性关系，同时引入指数渗流方程代替Darcy定律，并考虑渗透系数变化及涂抹效应的影响，研究了土体非线性、施工扰动及外载荷等因素对砂井地基非线性固结过程的影响规律。结果表明：由于土体的黏滞效应，在加载前期，砂井地基不排水边界附近孔压出现升高现象，且考虑非Darcy渗流时上述现象更加明显，砂井地基固结速率也愈加缓慢。此外，涂抹区渗透系数的减小显著降低了砂井地基整体孔压消散速率，而外载荷的增大却加快了地基的固结进程。

• 岩石卸荷的Mogi-Coulomb强度准则适用性研究

  陈浩南, 朱泽奇, 庞鑫, 万道春, 夏禄清, 张少军,

  大量工程实践表明：岩石在卸荷条件下的强度特性与加载条件下相比，存在本质上的不同。结合岩石卸荷的破坏特征和强度特性，建立了岩桥贯通力计算模型，并基于应力强度因子叠加减原理，推导了岩石卸荷条件下的岩桥贯通力计算公式，从而探究Mogi-Coulomb强度准则对于岩石卸荷强度的适用性。将岩桥贯通力作为表征岩石卸荷破坏的强度参数，并与Mogi-Coulomb强度准则的核心参数——八面体剪应力进行对比，发现二者的量值具有极高相似性，这一发现可以间接证明Mogi-Coulomb强度准则适用于岩石卸荷强度方面的相关研究。本文揭示了岩石卸荷破坏时其岩桥贯通与八面体剪应力之间存在的紧密联系，可为岩石卸荷破坏的研究提供借鉴与参考。

• 非均质砂土劈裂注浆加固机理分析

  秦鹏飞, 张颖, 王柳舒,

  由于注浆工程的隐蔽性与地质结构的自然性，劈裂-压密注浆扩散机制非常复杂，对注浆加固效果的评价认识尚不深刻。本文考虑浆脉形态与砂层结构特征，构建了注浆加固体力学计算模型，基于土力学和弹性力学的基本原理，对注浆加固效果进行了定量分析计算。通过选取特征单元体，研究了砂土压缩模量、抗剪强度及防渗性能空间各向异性特征。最后结合郑州地铁12号线砂层注浆加固工程，验证了计算方法的科学性和适用性。研究发现，砂土加固体水平和垂直方向的内摩擦角φs与φc基本一致，而水平和垂直方向的黏聚力cs与cc，由于剪切破坏机制的不同，存在较大差别，cs远小于cc；垂直浆脉方向的渗流机制与平行浆脉方向的渗流机制也存在差别，垂直方向的渗透系数kc较水平方向的渗透系数ks小4~5个数量级；平行浆脉方向的抗变形性能略高于垂直方向。本文研究成果可有效提升劈裂注浆的理论设计水平，为砂土场地工程项目建设提供科学指导。

• 霍普金森装置校准高应变率标准样品研制

  高波, 冯家臣, 彭刚, 王绪财, 王伟, 陈春晓, 张彬, 卢振宇,

  为满足霍普金森装置校准工作的需要，研制了高应变率校准标准样品，围绕降低样品高应变率下试验结果的离散性，从样品选材、界面控制、晶粒细化3方面展开研究。研究表明，低硬度纯铜材料适合制作霍普金森杆校准标准样品，通过控制样品平行度及端面摩擦，利用等通道转角挤压方法进行晶粒细化，制作的标准样品在高应变率下的试验结果具有良好一致性。随着应变速率提高，纯铜晶粒尺寸呈增大趋势，高应变速率下的纯铜标准样品均为超细晶粒组织，试验结果离散性小，可满足霍普金森装置校准工作需要。

• 连续介质力学的类比思维教学法——黏弹性力学vs.广义热传导

  尉亚军, 吴华, 徐成辉, 谷旭东, 邓子辰,

  类比是重要创新思维方式，能发挥类比思维教育价值，强化学生类比思维训练，有助于创新人才培养。本文以黏弹性力学和广义热传导教学模块为抓手，展现类比思维教学法在连续介质力学课程运用的设计案例。首先，基于力学弹性单元和黏性单元，采用串并联方法，推导黏弹性力学Maxwell模型和Kelvin-Voigt模型。其次，给出广义热传导Cattaneo-Vernotte模型和Green-Naghdi模型，介绍Green-Naghdi模型热位移概念的起源。随后，通过类比方法引入热学“弹性”单元和“黏性”单元，运用串并联方法实现Cattaneo-Vernotte模型和Green-Naghdi模型的重构，澄清黏弹性力学和广义热传导各模型间的对应类比关系。最后，分析热学基本方程与力学基本方程的差异，指出：对研究对象间差异性的关注也是基于类比方法启发创新思维的重要手段。

• 刚体动量矩和动能的一般表示

  王睿垠, 袁威, 冯放, 金长江,

  本文研究了刚体作平面运动时，选择任意一点作为基点，写出刚体对该点的动量矩和刚体动能的一般表达式。同时，针对复杂的多体问题，将动能的一般形式推广到广义质量和广义速度乘积的矩阵形式，通过多体系统的第一个刚体，递归生成多个铰接的刚体的广义速度，并利用动能的矩阵形式来给出多体系统的动能。通过比较以质心为基点和采用矩阵形式两种计算动能的过程，说明了可以应用矩阵形式统一给出多个刚体系统的动能表达式。

• 航天器相对运动的教学设计与思政实践

  祁瑞,

  航天器相对运动研究两个及以上航天器在太空中相对彼此的运动特性，在空间交会对接和空间站建设运营等领域有着广泛的应用。相对运动的教学工作面临理论公式繁多、运动特性反直觉、思政案例难设计等挑战。课程负责人设计了“历史背景—基础理论—思想实验—课堂讨论—编程实践—工程案例”的教学流程和方法，并在其中穿插融入了人类交会对接成就史和月球采样返回的中国方案等思政案例。教学实践表明，该教学和思政设计能有效提升学生的学习成效，使得思想政治教育与专业知识教育相辅相成。

• 三维流场的虚拟现实技术开发与教学应用

  贾永霞, 张钧铎, 吴辰禹, 朱虹鑫, 刘泽华, 陆晨阳, 黄伟希,

  开发了一种动态展示三维精细流场结构的虚拟现实系统。该系统包括：流场生成模块，用于通过数值模拟计算目标场景的瞬时流场，并进行可视化，得到目标场景的三维流场模型；存储模块，用于存储目标场景的三维流场模型；显示模块，根据按键指令调用并播放三维流场模型。通过虚拟现实技术实现多种模型的三维瞬时流场动态展示，实现了在流体力学教育与研究领域还原复杂流场中三维结构的功能，极大地激发了学生的求知欲与探索精神。

• 基于增材制造技术的力学专业人才实验能力提升探索

  邓庆田, 李新波, 商泽进,

  增材制造技术经过10余年的快速发展，已经在工业制造、结构设计、产品研发和高等教育等领域逐渐发挥重要作用，为高校培养创新型和研究型实验人才提供了有力的支撑，而如何将前沿技术应用于人才培养也始终是高校的关注点。本文总结了国内有关高校利用增材制造技术对本科生实验能力提升的探索，结合长安大学力学专业人才创新实验能力培养模式，分析了增材制造技术在创新实验教学中发挥的积极作用，为探索将现代加工制造技术应用于高校工科专业人才创新实践教学提供了思路。

• 力学通识在新工科课程中的应用

  郭明旻, 陈力奋, 唐国安,

  力学通识在新工科建设中发挥着重要作用。本文阐述了作者对力学通识内涵的理解。在此基础上，结合面向全校本科生跨专业开设的新工科课程“机电系统原理及实践”，探讨如何将力学通识渗透到新工科课程中。提出以采用科学方法解决实际工程问题的思想为指导，以实际工程问题驱动教学内容和实践案例设计，使其友好、有趣、有用，促进学生对力学通识的消化和吸收，引领学生将力学通识的交叉应用走向深入。在具体教学内容中，应当做到“入界宜缓、舍小就大、动须相应”，从而适应“零基础、低门槛”的要求，激发学生主动学习跨学科知识的兴趣。

• 工程流体力学叙事型课堂设计及实施研究

  林培锋, 王蕊, 胡箫,

  鉴于新工科对高等教育的要求，结合注意力经济时代学生难以被课堂吸引的现状，提出了基于三幕式叙事模式的课堂设计思路，从时长分配、内容安排和注意力抓取3个方面，探究了工程流体力学课程的宏观课程编排和具体课堂设计改进思路，并以伯努利方程章节为例，给出了叙事型课堂具体的实施流程，激发学生课上课下自主学习的兴趣，提高学生的创新动力和解决实际工程问题的能力。

• 切塔耶夫及其两部经典教材

  陈立群,

  切塔耶夫被誉为“20世纪最伟大的俄罗斯力学家”。本文简要概述他的职业生涯；总结他在运动稳定性理论和分析力学方面的主要贡献；介绍他的两部经典教材《运动的稳定性》和《理论力学》的主要内容，并分析其特点。