力学与实践杂志

力学与实践杂志2024年第4期

• 海空跨域航行器研究现状及关键力学问题

  周航宇, 魏照宇, 祝发勋, 胡卫强,

  海空跨域航行器作为一种新兴运载器，具备空中飞行、水下航行及多次主动出入水能力，能够在潜艇作战、通信中继、海洋遥感等军事及民事领域发挥独特作用，受到了各个领域研究学者的广泛关注。本文梳理了海空跨域航行器样机类型及技术路线，认为目前跨域航行器的研究重8混合翼型，重点问题应该在出入水和水下航行过程中。本文提出了一些针对性解决方案，涵盖了跨域航行器的近海面稳定性研究、快速出入水轨迹及载荷研究、水下航行力学研究等，为未来的发展和实际应用提供了有力指导。

• 小孔扩张理论在原位测试中的应用研究进展

  吴掌乾, 李天任, 李强, 段伟, 赵泽宁, 蔡国军, 路钊驰, 刘松玉,

  小孔扩张理论在原位测试理论分析方面具有显著的适用性和重要性。本文主要总结和阐述了小孔扩张理论在原位测试领域如静力触探(cone penetration test, CPT)、孔压静力触探(piezocone penetration test, CPTU)、旁压试验(pressuremeter test, PMT)等近年来的相关研究成果，具体包括锥贯阻力、孔隙水压力和基于CPT/PMT法的桩基承载力预测，以及相关土性参数(强度参数，如不排水抗剪强度、内摩擦角；状态参数，如超固结比与相对密度等)解译方面的应用。最后结合室内及现场试验的应用实例分析，对基于孔扩张理论在原位测试应用中所存在的局限性和不足作了相应的总结，并指出该理论未来还需进一步完善。

• 空泡动力学中过阻尼系统的存在性分析

  张湘晴, 张宇宁,

  在空泡动力学研究中，阻尼机制对气泡泡壁运动具有非常重要的影响。空泡动力学中所涉及的阻尼机制一般分为3种：黏性阻尼、热阻尼、声阻尼。本文基于泡壁运动方程，通过理论分析和推导，从主导阻尼机制的角度对气泡半径进行了分区讨论，获得了简化的阻尼比公式，证明了空泡动力学中过阻尼系统的存在性。与亚阻尼系统相比，过阻尼系统中的气泡并非进行衰减的往复简谐振荡，而是从初始位置逐步衰减至平衡位置。

• 空间机器人在轨桁架组装操作基于自适应模糊CNF的阻抗控制

  刘东博, 陈力,

  空间桁架作为空间站一类重要基础设施，在空间站建设中起着不可替代的作用。考虑到组装好的空间桁架所占空间以及火箭的运载能力，一般采用将桁架部件发射入太空并在轨道完成组装。为实现空间桁架的组装、维护等太空任务，对空间机器人在轨插、拔孔操作的力/位姿阻抗控制进行了研究。建立了载体姿态受控形式的空间机器人系统动力学模型；通过桁架部件插头的运动学约束，建立了插头在基连坐标系下的运动学关系。基于阻抗控制原理，根据插头位姿与其输出力之间的动态关系建立了二阶线性阻抗模型，以实现在轨插、拔孔操作过程中输出力的精确控制。提出了一种自适应模糊组合非线性反馈(composite nonlinear feedback, CNF)控制策略，通过模糊控制器拟合系统不确定参数，作为CNF控制器的补偿输入，以降低不确定参数的影响，提高位姿的控制精度。通过Lyapunov原理证明了系统的稳定性；利用仿真分析，验证了控制策略的有效性。

• 掺氢输送管道材料的适应性及评价方法

  吴华, 徐莹莹, 徐凌, 米杰, 李林峰, 唐永帆, 王业熙,

  天然气管网掺氢输送可有效解决氢能利用过程中的输送问题，但这会给管道带来安全风险。本文详细评述了掺氢输送管道金属和非金属材料的种类、适应性影响因素及其评价方法，建议完善和利用现有金属和非金属材料宏观性能表征及微观机理分析方法，结合实际工况环境及材料关键性能指标，建立掺氢输送管道的适应性评价方法和评价限值要求，并完善实际掺氢试运行评价方法和评判标准。本文可为天然气管网掺氢输送工程提供重要参考。

• 带涡流发生器百叶窗翅片对流换热特性研究

  曹侃, 谭泽资, 于波文, 袁耀华, 康志伟, 梁家星,

  为改善车用百叶窗翅片换热器空气侧换热性能，提出一种带涡流发生器百叶窗翅片结构。采用数值模拟方法计算出新型翅片与传统翅片在不同雷诺数（Re）下的传热因子j，阻力因子f和综合性能因子JF，分析了两种翅片的流动和换热特性。结果表明：在Re为100～500时，与传统翅片相比，带涡流发生器翅片的传热因子j增加了2.9%～4.0%，阻力因子f上升了1.6%～2.0%，综合因子JF提高了2.2%～3.4%，因此带涡流发生器换热器换热性能优于传统百叶窗换热器。

• 碳纤维聚合物筋约束钢纤维混凝土柱双轴弯曲性能研究

  刘恺亮, 黄锐, 周芬, 杨晓,

  为研究碳纤维增强聚合物(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)加固对钢筋混凝土柱力学行为的影响，开展了双轴弯曲载荷下CFRP约束素混凝土柱和钢纤维混凝土细长柱压弯性能试验，探究钢纤维掺量、CFRP层数以及载荷偏心距对柱试件抗弯特性的影响。试验结果表明，与参照组(无CFRP)相比，CFRP的环箍作用显著提高了钢筋混凝土柱强度、延性以及抗变形能力。同时，还提出了一种在轴向载荷和双向弯曲作用下适合CFRP约束钢筋混凝土细长柱的数值计算方法，该方法引入了约束混凝土的双折线本构模型以及钢筋、CFRP的应力应变模型，对CFRP约束钢筋混凝土柱结构性能进行预测，计算结果与实测值均吻合较好。

• 玻璃纤维增强铝合金层板的抗高速冲击性能研究

  李周仪, 晁欢, 刘骁骁,

  本文进行了玻璃纤维增强铝合金层板（glass laminate aluminum reinforced epoxy, GLARE）在平头子弹冲击下的高速冲击试验，采用ABAQUS有限元分析软件建立GLARE层板的高速冲击数值模型，研究其在高速冲击作用下的响应及损伤特性，在验证其有效性的基础上，预测了不同直径和不同材料属性的子弹冲击下GLARE层板的抗冲击特性，揭示子弹直径、材料属性和弹头形状对GLARE层板抗高速冲击性能的影响。结果表明：GLARE层板在高速冲击作用下表现出良好的抗冲击性能；弹头形状对GLARE层板抗高速冲击性能影响最大，其次是子弹材料属性，子弹直径对GLARE层板抗高速冲击性能的影响并不显著。

• 不同胶结剂和骨料类型混凝土受压疲劳性能试验及寿命预测模型

  马俐, 韦向高, 张秋霞,

  为研究不同胶结剂和骨料类型对混凝土受压疲劳性能的影响，采用3种胶凝材料：普通硅酸盐水泥(ordinary portland cement，OPC)；由30%OPC，20%粉煤灰(fly ash，FA)和50%磨细矿渣(ground granulated blast-furnace slag，GGBS)组成的高掺量辅助胶凝材料(supplementary cementitious material，SCM)；由50% FA和50% GGBS组成，并掺入Na2SiO3和Ca(OH)2的碱激发剂胶凝材料(alkali-activator，AA)，试验制作了天然骨料混凝土(normal-weight concrete，NWC)和轻质骨料混凝土(light-weight concrete，LWC)，开展恒应力循环压缩试验。最大应力水平设置3个等级，分别为混凝土静态单轴抗压强度的75%，80%和90%，而最小应力水平固定为静态抗压强度的10%。基于对试验结果的回归分析，建立了疲劳寿命和疲劳应力-应变曲线模型。结果表明，LWC的疲劳寿命略低于NWC，LWC的疲劳应变高于NWC，且与OPC混凝土相比，对于SCM或AA混凝土以上规律更加凸显。本文提出的不同胶结剂和骨料类型混凝土的改进疲劳应力-应变模型，具有计算精度高、计算过程简单、不需要繁琐迭代计算的优势。研究成果可为预测轻骨料混凝土疲劳应力-应变曲线及疲劳寿命提供一套新的方法。

• 油污泥热解残渣改良粗粒硫酸盐渍土力学性能试验研究

  李博林, 冉武平, 曾立峰, 李世彤,

  为探究油污泥热解残渣改良粗粒硫酸盐渍土的力学性能，试验研究了残渣掺量和盐渍化程度对粗粒硫酸盐渍土回弹模量以及无侧限抗压强度的影响规律。结果表明：粗粒硫酸盐渍土的回弹模量和无侧限抗压强度均随残渣掺量的增加呈先提高后下降的趋势。当残渣掺量为10%时，各项力学性能提升最显著。此时回弹模量最大为245.52 MPa，无侧限抗压强度最大为0.48 MPa。随着含盐量增加，改良粗粒硫酸盐渍土的力学性能先提高后下降，且随残渣掺量的增加，非盐渍土较盐渍土的力学性能提升更加明显。根据X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）和扫描电镜（scanning electron microscope，SEM）试验微观分析，油污泥热解残渣改良粗粒硫酸盐渍土主要由物理和化学两个因素共同作用，颗粒间的嵌挤摩擦和离子间的置换反应促就了改良盐渍土强度的提高。

• 高效耗能摩擦阻尼框架随机地震响应及减震分析

  张敏, 马玉超,

  利用随机振动理论对高效耗能摩擦阻尼框架结构小震作用位移正则坐标均方差进行求解，研究了在改进Kanai-Tajimi功率谱地震激励下摩擦阻尼力对上述框架结构位移正则坐标均方差的影响；分析了摩擦阻尼器启动耗能的条件；还研究了小震作用下高效耗能摩擦阻尼框架结构的等效阻尼比。在此基础上，研究高效耗能摩擦阻尼框架结构对巨震作用的减震效果。研究表明，高效耗能摩擦阻尼器可以克服传统摩擦阻尼器的弱点，能够兼顾小震、大震与巨震作用对结构的减震耗能。

• 高山融雪对浅埋偏压小净距隧道边坡稳定性的影响及处置措施

  高景明, 冯世展, 黄光友, 梁斌, 李文杰,

  为研究高山融雪对浅埋偏压小净距隧道边坡稳定性的影响，依托新疆上新光隧道工程，基于折减系数法，将高山积雪等效为相应降水，运用数值模拟和现场实测相结合的方法，分析积雪融化对隧道洞口处边坡稳定性的影响，总结西部高寒覆雪地区小净距隧道边坡稳定性规律，并根据实际情况采取相应处置措施。结果表明：融雪入渗对边坡稳定性产生较大影响，雪水完全入渗后，边坡塑性区贯通，沉降量增大，最终沉降量达116.673 mm。积雪融化后边坡孔隙水压力增大，以边坡顶部和边坡底部最为明显，孔隙水压力最大值可达1.471 MPa；边坡安全系数随雪水入渗深度增加而减小，当雪水入渗深度达300 mm时，安全系数达到临界值1.05；采用抗滑桩对隧道边坡进行加固，能有效提升边坡稳定性，运用截水沟对融雪进行阻断，能有效减少雪水入渗量。

• 基于落锤-弹簧碰撞系统的燃气爆炸载荷模拟加载方法研究

  李腾飞, 钟冬望, 何理, 司剑峰, 黄秋月,

  为避免燃气爆炸实验带来的危险，可通过载荷模拟装置产生燃气爆炸载荷替代传统燃气爆炸实验。本文设计开发了一种基于落锤-弹簧碰撞系统的燃气爆炸载荷模拟装置及加载方法，通过一维弹性碰撞理论建立起了系统响应过程的运动方程，并推导得到了载荷与时间之间的函数关系；根据压力时间函数特征以正弦函数和指数函数乘积形式对燃气爆炸实测压力时程曲线进行拟合，建立了模拟燃气爆炸载荷落锤-弹簧碰撞系统参数快速计算方法；该装置及实验方法表明调整阻尼器的阻尼系数、弹簧的刚度和落锤的质量，可获得与燃气爆炸载荷特征相符的压力加载作用时长和载荷峰值。落锤-弹簧碰撞系统可以对燃气爆炸载荷进行多工况多场景的有效模拟。

• 电弧风洞高焓流动模拟及壁面催化效应研究

  周凯, 武建英, 李小鹏, 欧东斌,

  对电弧风洞高焓流动进行模拟时，基于其高温复杂流场特性，对比不同热化学模型、壁面催化条件、流场一体化及分体计算等多种数值计算条件下，电弧风洞内部、出口流场特性及典型模型壁面热流分布。结果表明，模型距离喷管出口较近时，流场分体计算可以提高计算效率，但是模型距离喷管出口较远时，则必须采用一体化计算保证计算精度，数值模拟单温度热平衡模型计算得到的等热流模型表面热流高出双温度热非平衡模型6.99%。同时对电弧风洞高焓流动壁面催化效应开展研究，通过X射线扫描电镜对3组类型热流传感器表面元素成分进行分析，研究热流传感器表面催化属性对气动热测量的影响。结果表明，壁面催化效应会显著增加试验模型表面气动热环境，采用无氧铜基体的塞式量热计进行电弧风洞热流测量时，其表面会被氧化成CuO，数值模拟壁面采用有限催化条件γ=0.022时计算结果与试验结果更接近，也与文献中CuO的催化复合系数匹配。

• 基于能量变分法的新型波形钢腹板箱梁横向内力研究

  赵永飞, 张军军, 鲁俊峰,

  基于能量变分法的基本原理，考虑箱梁畸变和波形钢腹板受力特性，建立以新型波形钢腹板箱梁桥面板剪力差T为未知量的控制微分方程，利用比拟的弹性地基梁法求出剪力差，得到新型波形钢腹板箱梁横向内力的能量变分法解。详细分析波形钢腹板倾角及波高变化对横向弯矩的影响规律。结果表明：按本文计算公式求解出的新型波形钢腹板箱梁横向内力解析解与ANSYS数值解能够很好地吻合，说明本文理论推导是准确可靠的；随着腹板倾角θ的增大，计算点A和载荷作用位置F处的横向弯矩急剧增大，离载荷作用位置较远的计算点B处的横向弯矩逐渐增大，当θ约为35°时，MA=MB；随着波形钢腹板波高dw的变高，角点A和角点B处的横向弯矩呈逐步增大的趋势，而载荷作用点F处的横向弯矩值则不断减小，且始终存在MF>MA>MB的关系。

• 超收敛光滑再生梯度无网格配点法

  齐栋梁,

  无网格配点(meshfree collocation, MC )法易于实现，但形函数高阶梯度的计算限制了其计算效率。为了提高MC法的梯度计算效率和收敛精度，本文结合无网格再生梯度理论与梯度光滑方法，提出了一种超收敛光滑再生梯度无网格配点(smoothed reproducing gradient meshfree collocation, SRGMC)法。所提方法以一阶再生梯度为基础递推构造二阶光滑再生梯度，避免了形函数中矩量矩阵的逆矩阵求导运算，数值实现便捷且计算效率高。文中通过典型数值算例验证了SRGMC法的精度和收敛性，结果表明，本文所提SRGMC法具有超收敛特性，且精度明显优越于MC法。

• 考虑高温蠕变损伤的服役金属屈服强度模型探析

  谢志刚, 李方军, 陈小芹, 张红星,

  在役设备长期承受高温高压且无法预测其重要力学性能指标，有必要建立考虑高温蠕变损伤的屈服强度模型。传统屈服准则未考虑温度的影响以及材料有效杨氏模量随损伤下降的趋势。在阐述金属温度相关性屈服强度理论模型和K-R蠕变损伤本构方程的基础上，通过建立服役杨氏模量与蠕变损伤内变量的内在联系，推导出考虑高温蠕变损伤的服役金属屈服强度模型。以SA508-III钢材料为例，开展了蠕变中断+高温拉伸试验，理论计算与试验结果呈现一致性。

• 基于碰撞模型的罚篮过程分析

  姜洪舟, 张雄,

  罚篮是篮球比赛中重要的得分手段，分析罚篮最优出手参数能对提高命中率提供指导。本文建立了考虑重力、空气浮力、空气阻力的篮球自由飞行模型和基于恢复系数与Whittaker假定的摩擦斜碰撞模型，利用Matlab编程代入具体参数进行计算，得出了给定出手高度下罚篮总进球域和空心进球域，发现并解释了总进球域对出手速度不连续、增加出手高度有利于进球的现象，并给出最优出手角度为62.5°左右。

• 航天器轨道机动的教学设计与思政实践

  祁瑞, 刘广彦,

  轨道机动是航天器轨道动力学区别于传统天体力学的典型特征，也是人类开展太空活动和空间操作的底层支撑能力，在行星探测和空间碎片规避等工程实践中发挥着重要作用。在轨道动力学的教学中，轨道机动部分也扮演着重要的角色，是后续相对运动和深空轨道等教学内容的知识基础。本文系统梳理和总结了北京理工大学航天器轨道动力学课程中轨道机动教学的内容安排、方法设计和思政实践，并简要介绍了教学团队在人才培养和慕课建设方面的初步成效。

• “以学生为中心，以矿业为特色”的工程力学虚拟仿真一流课程建设与实践

  李明耀, 左建平, 祝捷, 刘德军, 薛东杰,

  面向国家能源开发领域，立足于巷道工程有关的岩石力学前沿问题，创设了“以学生为中心，以矿业为特色”的工程力学虚拟仿真实验教学课程，构建了以教学目标为引导、以实验模块为主线、以实验内容为应用的课程体系，坚持“以学生为中心”的教学理念，采用多样化的教学方式，构建了沉浸式、体验式、探究式的学习场域，完善了开放共享的信息化实验教学新模式和新体系。课程建设与实践表明，本虚拟仿真实验课程有利于培养学生家国情怀、能源特质、创新思维和工程实践能力。

• 航空教学实践中的“鸡蛋热气球”探究

  沈海军,

  针对汉代典籍中的“鸡蛋热气球”原理，提出了鸡蛋膜热气球的猜想。结合航空专业本科生教学，组织展开了一系列“鸡蛋热气球”的理论分析与实验工作。结果发现，鸡蛋膜热气球在加热空气时无法升空，但在约3.3 m/s的上升热气流下，却是可以起飞的。本次教学实践活动结合航空科技史探究，激发了同学们的专业兴趣，也锻炼了他们的创新实践能力。

• 材料力学弯曲变形问题集中量处理方法

  占旺龙, 李春波,

  集中力和集中力偶广泛存在于实际力学问题中，但在推导载荷集度、剪力和弯矩间的微分关系时所截取的微段并不包含集中量。求解内力方程和弯曲变形时需人为地将梁分段，求解过程异常繁琐。本文通过引入奇异函数将集中量转化为分布量，并给出任意载荷作用下的载荷集度方程。通过微积分关系求出内力、转角和挠度方程。本方法便于学生理解微分关系推导时截取微段仅含分布载荷的力学模型，求解弯曲变形时也无需对梁进行分段，计算过程大大简化且便于计算机编程。

• 力学与数理融合——浅谈相似性解方法

  黄云帆, 王沫然,

  基于教学实践，针对半无穷大空间 Stokes 第一问题，讨论了相似性解方法与微分代数领域之间的联系。阐明了初边值条件与微分方程的李群无穷小对称性相容是相似性解存在的必要条件，并首次给出了相似性解方法能使偏微分方程化为常微分方程的严格证明。本文旨在展现热-流科学相关课程引入现代数理观点的必要性，引导学生关注各类近似方法背后的物理思想，提升学生把握核心物理图像、构建合理数学语言和建模求解具体问题的能力。

• 新工科背景下“创新型”力学实验教学改革与探索

  李旭阳, 张晶晶, 孙晨,

  力学创新实验教学是工程力学及相关工科学生创新实践能力培养的重要环节。新形势下，进行力学创新实验课程的改革探索，加强科教融合，将科研优势转化为育人特色，对拔尖创新人才培养具有重要意义。我校（上海交通大学）力学国家级实验教学示范中心针对过往教学实践中存在的问题与不足，从实验内容、教师队伍、课程模式等方面着手，探索更适应当前拔尖创新人才培养需求的创新实验课程体系。

• 连续介质力学教学之矢量张量运算的图形表示

  尉亚军, 黄玥, 吴华, 邓子辰,

  掌握矢量分析和张量分析基本知识是学习和研究连续介质力学的基础。本文介绍矢量分析和张量分析的图形表示法，包括矢量的点积、叉积、混合积、一阶微分、二阶微分以及二阶张量的迹、简单缩并、双缩并、散度等。根据图形表示法能快速证明常用矢量、张量等式，比数学推导法更直观、简洁、高效。图形表示法的引入以及与数学推导法的结合有助于深化学生对矢量分析和张量分析的理解，提升连续介质力学课堂教学的趣味性。

• 从力学的基础性谈工程科学的科研与教学 以《Journal of Ocean Engineering and Science》为例

  陆瑶,

  力学是一门重要的基础学科，也是工程科学的先导和基础。科技期刊是科研成果的载体和服务科研的平台。本文以《Journal of Ocean Engineering and Science》为例，通过分析该期刊刊文的统计信息及与力学相关的文章，揭示了在海洋工程科学研究中涉及的基础学科主要是力学和数学以及两学科的重要性，探讨了力学等基础学科对工程科学的科研与教学方面的推动作用，进而结合该期刊刊文中有关力学问题的研究，讨论并提出了科技期刊促进科研与教学的建议。

• 湍流的多尺度效应与统计理论

  刘沛清,

  湍流是一种由不同尺度、不同频率组成的不规则涡结构引起的随机现象。研究表明，在湍流脉动过程中虽然存在湍涡的多尺度效应及其演变，但两种尺度的涡最为重要，一种是与时均流动发生相互作用的大尺度涡，这类涡通过时均剪切作用，从时均流动中源源不断地提取能量以维持湍流的脉动；另一种是小尺度的耗散涡，这类涡与黏性尺度同量级，它们通过黏性而耗散湍流脉动。本文详细分析了湍涡的多尺度效应及其演变、大涡和小涡的量级比较，并在此基础上，阐述了湍流中任意两点脉动速度的相关性和频谱分布特性，以便为初学者提供参考。