力学与实践杂志

力学与实践杂志2024年第5期

• 国内外雪崩试验、流变模型与动力模拟进展综述

  徐小蓉, 田园诗, 孙其诚, 孙玉科, 张尚弘,

  高海拔地区水电建设面临雪崩、冰崩等地质灾害的挑战。本文以雪崩为研究对象，阐述关于雪崩试验技术、流变模型及动力学数值模拟的研究进展。国内外通过开展全尺寸雪崩试验或缩尺雪槽试验，结合先进测量技术积累雪崩案例数据；雪崩常被视作复杂流体或颗粒流，采用Voellmy双参数模型、多孔黏弹塑性模型、颗粒流流变模型等描述其流变行为；基于流体动力学和基于连续介质力学的雪崩动态模拟已逐步发展成熟。该研究可为雪崩运动路径的科学预测与灾害风险评估奠定基础。

• 双鱼集群水动力和游动性能研究

  徐康康, 银波, 石艳柯, 郭迪龙, 黄顺,

  为探索鱼类在群聚游动中水动力相互作用以及游动性能的影响，采用基于虚拟单元的锐利界面浸没边界法对双鱼以不同横向间距、纵向间距和尾摆相位差游动的问题进行了数值研究，并对双鱼的水动力性能和流场进行了综合分析。研究结果表明，在适当的位置和相应的尾摆相位差下，跟随鱼的游动性能可以得到显著的提高，同时影响领头鱼的游动性能。本文建议横向间距的最佳选择不应小于0.3倍体长。此外，通过考虑流场压力来探究双鱼间的水动力相互作用机制，发现双鱼间推力的产生同时受贴体压力和尾流动力的影响。分析表明，这两种影响的主导地位会随着双鱼间的位置变化而改变，当流向间距小于0.4倍的体长时，由贴体压力主导，当流向间距大于0.4倍的体长时，则改为由尾流动力所主导。这项研究可以为生物的集群游动力学机理提供一些见解，并支撑仿生潜航器的研制。

• 轻敲式原子力显微镜相位成像的理论和实验研究

  曾瑜, 刘国林, 关睿, 魏征,

  原子力显微镜有多种成像模式，轻敲模式是最为常用的扫描方式。轻敲模式能获取样品表面的高度信息和相位信息，其中相位信息具有更多的价值，其能反应样品表面的物理性质。为了理解原子力显微镜的相位成像机理，本文分别使用振动理论和能量理论推导了相位的理论表达式，发现两种理论方法所得到的相位表达式在本质上是一致的，并由理论结果得知相位与背景耗散和激励频率直接相关。其中背景耗散品的存在会掩盖样品表面的信息，降低相位对比度；而激励频率也会对相位产生极大的影响。本文通过理论和实验分析，发现在扫描过程中存在一个使得相位对比度达到最大的最优激励频率。这些结果对于解释原子力显微镜的相位像，进而在实验中优化相位成像具有重要意义。

• 基于欠驱动滑模控制的非线性无人自行车自平衡控制及抗扰分析

  韦赵滨, 张奇志, 周亚丽,

  通过把无人驾驶自行车看作4个刚体，根据各个刚体的运动特性，采用拉格朗日方程法建立了欠驱动、非线性的动力学模型，研究了无人自行车自平衡运动的控制问题。针对系统的欠驱动特点，采用矩阵变换设计了一种欠驱动滑模控制器(underactuated sliding mode controller, USMC)，通过车把转角和车体倾角的反馈信息来控制车把转角以实现无人驾驶自行车的平衡控制。根据李雅普诺夫稳定性理论和Hurwitz稳定判据确定欠驱动滑模控制器参数并进行仿真实验研究。仿真实验表明，欠驱动滑模控制算法能实现无人驾驶自行车在平面内的自平衡运动，在动态性能上优于比例微分(proportional-derivative，PD)控制算法，并具有较好的抗扰性能。

• 复合材料点阵夹芯板超谐共振特性研究

  马婷, 张伟,

  基于分层位移场理论以及冯·卡门大变形几何非线性关系，运用哈密顿原理建立了复合材料点阵夹芯板的非线性运动偏微分方程，然后用多尺度方法求解伽辽金离散后的常微分方程，并得到了3:1超谐共振和1:3内共振同时存在条件下的夹芯板的协调方程。通过数值计算，点阵夹芯板超谐共振时振幅值随着外激励幅值增加反而呈现减小的趋势，被间接激发的第二阶模态对不同微观胞元构型变化的反应很敏感，而第一阶模态基本不受胞元构型的影响。

• 基于力流和有限元法的路径规划

  兰鸿辉, 卢海林, 乔璐, 王倩,

  提出了一种基于力流和有限元法的路径规划方法，旨在解决复杂环境下全局路径规划的问题。将地图等效为由杆单元构成的桁架结构，在起点和终点处施加静定约束条件和相互作用力，通过捕捉点到点的力流解决避障和路径规划问题。力在物体中的传递遵循最短路径原则，因此力流路径不会偏离最优路径太远。根据上述原理设计了基于杆单元的路径规划算法，以简单桁架模型对路径计算过程进行详细演示，并分析了网格对计算效率的影响，证明了算法的可行性。在复杂迷宫地图中用本文算法与A*算法进行对比，结果显示本方法在大规模和复杂地图上具有优势，有限元法的网格构建方式比A*算法更自由，因此使计算规模更加容易控制。

• 不同加载方式下沥青混合料的压实过程与集料运动特性研究

  刘天运, 王修山, 张南童, 刘宇, 方秋逸,

  为探究不同加载方式下沥青混合料的压实过程与集料运动特性，利用智能骨料进行静态压实和旋转压实试验测试；同时采用三维激光扫描设备以及图像处理技术构建具有真实形态特征的粗集料，建立沥青混合料压实过程的离散元模型，并借助智能骨料测试结果对模型进行准确性验证；最后，分析了沥青混合料内部集料运动和接触状况。结果表明，均匀增长的竖向压实载荷无法有效地使颗粒沿水平方向运动，在持续性的竖向载荷以及周期性的揉搓作用下，颗粒水平方向上的迁移和旋转能力得到激发，最终实现材料的致密化；在均匀增长的竖向压实载荷下，试件骨料-骨料间接触力较大，周期性的揉搓作用减轻了试件高压实阻力的形成，使其在后期获得更好的压实效果；靠近载荷作用区域的颗粒所受的运动更加激烈，主动压实区的颗粒运动活跃度大于被动压实区，而边缘区域的颗粒运动变异系数较高。

• 大直径盾构隧道预制中隔墙顶部节点整体受力分析研究

  唐泽人, 于朋臣, 朱元昌, 杜亚南, 陈辰, 柳献,

  市域线大直径盾构隧道中隔墙主要承受由列车行驶产生的水平风压载荷，基本不承受竖向外载荷，使得其顶部节点是重要结构，需要对其力学性能进行研究。本文依托上海市机场联络线，介绍了其中隔墙顶部节点构造信息及数值模型等背景资料，随后阐述了不同构造下顶部节点计算分析与结果，最后对可能出现的顶部节点失效情况进行了受力分析。结果表明：今后中隔墙设计可按照连接件与中隔墙间无间隙的情况进行计算；当前连接件的焊缝、黏结强度均有一定安全储备；在可能出现顶部连接件掉落的情况下中隔墙会产生最大42.17 mm的侧向变形。

• 圆形截面罐体液体晃动的摆锤模型可行性研究

  何烈云, 刘天兰, 王冰睿, 周妍,

  为研究圆形截面罐体液罐车液体晃动等效摆锤模型的可行性，运用非惯性系下流体Euler方程和均质平面体质心计算公式，构建了液体自由液面倾斜率和质心坐标精确计算模型。得出圆形截面罐体液罐车在横向加速度作用下，液体质心运动轨迹是以罐体截面中心为圆心的一段圆弧，在此基础上提出了一种以液体质心与罐体中心连线为等效摆长的摆锤模型。采用理论计算与计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）仿真技术，分别得到相对应条件下的摆锤振动曲线图像。摆锤振动曲线图像表明，将圆形截面罐体液罐车液体晃动视为摆锤振动具有可行性，可以较好地反映出液体晃动变化规律，方便计算液体晃动时对罐体内壁的反作用力。研究结论可为开展液罐车横向稳定性研究提供理论参考。

• 装配式钢纤维混凝土节点抗震性能研究

  王辉明, 李灿, 李汝飞,

  为提高装配式混凝土节点抗震性能，在装配式梁柱节点核心区后浇混凝土中掺入钢纤维，结合ANSYS有限元软件，建立某装配式梁柱节点精细有限元模型，与试验结果对比验证有限元分析的可靠性。采用细观均匀化方法确定钢纤维混凝土非局部增强塑性损伤微平面模型的参数取值，研究钢纤维体积掺量等因素对节点力学性能的影响，并将钢纤维混凝土节点应用于装配式框架结构，基于OpenSEES平台进行动力时程分析，考察对结构整体抗震性能的改善作用。结果表明：在核心区掺入钢纤维，可提高节点的承载力和延性，提高幅度分别为4.14%～10.52%和2.94%～34.55%。在结构底部节点区增加钢纤维，可减小结构的层间位移、层间位移角和基底剪力，改善装配式框架结构的抗震性能；当钢纤维掺量较高时，对结构整体抗震性能改善不明显。

• 页岩气开采中的压力变化与气液传质规律

  卢志炜, 李熙喆, 赵圣贤, 郝有志,

  根据页岩气的赋存及流动机理，建立考虑页岩渗吸与吸附、渗流与扩散的流动方程，采用线段源叠加解等效为压裂产生的压力分布作为方程的初始条件，使用非结构PEBI（perpendicular bisection）网格对水平井多段压裂井进行网格划分，有限体积法进行离散。利用高频压力监测的闷井压力数据验证了算法程序的可靠性。研究得出以下结果：（1）发现页岩气开发的压力双漏斗及气液双向传质流动规律；（2）依据这一规律给出页岩气压最佳闷井时间和最优排采制度。

• 基于变分模态分解的CNN-LSTM模型在基坑变形预测中的应用

  方庆, 陈胜, 刘雪珠, 邱伟,

  基坑变形会对工程造成许多不利影响，甚至可能引发土体塌陷和临近道路、建筑物开裂等灾害事故，所以基坑变形的预测是基坑工程中非常重要的一环。为了更准确地预测基坑变形，提出一种以监测数据的时间序列为输入的变分模态分解的卷积神经网络-长短期记忆(variational mode decomposition-convolutional neural network-long short term memory，VMD-CNN-LSTM)预测模型。基于南京江北新区图书馆基坑工程的现场监测数据，利用VMD-CNN-LSTM模型对CX07监测点的地下连续墙深层水平位移进行预测，得到的变形预测值与长短期记忆神经网络(long short term memory，LSTM)和卷积神经网络-长短期记忆（convolutional neural network-long short term memory，CNN-LSTM）模型的预测结果对比分析。可知VMD-CNN-LSTM模型相比其他两种模型具有更高的准确性。再选取另外两个监测点的监测数据对模型的预测效果进一步验证，证明了VMD-CNN-LSTM模型的适用性和稳定性。

• 三室蓄热式热力氧化炉热工性能数值模拟研究

  孙雁伯, 袁兴海, 林琳, 王子硕,

  为了指导辽河油田开采伴生气的处理，针对三室蓄热式热力氧化炉（regenerative thermal oxidizer，RTO）的周期性运行过程开展了数值模拟研究。建立了三室RTO的三维物理模型及非稳态数学模型，分别对不同切换时间、蓄热体高度以及入口流量下的RTO运行过程进行了一个切换周期的非稳态模拟，分析了不同工况下RTO的净化效率、热回收效率和蓄热空气出口温度的变化规律。结果表明，阀门切换周期内的3个阶段热回收效率及放热侧出口温度都随着运行时间逐渐降低；在蓄热体高度为1.2 m、阀门切换周期为180 s的RTO运行工况下，可以兼顾较高的热回收效率与更优的经济效益；进气流量越大，各切换周期下的热回收效率越大，蓄热体放热侧出口温度也越高；各烟气组分在该型RTO的富氧环境中净化效率都保持在99%以上。

• 创新训练引导的力学人才培养模式探索

  于培师, 董淑宏, 吴宏荣, 袁方洋, 赵军华,

  大学生创新训练是近年来兴起的课外引导式学习新途径。本文总结了基于创新训练的力学人才培养模式以及所取得的阶段性成果：在力学课程学习的基础上，鼓励学生参加以力学探索研究为牵引的创新训练，开拓学生视野，激发创新意识；在毕业设计培养阶段，针对在课程学习和大创训练中表现较好的学生设置以力学创新研究为主要内容的毕业设计课题，帮助学生接受初步的科研尝试；在此基础上，发掘并引导优秀青年学子加入力学研究组继续深造，并精心指导其完成系统的力学科研训练，帮助其规划从事力学研究的职业生涯，为力学科学、工程事业培养后备人才。

• 基于梁的弯曲变形问题理解格林函数法

  雍华东,

  格林函数法作为求解偏微分方程的主要方法之一，是数学物理方程课的重点教学内容。格林函数在求解泊松方程及热传导方程等问题时得到了广泛的应用，但由于格林函数满足特定的定解问题并具有对称的性质，其主要内容的掌握一直是教学的难点。本文结合梁的弯曲问题和功的互等定理，阐述了格林函数及其对称性的力学意义，并对第一类和第二类边值问题的解中不同项的贡献进行了解释。相比于传统的格林函数教学方式，采用梁的弯曲问题进行讲解更为简单并易于理解。

• 层状和非均质地基附加弹性场的计算方法

  肖莎, 岳中琦,

  地基中附加应力的计算是土力学教学的重要内容。本文发展了层状和非均质地基中附加弹性场的计算方法。该方法采用点集中载荷作用下横观各向同性层状半无限空间基本解，并对加载域进行二维积分。采用加载域离散的方式考虑任意形状加载域上非均匀载荷的影响，精确计算了地基弹性场表达式中的非奇异和奇异积分。数值验证表明，本文方法具有很高的计算精度，可分析沿深度方向弹性参数任意变化的地基。计算公式表达清晰简洁，便于讲授和学习。

• 关于欧拉方程和伯努利方程适用条件的探讨

  张仪萍, 邵煜, 张土乔, 张燕, 周永潮,

  从动量守恒和能量守恒出发，详细地阐述了欧拉方程和伯努利方程的推导过程。从两个方程的推导过程可以清楚地看到，欧拉方程适用的充要条件是黏性偏应力张量的散度为零，流体黏度为零只是欧拉方程成立的充分条件而非必要条件。伯努利方程除了需要适用欧拉方程外，还需要满足流体正压、质量力有势、流动定常的条件，如果需要保持系统的总能量守恒，则正压流体条件需改为等熵流动条件。

• 基于蔡氏模量的复合材料刚度分析方法

  吉庆祥, 于开平, 王长国,

  蔡氏模量是复合材料力学领域一个新概念，可用于简化复合材料层压结构的设计、分析与优化。这一概念已得到理论验证和工程应用，但尚未在复合材料力学教学中普及。本文对蔡氏模量基本理论、教学方法与工程意义进行探讨，以提升学生对蔡氏模量的认识及应用能力。教学实践表明，该方法提高了学生对复合材料层压结构刚度的计算分析能力，增进了学生对经典层合板理论等传统分析方法的理解，有利于工程创新能力培育和新工科创新人才培养。

• 非晶固体动态力学弛豫分数阶黏弹性模型的教学方法

  乔吉超, 崔静波, 梁淑一, 朱凡,

  动态力学弛豫是理解非晶态固体力学/物理性能的一种重要手段。本文从基本的理论模型出发，介绍了弛豫行为的特性，并从最简单的德拜弛豫模型推广到适用于描述非晶固体动态弛豫的分数阶黏弹性模型，最后结合非晶合金的动态弛豫行为，介绍了分数阶黏弹性模型在工程实践中的应用。本文综合了笔者近几年对于非晶合金动态力学弛豫理论的教学实践，根据学生课堂学习效果，从教学内容与方法逻辑等方面进行探讨。本文教学方法可为讲授非晶固体动态弛豫相关课程的教师提供思路和方法。

• 靠墙直杆下滑过程的力学分析

  马小强, 李萍,

  靠墙直杆下滑问题模型对培养学生应用所学力学知识解决实际力学问题的能力具有较重要意义。本文分析了质量分布均匀的靠墙直杆的下滑过程，通过建立杆下滑过程物理模型，推导了杆下滑过程中的质心轨迹方程以及动力学方程；求解了不同条件下的动力学方程，得出了杆下滑过程的运动规律。文章重点讨论了杆在墙角静止（平衡）的条件，重点分析杆在下滑过程所受的支持力，不同接触面和初始条件下杆和墙分离的临界角，以及杆脱离墙面后的运动规律。

• 胎压差影响下车辆并装双胎滑水特性教学仿真

  曹建虎, 赵雷雷, 于曰伟, 张浩, 刘越超,

  载货车辆并装双胎滑水实验极具危险性，在高校车辆类专业教学中难以开展，且胎压差影响下的滑水机理至今尚未探明。针对该问题，基于流固耦合原理，建立车辆并装双胎-积水-路面流固耦合模型并验证有效性，探明胎压差对滑水动力学行为的影响机理，揭示不同胎压差下双胎运动状态、水膜厚度对双胎滑水特性的影响规律。结果表明：并装双胎滑水时双胎间隙存有大量积水，积水高度远超水膜厚度；并装双胎自由滚动状态时胎压差增加，滑水性能降低；相同胎压差下，防抱死制动系统（anti-lock braking system，ABS）控制状态较自由滚动状态更易发生滑水；水流竖向托举力随胎压差和水膜厚度的增大而增大。该研究可用于指导并装双胎车辆设计和使用，进一步提高湿滑路面上车辆行驶安全性，也为轮胎滑水动力学教学仿真与实验提供参考。

• 新工科背景下材料力学课程教学改革与实践

  韩铁林, 马凯, 胡义锋, 王砚,

  材料力学作为一门能解决工程实际问题的独立学科，在机械、航空航天等工科专业的基础课与专业课间起桥梁作用，也是后续力学课程的理论基础。本文通过分析材料力学课程的特点与现状，针对现行教学中存在的问题，提出课程教学方法的改革方案与研究思路，并从课堂理论教学和实验教学两方面进行了探讨。同时讨论了如何加强实验教学和理论教学的有机结合、完善考核制度和课程达成度等，以期达到提高教学质量、培养新工科背景下高素质创新型人才的目的。

• “烟渚”——奇妙的流水输运作用

  高思璐, 马兴宇, 姜楠,

  从“移舟泊烟渚”这一诗意画面说起，探讨奇妙的流水输运作用。分析了流水在塑造地貌过程中的关键作用，包括侵蚀、输运和沉积，以及这些作用如何影响地表形态的形成。通过讨论斯托克斯数与悬浮颗粒在流体中运动行为的关系以及河流中泥沙的输运和沉积模式，并以典型江心洲为例，介绍了河流地貌演变、水力学特性等，揭示了自然力作用下地貌形态与水流特性的科学规律。