力学与实践杂志

力学与实践杂志2024年第6期

• 吴耀祖 (Theodore Yao-Tsu Wu) 先生生平简介

  侯一钊,

  吴耀祖教授是一位享誉世界的流体力学家，将毕生精力贡献给了工程科学创新人才培养和前沿基础科学研究，在低雷诺数流体动力学、空泡流理论、水波理论、仿生推进理论等方面做出了具有里程碑意义的学术贡献。本文简要介绍吴先生的生平，包括他在中国的早年生活、在加州理工学院的研究生学习经历及其职业发展。本文的许多故事来源于吴先生2002年在加州理工学院进行的口述历史系列访谈记录。

• 吴耀祖先生国内学术活动回顾

  李家春,

  吴耀祖先生于2023年12月16日在美国加州逝世。在纪念吴耀祖先生逝世一周年之际，本文简要回顾吴耀祖先生的学术贡献，记录他在国内的学术交流精彩瞬间，以表达对吴耀祖先生的崇敬之心和缅怀之情。

• 气液两相自由表面流动的三维形态重构研究

  王千, 陆昊成, 牟泽宇, 尤天庆, 刘桦,

  研究气液两相自由表面流动在认识自然和工程应用中具有重要意义。本文重点介绍如何应用双目视觉技术对气液两相表面的三维形态进行重构测量，包括双目视觉系统的硬件配置、操作流程、图像后处理算法等。通过3个具体实验的实例验证了该系统的可行性，具体包括孤立波爬高破碎、结构物兴波破碎以及回转体通气空泡。结果表明，双目视觉技术在实验室尺度下能够实现高精度的气液界面三维重构，有效捕捉复杂的界面形态，为气液两相自由表面流动实验提供可靠的测量与分析技术。

• 狭窄通道内自推进鱼体游动的数值模拟研究

  辛志乾, 邓见,

  本研究数值模拟了狭窄通道内的三维自推进鱼体游动，其中鱼体摆动方向与上下壁面平行。研究发现，在相同雷诺数(Re)下，随着通道变窄(上下壁面间隙减小)，鱼体游速增快，功耗降低。在较高雷诺数(Re=2600)下，本研究的壁面间隙范围内，功耗始终低于自由游动，而在较低雷诺数(Re=410)下与自由游动功耗相比，存在不同的间隙区间。进一步研究了Re数的影响，结果表明，相同通道高度下，随着Re数降低，鱼体游速降低，但始终高于自由游动，鱼体功耗提高，但始终低于自由游动。最后，为了探究其中的物理机制，分析了鱼体产生的涡旋结构和涡量场，发现壁面效应提高了尾流射流强度，从而增大游速和降低功耗。相反地，Re数下降导致尾流射流强度下降和模式改变，从而减小游速和提高功耗。

• 多种波浪图像特征点提取匹配算法结果对比研究

  刘晔恒, 王千, 李晔,

  为了通过非接触的手段获取实验室波浪数据，本文探讨了多种波浪高度场监测技术，对比了基于双目视觉的不同图像特征提取与匹配算法的应用效果，在多功能拖曳水池内开展了实验，并根据双目相机捕获的波面动态图像数据，对图像进行了特征点的定位与匹配，实现了波浪三维形态的高精度重建。通过对不同特征提取与匹配算法实际应用效果的评估，给出了提升波浪监测技术精准度与适用性方法的实验依据与技术支撑。

• 基于点阵结构的混合结构的各向同性研究

  周樊, 于伟, 杨新俊, 袁方洋, 罗申斌,

  点阵多孔结构在力学性能上通常表现为各向异性，在多孔骨植入物工程应用中，可能因弹性模量各向异性在部分方向发生应力屏蔽效应。针对上述问题，本文借助均匀化理论和有限元方法分析了典型点阵结构的力学性能及各向同性。研究表明，结构孔隙度对各向同性有较大影响，孔隙度越大，齐纳因子越大。其中，Gyroid、边心立方单元各向同性最优，I-WP、体心立方单元均匀性较差。对Primitive、体心立方单元进行单元混合，优化结构各向同性，P60BCC65，P65BCC70，P70BCC70和P75BCC80结构齐纳因子均接近于1，其中P75BCC80点阵结构的齐纳因子为1.02，孔隙度为62.4%，在适用的骨科植入体孔隙度范围之内。

• 闸井空间掺氢天然气泄漏扩散模拟研究

  郭保玲, 张延琦, 邸鑫, 李文哲,

  天然气掺氢是氢气高效经济输送途径之一，相对天然气，氢气燃烧极限范围宽、点火能低，泄漏扩散风险高。本文建立了闸井及大气空间掺氢天然气（hydrogen-blended natural gas，HBNG）泄漏扩散模型，从浓度分布、泄漏速度、速度流线、可燃气云体积等方面对气体泄漏扩散过程进行了分析，并从管道运行压力、掺氢比、泄漏点位置等角度对泄漏扩散进行了对比研究。研究发现，增加管道运行压力和掺氢比都将增大HBNG的扩散速率；泄漏点位置对泄漏扩散影响较小，双泄漏点的泄漏射流混合会加快气体浓度增长，更易形成大体积的可燃气云。

• 基于渗透处理的3D打印岩石试样力学特性研究

  陈成, 方佳才, 方志明,

  3D打印技术应用于岩石试样制备有着诸多优势，但也存在着传统3D打印材料无法完美模拟岩石材料、3D打印类岩石试样强度偏低和3D打印类岩石试样后处理技术较少等不足。为了使3D打印技术能更好地应用于岩石试样制备，本研究尝试以某典型砂岩真实矿物组成配置的矿物粉末为打印材料，通过3D打印技术制作出2种不同级配的类岩石试样，并探究渗剂渗透后处理方法对3D打印类岩石试样力学特性的影响。研究结果表明：以矿物粉末为打印材料，按不同颗粒级配下制作出的试样的力学性能有很大差异，以水性氨基树脂对3D打印类岩石试样进行渗透处理能进一步提升试样的单轴抗压强度，树脂渗透试样在抗压强度以及破坏模式上与致密砂岩相似。研究成果为通过3D打印制备岩石试样提供了新思路。

• 砂土海床中拖曳锚–锚链一体化大变形有限元贯入分析

  李书兆, 李辉, 易丛, 郭鹏, 吴初恒, 张友虎,

  海上风电设施正经历由近海到深远海，由固定式到漂浮式的发展过程。拖曳锚作为一种成本低，承载效率高的系泊基础，在漂浮式海工结构的系泊中应用广泛。对于拖曳锚在砂土中的安装贯入轨迹，目前还没有成熟的设计方法。本文提出了一种基于耦合欧拉-拉格朗日法(coupled Eulerian-Lagrangian, CEL)的大变形有限元分析方法，通过对锚链的几何形态进行了合理简化并采用合适的锚链连接器，建立了拖曳锚-锚链的一体化大变形贯入过程有限元分析模型。通过与物理模型试验的结果对比表明，本文提出的拖曳锚-锚链一体化大变形有限元分析方法表现出较好的可靠性与准确性，为深入研究砂土中拖曳锚贯入行为提供了有力工具。

• 材料性能对加筋圆柱壳结构稳定性的影响

  陈岑, 刘尹, 朱时洋, 和卫平, 武晓雷, 张均锋,

  研究加筋圆柱壳结构在静水压下的稳定性对深海工程具有重要意义。针对材料性能对加筋圆柱壳结构稳定性的影响，本文选取两种材料——高强钢和钛合金，建立典型的结构模型，结合有限元计算和理论分析重点研究了材料的关键性能参数——杨氏模量、屈服强度以及硬化能力对加筋圆柱壳结构在静水压下的失稳临界载荷和失稳模式的影响规律。本文的工作能为加筋圆柱壳结构优化及承载能力的提升提供可靠依据。

• 变长度细长杆的屈曲特性研究

  王玲, 于思淼,

  在导管插入和钢管插入井筒的问题中常涉及变长度细长杆的屈曲问题。本文基于最小势能原理和拉格朗日乘子法，给出了变长度细长杆的屈曲控制方程，利用椭圆积分法求解了固定边界条件下变长度细长杆的屈曲响应。分析表明，由于长度的变化，结构发生屈曲后会产生构型力，构型力对屈曲响应有较大的影响。

• 基于多项式位移分布模式的空间圆弧曲梁单元有限元分析

  李整, 李奥利, 陈代海, 许世展, 杨朝旭,

  为满足曲线梁桥有限元分析的需要，根据有限元分析理论，通过引入多项式位移分布模式构造曲梁单元的位移形函数，利用虚功原理推导局部坐标系下曲梁单元的刚度矩阵和一致质量矩阵表达式，并由曲梁单元空间坐标建立局部坐标系与整体坐标系之间的坐标转换矩阵，运用Fortran语言编制相应的有限元计算程序，对比分析3种模型的静动力性能和自振特性进行验证。研究结果表明，曲梁单元模型与实体模型的计算结果吻合较好，验证了曲梁单元刚度矩阵、质量矩阵的准确性。研究结果为后续曲线梁桥的力学性能分析提供了理论参考，可以为工程实践中的设计和评估提供有力支持。

• 静钻根植桩挤土扰动圆孔扩张理论研究

  王忻, 邓岳保, 胡书豪, 张晨豪, 郑荣跃, 张日红,

  绿色环保的静钻根植桩技术在地铁或敏感性建筑附近能否应用，目前还缺乏理论分析手段。对此，结合静钻根植桩的施工特点，首先给出扰动分析物理模型与基本假设；然后，基于圆孔扩张理论推导植桩施工引起的桩周土体应力与应变，结合连续条件建立桩侧极限扩孔压力与塑性区范围的关系式；在理论与实测比较检验该法可靠性的基础上，开展多工况算例分析。结果发现：相较于传统预制桩施工方法，植桩施工极限扩孔压力下降48%，桩周土体塑性区影响范围下降57%；增加桩侧水泥土内摩擦角和黏聚力，植桩施工极限扩孔压力增大，扰动塑性区范围减小。研究成果为精细化评估静钻根植桩施工扰动效应提供了理论基础。

• 结构扰动性软土静力触探的小孔扩张力学模型研究

  黄橙, 胡希光, 刘玉石, 张宗岭, 涂佳黄,

  建立了考虑土体扰动的小孔扩张力学模型，研究软土地层中静力触探比贯入阻力与土层力学参数的关联性。通过静力触探结果分析，结合小孔扩张理论，构建了比贯入阻力与弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角及土体灵敏度间的关系模型。工程现场的淤泥质软土层变异性小，测点数据具代表性，可用于理论比对计算。验证表明，模型可准确描述比贯入阻力与力学参数间的关系，在高灵敏度土体中，受扰动土体的挤压作用增强，比贯入阻力增大。

• 摩擦效应影响下矩形移动载荷作用对地面的动力响应分析

  王震强, 李奎奎, 汪过兵,

  针对地面摩擦效应在工程车辆载荷作用下的动力响应问题，提出了一个考虑摩擦效应的三维计算模型和实用计算方法。通过将地面和地基土体视为半无限弹性体，并利用Dirac-delta函数和Heaviside函数描述矩形移动载荷，采用三重Fourier变换以及降阶法进行求解并进行算法验证及动力响应分析。研究显示，摩擦效应减弱了矩形移动载荷对地面的纵向振动位移影响，而对横向振动及振动频率分布无显著影响。当土层厚度超过10 m后振动影响基本消失，且载荷移动速度是影响振幅和频率分布的关键因素。

• 关于动点的动量矩定理及其教学处理

  陈立群, 魏莎,

  本文讨论关于动点的动量矩定理的教学。考察了几种理论力学教材中对不同形式的动量矩定理的处理，包括关于固定点的动量矩定理、关于质心的绝对和相对动量矩定理以及关于任意动点的绝对和相对动量矩定理。分别基于关于质心的相对动量矩定理和关于任意动点的绝对动量矩定理，给出了关于任意动点相对动量矩定理两种新的推导。

• 浅议振动类课程教学中的动力减振器

  于开平, 刘耀坤,

  动力减振器是振动类课程中重要的内容，理论严谨，工程应用广泛，但该部分内容在教与学两方面都相对比较困难。文章回顾并总结了邓哈托、铁摩辛柯直到最近的振动类经典教材关于动力减振器的描述。依据附加系统阻尼比本身的定义，使用变量代换，简化并给出了最佳阻尼比参数的获取过程，同时对减振器理论分析的全过程给出了教学上的几点建议，期望能促进动力减振器内容的教与学。

• 旋量理论及其在材料力学中的应用

  黄行蓉, 李敏, Jean-PierreLAINE,

  旋量理论是为力学量身定制的数学工具，在描绘刚体运动时表现出独特优势。基于材料力学中的平截面假设，构件的截面运动可分解为形心位移以及截面绕形心的旋转，从而可将截面运动视为刚体运动，故可采用旋量理论刻画构件截面的运动和受力。该描述方式在数学形式上具有统一性，在物理现象上能对应实际受载和变形的一般性，可将力学问题转变成基于旋量运算法则求解的数学问题。本研究期望能为我国材料力学教学提供新视角和新思路。

• 弹性力学平面直梁问题的一种通用求解策略

  陈李子晨, 张春利, 沈旭栋, 陈伟球,

  不同边界条件下狭长等矩形截面直梁在各种载荷作用下的响应分析是弹性力学平面问题教学的主要内容之一。针对直梁的主要边界受多项式载荷作用这一情形，介绍一种通用的理性求解策略，即根据载荷形式确定应力函数形式，进而利用严谨的数学推导一步一步获得多项式形式的弹性力学解析解。针对线性分布载荷作用下一端简支一端固支的直梁，给出了应力函数的解析表达式，通过与基于有限元法的应力计算结果的对比，验证了其正确性。

• 力学创新实验课程教学设计与实践

  伍灿, 王秋生, 王开发,

  力学创新实验课程紧扣“立德树人”、培养“杰出人才”两大主题。针对金属材料高温力学性能课程开展创新教学设计，课程内容源于基础、高于基础，以创新性、科研高阶性对学生开展创新实践训练。课程始终围绕高温力学性能研究这一科研课题，引入3种测试技术及方法开展实验教学。建立分层次、逐递进教学内容；多样化教学方式；三位一体课程思政模式；多类型考核评价法等多路径教学模式，以达到学生实验技能提升、思维提升到产生持续学习动力。通过教学实践，有效提升了本科生及研究生科研实践能力，促进学生成为“杰出人才”，实现全员全程全方位育人。

• 拉格朗日动力学方程在弹性体方程推导中的应用及其教学

  左文杰,

  为了避免牛顿力学中对微元体做受力分析的复杂过程，本文采用拉格朗日力学分别推导了弹簧质量系统、轴向杆、弯曲梁、弯曲板、三维连续体5种弹性体的拉格朗日量及其等价的动力学微分方程表达式。在弹性力学课程教学中，可以让学生从能量的视角建立控制方程，避免对微元体进行复杂的受力分析。在有限单元法课程教学中，可以让学生直接对拉格朗日量进行变分与离散。本文是对现有弹性体的拉格朗日量和微分方程的总结，有利于学生形成较为系统的知识体系。

• 弹性波理论教学之弯曲边缘波

  徐艳龙, 沈一舟, 尉亚军, 杨智春,

  在现有的弹性波理论教学中，关于弯曲波的内容相对较少，尤其缺乏关于弯曲边缘波的介绍。本文旨在填补这一教学空白，深入探讨弯曲边缘波的发现历程以及后续教学、研究的方向。同时，本文还推导了边缘波沿半无限板自由边传播的特性，并利用在自由边处构造弱刚度条带实现了对边缘波的增强引导。通过这些内容，我们希望在弹性波理论课程中增加对弯曲边缘波的教学，补充完善弯曲波的理论体系，以帮助学生更全面地了解这种特殊形式的弯曲波，从而加深对弹性波的理解。

• 从教学角度解读分子动力学模拟在金属玻璃黏弹性力学中的应用

  吕国建, 赵思瑾, 乔吉超,

  从教学的角度出发，解读分子动力学(molecular dynamics, MD)模拟在金属玻璃黏弹性力学行为中的应用。采用MD模拟从原子尺度分析金属玻璃的微观结构，为深入理解金属玻璃黏弹性行为等提供了新的视角。蠕变、应力松弛以及动态滞后等是黏弹性材料的典型特征，其在金属玻璃中均可以归为弛豫行为，即亚稳态的原子构型在外力刺激下向稳态或另一个亚稳态跃迁的过程。借助MD模拟在典型CuZr金属玻璃体系中研究这3类的黏弹性算例，让学生更好地理解金属玻璃黏弹性力学的微观行为特征，提高学生对该领域知识的理解和掌握能力。

• 虚拟仿真驱动的混合式流体力学实验教学方法探索

  李乃良, 杜雪平, 王利军,

  为满足教学模式由线下转向线上过程中的需求，在Unity3D环境下开发了虚拟仿真实验平台。该平台借助输入输出、动画模拟、人机交互等技术手段，以三维情景和动画等形式，真实、生动地展示了流体力学原理及其工程应用。利用实物实验和虚拟实验的优势，构建了虚实深度融合、线上线下并行的混合式实验教学体系。实践应用表明，该体系拓展了学生的学习方式和学习空间，提供了场景化、交互式的教学模式，有助于能动专业人才的培养。

• 木鱼花舞动的力学原理

  严志权, 孙晓蝶, 赵俊,

  木鱼花是由鲣鱼干薄片制成，在日料里常被作为调味品使用，当其撒在各种食物上时，可以观察到令人惊奇的舞动现象。本文主要通过实验观察几种木鱼花自持续运动现象，探究现象产生的力学原理，并对其进行解释。