力学与实践杂志

力学与实践杂志2025年第3期

• 数智时代弹性力学教学的初步实践与思考

  陈伟球,

  数字化、智能化的发展普及给大学教育带来了颠覆性的影响，力学“101计划”的实施对数智时代力学本科教学改革提出了独特要求。弹性力学是力学专业的核心课程，具有物理概念抽象、数学门槛较高、模型花样繁多、解题思路不一等难点。针对这些难点，结合力学“101计划”的总体要求和个人多年弹性力学教学经验，进行了思考和梳理，提出需在处理好3对主要关系的前提下，推进课程建设和高素质力学人才培养。

• 振动力学与自动控制的教材融合设计

  罗凯, 田强,

  根据力学“101计划”中动力学与控制核心课程的总体要求，本文提出将振动力学与自动控制深度融合，设计新的基础篇教材。首先，阐述振动力学与自动控制基本理论的内在联系；其次，介绍该教材的设计思路与特色，全书分为5个章节，包括绪论、单自由度系统的振动、单自由度系统的控制、多自由度系统的振动与控制，及一维无限自由度系统的振动与控制，强调系统科学思维与工程应用需求。最后，总结教材设计方案，指出不足与未来发展方向。

• 狭缝内边界附近单空泡动力学研究进展综述

  沈钧炜, 张宇宁,

  空化现象发生在阀门、轴承、叶片泵内的狭窄流道中时，会对结构表面造成严重损坏。本文总结了狭缝内不同边界附近空泡动力学研究成果，给出了不同边界的数学处理方法，介绍了预测空泡溃灭行为的开尔文冲量理论模型。展示了狭缝内不同边界附近的空泡典型实验现象，基于液体速度和开尔文冲量分布等理论结果揭示了空泡运动的机理。结果表明，开尔文冲量理论可以有效预测空泡动力学特性，为狭缝内空泡动力学研究工作提供理论基础。

• 波浪滑翔机水翼弹簧回复响应分析

  白圣民, 李灿, 马思源, 孙秀军, 池宝涛,

  波浪滑翔机吸收波浪能实现机械式推进，其水翼驱动效能一直是研究热点。本文推导了水翼弹簧机构的动力学方程，通过FLUENT-UDF方法搭建了串列水翼仿真水池，分析了对称水翼弹簧驱动模式的不足，提出通过非对称式回复模式予以改善。吊点上提形成的弹簧非对称式驱动模式，补偿了水翼和波浪的跟随相位差，使得牵引机快速进入再次下滑状态，从而可有效提高波浪滑翔机水翼驱动效能。因此工程中可根据实际尺寸，适当提高牵引机上水翼弹簧吊点的位置。

• 微尺度力学测量中的采样云纹方法

  张骋浩, 陈如, 李世清, 谢惠民, 张展飞,

  采样云纹方法作为一种新兴的光学测试技术，利用数字图像处理进行光栅相位分析，可实现低成本、高效率、高精度的物体表面变形计量。该方法能灵活调整采样参数以满足不同场景的测量需求，与扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）结合，可以实现变倍视场下的变形分析。开展微尺度下高精度的采样云纹变形场测量，需要轮廓清晰、分布规则的光栅或点阵结构，对光栅制备工艺提出了较高的要求。为进一步拓展采样云纹在微尺度力学测量中的应用，本文介绍了采样云纹法变形测量的基本原理，并且发展了一种基于激光直写光刻的微尺度制栅方法。结合自行研制的高密度光栅，进行了镍基合金 GH4169 疲劳疲劳失效行为研究，表征了疲劳过程中损伤演化与裂纹闭合效应，研究结果表明采样云纹方法在微尺度变形场测量中具有很好的应用潜力。

• 固体推进剂成型过程的热-化-力耦合数值研究

  黄钰棋, 赵红华, 白瑞祥, 雷振坤, 刘洋, 占明明,

  针对固体推进剂固化成型过程，建立了热-化-力耦合模型，研究推进剂在固化升温—保温与固化完成后冷却—脱模过程中，各阶段温度、固化度以及外表面应力的分布特性。结果表明：推进剂固化时，内部温度与固化度由外高内低逐渐转变为内高外低；在固化和固化冷却阶段，外表面应力均呈现非线性增长；较高的固化保温温度能显著缩短固化时间，但同时也会加剧推进剂内部的固化度不均，增加各阶段的最大应力与脱膜后的最大变形量。

• 硅油-水复合液滴气动破碎实验研究

  张博宇, 张英哲, 朱晨琳, 钱丽娟,

  在燃料领域，复合液滴的应用可以提高燃烧效率。针对复合液滴在气动力作用下的破碎机理，通过同轴射流方法制备硅油-水复合液滴，采用连续射流法和高速摄像技术拍摄进行探究。液滴在初始变形时期出现一种液滴形状——横飞碟状液滴，复合液滴达到这一状态所需要的时间随着韦伯数（We）的增加而减少，并进一步影响横飞碟的最大直径和变形时间。通过内外液体形态特征将实验中复合液滴的破碎划分为6种模态。气动破碎过程中外层的硅油在破碎时会带走相当大一部分能量，这导致内部水滴的破碎有明显的延迟，形成先外壳后内部的破碎顺序。此外，探究了We和黏度对其外壳剥离破碎的影响。

• 隧道洞口堆积体仰坡致害机理及其综合治理

  王伯余, 饶军应, 赵昌杰, 熊朝熙, 张小毅, 陈忆,

  掌握非对称凸形坡地段多洞室施工与滑坡的相互作用机理，并采用有效合理的支护措施及时支护，是隧道工程洞口段灾害防治体系中的一项重要研究内容。以下坝隧道为依托，采用FLAC3D建立具有实际坡面特征的有限元三维模型，结合现场监测数据特征，对由施工扰动引起的边坡失稳模式和隧道支护系统破坏特征进行了全面分析，并为工程后期施工提出了针对性的病害防治方案。结果表明：（1）现阶段实际工况的数值模拟结果与现场监测情况一致，滑体主要向泄水洞发生侧向滑动，最大位移14 cm，泄水洞边墙开裂严重，右洞衬砌多处出现明显开裂；（2）采取反压回填及双侧壁中部岩体预加固等治理措施后，坡体滑移特征明显减弱，衬砌结构变形亦得到有效控制；（3）在强风化玄武岩层内，主洞初支结构拱腰及拱脚处拉应力较大，最大达到8.5 MPa；在强、中风化玄武岩交界处，拱顶出现拉应力集中区，后期施工中应调整强风化玄武岩层段的初支参数，以提高其承载力。

• 基坑开挖对复合地基承载性状影响的简化算法

  蔺云宏, 蔡云鹏, 辛勇慧, 郭晓冬, 李明宇,

  基坑开挖会造成地层损失，改变原有土体的应力场，诱发坑外地层产生变形，对临近复合地基产生不利影响。目前研究缺少基坑开挖与临近刚性桩复合地基相互影响的计算方法。鉴于此，本文基于提出的临近刚性桩复合地基坑外主动土压力计算方法，结合单支点桩锚支护结构沿竖向的受力模式和变形特性，通过桩身离散（分段），利用矩阵传递法，提出了一种考虑临近刚性桩复合地基作用下单支点桩锚支护结构变形的简化计算方法；建立了考虑临近基坑开挖的复合地基理论计算模型，通过将数值模拟与理论计算对比分析，验证了本文计算方法的合理性；根据计算得到桩体内力，进而判断基坑开挖对复合地基桩体承载性能的影响。上述研究可为类似临近复合地基的基坑工程提供一定理论支持。

• 不同约束作用下红黏土抗剪强度特性试验研究

  穆锐, 刘元雪, 刘晓英, 陈金锋, 姚未来, 王辉, 成鑫磊,

  为研究不同约束作用下红黏土的抗剪强度变化规律及特征，以红黏土为研究对象，对不同压实度（K为80%，90%和95%）、不同含水率（w为15%，20%和30%）的重塑红黏土试样，分别进行了直接剪切试验和不固结不排水（unconsolidated undrained，UU）三轴剪切试验。结果表明：一维约束作用下，试样只发生水平剪切破坏；随着含水率降低，压实度和围压的增大，三维约束作用下红黏土试样的破坏形态由斜向剪切破坏转变为鼓状破坏或两者的组合型破坏；试样的应力-应变关系曲线呈“驼峰型”，应力软化特性显著；在一维约束作用或三维约束作用下，相较于试样的内摩擦角φ强度指标，试样的黏聚力c指标受压实度和含水率的影响作用更明显。

• 非对称内外刚性法兰连接力学性能分析与优化设计

  孟宪乔, 张树林, 齐方乐, 孙毅, 倪勇, 郑治祥,

  内外螺栓数相同的对称内外刚性法兰连接结构常被用于输电铁塔的设计与建设中。然而，由于内外法兰螺栓圆半径与周长的差异，这种对称结构在实际工程中容易产生加工与安装上的问题。为了方便加工以及现场安装，本文设计了一种内外螺栓数不同的非对称内外刚性法兰连接结构。通过商用有限元软件ABAQUS模拟分析了这种非对称刚性法兰连接结构在轴拉、弯曲以及复合加载下的受力情况，研究了螺栓分布配置与几何参数对法兰连接结构的影响。发现在非对称内外法兰中，可以使用内外螺栓的轴向拉力作为指标评估连接结构性能。结果表明：受拉时，内外螺栓受力比与内外螺栓距主管壁的距离比成线性关系，当距离比为0.925时，内外螺栓拉力相同；受弯矩时，内外圈上最大螺栓受力之比与距离之比成线性关系，距离比为0.832时，内外圈的最大受力相同；受复合载荷时，螺栓力为正弦型函数，可视为单独施加拉伸与弯曲载荷的线性叠加。此外，本文还研究了内外法兰盘交错角和螺栓预紧力对螺栓受力的影响，发现前者对螺栓受力的影响较小，在设计时可以忽略；而后者的影响随着外载荷的增加逐渐减小。因此，本文的研究可以为非对称内外法兰结构的优化设计提供理论指导。

• 电子烟可抽吸烟气生成速率的数值研究

  赵磊, 余钊圣,

  提出了一种电子烟可抽吸烟气生成速率的数值计算模型。该模型考虑了雾化芯表面由于烟液蒸发产生的能量损失以及烟气在气流通道壁面冷凝释放出的热量。通过菲克定律得到雾化芯表面的烟液蒸发速率和气流通道壁面的烟气冷凝速率。采用该模型研究了雾化芯几何外形和加热方式对可抽吸烟气生成速率的影响。结果表明：当对加热段的所有表面加热时，圆柱形与沟槽形雾化芯可抽吸烟气生成速率相当，均高于长方体形雾化芯，然而对加热面进行优化布置后，沟槽形雾化芯对应的可抽吸烟气生成速率高于圆柱形雾化芯。本文结果可为电子烟雾化芯的优化设计提供参考。另外，本文的建模方法和结果对于其他基于加热气化的雾化器（如医用加热雾化器）的优化设计也具有参考价值。

• 深海矿物随机粗颗粒碰撞破碎仿真研究

  王华昆, 刘方舟, 陈贺扬, 高婧, 余杨,

  为揭示深海采矿水力输运过程中粗颗粒的冲击破碎机理及规律，实现输运参数优化，本文通过Python程序对颗粒进行随机几何数值重构，开展了颗粒冲击破碎全过程仿真。利用校准后的数值模型研究了撞击速度、角度、粒径对颗粒破碎的影响，确定了典型的颗粒破碎形貌和质量损失率。研究表明：基于I型断裂能的脆性开裂模型可以较准确地模拟颗粒冲击破碎过程，且撞击速度占主要影响，入射角度越大颗粒越容易破碎，细颗粒不易发生破碎，大粒径在低速下也可能产生明显破碎。

• 振动力学中Duhamel积分应用的思考

  孙玉鑫, 邢誉峰,

  Duhamel积分也称为卷积积分，通常满足交换律，它给出任意载荷作用下线性动力系统的一般解。本文经过数学和物理分析发现，在分段定义载荷作用时，Duhamel积分不再满足交换律，即使对连续载荷进行分段计算，也不满足交换律。在此基础上，明确了正确的分段计算方法。算例验证了所得结论。

• 点的合成运动的弧坐标法分析

  于红军, 张莉, 黄凯, 姚辽军,

  给出了动点的绝对运动、相对运动和牵连运动的弧坐标描述，分析了相应的速度和加速度的自然坐标分量，并采用弧坐标法严格推导了点的速度合成定理和加速度合成定理，帮助读者加深对点的合成运动的理解。

• 固体力学核心课程一体化建设的知识图谱构筑

  王宏伟, 陈绘锦,

  为了响应新时代高等教育数字化与智能化的号召，解决固体力学教学中各专业课程知识点分散、知识碎片化和缺乏系统性整合的问题，打破固体力学学科核心课程间的壁垒，实现知识点的有机衔接和深度融合，笔者开展了固体力学学科核心课程的一体化建设实践，设计了涵盖材料力学、弹性力学和塑性力学等专业课程概要梳理、知识层划分、知识点凝练、知识元关联和智能检索的建设方案，构筑了固体力学学科核心课程的知识图谱，实现了固体力学知识体系的有机融合。固体力学核心课程的知识图谱构筑旨在有机整合各专业课程，合理区划知识层级，衍新知识点框架体系，拓展知识元深度，形成深度关联和多链成网的知识体系，实现固体力学核心课程的一体化建设。

• 赛教融合的基础力学教学改革与实践

  李道奎, 孙海涛, 周仕明, 申志彬, 李海阳, 梁彦刚,

  全国周培源大学生力学竞赛发展至今，对基础力学教学改革起到了重要的推动作用。本文在总结各阶段全国周培源大学生力学竞赛试题特点的基础上，介绍了我校（国防科技大学）在改革课程体系、竞赛培训等方面的一些做法，并对今后的竞赛命题思路进行了展望。

• 木梁弯曲的教学拓展与实践创新

  高颖盈, 胡潇毅,

  木材具有复杂的微观结构和特殊的力学性能，理应在材料力学教学中占据一席之地，以启发学生全面掌握材料力学原理。为此，在课外进行了木梁弯曲实验的教学拓展。教师选定木材种类和横截面尺寸后，交由学生搭建适当跨度的木梁，要求其利用身边的物品构建加载和测量装置，并独立完成实验。教师根据实验设计的独立性、结果的准确性和方法的新颖性做出质量评定，并引导学生结合材料力学基本假设以及木材特性进行实验误差分析，实现完善学生知识结构、优化学生能力素质的预期目标。

• 土力学教学数字化转型−教材建设与课堂实施的协同发展

  吕龙龙, 张卫兵, 余鹏,

  在数字教育变革中，土力学正从单向教学模式向数字化教学模式转变。本文聚焦于数字化教学重塑土力学教学与学习过程，阐释了土力学数字化教育转型升级是通过信息技术革新学习生态系统、数字化课程资源、教学模式和教育评价方式。以宁夏大学为例，展示了土力学数字教材建设与课堂实施的协同优化发展，揭示了数字化教育转型打破教育资源及传统教育空间壁垒，实现个性化人才培养、弹性教学和线上线下融合的教育新形态。

• 趣味“桁架”教学资源的探索和分析

  陈培见, 彭娟, 赵慧明, 沈晓明, 张桂民,

  桁架结构由杆件系统组装而成，安装方便且扩展性强，因而在工程中应用广泛。由于其重要性，理论力学、材料力学和结构力学等核心课程均涉及其内力分析。然而，现有教学多聚焦“理想桁架”“内力计算”等知识点，易削弱学生兴趣，导致教学效果不佳。通过总结与调研，本文挖掘了桁架结构中颇具启发性的科学知识，包括其读法、定义、杆件内力分析、零杆必要性及稳定性等。这些知识既拓展了课本内容，又具科普意义。在教学实践中，通过合理设计将这些资源融入课程，能显著提升学生和青年教师对桁架结构的理解。

• 叠加法计算简支梁任意截面位移

  苑学众,

  简支梁在某一截面的位移可由以该截面为固定端、并把支座用其约束力替代形成的两个悬臂梁的自由端的挠度计算。两个悬臂梁的自由端的挠度可以方便地用叠加法求出。用单位载荷法证明了计算截面位移的公式。公式简洁易用。该方法适用于任意简支梁。

• “微纳尺度力学分析与计算”在机械学科研究生培养中的作用

  陈浩, 张韵, 程广贵, 张忠强,

  随着现代机械学科加速向纳米尺度发展，微纳尺度力学分析与计算在机械学科研究生培养中日益成为重要的交叉学科领域。这一领域融合了机械工程、材料科学及计算科学等多学科知识，为机械学科研究生提供了丰富的研究与应用机遇。笔者基于所在学院的多学科布局，探索将“微纳尺度力学分析与计算”融入机械学科研究生培养方案，通过构建跨学科人才培养模式、优化课程资源配置，引导学生建立跨学科、跨领域的知识体系，旨在为新时代培养高水平复合型人才探索有效路径。

• 从“野光浮”现象探讨光的散射与力学应用

  胡传奇, 马兴宇, 姜楠,

  通过赏析古代诗词中的“野光浮”现象，探讨自然界中的丁达尔效应，进而分析不同尺度的微小粒子对光波的米氏散射与瑞利散射的规律，并以激光粒子图像测速技术和基于纳米粒子示踪平面激光散射技术为例，分别介绍米氏散射和瑞利散射在流体力学光学测量中的应用。

• 第十四届全国周培源大学生力学竞赛（个人赛）材料力学试题考核要点

  江晓禹, 龚晖, 李翔宇, 高芳清, 张娟, 史智, 唐达培,

  对第十四届全国周培源大学生力学竞赛（个人赛）试题的材料力学试题部分进行了概要分析，包括介绍命题原则与思路，说明各个题目的知识考核要点以及解题思路，为组织和参加全国周培源大学生力学竞赛的广大师生提供相关教研和学习交流的参考。

• 第十四届全国周培源大学生力学竞赛（个人赛）理论力学试题考核要点

  葛玉梅, 谢建华, 高芳清, 刘菲, 鲁丽, 李翔宇,

  对第十四届全国周培源大学生力学竞赛（个人赛）试题的理论力学试题部分进行了概要分析，包括介绍命题原则与思路，说明各个题目的知识考核要点以及主要解题思路，为组织和参加全国周培源大学生力学竞赛的广大师生提供相关教研和学习交流的参考。

• 中国空间轨道设计竞赛首次本科生赛道举办探索情况总结

  朱阅訸, 杨震, 罗亚中,

  第十三届中国空间轨道设计竞赛首次开设了本科生赛道，并创造性地引入了基于软件解题的竞赛新模式。赛题以快速响应空间任务为背景，要求各参赛队巧妙设计星座构型与轨道机动方案，以最优化应急对地观测任务的指标。本次竞赛面向所有参赛者提供了航天任务工具箱软件ATK（Aerospace Tool Kit），参赛者可利用ATK内置工具辅助解题并随时进行结果验证，解题效率得到了显著提高。共有来自全国19所高校的79支队伍报名参赛，报名参赛和提交结果队伍数量均创历史新高。经过7天的激烈角逐，清华大学二年级本科生团队最终获得了冠军。本文总结本次竞赛的举办情况，重点介绍赛题、创新点、结果排名以及赛后问卷情况。基于本次竞赛的探索经验，计划在2025年第十五届全国周培源大学生力学竞赛中增设“空间轨道设计”团体赛赛道。